基于平面投影的单目视觉AGV定位算法
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关键词 ：ＡＧＶ；单 目视 觉定位；平面投影 Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＧＶ；ｍｏｎｏｃｕｌａｒ ｖｉｓｕａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ；ｐｌａｎｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ
中图分类 号：ＴＨ２１３．５ 文献标识码 ：Ａ 文章编号： １００１—０７８５（２０１８）０４—０１０３ ０４
０ 引言
视觉 定位 是 计算 机视 觉 中的 一个 重要 研究 问题 ，广 泛 应 用于机 器 人 自主 导航 、机 器人 定位 、视觉 伺服 、摄 像 机 校正 、 目标跟 踪 、视 觉检 测 、物 品识 别和 工业 零 部 件 装配 等领 域 。近 年来 ，计 算机 视 觉 飞速 发展 ，涌 现 出 大 量 的技 术与 算法 ，如 主 动视 觉 、面 向任 务 的视觉 、基 于 知识 的视 觉 、基 于模 型 的视觉 以及 多传感 器 和集 成视 觉 等方 法 Ⅲ。根 据使 用镜 头 数 目分类 ，计算 机 视觉 分 为 单 目视 觉定 位 、双 目视 觉定 位 与多 目视 觉 定位 。双 目立 体 视觉 是基 于 视差 原理 ，由多 幅 图像获 取物 体 三维 几何 信 息 。相 比于 基于 多相 机 的模 型定 位方 法 ，单 目视 觉 的 优 点主 要体 现在 只 需单 幅 图像 技能 实现 定位 ，不存 在 图 像 匹配 问题 ，处 理速 度快 ，定位 精 度高 。
ｉ）ＥＳ｜ＧＨ 魏ＬＣ貉 ｉ０瓣圈基墨璃嘲
基于平面投影的单 目视觉 ＡＧＶ定位算法
曹小 华 任晓 玉 武汉 理工大学物流工程 学院 武汉 ４３００６３
摘 要 ：视 觉定位是 ＡＧＶ视 觉导航研究领域 的重要 问题 ， 目前 ，视 觉定位 方法主要是通过对摄像机进行标定求取 相机 内外参数 ，过程复杂，计 算量 大。文 中针对移动机 器人 ＡＧＶ提 出一种基 于平面投影原理的单 目视觉定位 方法， 建立 了摄像机投影模型 ，由一个参考平面连接 图像平面与现 实平面，应 用平面投影原理求解像素点与空间点的映射 关系。实验结果表明，该方法可靠性强 ，计算 简单 ，且具有较好 的定位精度 ，可以满足 ＡＧＶ 的定位 系统要求。
本 文 针对 ＡＧＶ所 处 的 平坦 路 面 的单 目视觉 定 位 ， 提 出 了一种 新 的简单 可行 的算法 。该算 法 不需 要对 摄像 机进 行标 定 ，也 不 需要 求解 摄像机 的 内、外参 数 ，通过 分析 图像 像 素平 面与 现 实空 间平 面 的几 何 关系 ，得 出像 素 点与 现实 点 间 的映射 关 系 。实验 结 果表 明 ，文 中提 出 的算 法 定位 精 度 高 ，实 时性 好 ，为解 决 计 算机 视 觉 的测 量 、定位 与 ＡＧＶ 视 觉 导 引提 供 一种 新 的 思路 ，具 有进 一 步研 究 的价值 。
ｗｉｔｈ ｐｌａｎｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ，ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｈｉｇｈｌｙ ａｃｃｕｒａｔｅ ｉｎ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ，
ｔｈｕｓ ｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈａｔ ｔｈ ｅ ｍ ｅｔｈｏｄ ｉｓ ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ ｆｏｒ Ａ ＧＶ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ．
ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ＡＧＶ．Ａ ｃａｍｅｒａ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｗｉｔｈ ｉｍａｇｅ ｐｌａｎｅ
ａｎｄ ａｃｔｕａｌ ｐｌａｎｅ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｂｙ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｐｌａｎｅ．Ｍ ａｐｐｉｎｇ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｉｘｅｌ ｐｏｉｎｔｓ ａｎｄ ｓｐａｃｅ ｐｏｉｎｔｓ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｖｉｓｕａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏｐｉｃ ｉｎ ＡＧＶ ｖｉｓｉｏｎ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｃｏｍｍ ｏｎｌｙ，ｖｉｓｕａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｉｓ ｄｏｎｅ ｂｙ ｄｅｔｅｒｍ ｉｎｉｎｇ ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ａｎｄ ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｃａｍｅｒａ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃａｍｅｒａ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ，ａ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｖｅｒｙ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ａｎｄ ｒｅｑｕｉｒｅｓ ｇｒｅａｔ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｅｆｆｏｒｔｓ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ｍ ｏｎｏｃｕｌａｒ ｖｉｓｕａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｌａｎｅ
传 统视 觉对 目标定 位 ，是通 过 对摄 像机 的 内外 参数 进行 标 定来 实 现 的 口】。计 算机 标 定方 法 可 以分 为传 统标 定方 法 、 自标 定方 法和 基 于主 动视 觉 的标 定方 法 ［３１。传 统标 定 方法 是现 在 使用 最为 普遍 的 标定 方法 ，利 用 结构 已知 、高加 工精 度 的标 定块 作为 标定 物 ，用 摄像 机 拍摄
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若 干 幅 标 定物 的 图片 ，通 过计 算 ２Ｄ 图像 点 与 ３Ｄ 空 间 点之 间的关 系 来完 成标 定 ，通过 对标 定物 的合 理 设计得 到 高精度 的 结果 。该方 法 的优 点是适 用各种 摄像 机模 型 ， 定位 精 度 高 ，缺 点 是标 定过 程 复杂 。 自标 定方 法不 需要 标 定物 ，仅 通过 运动 摄像 机 所拍 摄 的标定 图片 中匹配 点 的关系 来进 行标 定 。 由于不 需要 标 定物 ，该方 法适 用范 围广 、灵活 性 强，但 是 图像 匹配 中 需要求解 多 元非 线性 方程 导 致其 鲁棒 性 较差 【４］。基 于主 动视 觉 的标 定方 法需 要预 知 摄像 机 的详 细运 动信 息 ，这需 要 昂贵 的设备 对摄 像机 的运 动轨 迹进 行记 录 ，实验 成本较 高 ［５］。
中图分类 号：ＴＨ２１３．５ 文献标识码 ：Ａ 文章编号： １００１—０７８５（２０１８）０４—０１０３ ０４
０ 引言
视觉 定位 是 计算 机视 觉 中的 一个 重要 研究 问题 ，广 泛 应 用于机 器 人 自主 导航 、机 器人 定位 、视觉 伺服 、摄 像 机 校正 、 目标跟 踪 、视 觉检 测 、物 品识 别和 工业 零 部 件 装配 等领 域 。近 年来 ，计 算机 视 觉 飞速 发展 ，涌 现 出 大 量 的技 术与 算法 ，如 主 动视 觉 、面 向任 务 的视觉 、基 于 知识 的视 觉 、基 于模 型 的视觉 以及 多传感 器 和集 成视 觉 等方 法 Ⅲ。根 据使 用镜 头 数 目分类 ，计算 机 视觉 分 为 单 目视 觉定 位 、双 目视 觉定 位 与多 目视 觉 定位 。双 目立 体 视觉 是基 于 视差 原理 ，由多 幅 图像获 取物 体 三维 几何 信 息 。相 比于 基于 多相 机 的模 型定 位方 法 ，单 目视 觉 的 优 点主 要体 现在 只 需单 幅 图像 技能 实现 定位 ，不存 在 图 像 匹配 问题 ，处 理速 度快 ，定位 精 度高 。
ｉ）ＥＳ｜ＧＨ 魏ＬＣ貉 ｉ０瓣圈基墨璃嘲
基于平面投影的单 目视觉 ＡＧＶ定位算法
曹小 华 任晓 玉 武汉 理工大学物流工程 学院 武汉 ４３００６３
摘 要 ：视 觉定位是 ＡＧＶ视 觉导航研究领域 的重要 问题 ， 目前 ，视 觉定位 方法主要是通过对摄像机进行标定求取 相机 内外参数 ，过程复杂，计 算量 大。文 中针对移动机 器人 ＡＧＶ提 出一种基 于平面投影原理的单 目视觉定位 方法， 建立 了摄像机投影模型 ，由一个参考平面连接 图像平面与现 实平面，应 用平面投影原理求解像素点与空间点的映射 关系。实验结果表明，该方法可靠性强 ，计算 简单 ，且具有较好 的定位精度 ，可以满足 ＡＧＶ 的定位 系统要求。
本 文 针对 ＡＧＶ所 处 的 平坦 路 面 的单 目视觉 定 位 ， 提 出 了一种 新 的简单 可行 的算法 。该算 法 不需 要对 摄像 机进 行标 定 ，也 不 需要 求解 摄像机 的 内、外参 数 ，通过 分析 图像 像 素平 面与 现 实空 间平 面 的几 何 关系 ，得 出像 素 点与 现实 点 间 的映射 关 系 。实验 结 果表 明 ，文 中提 出 的算 法 定位 精 度 高 ，实 时性 好 ，为解 决 计 算机 视 觉 的测 量 、定位 与 ＡＧＶ 视 觉 导 引提 供 一种 新 的 思路 ，具 有进 一 步研 究 的价值 。
ｗｉｔｈ ｐｌａｎｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ，ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｈｉｇｈｌｙ ａｃｃｕｒａｔｅ ｉｎ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ，
ｔｈｕｓ ｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈａｔ ｔｈ ｅ ｍ ｅｔｈｏｄ ｉｓ ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ ｆｏｒ Ａ ＧＶ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ．
ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ＡＧＶ．Ａ ｃａｍｅｒａ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｗｉｔｈ ｉｍａｇｅ ｐｌａｎｅ
ａｎｄ ａｃｔｕａｌ ｐｌａｎｅ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｂｙ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｐｌａｎｅ．Ｍ ａｐｐｉｎｇ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｉｘｅｌ ｐｏｉｎｔｓ ａｎｄ ｓｐａｃｅ ｐｏｉｎｔｓ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｖｉｓｕａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏｐｉｃ ｉｎ ＡＧＶ ｖｉｓｉｏｎ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｃｏｍｍ ｏｎｌｙ，ｖｉｓｕａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｉｓ ｄｏｎｅ ｂｙ ｄｅｔｅｒｍ ｉｎｉｎｇ ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ａｎｄ ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｃａｍｅｒａ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃａｍｅｒａ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ，ａ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｖｅｒｙ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ａｎｄ ｒｅｑｕｉｒｅｓ ｇｒｅａｔ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｅｆｆｏｒｔｓ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ｍ ｏｎｏｃｕｌａｒ ｖｉｓｕａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｌａｎｅ
传 统视 觉对 目标定 位 ，是通 过 对摄 像机 的 内外 参数 进行 标 定来 实 现 的 口】。计 算机 标 定方 法 可 以分 为传 统标 定方 法 、 自标 定方 法和 基 于主 动视 觉 的标 定方 法 ［３１。传 统标 定 方法 是现 在 使用 最为 普遍 的 标定 方法 ，利 用 结构 已知 、高加 工精 度 的标 定块 作为 标定 物 ，用 摄像 机 拍摄
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若 干 幅 标 定物 的 图片 ，通 过计 算 ２Ｄ 图像 点 与 ３Ｄ 空 间 点之 间的关 系 来完 成标 定 ，通过 对标 定物 的合 理 设计得 到 高精度 的 结果 。该方 法 的优 点是适 用各种 摄像 机模 型 ， 定位 精 度 高 ，缺 点 是标 定过 程 复杂 。 自标 定方 法不 需要 标 定物 ，仅 通过 运动 摄像 机 所拍 摄 的标定 图片 中匹配 点 的关系 来进 行标 定 。 由于不 需要 标 定物 ，该方 法适 用范 围广 、灵活 性 强，但 是 图像 匹配 中 需要求解 多 元非 线性 方程 导 致其 鲁棒 性 较差 【４］。基 于主 动视 觉 的标 定方 法需 要预 知 摄像 机 的详 细运 动信 息 ，这需 要 昂贵 的设备 对摄 像机 的运 动轨 迹进 行记 录 ，实验 成本较 高 ［５］。