基于ICP算法的双目标定改进方法研究

双目视觉作为一种非接触三维(3D)测量技术,其位姿标定结果的好坏将直接影响3D物体测量的精度。基于迭代最近点(ICP)算法获得两组点集之间平移和旋转参数的原理,提出了一种在传统双目位姿标定结果的基础上补偿双目标定矩阵改善精度的方法。介绍了摄像机模型、双目视觉测量模型和ICP算法的基本思想。用双目摄像机标定的外参数和相同的靶标坐标系获得双目视觉位姿矩阵,在此提出基于ICP算法获得两组点集的旋转平移矩阵补偿双目位姿矩阵的方法,以及相应的靶标角点坐标投影误差分析模型。双目摄像机采集9组5×7个角点的靶标标定图像,应用ICP算法补偿双目位姿矩阵,并采用误差模型对9组标定结果进行了分析,双目结构光标定改进实验结果表明,应用ICP算法补偿双目标定模型能显著地提高双目标定的精度。     

基于光流反馈的单目视觉三维重建

提出一种基于光流反馈的单目视觉三维(3D)重建方法,实现对场景快速、准确的3D立体化建模。由帧间光流场建立更为稳健的同名像点匹配关系,同时运用五点算法估计摄像机的相对位姿,以构建稀疏点云和初始网格。从运动视觉分析的角度寻求多视重构的求解方法,将重建模型反馈至重建过程,用各视图像的偏差驱动模型变形。将粗略、不准确的原始网格曲面经过致密的非刚性变形,调整至精确的曲面。在统一计算设备架构下,利用图形处理器对光流算法进行并行加速,显著提高了重构算法运行的实时性。室内真实场景下的重建结果证明了所提算法的可行性与准确性。     

多摄像机系统位姿估计的广义正交迭代算法

目前,多摄像机系统的位姿估计还缺乏系统的方法,它通常通过求解透视n点问题或者求解使两组3D点集之间平方和误差最小的刚体变换来解决,这些方法都有局限性.正交迭代算法是基于点特征的单目视觉算法,快速且全局收敛,是目前性能最优的实时位姿估计算法之一,被广泛应用.提出了一种广义正交迭代算法把所有摄像机获取的全部图像作为整体计算得到相对位姿参数,是通用的多目视觉位姿估计算法.算法先把所有摄像机数据进行统一表达,再把所有摄像机观测到的全部特征点的目标空间共线性误差平方和作为误差函数,最后经数学推导得到使该误差函数最小化的迭代求解过程.实验结果验证了算法的有效性以及在多摄像机系统位姿估计中的优越性.     

基于位姿约束的大视场双目视觉标定算法

为了提高大视场、远距离的双目摄像机标定精度,提出一种基于位姿约束的摄像机标定算法。该方法利用双目摄像机之间的三维位姿关系是刚体变换这一属性,标定出左、右摄像机相对位姿的外部参数。利用相对位姿为约束条件求取摄像机的初始内部参数,剔除较大的重投影误差值对应的标定图像组,重复迭代直至重投影误差平均值小于指定值,得到多个待优化的摄像机内部参数。再将最后标定图像组的角点坐标、待优化的摄像机内部参数和相应的外部参数,建立一个以角点三维重构坐标值与实际设定角点三维坐标值的模均值为最小的目标函数,求解出双目摄像机标定参数的最优解。该方法很好地解决了误差大的标定图像造成的影响,且充分利用了双目摄像机之间的位姿约束关系。通过仿真和标定实验可以看出,本文方法可以实现大视场双目摄像机的高精度标定。     

无人直升机自主着舰的光学3D测量解析算法

推导了一种用于无人直升机自主着舰的相对位姿单目单帧视觉测量算法。设计了基于正方形主特征的着降区域平面特征图案,根据几何透视投影学理论,采用摄像机针孔模型,以特征图案主正方形四角点的物理坐标和图像坐标作为输入,并以正方形邻边的垂直特性作为束缚条件,推导出了位置和姿态6个参数的解析表达式。通过在实验室环境下对真实图像的测量表明,当特征图案主正方形边长为0.1m(等效实际甲板特征图案边长1m)和相对距离为1m(等效实际距离10m)左右时,位置参数RMS误差小于0.2cm(等效为2cm),姿态参数RMS误差小于1.2°,算法具有很好的稳定性,可用于无人直升机着舰过程中的位姿测量。     

垂直直线特征的双目视觉位姿测量方法

针对直线特征,提出了基于两条垂直直线特征双目视觉位姿测量解析算法。该算法根据直线特征和其在摄像机图像上投影直线共面性质建立模型,利用单位四元素法简化了投影模型变量,进而在仅知被测物体上两条直线相互垂直的信息,利用两条垂线投影在两个摄像机图像上四条直线图像,求解出被测物体的位姿参数。同时分析了退化情况下位姿求解方法,即当直线向量平行于两个摄像机基线向量时,直线向量在左右摄像机投影到同一条直线上时的位姿求解方法。基于Matlab仿真实验表明该算法对于噪声具有一定的稳健性,即使两条直线不垂直而有一个角度误差时,仍能保证一定的精度。实物实验表明该算法可以满足一般测量精度要求。     

硬管式无人机AAR双目视觉导航算法研究

针对硬管式无人机自主空中加油近距编队阶段的相对位置和姿态估计问题,研究了基于双目视觉的相对位姿估计算法。该算法采用Harris方法提取特征点,并对其进行快速匹配,通过Sampson方法三维重构获得特征点在摄像机坐标系下的三维坐标,以重构误差平方和最小为准则建立目标函数,利用单位四元数法求解位姿参数。最后利用仿真平台验证双目视觉位姿估计算法的有效性。结果表明:相对位置误差低于0.1 m,相对姿态误差小于0.5°,其精度满足自主空中加油相对导航性能要求。     

激光投影成像式运动目标位姿测量与误差分析

为了实现室内运动目标位姿的高精度测量,建立了一套激光投影成像式位姿测量系统.该系统利用两两共线且交叉排列在同一平面上的点激光投射器作为合作目标捷联在运动目标上,通过与光斑接收幕墙的配合共同组成运动目标位姿测量基线放大系统,利用高速摄像机实时记录幕墙上投影光斑的位置,利用摄像机标定结果求解投影光斑的世界坐标,利用投影光斑之间构成的单位向量建立运动目标位姿解算模型.最后,根据测量原理推导了图像坐标提取、摄像机外部参数标定、光束直线度与目标位姿解算结果之间的误差传递函数.实验结果表明,当摄像机的视场范围为14 000mm×7 000mm时,测量系统的姿态角测量精度为1′(1δ),位置测量精度为5mm,且误差大小与目标位姿测量误差传递函数理论计算值一致,验证了本文提出的目标位姿测量方法与测量误差传递模型的准确性,能够满足目标位姿测量高精度的要求.     

基于合作目标姿态测量的新型摄像机校准方法

针对在姿态测量中摄像机成像的复杂畸变问题,提出了一种新型的摄像机校准方法。该方法不需要高精度的标定参照物,只需要利用标定靶标间的相互约束关系建立摄像机内参数与靶标特征的约束方程,从而线性求解摄像机内参数。通过非线性优化方法优化摄像机内参数,完成摄像机的标定。仿真和实验结果表明,所提出的算法对图像噪声不敏感。测量精度和可靠性都得到有效的改善,精度可达0.03pixel,说明该算法在合作目标的姿态测量中具有方法易于实现、测量精度高、可靠的优点。     

基于正三角形平面模板的摄像机标定与重建

提出一种采用正三角形平面模板标定摄像机内参数并进行重建的方法。模板包含一个正三角形和其重心至3个顶点的连线。用摄像机拍摄3幅以上不同位姿的模板图像,并提取每幅图像上角点的亚像素级坐标,然后计算消失点并拟合消失线,再由两组正交直线的消失点求得圆环点的图像坐标,最后线性求解出摄像机内参数。给出了两种弱化条件的模板,并介绍了恢复欧氏尺寸和摄像机部分外参数的方法。该方法降低了对标定模板的要求,模拟实验和真实实验的结果证明了其具有较高的标定精度。     

倒谱在混合模糊图像分析中的应用

降晰参数识别在模糊图像恢复过程中具有很重要的作用。在各种图像捕获系统中,有两种形式的图像模糊比较常见:一种是由光学系统散焦造成的散焦模糊;另一种是物体与照相机之间的相对运动造成的运动模糊。相对单个模糊模型的参数识别来说,混合了散焦和运动模糊的图像,其模糊参数的识别要复杂得多。许多识别方法一般都是用来分析某一特定的模糊模型的,而对两种模糊混合在一起的情况来说是很难区分的。提出了一种倒谱分析方法,在倒谱域同时对这两种模型参数进行识别。在分析过程中,仍需要利用这两种模糊模型在频域的特征,首先应用一些调整性的变换,然后再转换到倒谱域,以便更准确地评估模糊参数。     

基于广义正交迭代算法的立体视觉定位

提出了一种新的基于广义正交迭代算法的立体视觉定位.该算法通过提取CenSurE局部特征和相应的U-SURF描述符,采用SAD方法进行子像素立体匹配,并利用U-SURF描述符匹配进行前后帧图像特征跟踪.在RANSAC框架下对匹配点进行3D-3D运动估计获得了运动参量的初始值.由于3D-3D运动估计使3D点集间欧式距离误差...     

基于广义正交迭代算法的立体视觉定位

提出了一种新的基于广义正交迭代算法的立体视觉定位.该算法通过提取CenSurE局部特征和相应的U-SURF描述符,采用SAD方法进行子像素立体匹配,并利用U-SURF描述符匹配进行前后帧图像特征跟踪.在RANSAC框架下对匹配点进行3D-3D运动估计获得了运动参量的初始值.由于3D-3D运动估计使3D点集间欧式距离误差最小,而3D特征点坐标受噪音影响很大,因此运动估计误差也较大.本文把广义正交迭代算法应用到立体视觉定位方法中,得到使立体相机目标空间共线性误差最小的运动估计参量,由于共线性误差比3D-3D运动估计算法中的共点误差受噪音影响更小,从而大大较少了运动估计误差.仿真实验和户外真实实验表明：本文算法获得了较高的计算准确度、鲁棒性和实时性,优于传统方法.     

一种鲁棒的目标跟踪方法

针对传统特征光流场跟踪方法中由于误差积累和错误匹配而导致的特征点丢失问题,基于一种新的Harris-SIFT特征点表示方法,提出基于预测帧与关键帧的算法框架,实现了光流场运动估计与局部特征识别相结合的目标跟踪方法.预测帧利用塔式分解和递归算法计算特征点的光流场运动矢量,使用运动矢量直方图获取目标的运动矢量,并剔除误匹配点;当特征点数量小于5个时,关键帧使用Harris-SIFT特征点进行局部特征匹配,利用仿射模型对目标精确定位及姿态修正.实验结果表明,本方法对视频序列中的纹理特征目标跟踪的鲁棒性较好,在背景复杂、目标遮挡或暂时丢失情况下,仍可以继续完成目标的可靠跟踪.     

一种鲁棒的目标跟踪方法

针对传统特征光流场跟踪方法中由于误差积累和错误匹配而导致的特征点丢失问题,基于一种新的Harris-SIFT特征点表示方法,提出基于预测帧与关键帧的算法框架,实现了光流场运动估计与局部特征识别相结合的目标跟踪方法.预测帧利用塔式分解和递归算法计算特征点的光流场运动矢量,使用运动矢量直方图获取目标的运动矢量,并剔除误匹配点;当特征点数量小于5个时,关键帧使用Harris-SIFT特征点进行局部特征匹配,利用仿射模型对目标精确定位及姿态修正.实验结果表明,本方法对视频序列中的纹理特征目标跟踪的鲁棒性较好,在背景复杂、目标遮挡或暂时丢失情况下,仍可以继续完成目标的可靠跟踪.     

基于几何代数的彩色光流场计算

提出了一种新的基于几何代数的彩色光流场计算方法.从新的角度出发讨论了运用几何代数的概念来解决彩色图像序列的可行性和简便性.在几何代数域内对彩色图像序列用多重矢量表示,证明了彩色光流场分析时进行约束条件时的测量问题,通过多重矢量而非多通道的图像处理方法来表示图像连续特性,从而扩大了测量范围;然后依据物体色彩在运动过程中保持不变的原理,在几何代数域内推导了彩色图像序列的光流约束方程及其解法.结果表明,该算法能够显著提高各种情况下的彩色光流场计算能力.     

基于单站地基望远镜的空间目标姿态估计方法

为实现从单站光测图像中估计出已知3D模型的空间目标姿态,利用Vega Prime提出了一种采用仿真图像进行相关度局部最优搜索的姿态估计方法,该方法无需建立2D-3D特征投影关系和大量的模型匹配库。首先,对输入图像进行图像预处理,获得目标原始图像。然后,利用Vega Prime加载目标3D模型生成仿真匹配图像,并进行图像预处理获得目标匹配图像,计算两幅图像相关度。最后,更新3D目标模型姿态,直至仿真匹配图像与目标原始图像的相关度值取得局部最优,输出目标模型姿态。仿真实验结果表明,采用本文所提方法的观测仿真图像姿态平均估计误差为3.85°,仿真原图可实现姿态准确估计,表明该方法是一种空间目标姿态估计的有效方法。     

基于线阵CCD空间滤波效应的航空相机像移速度测量方法

基于空间滤波测速原理,提出了利用线阵CCD空间滤波效应进行航空相机像移速度测量的新方法。对线阵CCD输出图像进行隔行采样,模拟了多狭缝的空间滤波特性,实现了对航空相机像移速度的光学非接触测量。通过研究空间滤波器的功率谱密度函数,对影响线阵CCD空间滤波特性的关键因素进行了特性分析,并在实验上验证了利用线阵CCD推扫图像模拟多狭缝空间滤波器测量像移速度的可行性。结果表明,对于5～53.2 mm/s范围内的像移速度,测量误差导致的像移量误差不大于1/3 pixel,能够满足航空相机像移补偿精度的要求。     

机载光电观瞄系统的瞄准线指向线性运动补偿方法

为方便操作员快速捕捉并瞄准目标,提出一种适用于机载光电观瞄系统的线性运动补偿方法。该方法借助地面目标相对载机在初始东北天坐标系下的速度矢量进行分解,得出目标相对光电系统在惯性坐标下的角速度,并根据解算出的角速度值实时进行伺服补偿,驱动光电转塔于手动模式下,当操作员不操控光电转塔时,系统的瞄准线能够自动地指向地面目标区域。该方法已在某型无人机用光电观瞄系统挂飞试验中进行了验证,结果表明:在电视观瞄具的小视场（0.70.5）下,地面目标点、瞄准线指向点相对载机点的张角在方位和俯仰方向均小于该视场的1/6。