[发明专利]基于双目视觉的模型位姿计算方法

说明书

本发明提供一种基于双目视觉的模型位姿计算方法，该方法根据模型表面已知空间坐标位置的标志点作为先验依据，采用计算机双目视觉测量原理结合数字图像处理算法，检测指定时刻左右二维图像中的标志点位置，计算这些点在相机坐标系下的空间三维位置，利用这些标志点到模型质心位置的距离采用极小二乘算法求解出模型的质心位置，最后通过在模型质心位置建立体轴坐标系的方法计算当前时刻模型的位置、姿态角，最终通过计算整个视频序列得出风洞投放试验中模型下落的位移和姿态角序列。本发明在不依赖模型几何外观的前提下，将数字图像处理算法和计算机双目测量技术应用到风洞试验，满足对风洞投放试验需要，测量飞机吊舱、副油箱的下落轨迹测量。

技术领域

本发明属于风洞试验技术测控领域，具体涉及一种基于双目视觉的模型位姿计算方法。

背景技术

投放试验是风洞中的一种常见的特种试验，根据相似准则原理模拟飞行器外挂物投放后的飞行轨迹，是评估外挂物分离安全可靠性的一种试验手段。该试验一般通过投放机构来控制模型投放的初始速度、加速度，同时用高速摄影设备来采集投放过程中模型位姿图像序列。

完成风洞投放试验主要包含两项主要内容，一是利用两台高帧率、高分辨率的CMOS电路高速摄影相机作为视频采集设备，同时采用大功率直流LED照明设备作为试验光源，采集到分辨率高、对比度强的图像序列作为原始计算依据，二是采用计算机双目视觉技术和数字图像处理方法来从二维图像中提取模型表面的二维特征用来还原模型的三维空间信息，最终利用这些空间信息和先验条件来计算在不同时刻下的空间位移和姿态角，计算模型在整个投放过程中的下落轨迹。

需要根据视频序列来计算出所投放的外挂物模型的位移和姿态角序列。这个过程中涉及到如何准确地获得模型表面的标志点在图像中的二维坐标位置，如何根据一组同态的二维空间信息还原得到模型的三维空间信息，如何根据模型表面的标志点三维空间信息计算获得模型的位移变化量和姿态角变化量，都属于技术难点。

发明内容

基于以上不足之处，本发明提供一种基于双目视觉的模型位姿计算方法，在不依赖模型几何外观的前提下，将数字图像处理算法和计算机双目测量技术应用到风洞试验，满足对风洞投放试验需要，测量飞机吊舱、副油箱等投放模型在制定风洞试验条件下的下落轨迹测量。

本发明所采用的技术如下：一种基于双目视觉的模型位姿计算方法，步骤如下：

步骤1、根据模型的三维数模，以模型质心为几何中心构建模型的体轴坐标系，在三个轴上选取三个到质心位置P_C相等的三个点分别为P_X、P_Y和P_Z，之后在模型表面布置N个标志点并将这些标志点编号并得到每个标志点到上述四个控制点P_C、P_X、P_Y和P_Z的距离；

步骤2、在固定好两台高速相机位置之后，采用张氏标定法计算双目参数和镜头畸变参数，并采用棋盘标定版作为计算参照获得相机坐标系和风洞坐标系之间的几何关系；

步骤3、采用模板匹配结合特征矩，提取出模型表面的标志点在图像中的成像质心位置，将两组图像中的标志点进行一一对应；

步骤4、利用畸变参数对标志点在左右图像中的成像位置进行校正之后，根据双目测量方法，连同双目相机参数一同带入三角测量关系式，得出这些标志点在相机坐标系下的空间位置；

步骤5、利用步骤1中获得的标志点到模型轴线上四个控制点P_X、P_Y和P_Z的距离，采用极小二乘的方法计算出模型的质心和模型体轴三个控制点在相机坐标系下的位置，此基础上建立模型的体轴坐标系；