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双目CCD成像目标器识别算法研究

作　者: 方超
导　师: 王青；朱日宏
学　校: 南京理工大学
专　业: 光学工程
关键词: 空间对接双目视觉位姿测量摄像机标定聚类分析
分类号: V448.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

本文以航天空间交会对接应用为目标，研究对接技术中目标器和追踪器在接近阶段相对距离和相对姿态的实时测量问题。文中首先详细地阐述了利用双目视觉系统来完成光学测量的原理，从理论上给出求解方法的证明过程，然后根据立体透视投影模型原理推导了目标器相对位置、相对姿态的求解方法。在讨论位置、姿态测量中涉及到的求解投影矩阵问题上，论文定义了五种坐标系以及它们之间的关系，然后由摄像机内、外部参数推导出了投影矩阵。求解投影矩阵必须先进行摄像机标定，因此先分析对比了各种摄像机标定技术的优劣后，从中选取了最合适的Tsai摄像机标定方法，透彻讲述了其算法核心及标定过程。利用图像采集卡提供的SDK编制了图像采集以及图像预处理功能的实用程序，再运用模式识别中对特征区域的聚类分析标记了摄像机模板图像和目标器图像特征区域，从而来获得图像的有效信息为位姿计算提供了数据。而后利用C语言和matlab实现了双目视觉测量系统的相对位置、姿态测量的算法仿真。最终，建立了目标器测量实验系统，验证了整个思路的可行性。实验证明该方法能够达到测量目的，满足了将双目视觉原理应用到空间对接中测量的预期想法。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-5
目录  5-7
1 绪论  7-10
  1.1 引言  7-8
  1.2 课题的研究背景  8
  1.3 论文主要研究内容  8-10
2 双目视觉测量系统原理  10-25
  2.1 摄像机透视投影模型  10-11
    2.1.1 针孔成像模型  10-11
    2.1.2 成像平面替换  11
  2.2 双目立体视觉原理  11-13
    2.2.1 平视双目立体视觉三维测量原理  12-13
    2.2.2 双目立体视觉数学模型  13
  2.3 坐标系定义  13-17
    2.3.1 参考坐标系  14
    2.3.2 摄像机坐标系  14-15
    2.3.3 图像坐标系  15-16
    2.3.4 追踪坐标系  16
    2.3.5 目标器坐标系  16-17
  2.4 参考坐标系空间点的位置求解  17-19
  2.5 目标器距离和位置姿态求解  19-24
    2.5.1 相对距离测量  19-20
    2.5.2 相对姿态测量  20-22
    2.5.3 姿态动力学  22-24
  2.6 本章小结  24-25
3 摄像机标定技术  25-34
  3.1 标定技术研究  25-28
    3.1.1 标定技术概述  25-26
    3.1.2 双目视觉标定  26-28
  3.2 标定参数说明  28-29
    3.2.1 内部参数  28-29
    3.2.2 外部参数  29
  3.3 标定几何关系  29-31
  3.4 摄像机内外部参数计算  31-33
  3.5 本章小结  33-34
4 图像处理与软件设计  34-45
  4.1 图像采集  34-35
  4.2 图像预处理  35-36
    4.2.1 滤波处理  35
    4.2.2 二值化处理  35-36
  4.3 模式识别  36-40
    4.3.1 模式识别概述  36-37
    4.3.2 图像的标识及特征提取  37-39
    4.3.3 质心法确定特征点中心  39-40
  4.4 摄像机标定  40-43
    4.4.1 摄像机初始参数设置  40
    4.4.2 摄像机标定模板设计  40-42
    4.4.3 标定输入输出数据  42-43
  4.5 目标器位置姿态求解  43-44
  4.6 软件设计流程  44
  4.7 本章小结  44-45
5 实验过程  45-58
  5.1 视觉精度分析和结构设计  45-48
    5.1.1 精度分析  45-47
    5.1.2 视觉系统结构设计图  47-48
  5.2 实验器材  48-51
    5.2.1 V3A图像采集卡  48-49
    5.2.2 MINTRON CCD摄像机  49-50
    5.2.3 RICOM CCTV LENS  50-51
    5.2.4 仿真目标器  51
  5.3 数据记录  51-55
    5.3.1 摄像机标定流程  51-53
    5.3.2 目标器图像处理流程  53-54
    5.3.3 目标器位置姿态测量  54-55
  5.4 误差分析  55-57
    5.4.1 摄像机标定过程误差分析  55-56
    5.4.2 三维重建中的误差分析  56
    5.4.3 实验系统误差  56-57
  5.5 本章小结  57-58
6 结论与展望  58-60
  6.1 结论  58
  6.2 展望  58-60
致谢  60-61
参考文献  61-64

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