参数法P3P模型在视觉坐标测量中的应用

P3P问题的求解是视觉坐标测量系统建模的数学理论基础,传统上利用通用余弦定理和正弦定理求解.为快速精确地求取控制点三维坐标,提出一种利用参数法求解P3P模型解析解的计算方法,并将该模型应用到视觉坐标测量过程中,通过精确求解共线三控制点在摄像机坐标系下的坐标.进而求出与其位置关系已知的被测点三维坐标.介绍了该测量系统的结构、测量原理、计算模型、实验过程以及实验结果,并与传统的利用通用余弦求解模型的计算结果进行了比较,说明本计算方法不仅简单直观,而且精度较高,非常适合应用在视觉坐标测量过程中.     

基于单摄像机的物体位置和姿态变形测量研究

结合大型结构变形测量的折线摄像测量方法,针对单摄像机测量物体位置和姿态变形的方法进行了研究,重点介绍了基于物空间共线方程的正交迭代算法,提出了目标函数奇异值分解(SVD)求解算法中出现错误的根源,并基于VC++开发平台实现了健壮性和实用性更好的四元数求解算法,最后对单摄像机位置姿态变形测量的精度进行了数值仿真和实测实验的验证。实验表明,当测量距离为3 m、视场大小为0.8 m×0.6 m时,分辨率为1 600×1 200 pixel的单摄像机测量姿态角变形的精度可以达到20"。     

一种基于虚拟目标的飞行器姿态测量方法

提出了一种使用虚拟目标代替真实目标对姿态测量系统进行测试和评估的方法,同时给出了由光学成像设备跟踪状态和目标飞行状态计算目标在光学成像设备像面上成像中轴线斜率和截距的算法.根据姿态测量系统的特点,仿真出大量具有针对性的理论数据和图像,并使用其对姿态测量系统中的图像判读精度和姿态交会算法分别进行了测试和评估.实验结果表明,当虚拟目标长度在80 pixel时,提取精度可达0.1°;而当虚拟目标长度在6 pixel时,提取精度仅为5.7°;姿态交会算法对判读误差具有一定放大作用;图像判读误差是姿态测量中的主要误差源.     

利用非线性约束整数最小二乘快速求解整周模糊度

整周模糊度的解算是高精度北斗姿态测量的核心问题,本文提出一种利用二次特征值求解非线性约束的最小二乘问题,用于整周模糊度快速求解,并将其应用在单频单历元的北斗姿态测量系统中.该方法将基线长度的先验信息与整周模糊度目标函数整合,构造新的目标函数,提高姿态测量中整周模糊度求解准确度.实验在北斗姿态测量平台上验证该方法的有效性,测试结果表明该方法在北斗单频单历元下,整周模糊度及姿态角求解的成功率有较大提升.     

基于测距传感器的WMPS非接触测量方法

为了解决现有的工作空间测量定位系统（WMPS）中柔性待测物表面形变及大尺寸测量空间内遮挡等问题,提出了一种基于测距传感器的非接触测量方法,并设计了基于该方法的测量靶。首先建立了该方法的测量模型,将测量靶抽象为若干个控制点和一个矢量;然后通过发射站的数学模型推导出了测量靶姿态迭代解算方法,并通过单位四元数估计法给出了该迭代算法的初值生成方法;最后采用自标定方法对测量靶进行了参量标定,并依托天津大学研制的WMPS系统进行了精度验证实验。结果表明,该测量靶的重复性测量精度为1mm,距离测量精度为2.5mm。该方法使得WMPS系统的测量范围扩大并保持了较高的空间3维坐标测量精度。     

基于Hough拟合算法的对称目标姿态测量新方法

针对空中对称刚体目标,提出了一种基于Hough变换拟合算法的姿态测量新方法.它对于中轴线提取过程进行了改进,通过详实的仿真实验和精度分析,证明该算法在一定程度上提高了中轴线测量法的抗噪性和测量精度,且易于实现,对于实际的工程应用具有一定的借鉴价值.     

基于异面交会模型的立体视觉像机站位优化研究

高精度的摄影测量中,双目视觉测量是一种高效可行的测量方法。为了研究测量中双像机位置关系对测量结果的影响,将像机标定、定向及图像坐标提取等干扰因素作为理想量来考虑,从双像机交会测量的数学模型出发,综合双像机光轴的交会角、像机视场角以及红外发光二极管(LED)的发光角等方面因素,通过分析双像机在不同位置关系下对测量区域中红外LED控制点进行测量的结果及精度,最终给出双目视觉测量中像机站位的优化策略。     

多像机非共视场的非合作飞行器位姿测量方法

以空间非合作飞行器视觉位姿测量为背景,针对近距离及超近距离情况下由于成像空间小、像机视场等限制,位姿测量所用的视觉特征将不能在单像机中完整成像而无法完成定位的问题,提出一种多像机非共视场的非合作飞行器位姿测量方法。首先将多个像机配置成非共视场的形式,标定各个像机之间的位置关系;然后利用多个像机对目标上的不同特征成像,来自不同像机的底层信息既有冗余又有互补,为位姿测量提供足够的视觉特征和几何特征;最后结合像机之间的位置关系将各个像机中的特征信息进行融合,进而以闭式解法计算目标位姿。实验结果验证了该方法的有效性以及在大目标近距离位姿测量应用中的优越性。     

等式约束最小二乘在“北斗”姿态测量中的应用

针对传统无约束的姿态测量中整周模糊度求解成功率不高的问题,提出利用等式约束快速求解整周模糊度的算法,并将其应用于“北斗”姿态测量。该算法充分利用基线的先验信息,在整周模糊度的求解过程中加入等式约束,同时利用拉格朗日乘子法求解约束整数最小二乘问题,提高了姿态测量中整周模糊度和姿态角的求解成功率。采用静态测试和动态测试验证该算法,结果表明在“北斗”单历元条件下,整周模糊度及姿态角的求解成功率提升30%左右。     

基于三子样和互补滤波的姿态测量算法研究

为了解决陀螺随时间的漂移以及周围环境产生的随机误差的问题,设计了一种基于互补滤波的姿态求解方案,同时通过将三子样算法和互补滤波结合起来使该算法适用于高动态等复杂环境下的姿态测量。该方案采用四元数法对姿态进行描述,经过高精度三轴温控速率转台上的静态实验以及摇摆动态实验,通过对比高精度转台角度值,可以发现互补滤波算法对于精度的提高有明显的效果,有效的将惯性测量单元的数据进行融合。同时由于采用了三子样算法可以满足高动态环境下的姿态测量,确保了系统在各种环境下精确测量。     

基于扩展正交迭代的快速加权的相机位姿估计

相机位姿估计算法多基于参考点而较少利用图像中的直线信息,本文对于相机位姿估计算法的抗干扰性和实时性,在扩展正交迭代的基础上,提出了一种基于点和直线段结合的快速加权的相机位姿估计算法,该算法以加权共线性误差和加权共面性误差之和为误差函数,根据计算初值的深度信息和重投影误差确定权重系数,并对整体进行加速优化,将每次迭代计算的时间复杂度从O(n)降到了O(1)。仿真实验结果表明算法可以抑制异常点的干扰,减少计算时间,旋转矩阵计算误差比传统正交迭代算法减少48.31%,平移向量计算误差减少48.79%,加速优化后的计算时间为加速前的47.11%。实物实验表明该算法可以充分利用检测到的参考点和参考直线信息,提高计算精度,有较高的实际应用价值。     

基于全局位姿评估的条纹反向视觉测量

提出基于全局位姿评估的条纹反向视觉测量。利用带测头的摄像机拍摄二维正弦条纹,根据傅里叶分析提取的平面特征点全局评估摄像机位姿,进而测量测头的球心坐标。摄像机的位姿评估是条纹反向视觉测量的关键技术,在测头标定和坐标测量中均需要进行位姿评估。位姿评估的误差函数包括重投影误差和物空间误差两类,两者在基于平面的位姿评估中均存在两个局部极小值,采用全局位姿评估算法可以避免误差函数陷入局部极小以高精度获取摄像机位姿,完成测头标定和坐标测量。实验结果表明,该方法可以高精度测量物体的三维坐标。     

基于加权加速正交迭代算法的相机位姿估计

单目视觉中的位姿估计是三维测量中的一个关键问题,在机器视觉、精密测量等方面运用广泛。该问题可通过n点透视（PnP）算法求解,正交迭代算法（OI）作为PnP算法的代表,因其高精度的优点在实际中得到了广泛运用。为了进一步提高OI算法的稳健性和计算效率,提出了一种加权加速正交迭代算法（WAOI）。该方法首先根据经典正交迭代算法推导出加权正交迭代算法,通过构建加权共线性误差函数,利用物点重投影误差更新权值,达到迭代优化位姿估算结果的目的;在此基础上,通过自适应权值,整合每次迭代过程中平移向量以及目标函数的计算,减少迭代过程中的计算量,从而实现算法的加速。实验表明,在12个参考点中存在两个粗差点的情况下,WAOI的参考点重投影精度为0.64 pixel,运算时间为8.02 ms,精度高且运行速度快,具有较强的工程实用价值。     

基于测量误差不确定性加权的快速相机位姿估计算法

在相机位姿估计任务中,参考点位置的测量容易受测量仪器或者所处环境影响,出现一定程度的测量误差,其中误差较大的点对最终求解精度的影响很大,被称为野值点。文章针对现有算法抗野值点能力较弱的问题,提出一种基于测量误差不确定性加权的快速相机位姿估计算法。该算法以经典的正交迭代算法为基础,引入M估计方法,对目标函数根据参考点的测量误差赋予相应大小的权值,最大程度地将野值点的影响排除,并引入Kronecker积对计算过程进行优化,减少了迭代过程中的冗余计算,提高运算速度。仿真实验结果表明,改进后的算法提升了原算法的抗野值点能力,且计算速度更快。     

二值加权正交迭代相机位姿估计算法

在相机位姿估计算法的实际应用中,由于2D像点与3D参考点的错误匹配,参考点中往往含有异常值。针对现有算法抗异常值能力较弱的问题,提出了一种基于正交迭代的二值加权算法。该算法在正交迭代算法的基础上,引入包含两个阈值的加权系统来衡量参考点的可靠性。选取重投影误差的四分位数中的最大值作为阈值之一,另外引入一个与重投影误差和焦距相关的阈值来加速异常值比例较低时的收敛速度。最终选取两阈值的最大值对目标函数进行二值加权,降低了异常值对估计结果的影响。实验表明,该方法提升了正交迭代算法的抗异常值能力,具有较强的鲁棒性。     

基于多传感器融合的航天器间位姿参数估计

提出了利用单目视觉与激光测距仪混合的航天器间相对位置和姿态参数测量的解析算法。首先利用四元数测量算法,采用5个非共面特征光点和单目视觉获取航天器间相对位置和姿态参数的解析解,并对解析解进行修正;然后,将上述6D位姿参数与激光测距仪获取的1D距离进行融合,以进一步对6D位姿参数进行修正。最后,通过计算实例对该算法进行数学仿真,仿真结果表明:该算法保证了在相机标定和特征光点提取及匹配较大误差下的位姿参数的估计精度,能够满足航天器相对位姿确定精度和实时计算要求。     

双模态信息融合的飞行目标位姿估计方法

针对在飞行目标位姿估计中背景复杂、目标提取及位姿解算精度低、速度实时性差等问题,提出了一种激光与图像信息融合的飞行目标位姿估计方法。首先,建立彩色相机和激光雷达间的坐标变换模型实现两传感器像素级匹配,对同一时刻的图像和点云进行融合处理;其次,采用Vi Be算法与深度信息融合对图像中运动目标进行提取,并根据图像目标的位置框选出对应的点云;最后,利用PnP算法进行特征点粗配准,获取点云间初始旋转平移矩阵,并采用迭代最近点算法进行精配准,利用IK-D Tree加速临近点搜索,提高配准速度。使用仿真试验和半实物仿真试验对方法准确性和稳定性进行了验证,结果显示：二维图像目标检测算法正确率为97%,错误分类比为0.011 2%;位姿估计算法与传统迭代最近点算法相比精度提高了53.2%,单次耗时从261 ms降低至132 ms,效率提升约49.4%,与其他算法相比也具有一定优势。为飞行目标落点精准预测和制导控制提供解决思路。     

Closed-form pose estimation from metric rectification of coplanar points

A new analytic method for estimating the pose of a calibrated camera from a single view of a planar target with a known geometry is presented. A set of fiducial points is extracted from an image of this target and metrically rectified through a 2D homography. The author's contribution consists in deriving from the coefficients of this transformation the analytic expressions of the 3D rigid motion parameters defining the pose of the camera. Experiments with synthetic data show the effectiveness of the proposed method against another gold-standard method for pose estimation and its robustness against perturbations of the fiducial points. These features make the algorithm a perfect candidate for all those applications where pose estimation has to be performed reliably and in real time.     

一种基于射线模型的图像定位系统

图像定位技术在现实中有广泛的应用,如导航、路径规划、虚拟现实等.对于用户而言,只需拍摄一张图像即可实现定位.本文提出了一种基于射线摄像机模型的图像定位系统,包含基于射线模型的三维重构算法和基于位姿图优化的图像定位方法.提出的三维重构算法利用射线模型的内在几何性质,能够处理全景和鱼眼等广角摄像机模型,降低采集和重构的代价,提升重构的效果.基于位姿图的定位方法融合了图像与点云匹配的信息和图像间相对位姿信息实施定位,得到更高的定位精度.实验证明本文方法的有效性.     

MIMO-OFDM系统中基于虚子载波的低复杂度盲频偏估计

频偏估计是MIMO-OFDM系统设计的一个关键问题.本文在前人研究成果的基础上,提出了一种基于OFDM系统固有虚子载波结构的低复杂度载波频偏估计算法,不需要任何额外的导频(零或非零)资源,在小频偏范围内可以精确估计出频偏,在频偏范围较大时,可通过增加泰勒级数近似项和应用迭代机制继续获得很高的估计精度.