基于图像的运动物体六自由度参数测量方法研究

摘要

本文针对实际项目的具体需求，研究了一种基于图像测量技术的运动物体六自由度测量方法。
　　首先，本文根据项目的技术指标选取了一些相关产品，并利用光纤通道技术及RAID技术对这些产品进行了配置，搭建出了一套图像采集存储系统，解决了双摄像机同步工作、高分辨率图像的高速采集和海量数据实时存储的问题。这套图像采集存储系统性能优良，稳定性好，可靠性高，在交汇测量领域具有很大的实用价值。
　　然后，介绍了本测量系统的基本工作原理。本系统以交汇测量原理为基础。测量前，在待测空间运动物体上安装3个特征点，并采用两个性能相同、位置固定的摄像机从不同角度对被测运动物体上的特征点进行同步拍摄，并将采集到的图像存储到相应的高速存储设备中，以便进行事后处理。
　　接着，重点介绍了运动物体六自由度的解算方法。首先，对采集到的图像去除噪声，分割特征点与背景，提取特征点轮廓，利用中心定位算法获得特征点的二维图像坐标。然后，再根据标定得到的摄像机内、外参数，计算经过特征点和相应摄像机光心的两条空间直线的方程，两条直线的交点坐标即为特征点的三维世界坐标。考虑到由于实际计算时存在各种误差，两条直线很有可能并不相交，因此利用最小二乘法对以上的方程组进行求解。最后，将同一时刻下3个特征点的动体坐标和世界坐标带入到相应的数学模型中，求出动体坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵，进一步解算便可以得到运动物体的六自由度参数。
　　本文还研究了特征点的跟踪算法。根据前三个采样时刻特征点在图像平面上的位置，估计当前采样时刻特征点在图像平面上的位置，然后在图像上特征点的预测位置处设置感兴趣区域，使得程序可以只对感兴趣区域进行处理，大大减少了数据处理量，缩短了程序的运行时间。另外，通过对特征点进行跟踪，也解决了不同图像平面上相应特征点的匹配问题。
　　最后，在VC++6.0编译环境下，采用Intel公司开发的图像处理和计算机视觉函数库OpenCV，开发出了一套完整的处理软件。这套软件由3个具有不同功能的独立软件组成。查找丢帧软件主要用来判断两台摄像机采集的图像是否有丢帧，若某一时刻某台摄像机所拍摄的图像有丢失，则将同一时刻下另一台摄像机采集的图像删除掉。标定摄像机软件主要用来标定摄像机的内、外参数。六自由度解算软件主要用来计算运动物体的六个自由度参数。
　　本文还对六自由度解算方法进行了计算机仿真实验。在对整个测量系统搭建、调试成功后，又做了真实图像实验，并对实验数据进行了详细的分析。实验数据表明这套系统测量精度相对较高，完全可满足一般的非实时测量要求。

目录

基于图像的运动物体六自由度参数测量方法研究

RESEARCH ON THE METHOD OF MESEASURING MOVING OBJECT’S 6-DOF PARAMETERS BASED ON THE IMAGE

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 图像测量技术方法综述

1.3 本文的主要研究内容

第2章 测量系统的组成及工作原理

2.1 测量系统的组成

2.2 测量系统的结构配置

2.3 测量系统的工作原理

2.4 本章小结

第3章 运动物体六自由度的测量方法

3.1 图像处理

3.2 摄像机标定

3.3 特征点中心的世界坐标的求解

3.4 运动物体六自由度的解算方法

3.5 本章小结

第4章 系统软件设计

4.1 OpenCV函数库简介

4.2 系统软件设计

4.3 本章小结

第5章 实验数据及误差分析

5.1 计算机仿真实验数据及误差分析

5.2 真实图像实验数据及误差分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢