基於逆透視投影變換的單目視覺定位方法
2023-05-22 04:12:11
專利名稱：基於逆透視投影變換的單目視覺定位方法
技術領域：
本發明涉及攝像測量和圖像處理技術領域，進一步是涉及一種利用逆透視投影變換算法對運動平臺進行單目視覺定位的方法。
背景技術：
汽車自主駕駛技術是近年來國內外研究的熱點問題，其中的關鍵技術是如何對輪式車輛實現實時準確的自定位。目前，常用的定位方案是利用GPS(Global Position System，全球定位系統)加IMU(Inertial Measurement Unit，慣性測量裝置)的組合導航系統，但是一般價格較為昂貴，而且當所處環境使得運動平臺無法接受到GPS信號時，該方案無法完成定位功能。現有的視覺定位方法主要分為立體視覺定位和單目視覺定位兩大類。立體視覺定位法在三維空間內檢測環境特徵點，並在此基礎上估計輪式車輛的運動情況。它存在以下缺點一是算法複雜，較為耗時，很難滿足實時性要求；二是當環境背景無明顯紋理特徵時，提取的特徵點數量有限，會導致算法出現較大的測量誤差。因此，立體視覺定位法要達到真正的工程化應用水平仍需時日。與之相比，單目視覺定位方法以假設路面較為平坦為前提，通過求解圖像序列間簡單的位移關係來實現輪式車輛行駛軌跡的解算。其算法簡單，時效性強，且安裝容易。但是，傳統的單目視覺定位方法需要滿足路面平坦且相機姿態不隨輪式車輛運動而變化等應用條件。呂強等在「基於SIFT特徵提取的單目視覺裡程計在導航系統中的實現」一文中對單目視覺定位技術進行了研究(傳感技術學報，第20卷，第5期，1148-1152頁)，它對相機拍攝的透視圖像直接進行SIFT特徵匹配，根據推導的理論模型由匹配點算出輪式車輛運動狀態。由於透視圖像具有將真實景物變形為近大遠小的效果，則圖像上提取到的特徵點對應在世界坐標系下的點距離輪式車輛越遠，其導致的圖像映射關係解算誤差將越大。若在距離輪式車輛較近處環境紋理特徵單一，特徵點難以提取，則算法會出現較大的測量誤差，甚至失效。由於該文的理論模型進行了一定程度的近似，同時沒有考慮到相機在隨著輪式車輛運動時，難免會出現姿態變化的問題，且直接對透視圖像進行特徵匹配也存在一定的局限性，導致最終的定位精度不夠理想。
發明內容
本發明解決的技術問題是針對現有視覺定位技術的不足，提出一種基於逆透視投影變換的單目視覺定位方法，較立體視覺定位法而言本發明算法簡單，易於實現；和現有的單目視覺定位方法相比，本發明具有較高的定位精度。本發明所採用的具體技術方案如下將姿態傳感器與相機固定在一起，並且相機的放置位置使相機可以拍攝到車身周圍任何一個方向上的路面。根據需要設置相機的幀頻和解析度。相機幀頻的設置需要保證在輪式車輛正常行駛過程中，相機拍攝的相鄰兩幅圖像對應的視場區域有重疊的部分。假設記錄輪式車輛行駛軌跡曲線的起始時刻為、，該時刻相機拍攝的圖像為P1 ；在時刻、(i =1，2. . .，n，其中η為圖像總數)，相機拍攝到第i幅圖像Pi,姿態傳感器獲得的相機姿態角為 。實施下述步驟第一步，對圖像序列進行逆透視投影變換。在時刻ti，由相機姿態角％獲得相機外參數矩陣Ai,結合相機內參數矩陣獲得圖像的逆透視投影變換矩陣&。根據獲得的逆透視投影變換矩陣Bi,對在時刻、拍攝的圖像Pi進行逆透視投影變換，獲得路面正下視圖P' i。假設所有時刻的路面正下視圖P' i組成正下視圖序列P' i;P' 2，L，P' n。第二步，計算相鄰圖像間的變換矩陣。對正下視圖序列P' i;P' 2，L，P' n的任何相鄰圖像P',和…q+1,q= 1,2,1, n-1，進行下述處理第(1)步，提取特徵點。使用SURF特徵描述算子對相鄰圖像P',和？' μ進行特徵提取，特徵提取後圖像P',的特徵點集為Ftl，圖像P' M的特徵點集為Fq+1。每幅圖像特徵點集的特徵點個數與圖像的解析度、紋理複雜度和SURF算子的參數設置有關，可根據使用需要確定。第⑵步，獲取圖像間剛體變換模型的參數。對相鄰圖像P',和？' ，建立剛體變換模型描述兩幅圖像之間的變換關係，剛體變換模型如下
權利要求
1. 一種基於逆透視投影變換的單目視覺定位方法，其特徵在於，將姿態傳感器與相機固定在一起，並且相機的放置位置使相機可以拍攝到車身周圍任何一個方向上的路面；根據需要設置相機的幀頻和解析度；相機幀頻的設置需要保證在輪式車輛正常行駛過程中， 相機拍攝的相鄰兩幅圖像對應的視場區域有重疊的部分；假設記錄輪式車輛行駛軌跡曲線的起始時刻為ti，該時刻相機拍攝的圖像為P1 ；在時刻、(1 = 1,2.., n，其中η為圖像總數)，相機拍攝到第i幅圖像Pi,姿態傳感器獲得的相機姿態角為％ ；實施下述步驟 第一步，對圖像序列進行逆透視投影變換；在時刻由相機姿態角％獲得相機外參數矩陣Ai,結合相機內參數矩陣獲得圖像的逆透視投影變換矩陣Bi ；根據獲得的逆透視投影變換矩陣Bi,對在時刻、拍攝的圖像Pi進行逆透視投影變換，獲得路面正下視圖P' i ；假設所有時刻的路面正下視圖P' i組成正下視圖序列P' i;P' 2，L，P' n； 第二步，計算相鄰圖像間的變換矩陣；對正下視圖序列P' i;P' 2，L，P' n的任何相鄰圖像P',和…q+1,q= l,2,L,n-l, 進行下述處理第⑴步，提取特徵點；使用SURF特徵描述算子對相鄰圖像P' JPP' μ進行特徵提取，特徵提取後圖像P' q 的特徵點集為F,，圖像P' q+1的特徵點集為Fq+1 ；每幅圖像特徵點集的特徵點個數與圖像的解析度、紋理複雜度和SURF算子的參數設置有關，可根據使用需要確定； 第( 步，獲取圖像間剛體變換模型的參數；對相鄰圖像P',和？' ，建立剛體變換模型描述兩幅圖像之間的變換關係，剛體變換模型如下
全文摘要
本發明提供一種基於逆透視投影變換的單目視覺定位方法，採用的技術方案如下將姿態傳感器與相機固定在一起，安裝在輪式車輛上，對行駛過程中拍攝的圖像進行下述處理第一步，對圖像序列進行逆透視投影變換；第二步，計算相鄰圖像間的變換矩陣；第三步，確定輪式車輛行駛軌跡曲線。本發明的有益效果是利用姿態傳感器獲得的實時姿態信息輔助輪式車輛的定位，獲得了較高精度的定位結果；將圖像進行逆透視投影變換，消除了透視效果，進一步提高了輪式車輛定位精度。
文檔編號G01C11/08GK102221358SQ20111007094
公開日2011年10月19日 申請日期2011年3月23日 優先權日2011年3月23日
發明者馮瑩, 曹毓, 楊雲濤, 趙立雙, 陳運錦, 雷兵, 魏立安 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學