基于单目视觉的三维姿态测量方法与系统实现

论文摘要

随着机器视觉理论的日趋成熟以及视觉传感器向着高速,高精度,高灵敏度方向的大步迈进,单目视觉测量技术的应用也越来越广泛,已一跃成为航空航天,工业自动化,人工智能等领域新的热点。本文以高精度旋转气浮台为载体,以精确测量运动目标的三维姿态角为目的,研究了基于单目视觉的姿态测量系统中图像预处理、摄像机标定等图像问题同时对不同的基于单目视觉的姿态解算算法进行了比较分析,在此基础上搭建了系统的软硬件实验平台。首先,定义了相机坐标系,目标坐标系以及像平面坐标系,分析了坐标系间的关系,在此基础上建立了基于单目视觉的姿态测量系统理想模型,并基于此模型研究了单目视觉姿态测量原理。其次,阐述了特征靶标设计原则,根据此原则设计了非共面特征点靶标以提高系统精度;并对摄像机标定算法进行了研究,在综合考虑相机和目标特性后,采用了两步标定法对摄像机进行标定;同时介绍了图像预处理的流程、原理以及特征点定位原理与算法。图像预处理包括图像滤波与图像分割两部分。根据相机获取的图像易产生孤点噪声和边缘模糊等特性选择了中值滤波算法并验证了中值滤波对实际图像的滤波效果。此后,利用阈值分割原理对图像进行特征点与背景的分割。对进行过预处理的图像进行特征点定位,本文采用的特征点定位算法具有快速,简单的特性同时通过实验证明能够保证提取精度。再次,研究了基于单目视觉的线性姿态解算算法以及基于共线性方程的迭代算法。在阐明两种算法不同解算原理的基础上,进行了仿真实验并以此为依据分别总结了两种算法适用的不同实验环境。综上,确定了基于共线性方程的迭代算法适用与本实验系统,给出了基于单目视觉的姿态测量系统的总体实现方案。最后,搭建了基于单目视觉的姿态测量系统的软硬件平台。配合已有的相机控制软件和图像采集软件开发了图像存储以及姿态解算软件。整个实验系统搭建成功后,配合高速摄像机进行了姿态解算实验,给出了实验结果,同时进行了误差分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 视觉测量研究现状
• 1.2.1 计算机视觉研究现状
• 1.2.2 单目视觉测量方法研究现状
• 1.2.3 单目视觉测量关键技术分析
• 1.3 论文主要内容及章节安排
• 第2章 单目视觉姿态测量原理
• 2.1 引言
• 2.2 单目视觉测量理想模型
• 2.2.1 坐标系定义
• 2.2.2 单目视觉测量理想模型
• 2.3 单目视觉测量原理
• 2.4 本章小结
• 第3章 特征靶标设计、摄像机定标与图像处理技术
• 3.1 引言
• 3.2 特征靶标设计
• 3.2.1 特征点布点原则
• 3.2.2 靶标设计
• 3.3 摄像机标定
• 3.3.1 非线性摄像机模型
• 3.3.2 径向约束两步法解算投影矩阵
• 3.3.3 仿真算例
• 3.4 图像预处理
• 3.4.1 中值滤波
• 3.4.2 图像分割
• 3.5 特征点定位
• 3.5.1 特征点定位原理
• 3.5.2 仿真结果分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于单目视觉的姿态解算
• 4.1 引言
• 4.2 线性姿态解算算法
• 4.2.1 线性解算算法
• 4.2.2 仿真实验分析
• 4.3 基于共线性方程的迭代算法
• 4.3.1 基于共线性方程的迭代算法原理
• 4.3.2 迭代流程
• 4.3.3 仿真实验分析
• 4.4 两种算法特性分析与比较
• 4.5 本章小结
• 第5章 测量系统实验平台搭建与实验结果分析
• 5.1 引言
• 5.2 基于单目视觉的姿态测量系统实验平台搭建
• 5.2.1 实验平台硬件构成
• 5.2.2 软件实验平台实现
• 5.3 系统实验验证分析
• 5.3.1 图像预处理及特征点定位应用分析
• 5.3.2 线性姿态解算算法应用分析
• 5.3.3 非线性姿态解算算法实验验证分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢