迭代法求解P3P问题的成立条件研究

迭代方法求解P3P问题的成立条件一直困扰着基于P3P的模型定位方法在实际中的应用。本文对于迭代方法求解P3P问题的成立条件做了比较完整的分析,在对于P3P问题的参数方程和目标方程进行介绍后给出了针对任意三角形用迭代方法求解P3P问题的成立条件。

P3P问题唯一解条件的补充研究

P3P问题的多解现象使其应用受到了限制,本文结合已有的研究成果,对于P3P问题的空间唯一解区域进行了进一步分析,发现当构成P3P问题的3个控制点形成等腰三角形分布时,在空间存在另外2个区域;当摄像机在这些区域中时,可以唯一地求出所构成的P3P问题的真实解,从而扩展了唯一解的适用范围.本文的研究结果对P3P问题在实际应用中布置控制点和摄像机的位置具有指导意义。

关于P3P问题解的唯一性条件的几点讨论

P3P问题的多解现象使其应用受到了限制 ,前人的研究结果对布置控制点和摄像机没有太大的指导意义 .该文作者采用了与前人不同的研究方法 ,发现 3个控制点构成等腰三角形时 ,在空间可以找到一些区域 ,当摄像机在这些区域中时 ,可以唯一地求出所构成的P3P问题的真实解 .同时 ,该文的研究结果又对P3P问题在实际应用中布置控制点和摄像机的位置具有指导意义 .

面向位姿测量的摄像机标定方法及应用研究

在工业、航天、医疗等许多领域中，经常需要测量两个空间物体坐标系间的相对位姿。位姿测量方法一般包括声纳或激光测距、GPS、视觉方法等多种方法，其中视觉方法由于其信息量大、处理速度快等特点发挥了越来越重要的作用。在基于模型的单目视觉位姿测量中，位姿测量系统的测量精度与摄像机标定误差、图像坐标的检测误差、目标模型的测量误差等许多因素有关，而摄像机标定误差是影响位姿测量精度的一个主要误差来源，是测量系统内在的不可避免的误差。 实际应用中，提高整个系统的测量精度是三维视觉测量的一项重要任务，而摄像机标定精度的提高将有效地提高位姿测量精度。针对传统的摄像机标定方法在实际工程应用中存在的问题，以提高基于模型的单目视觉位姿测量系统的测量精度为目标，利用理论推导和仿真实验相结合的方法，首先通过从几何意义求解摄像机内外参数，深刻理解摄像机各参数的物理意义；然后在此基础上，重点研究摄像机标定空间的选择、标定参数误差与位姿测量误差之间以及标定参数误差与测量空间之间的关系分析；最后在理论研究的基础上，针对工程应用提出摄像机标定的相应策略，以提高整个系统的测量精度。 首先，在基于几何意义的摄像机内外参数求解方法研究中，从摄像机投影变换矩阵出发，通过几何思路求解摄像机内外参数；同时在此求解过程中，从几何意义推导得到描述透视投影变换的 矩阵必须满足的约束条件。这对深刻理解摄像机各参数的物理意义及其几何关系，对从直观几何方面分析摄像机参数对位姿精度的影响有着一定的意义。 其次，针对标定空间对位姿测量精度的影响，首先推导出标定空间与标定参数误差之间的关系，在此基础上，再给出标定参数误差和位姿测量结果误差之间的关系。实验结果表明：不管测试目标的成像范围如何，在满视场范围内标定时标定误差最小，从而可以得到更高的位姿测量精度。研究结果可为实际工程应用中测量系统的摄像机标定提供理论依据，对标定点的布置和摆放具有指导意义。 最后，在摄像机标定参数误差对位姿测量精度的影响研究中，通过理论推导结合仿真实验及几何解释说明，使用误差传播的方法，建立了位姿测量误差受摄像机标定参数误差影响的数学模型，分析了摄像机标定参数误差与位姿测量误差的关系，得到如下结论：测量距离方向位置精度主要受焦比误差和摄像机外参数光轴方向平移量误差的影响；姿态角精度主要受主点误差和摄像机外参数旋转角误差的影响。在标定参数误差与测量空间之间的关系方面，摄像机内外参数的误差在不同测量距离有着不同的影响。近距离时，应主要考虑外参数光轴方向平移量误差的影响；而远距离时，应主要考虑内参数焦比误差的影响。该结论可以指导摄像机标定方法的选择，根据不同的情况采用不同的算法以满足实际精度需求，从而达到优化系统设计，提高整个定位系统性能的目的，对于指导视觉位姿测量系统的工程应用具有一定的意义。

非结构环境下基于人机合作技术的抓取作业研究

介绍了一种利用人机合作技术在非结构环境引导机械手抓取静态目标的方法.分别介绍了将激光—CCD摄像机系统与操作者的经验相结合获得抓取目标位置的方法,及将虚拟现实技术与操作者的经验相结合获得抓取目标姿态的方法.继而利用基于模型的视觉引导技术,引导手臂完成抓取操作.

一种基于旋转体的摄像机定位方法

基于旋转体的摄像机定位是单目合作目标定位领域中的涉及较少并且较为困难的一个问题,传统的基于点基元、直线基元及曲线基元的定位方法在用于旋转体定位过程中都存在相应的问题.文中设计了一种由4个相切椭圆构成的几何模型,该模型环绕于圆柱体表面,利用二次曲线的投影仍然是二次曲线的特性和椭圆的相应性质能够得到唯一确定模型位置的3个坐标点,从而将旋转体定位问题转化为P3P问题.在对P3P的解模式区域进行分析后,推导了根据模型上可视曲线的弯曲情况来确定P3P问题解模式的判别方法,并给出证明过程.仿真实验表明了这种模型定位方法的有效性.最后利用这个模型引导机械手完成目标定位的实验.

激光—CCD摄像机组合定位装置的开发

介绍了我们研制的激光—CCD摄像机组合定位装置,给出了系统构成和定位原理,分析了这种定位装置的特点。提出了利用P3P实现对该定位装置标定的一种简易方法,该方法的特点是不需要标定摄像机的外参数及使用精密的标定设备,且具有较高的标定精度。最后利用我们设计的误差检测实验方法分析了系统的定位精度。

基于模型的位姿估计中优化方法研究

介绍了基于模型的位姿估计中所使用的一些优化方法。为了提高位姿估计的精度,摄像机的标定参数必须足够精确,这就对标定过程的非线性优化算法提出了很高的要求,采用了一种新的优化目标函数,用来最小化控制点间的三维重建误差,从而使标定参数是全局最优;在双像机位姿估计中,引入了实时遗传算法进行全局搜索,加快了算法的收敛速度。最后的实验证明了这些方法的正确性并显示出这些方法在精度上比传统方法有了较大程度的提高。

基于模型引导的半自主抓取作业研究

本文以非结构环境下机器人的抓取作业为研究背景，开展了机器人在非结构环境下抓取操作的相关技术研究。为了在复杂背景下推测目标物的抓取位置和姿态，进行了基于“人机系统”理论和虚拟现实技术的目标物定位定姿研究；为了在视觉伺服过程中实时的测定机械手末端的位置和姿态，进行了基于直线特征和曲线特征的旋转体定位研究；为了保证P3P技术能够应用于手臂定姿，进行了利用迭代解技术求解P3P问题的成立条件的研究。构造了一个原理性的实验系统，并利用基于位置的视觉伺服技术验证了以上研究结果的有效性。本文的研究内容具体可以归纳为如下几个方面： 在目标物定位定姿的研究中，给出了如何利用人机交互技术辅助测量目标物的抓取位置和抓取姿态的方法，设计了激光结合CCD摄像机测量抓取点位置，虚拟现实和人机交互测量抓取点姿态的方法。这两个方法合理地利用了操作者的经验，通过简单直观的人机接口把人类智能与机器智能进行了有效的融合。文中给出了激光——CCD测量装置的系统构成和定位原理，分析了这种定位装置的特点。提出了利用P3P实现对该定位装置标定的一种简易方法。该方法的特点是不需要标定摄像机的外参数及使用精密的标定设备，且具有较高的标定精度。并利用我们设计的误差检测实验方法分析了系统的定位精度。在测量抓取点姿态的过程中，我们使用了真实图像背景与虚拟的机械手相结合，从而可以在目标背景上通过人机接口直观地调整虚拟机械手的抓取姿态，直到获得满意的位置。 迭代方法求解P3P问题的成立条件一直困扰着基于P3P的模型定位方法在实际中的应用。本文对于迭代方法求解P3P问题的成立条件做了比较完整的分析，在对于P3P问题的参数方程和目标方程进行介绍后分别给出了针对任意三角形和等腰三角形用迭代方法求解P3P问题的成立条件。其中对于等腰三角形的成立条件表明只要预先确定P3P问题的参数方程，无论摄像机处于P3P附近的哪个方向上，迭代解都是成立的。由于第四章通过模型的约束关系可以间接地获得P3P的参数方程，这样利用第四章中提供的两个模型就可以在任意方向上实现对手臂的定位。 由于手臂末端合作目标的特殊性（可旋转，可全方位测量），使用传统的基于点特征、直线特征及曲线特征的定位方法在用于旋转体定位过程中都存在相应的问题。为此根据不同的手臂结构和使用环境设计了两种不同的模型。两种模型分别由四个直线特征和四个曲线特征组合而成，并利用特征之间的交点和切点将其转换为P3P的定位问题。同时研究了利用特征之间的几何约束关系避免可能产生的多解问题的方法。最后分别对这两种定位方法进行了仿真实验和系统实验，结果表明了这两种方法的有效性。