垂直直线特征的双目视觉位姿测量方法_赵振庆

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1、第３４卷第１０期光学学报Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．１０２０１４年１０月ＡＣＴＡＯＰＴＩＣＡＳＩＮＩＣＡＯｃｔｏｂｅｒ，２０１４垂直直线特征的双目视觉位姿测量方法赵振庆叶东陈刚郭玉波（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）摘要针对直线特征，提出了基于两条垂直直线特征双目视觉位姿测量解析算法。该算法根据直线特征和其在摄像机图像上投影直线共面性质建立模型，利用单位四元素法简化了投影模型变量，进而在仅知被测物体上两条直线相互垂直的信息，利用两条垂线投影在两个摄像机图像上四条直线图像，求解出被测物体的位姿参数。同时分析

2、了退化情况下位姿求解方法，即当直线向量平行于两个摄像机基线向量时，直线向量在左右摄像机投影到同一条直线上时的位姿求解方法。基于Ｍａｔｌａｂ仿真实验表明该算法对于噪声具有一定的稳健性，即使两条直线不垂直而有一个角度误差时，仍能保证一定的精度。实物实验表明该算法可以满足一般测量精度要求。关键词机器视觉；双目视觉；位姿测量；直线特征；四元素中图分类号ＴＰ３９１文献标识码Ａｄｏｉ：１０．３７８８／ＡＯＳ２０１４３４．１０１５００３ＢｉｎｏｃｕｌａｒＶｉｓｉｏｎＭｅｔｈｏｄｏｆＭｅａｓｕｒｉｎｇＰｏｓｅＢａｓｅｄｏｎＰｅｒｐｅｎｄｉｃｕ

3、ｌａｒＬｉｎｅｓＺｈａｏＺｈｅｎｑｉｎｇＹｅＤｏｎｇＣｈｅｎＧａｎｇＧｕｏＹｕｂｏ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＦｏｒｌｉｎｅａｒｆｅａｔｕｒｅｓ，ａｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｗｈｉｃｈｉｓｂａｓｅｄｏｎｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒｌｉｎｅｓｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒｂｉｎｏｃｕｌａｒｖｉｓｉｏｎｐｏｓｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅａｌｇｏｒ

4、ｉｔｈｍｉｓｂａｓｅｄｏｎｌｉｎｅａｒｆｅａｔｕｒｅａｎｄｉｔｓｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｌｉｎｅｏｎｔｈｅｃａｍｅｒａｉｍａｇｅｃｏｐｌａｎａｒｐｒｏｐｅｒｔｙ．Ｕｎｉｔｑｕａｔｅｒｎｉｏｎｓｉｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｐｌｉｆｙｍｏｄｅｌｖａｒｉａｂｌｅｓ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｗｏｋｎｏｗｎｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒｏｎｏｂｊｅｃｔ，ａｎａｎａｌｙｔｉｃａｌｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｏｂｊｅｃｔｐｏｓｅｃａｎｂｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｗｉｔｈｆｏｕｒｌｉｎｅｓｗｈｉｃｈｉｓｐｒｏｊｅｃｔｅｄｂｙｔｗｏｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌ

5、ａｒｌｉｎｅｓｏｎｔｗｏ－ｃａｍｅｒａｉｍａｇｅ．Ｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓａｌｓｏａｎａｌｙｚｅｄｗｈｅｎｌｉｎｅａｒｖｅｃｔｏｒｐｒｏｊｅｃｔｅｄｏｎｔｏｔｈｅｔｗｏｃａｍｅｒａｓｏｎｔｈｅｓａｍｅｌｉｎｅ，ｎａｍｅｌｙｌｉｎｅａｒｖｅｃｔｏｒｐａｒａｌｌｅｌｔｏｔｈｅｔｗｏｃａｍｅｒａｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｍａｔｌａｂｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｒｏｂｕｓｔｔｏｎｏｉｓｅａｎｄｃａｎｇｕａｒａｎｔｅｅａｃｅｒｔａｉｎｐｒｅｃｉｓｉｏｎｅｖｅｎｉｆｔｈｅｔｗｏｓｔｒａｉｇｈｔ

6、ｌｉｎｅｓｈａｖｅｅｒｒｏｒｆｏｒｖｅｒｔｉｃａｌ．Ｐｈｙｓｉｃａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｐｒｅｃｉｓｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｍａｃｈｉｎｅｖｉｓｉｏｎ；ｂｉｎｏｃｕｌａｒｖｉｓｉｏｎ；ｐｏｓｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｌｉｎｅａｒｆｅａｔｕｒｅｓ；ｑｕａｔｅｒｎｉｏｎｓＯＣＩＳｃｏｄｅｓ１５０．１１３５；１５０．４２３２；３３０．１４００１引言三个角度的非线性模型，因此需要解决非线性问题。基于视觉物体相对位姿测量广泛应用于机器视一

7、般基于直线特征位姿求解算法主要有两种：１）非［１０－１３］线性算法，基于优化算法迭代求解出三个旋转觉各个部分，如：机器人视觉，视觉导航等。传统的［１４－１７］基于特征点的单目、双目位姿测量算法方面有很多角度；２）线性算法，将旋转矩阵的非线性模型研究［１－５］。相比较于点特征，直线特征由于提取精线性化，直接利用线性求解出解析解。一般地，对于度高、稳健性好，同时包含更多几何结构而受到关实时的位姿测量，为了保证最终测量速度、测量精度注［６－９］。由于直线特征数学模型中旋转矩阵是关于以及测量稳定性，基于视觉的相对位姿测量，结合了收稿日

8、期：２０１４－０４－１４；收到修改稿日期：２０１４－０６－０４基金项目：国家自然科学基金（５１０７５０９５）作者简介：赵振庆（１９８３—），男，博士研究生，主要从事视觉导航、图像处理方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｚｑ７２５＠１２６．ｃｏｍ导师简介：叶东（１９６８—），男，博士，