一种基于CCD云纹位移放大效应的单目位姿变化估计方法

本发明涉及摄像测量与计算机视觉，尤其涉及一种基于ccd云纹位移放大效应的单目位姿变化估计方法。

背景技术：

1、单目位姿变化估计是摄像测量和计算机视觉领域中的重要技术分支，其核心任务是根据相机位姿变化前后所拍摄的图像，求解相机坐标系在空间中的位姿变化量，包括三个方向的旋转角度和三个方向的平移量。该技术能够将不同时刻或不同状态下的测量结果统一至参考坐标系，从而实现测量数据的坐标统一和对比分析。基于其灵活性和成本优势，单目位姿变化估计已广泛应用于振动测量、非通视结构变形监测、机械部件装配引导等多种工程场景。

2、在现有的单目位姿变化估计方法中，合作目标类方法因其精度较高而得到广泛采用。该类方法的基本原理是：在合作目标上预先设置若干个标志点，并精确测定这些标志点的三维世界坐标；在相机位姿变化前后分别拍摄合作目标图像，提取各标志点在图像中的二维像点坐标；然后利用透视点多点（pnp）算法分别求解位姿变化前后相机坐标系相对于合作目标世界坐标系的旋转矩阵和平移向量；最后通过坐标系变换关系计算得到相机的位姿变化量。由此可见，该类方法的核心环节包括合作标志点的图像坐标提取、透视点多点算法单目位姿估计以及位姿变化量求解三个部分，其中前两个环节直接决定了最终位姿估计的精度。

3、然而，现有技术普遍受制于标志点图像坐标提取的精度上限，即便采用亚像素角点检测等先进算法，标志点图像坐标的提取精度仍然存在难以逾越的边界，进而直接限制pnp算法位姿估计精度的进一步提升。更为关键的是，现有方法均从静态坐标提取的角度入手，未从位姿变化的动态本质出发进行思考，实际上，相机位姿变化在图像平面上的直接体现就是标志点的图像位移，相比于分别提取位姿变化前后各标志点的独立图像坐标后再作差，直接测量标志点从初始位置到当前位置的图像位移能够有效减少多次坐标提取引入的误差累积。

4、因此，有必要探索一种以图像位移为直接测量量的单目位姿变化估计新途径。

技术实现思路

1、本发明克服了现有技术的不足，提供一种基于ccd云纹位移放大效应的单目位姿变化估计方法，利用ccd云纹的位移放大效应来实现标志点图像位移的高精度测量，从而在不依赖标志点图像坐标绝对精度提升的前提下，通过位移测量精度的提升来整体改善单目位姿变化估计的性能。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：本发明提供一种基于ccd云纹位移放大效应的单目位姿变化估计方法，包括以下步骤：

3、s1、提供一复合合作目标；所述复合合作目标包括至少三个复合标志，每个复合标志包含格栅区域和角点区域；

4、s2、获取位姿变化前所述复合合作目标的第一图像，利用角点检测算法提取所述角点区域的角点坐标，并根据所述角点坐标计算每个复合标志中心点的初始图像坐标；

5、s3、连续获取位姿变化过程中所述复合合作目标的图像序列；

6、s4、利用相位解析算法，分别提取所述第一图像及所述图像序列中各图像中由所述格栅区域形成的ccd云纹的相位，通过计算相位差并利用ccd云纹的位移放大效应，得到每个复合标志中心点在位姿变化过程中的图像位移；

7、s5、根据所述初始图像坐标与所述图像位移，计算每个复合标志中心点在位姿变化后图像中的图像坐标；

8、s6、基于每个复合标志中心点的三维世界坐标、所述初始图像坐标以及位姿变化后的图像坐标，利用pnp算法分别求解位姿变化前和位姿变化后的相机位姿，得到相机的位姿变化量。

9、本发明一个较佳实施例中，在所述s1的步骤中，所述复合标志具体为角点-格栅复合标志，其中心为正方形格栅区域，四角为棋盘格角点区域，且四个棋盘格角点构成正方形，其对角线相交于所述格栅区域的中心点。

10、本发明一个较佳实施例中，在所述s1的步骤中，所述格栅区域的物理周期、格栅边长及周期数根据相机像元周期、物距、像距以及预设的ccd云纹形成条件确定。

11、本发明一个较佳实施例中，所述ccd云纹形成条件包括：格栅成像后的图像周期与相机像元周期的比值介于1.10至1.25之间，且ccd云纹在图像中的单向长度不小于15个像素。

12、本发明一个较佳实施例中，在所述s1的步骤中，所述复合合作目标由多个复合标志组合而成，其形式为立体结构，且所述复合合作目标的整体尺寸确保其在所拍摄图像中的占比≥1/3。

13、本发明一个较佳实施例中，所述s1步骤还包括：布置相机与所述复合合作目标的相对位置，使所述复合合作目标上的复合标志与相机光轴保持垂直，并调整相机参数，使每个复合标志的格栅区域在图像中形成清晰的ccd云纹。

14、本发明一个较佳实施例中，在所述s3的步骤中，连续拍摄图像序列的帧率设置需满足：所述图像序列中相邻图像的ccd云纹相位变化不超过2π。

15、本发明一个较佳实施例中，所述s4步骤包括以下子步骤：

16、s41、分别解析得到所述第一图像中ccd云纹的初始相位以及所述图像序列中各图像中ccd云纹的当前相位；

17、s42、计算所述当前相位与所述初始相位的相位差；

18、s43、根据所述相位差与ccd云纹图像周期的比例关系，计算得到ccd云纹的图像位移；

19、s44、根据预设的位移放大系数，对所述ccd云纹的图像位移进行缩放，得到所述复合标志中心点的实际图像位移；其中，所述位移放大系数由所述格栅成像后的图像周期与相机像元周期的比值决定。

20、本发明一个较佳实施例中，在所述s5的步骤中，将每个复合标志中心点的初始图像坐标与对应时刻的图像位移进行矢量叠加，得到该复合标志中心点在位姿变化后图像中的图像坐标。

21、本发明一个较佳实施例中，在所述s6的步骤中，求解相机位姿变化量具体为：利用pnp算法分别求解位姿变化前的第一旋转矩阵和第一平移向量，以及位姿变化后的第二旋转矩阵和第二平移向量；根据坐标系变换关系，计算第二旋转矩阵与第一旋转矩阵逆矩阵的乘积作为旋转变化量，并根据第二平移向量、第二旋转矩阵、第一旋转矩阵的逆矩阵及第一平移向量计算平移变化量。

22、本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：

23、（1）本发明提供了一种基于ccd云纹位移放大效应的单目位姿变化估计方法，通过设计包含格栅区域的复合标志，利用ccd云纹的相位解析技术直接测量标志点在位姿变化过程中的图像位移，将位姿估计的底层信息从绝对坐标测量转变为相对位移测量，直接测量位移能够避免分别提取位姿变化前后两个独立坐标再作差带来的误差累积，因为坐标作差会使两次独立测量的误差叠加，而位移测量仅涉及单次相对变化量的解析，进而有效提升图像位移的提取精度，对比现有技术单纯依赖角点检测算法提升坐标精度的方式，本发明从测量原理层面规避了坐标提取精度对位移精度的制约，从而实现位姿变化估计精度的有效提升。

24、（2）本发明通过引入ccd云纹的位移放大效应来实现图像位移的高精度测量，当格栅成像周期与相机像元周期接近时，会在图像中形成放大的云纹图案，微小位移在云纹相位上体现为放大的变化量，通过相位解析获得云纹位移后，再根据已知的放大系数还原出实际位移，进而能够有效提升位移测量的灵敏度，相较于传统方法中直接对标志点边缘或角点进行亚像素定位的方式，本发明通过云纹相位变化间接放大位移信号，使得即便在相机运动量极小的情况下，对应位移也能在相位域被清晰捕捉，从而保证微小位姿变化的估计可靠性。

25、（3）本发明提出的复合标志同时包含用于位移测量的格栅区域和用于初始定位的角点区域，角点区域仅在位姿变化前执行一次高精度定位以获取初始图像坐标，后续所有位姿变化过程中的坐标更新均通过位移测量结果实现，无需反复提取角点坐标，使其避免每帧图像都依赖角点检测带来的计算负担和不稳定性，进而降低算法整体的计算复杂度，同时提升动态测量过程中的坐标追踪稳定性，对比现有合作目标方法要求每帧图像均精确提取标志点坐标，本发明对图像质量的宽容度更高，在运动模糊或光照变化条件下仍能保持稳定的测量输出。