基于2D/3D融合的空間圓非合作目標(biāo)位姿測量系統(tǒng)

許林 時建奇

摘 要：針對基于圓特征視覺測量算法解的二義性消除問題，以及單PMD相機分辨率過低，特征點難以提取問題，提出一種基于高分辨率RGB相機和PMD 3D相機融合的基于空間圓目標(biāo)的非合作目標(biāo)位姿測量方法，并構(gòu)建測量系統(tǒng)軟件對實物模型進行實驗。首先，通過兩個相機數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，利用配準(zhǔn)后距離數(shù)據(jù)提高橢圓檢測速度和精度，隨后通過PMD獲取的場景深度數(shù)據(jù)去除二義解，最終得到空間圓目標(biāo)準(zhǔn)確位姿數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果說明，此方法能夠快速有效求解目標(biāo)位姿。

關(guān)鍵詞：非合作；位姿測量；2D/3D融合；圓特征

1 位姿測量系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

作為一類基于TOF（Time-of-Flight）技術(shù)的3D相機，PMD是一種新型的、小型化立體成像設(shè)備，無需掃描便可實時高效的捕捉動態(tài)目標(biāo)的幅度信息、距離信息和灰度信息。

為了便于分析和系統(tǒng)歸一化測量，參考相機小孔成像模型，就實驗測量系統(tǒng)建立如圖2-11所示坐標(biāo)系，2D相機、PMD相機坐標(biāo)系和物體坐標(biāo)系，以及像平面坐標(biāo)系和：

（1）、相機坐標(biāo)系：為RGB相機的投影變換透鏡平面和相機光軸的交點，軸和像平面垂直，軸和軸分別與成像平面平行，且與和軸平行同向，符合右手坐標(biāo)系關(guān)系。PMD相機坐標(biāo)系構(gòu)建方法相同。

（2）、像平面坐標(biāo)系：為成像平面和相機光軸的交點，可通過相機內(nèi)參標(biāo)定獲取準(zhǔn)確位置。建立右手直角坐標(biāo)系，和軸分別與成像平面水平和垂直方向平行，方向為沿光軸正方向觀察，從左上到右下。通過同樣的方法為PMD相機構(gòu)建坐標(biāo)系。

（3）、物體坐標(biāo)系：以空間圓平面為依托，以其法向量構(gòu)建軸，取圓平面任意半徑射線作為軸方向，根據(jù)右手準(zhǔn)則，求的，至此構(gòu)建完成物體坐標(biāo)。

1.2 位姿測量系統(tǒng)流程

主要步驟如下：

（1）圖像采集：利用RGB相機和PMD相機對目標(biāo)進行圖像采集，獲取高分辨率的RGB圖像和PMD灰度圖像、深度數(shù)據(jù)。

（2）圖像配準(zhǔn)融合：分別對PMD和RGB相機進行標(biāo)定，獲取兩相機坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，配準(zhǔn)圖像；規(guī)避傳統(tǒng)融合圖像方法，這里采用信息部分融合方法，使得2D圖像與深度數(shù)據(jù)一一對應(yīng)。

（3）橢圓特征提取擬合：通過針對具體實驗環(huán)境，專門設(shè)計的橢圓提取算法，實現(xiàn)橢圓快速檢測提取擬合。

（4）位姿求解和二義性消除：通過深度數(shù)據(jù)計算目標(biāo)圓半徑R，可通過文獻[4][5]算法求取位姿得到兩個解，通過深度數(shù)據(jù)確定的圓面特征空間法向量，去除二義解。

圖1 測量系統(tǒng)坐標(biāo)系的定義

2、基于幾何投影成像關(guān)系的2D/3D圖像快速配準(zhǔn)融合

假設(shè)任意點P在2D相機和PMD相機的像點分別為Pi和Pj，為了實現(xiàn)2D相機和PMD相機的配準(zhǔn)，即確定以下函數(shù)關(guān)系：

考慮到PMD相機深度圖像分辨率較低，在提取特征點時可能失效，對傳統(tǒng)的基于特征點提取和搜索匹配點方式的配準(zhǔn)方法不再適用[6][7]。為了實現(xiàn)此類不同分辨率、不同類型數(shù)據(jù)圖像的快速配準(zhǔn)，本文建立了基于幾何投影成像關(guān)系圖像配準(zhǔn)模型。

如圖1所示，通過PMD相機可以獲取目標(biāo)深度信息d2P，P點在的坐標(biāo)為（X2P，Y2P，Z2P），則：

進而得到PMD和RGB相機坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系：

通過式（4）和（6）可以的到2D圖像和PMD圖像的對應(yīng)關(guān)系，完成距離圖像一對多的配準(zhǔn)融合結(jié)果。因此，在RGB坐標(biāo)系下橢圓擬合可以方便獲得其在PMD相機坐標(biāo)系下方程，利用深度數(shù)據(jù)重構(gòu)空間圓，可以快速消除二義解。

3 系統(tǒng)軟件和實驗結(jié)果

根據(jù)本文的設(shè)計的測量系統(tǒng)，采用PMD[vision]? CamCube 2.0（該相機分辨率為204*204），大恒圖像公司的DV-SV1421FC RGB相機（分辨率為1392*1040），進行實物模型精度測量實驗。表1表示Y軸依次單軸旋轉(zhuǎn)時的位姿測量結(jié)果。結(jié)果表明正方向偏航存在系統(tǒng)誤差，鑒于實驗?zāi)繕?biāo)模型噪聲復(fù)雜，反光強烈，精度受橢圓檢測結(jié)果限制，基本達到設(shè)計要求。

4 結(jié)論

本文討論了非合作圓特征近距離中2D/3D融合的相對位姿測量問題，給出了利用空間圓特征信息，通過PMD相機和2D相機快速配準(zhǔn)融合實現(xiàn)非合作目標(biāo)位姿參數(shù)測量，保證了測量結(jié)果的精度和提高算法實時性。通過C++程序?qū)崿F(xiàn)了位姿測量軟件系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)采集和位姿測量。實驗結(jié)果表明，該算法的旋轉(zhuǎn)測量誤差較小，平動測量偏差毫米級別，測量速度快，測量系統(tǒng)能夠有效的測量目標(biāo)模型位姿。