[发明专利]一种基于视觉测量的绳索物质点跟踪方法

摘要

一种基于视觉测量的绳索物质点跟踪方法，本发明涉及绳索物质点跟踪方法。本发明是要解决现有技术不能测量运动中的整条绳索以及影响绳索本身的动力学特性的问题，而提出的一种基于视觉测量的绳索物质点跟踪方法。该方法是通过步骤一、计算外参数矩阵Mw和内参数矩阵Mi；步骤二、求解外参数矩阵Mw得到H1和H2；步骤三、根据H1和H2建立测量点二维坐标(xwi,ywi)；步骤四、对图像进行预处理操作；步骤五、计算得到单像素宽度的绳索中心线；步骤六、根据绳索点集{pwi}的顺序计算得到与绳索起始端点的距离为L的绳索点m；等步骤实现的。本发明应用于绳索物质点跟踪领域。

主权项

1.一种基于视觉测量的绳索物质点跟踪方法，其特征在于，该方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、将绳索空间坐标系Ow‑XYZ内第i个点Pwi在空间坐标系的坐标(xwi,ywi,zwi)转换成在摄像机坐标系第i个点Pci的坐标(xci,yci,zci)；将摄像机坐标系下Pci的坐标(xci,yci,zci)转换成绳索图像中Pi的坐标为(ui,vi)；根据绳索空间坐标系的坐标(xwi,ywi,zwi)和摄像机坐标系的坐标(xci,yci,zci)计算外参数矩阵Mw；根据摄像机坐标系的坐标(xci,yci,zci)和绳索图像中点Pi的坐标(ui,vi)计算内参数矩阵Mi；步骤二、求解外参数矩阵Mw得到H1和H2；其中，H1为矩阵B的最小特征值所对应的特征向量；H2为空间坐标系下Y轴在摄像机坐标系的方向矢量和空间原点在摄像机坐标系下的坐标的方向矢量组成的向量；步骤三、根据H1和H2建立测量点二维坐标(xwi,ywi)的关系式：空间坐标系Ow‑XYZ中确定测量平面，将测量平面中的第i个点Pwi的齐次坐标表示为Pwi(xwi,ywi,z,1)；其中，z为点Pwi垂直测量平面的距离，u′v′为像素坐标经内参数矩阵Mi变换后得到的中间坐标变量；在该测量平面上的点Pwi在测量平面上的齐次坐标表示为Pwi(xwi,ywi,z,1)，该点Pwi与图像坐标系之间的投影关系为：其中，zi为中间变量，其定义为：zi＝nzxwi+ozywi+αzz+pz，则n＝[nx，ny，nz]为空间坐标系下X轴在摄像机坐标系下的方向矢量，nx、ny和nz为n在X，Y和Z轴三个方向上的分量；o＝[ox oy oz]为空间坐标系下Y轴在摄像机坐标系下的方向矢量，ox、oy和oz为o在X，Y和Z轴三个方向上的分量；α＝[αx αy αz]为空间坐标系下Z轴在摄像机坐标系下的方向矢量，ax、ay和az为a在X，Y和Z轴三个方向上的分量；p＝[px py pz]为空间坐标系下原点在摄像机坐标系下的坐标，px、py和pz为p在X，Y和Z轴三个方向上的分量；步骤四、对图像进行预处理操作；将图像中带有噪声的背景去除，在图像中保留绳索目标的图像得到只包含绳索目标的绳索二值图像；图像进行预处理操作包括背景建模、背景差分、图像平滑与图像二值化四个部分；步骤五、根据步骤四得到的绳索二值图像的像素宽度，使用绳索的中心线对绳索二值图像的绳索进行等效，即对绳索细化提取绳索中心线所在的像素位置；采用基于距离变换的多尺度连通骨架算法来计算得到单像素宽度的绳索中心线；步骤六、利用绳索物质点跟踪算法对单像素宽度的绳索中心线进行链码标记后，进行自适应的贝塞尔曲线拟合，最终得到光滑的空间中绳索点集{pwi}的顺序，根据绳索点集{pwi}的顺序计算得到与绳索起始端点的距离为L的绳索点m；步骤六一、计算出图像中绳索任意一点Pi在图像序列中对应的位置(ui,vi)；利用绳索物质点跟踪算法对单像素宽度的绳索中心线进行链码标记；步骤六二、采用l阶贝塞尔曲线对链码标记后的点集{Pi}进行拟合，即选取相对于图像点Pi‑1在X和Y轴方向上有变化的点Pi，作为贝塞尔曲线的节点，根据贝塞尔曲线的节点并以绳索曲线所占的像素数量作为步长，实现了自适应的贝塞尔曲线拟合；自适应的贝塞尔曲线中Pi的坐标为(u′i,v′i)；步骤六三、按照贝塞尔曲线中点集{Pi}的顺序，根据坐标(u′i,v′i)利用(10)求解出图像中每个像素点对应的空间坐标(xwi,ywi)；步骤六四、根据贝塞尔曲线中点集{Pi}的顺序以及绳索空间坐标系的坐标(xwi,ywi,z)，确定空间中绳索点集{pwi}的顺序；步骤六五、当到绳索起始端点的距离为L的绳索点m时，根据空间中绳索点集{pwi}的顺序以及点pwi+1和pwi坐标建立公式(12)：当pwi+1和pwi满足公式(12)时，确定到绳索起始端点的距离为L的绳索点m；i＝1，2…m,…I；pwI为空间绳索的终点，pw1为空间绳索的起始点。