基于單目視覺的目標識別與定位研究.pdf

1、視覺技術因為其非接觸、低成本、易實現(xiàn)的優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)、醫(yī)學、航空航天、農業(yè)等領域，同時隨著計算機和圖像處理硬件設備性價比的不斷提升，它獲得了更加深入的研究與應用。
　　論文在分析國內外視覺技術研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向的基礎上，主要研究了圖像特征提取與匹配、攝像機標定、深度估計、目標物空間定位等單目視覺系統(tǒng)幾個關鍵問題，并將這些理論用于航天器間交會對接過程中的位姿參數(shù)確定以及工業(yè)在線識別系統(tǒng)。
　　由于圖像特征提取和匹配是

2、深度估計、3D重建等關鍵技術的基礎，本文針對輪廓特征的提取，提出了一種適用于工業(yè)在線識別的快速輪廓特征提取方法;在圖像特征匹配方面，本文在研究SIFT等三種局部特征匹配算法的基礎上，結合形狀上下文描述子，提出了一種改進形狀上下文描述子并用于圖像特征匹配，此算法特別適用于處理具有相似或對稱目標物導致出現(xiàn)的誤匹配，從而改善了圖像特征匹配的效果。
　　論文在分析研究Tsai兩步標定法、Zhang基于移動平面模板標定方法以及無模型畸變圖像

3、校正算法的基礎上，給出了一種基于交比不變性的分步線性標定算法，該方法避免了上述標定算法的非線性優(yōu)化，只需采用線性標定方法，故可用于在線檢測系統(tǒng)的快速標定。利用上述標定算法，在基于改進形狀上下文的基礎上，本文進一步給出了一種雙焦單目視覺深度估計方法，解決了單目視覺條件下的目標深度估計問題，實驗結果表明在深度不大的條件下可以滿足精度要求，本方法特別適用于解決較小深度估計問題。
　　單目視覺技術可用于空間目標物的定位，即確定攝像機坐標系

4、與物體坐標系相對位姿關系。本文針對單目視覺下的具有人工標志和無人工標志的圖像目標物的定位問題作了深入研究。首先分析了具有人工標志的單幅、兩幅和多幅圖像的目標物定位的算法，然后重點研究了無人工標志單幅圖像的目標物定位問題，并提出兩種算法。(1)是利用已知某一邊長尺寸的平行四邊形依據(jù)幾何關系進行目標物的定位;(2)是基于共形幾何代數(shù)建立基于特征點和特征直線融合的目標函數(shù)，并利用最優(yōu)化算法得到相應的位姿參數(shù)。最后利用工業(yè)在線識別系統(tǒng)中的目標物

5、進行了實驗驗證，結果表明所提出的單幅圖像定位算法精度較高且實時性好。
　　航天器交會對接時，首先需要確定兩者間相對姿態(tài)參數(shù)。針對此問題，本文提出了基于單目視覺的3種航天器間相對位姿確定方法:(1)是在單目視覺深度估計算法的基礎上給出了一種航天器間相對位姿參數(shù)的估計方法，本方法利用雙焦成像算法確定航天器間相對位置，再利用相對位置確定航天器間相對姿態(tài)，最終獲取相對位姿參數(shù)的解析解;(2)是在單目視覺基礎上利用四元數(shù)測量方法，將系統(tǒng)配置

6、的5個非共面特征光點分為兩組，每組包括3個特征點，分別得到單目視覺的航天器相對位姿參數(shù)的方程組，結合兩個方程組獲得航天器間相對位置和姿態(tài)參數(shù)測量的解析解;(3)是采用單目視覺與激光測距儀混合系統(tǒng)，將單目視覺測量得到的六維位姿數(shù)據(jù)與激光測距儀高精度的測距數(shù)據(jù)融合，相比于前兩種只采用單目視覺的估計方法，本方法可以進一步提高航天器間位姿參數(shù)的估計精度。
　　單目視覺技術可以應用于工業(yè)在線識別系統(tǒng)中。本文詳細闡述了條煙在線識別的硬件設計和

7、軟件實現(xiàn)的完整系統(tǒng)。在條煙圖像處理部分的輪廓提取關鍵步驟中，針對圖像內出現(xiàn)不同數(shù)量條煙的情況，本文提出一種“兩步法”快速輪廓特征提取算法。第一步，利用全局閾值分割與Blob分析結合將條煙圖像與皮帶背景區(qū)別開，并利用最小矩形方法提取條煙矩形輪廓，此步驟粗略完成“單條”和“多條”條煙的輪廓提取;第二步，利用全局閾值分割、Blob分析與數(shù)學形態(tài)學相結合的方法進行輪廓提取的修正，以保證輪廓提取的精度。在條煙輪廓提取后需要進行特征提取以及圖像識別

8、。在準確提取條煙輪廓的基礎上，提取輪廓內的顏色、紋理以及形狀的圖像特征，與之前建立的圖像特征數(shù)據(jù)庫相應的特征進行對比，計算匹配相似度完成特征匹配。煙草物流中心現(xiàn)場運行的良好情況驗證了本文的條煙在線識別系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實用性。
　　在此系統(tǒng)的基礎上，利用第3章攝像機標定的算法，對條煙在線識別系統(tǒng)的單目相機進行標定。并利用條煙圖像進行第4章無人工標志單幅圖像定位算法的實驗驗證，在驗證定位算法正確性的同時，也為利用單幅圖像進行目標物定位的