基于计算机视觉的姿态测量方法及测量精度分析

硕 士学位论文 基于计算机视觉的姿态测量方法 及测量精度分析 METHODS AND ACCURACY ANALYSIS IN THE MEASUREMENT OF POSE BASED ON COMPUTER VISION 张宇 哈尔滨工业大学 2012 年 7 月 国内图书分类号： TP391.4 学校代码： 10213 国际图书分类号： 621.3 密级：公开 工 学 硕 士学 位论文 基于计算机视觉的姿态测量方法及测量精度分析 硕 士研究生 ： 张 宇 导 师 ： 马 杰 教授 申 请 学 位 ： 工学 硕士 学科 ： 控制科学与工程 所 在 单 位 ： 控制与仿真中心 答 辩 日 期 ： 2012 年 7 月 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学 Classified Index: TP391.4 U.D.C: 621.3 Dissertation for the Master Degree in Engineering METHODS AND ACCURACY ANALYSIS IN THE MEASUREMENT OF POSE BASED ON COMPUTER VISION Candidate： Zhang Yu Supervisor： Prof. Ma Jie Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Control Science and Engineering Affiliation： Control and Simulation Center Date of Defence： July, 2012 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -I- 摘 要 随着 计算机视觉理论和图像采集设备的发展，基于计算机视觉的测量方法因其具有非接触、测量范围广、成本低、自动化程度高等优点而 在越来越多的领域中得到了广泛的应用。 本文的主要任务就是设计视觉测量系统实现对三轴气浮转台的三维姿态的测量，研究内容主要包括总体方案设计、相机标定、 标定模 板 角点坐标提取、测量靶标设计、特征点中心坐标定位、特征点位置预测、特征点中心坐标定位误差分析和定位偏差补偿 等方面的内容。 首先， 从测量原理和位姿解算算法两个方面分别对单目视觉相对位姿测量系统和双目视觉相对位姿测量系统进行了分析，并用 仿真 方法比较了两个系统相对位姿的测量精度和鲁棒性，确定了单目视觉测量方案。 其次， 对张正友标定法和圆环点标定法进行了分析和比较，研究了相机标定精度和标定距离之间的关系，并针对黑白棋盘格 X 型角点附近的图像灰度分布的独特性质，提出了一种简单、稳定、鲁棒性较好的 X 型角点检测算法。 再次 ， 从减少特征点定位误差 、保证位姿求解的唯一性、易于 确定特征点之间的拓扑关系 三个方面 对特征点的布局进行了特殊设计 ，研究了相应的特征点中心定位方法，并 提出了一种 搜索区域自动调节 的 算法 来预测特征点的搜索区域 、提高 图像处理 速度 。 然后，根据图像传感器的性能指标详细分析了图像的随机噪声来源，从图像数字化的过程中分析了特征点中心定位的系统误差来源，并研究了 由 投射投影带来的成像平面上椭圆特征点中心定位偏差的补偿方法。 最后， 搭建单目视 觉相对位姿的实验测量系统，完成了相机标定实验和相对位姿测量实验 ，并对实验结果进行了分析。 关键词 ： 视觉测量 ； 相对位姿 ； 相机标定 ； 特征提取；精度分析 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -II- Abstract With the development of the theory of computer vision and image acquisition devices, measurement method based on computer vision has been widely used in more and more areas for advantage of non-contact, wide measurement range, low cost and high automation. The main task of this paper is to design the vision measurement system to achieve three-dimensional pose measurement of three-axis air Air-bearing test-bed, the study include overall project designing, camera calibration, the extraction of corner points of calibration model, design the target model for measurement, position the centers coordinate of feature points , forecast the area of feature points, error analyzing and compensation of the extraction of feature points. First, the pose measurement systems of mono-vision and stereo vision are analyzed from the two aspects of the measurement principle and pose algorithm. By comparation of the accuracy and the robustness of pose measurement of the two systems with the simulation method, the former one is chosen. Secondly, the calibration method by Zhang Zhengyou and ring-point calibration method are analyzed and compared, the relationship between the camera calibration accuracy and calibration distance is studied, and a simple, stable, and better robustness X-corner detection algorithm is given out based on the unique nature of the image gray distribution near the X-corner of the checkerboard. Then, the layout of the feature points is designed from three aspects of reducing the positioning error of feature points, the unique of the pose measurement, distinguishing the topological relations among feature points easily. The method of the center position of feature points is studied an algorithm which the size of search-area is self-adjusting is designed to predict the area of the feature points and improve image processing speed. Afterwards, random noise sources of the image based on image sensor performance indicators and the sources of systematic error of the center position of feature point are detailed analyzed. Compensation method of position errors of elliptical feature points caused by projection is demonstrated. At last, the experimental measurement system of monocular visual is 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -III- structured; camera calibration experiments and pose measurement experiments are completed, and then experimental results are analyzed. Keywords: Visual measurement; pose estimation; camera calibration; feature extraction; accuracy analysis 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -I- 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 录 . I 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景及意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 1.2.1 相对位姿测量技术研究现状 .