一種物體的定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及圖像處理領(lǐng)域，特別涉及一種物體的定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 三維物體的空間定位一直是計(jì)算機(jī)視覺中的一個(gè)重要問題。物體的定位是要確定 其與相機(jī)的相對(duì)空間關(guān)系，包括位置與姿態(tài)的參數(shù)估計(jì)。當(dāng)物體靜止時(shí)，物體的定位等價(jià)于 相機(jī)外部參數(shù)的標(biāo)定，從而也可以用于攝像機(jī)定標(biāo)。因此，其在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、機(jī)器人導(dǎo)航、運(yùn)動(dòng) 跟蹤以及醫(yī)學(xué)上的外科手術(shù)等眾多領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。
[0003] 多年來，研究人員對(duì)物體的定位問題進(jìn)行了深入的研究。在已知物體的三維模型 的前提下，其主要困難在于目標(biāo)模型三維點(diǎn)與其成像點(diǎn)的對(duì)應(yīng)問題，特別的，當(dāng)目標(biāo)的三 維模型缺失紋理信息時(shí)，點(diǎn)的匹配幾乎不可能。目前物體定位問題的方法主要分為三類：一 類是已知若干模型與其成像的對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)；第二類是已知若干模型與其成像的對(duì)應(yīng)線段；最 后一類是對(duì)應(yīng)性未知算法。
[0004] 目前，已有的研究方法主要集中在第一類方法上。若已知3-5對(duì)不共面的對(duì)應(yīng)點(diǎn)， 可以通過求解多項(xiàng)式方程組得到位置和姿態(tài)參數(shù)的封閉解。針對(duì)3點(diǎn)透視投影問題（p3p) 和4點(diǎn)透視投影問題（p4p)，F(xiàn)ischler等提出了使用幾何透視法求解多項(xiàng)式方程組。若已 知6對(duì)或更多對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)，可以采用線性或非線性逼近的方法求解參數(shù)。
[0005] 郝穎明等對(duì)點(diǎn)匹配方法的魯棒性進(jìn)行了分析。第二類方法，主要利用模型線與對(duì) 應(yīng)投影線產(chǎn)生的約束關(guān)系，比第一類方法理論要復(fù)雜很多。最少需要三條線段來求解姿態(tài) 估計(jì)問題，三條線段可以建立三個(gè)非線性方程，之后姿態(tài)估計(jì)問題可以轉(zhuǎn)化為求解非線性 方程組的解。
[0006] 為了簡化分析方法，Dhome等和Chen等建立了一個(gè)特定的模型坐標(biāo)系和一個(gè)特定 的視點(diǎn)坐標(biāo)系，利用三條線段建立一個(gè)8維的多項(xiàng)式方程來確定姿態(tài)參數(shù)的封閉解。第三 類方法中，問題的求解難度更大，目前主要的研究方法有：基于訓(xùn)練集的方法，基于假設(shè)檢 驗(yàn)的方法，能量函數(shù)優(yōu)化求解的方法。
[0007] 以上三種方法都存在不同的問題：第一類方法需要已知對(duì)應(yīng)點(diǎn)的匹配關(guān)系，但是， 當(dāng)三維模型的紋理缺失時(shí)，很難獲得匹配點(diǎn)，導(dǎo)致算法的失效。第二類方法要求三維模型是 比較規(guī)則的物體，從而容易提取特征。對(duì)于不規(guī)則物體，很難找到匹配的模型線與投影線， 此類方法容易失效。第三類方法的能量函數(shù)高度非線性導(dǎo)致數(shù)值優(yōu)化過程易陷入錯(cuò)誤的局 部極小值；因?yàn)闆]有顯著的對(duì)應(yīng)性關(guān)系，參數(shù)的估計(jì)完全依賴于能量函數(shù)的數(shù)值優(yōu)化，導(dǎo)致 算法復(fù)雜度過高，效率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種物體的定位方法，能夠提高定位結(jié)果的精 度。
[0009] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種物體的定位方法，包括：
[0010] 步驟一，獲取一物體的彩色圖和所述物體的三維模型；
[0011] 步驟二，使用圖像分割法，提取所述彩色圖中的所述物體的第一輪廓；
[0012] 步驟三，獲取一指定的位置和姿態(tài)參數(shù)，作為當(dāng)前的位置和姿態(tài)參數(shù)；
[0013] 步驟四，根據(jù)所述物體的三維模型和所述當(dāng)前的位置和姿態(tài)參數(shù)，生成所述物體 的第二輪廓；
[0014] 步驟五，根據(jù)所述第一輪廓和所述第二輪廓，生成相似性度量函數(shù)S ( Θ );
[0015] 步驟六，根據(jù)所述當(dāng)前的位置和姿態(tài)參數(shù)，生成所述相似性度量函數(shù)的當(dāng)前函數(shù) 值；
[0016] 步驟七，判斷所述相似性度量函數(shù)的當(dāng)前函數(shù)值是否等于1 ;
[0017] 步驟八，當(dāng)所述相似性度量函數(shù)的當(dāng)前函數(shù)值等于1時(shí)，將所述當(dāng)前的位置和姿 態(tài)參數(shù)作為位置和姿態(tài)參數(shù)的最佳參數(shù)，并且輸出。
[0018] 所述步驟四包括：
[0019] 根據(jù)所述當(dāng)前的位置參數(shù)和姿態(tài)參數(shù)，對(duì)所述三維模型進(jìn)行坐標(biāo)變換，生成變換 后的三維模型；
[0020] 將變換后的所述三維模型投影到二維平面，得到所述物體對(duì)應(yīng)的電腦圖形CG圖 像；
[0021] 提取所述電腦圖形圖像中所述物體的第二輪廓。
[0022] 所述步驟五包括：
[0023] 計(jì)算所述第一輪廓和所述第二輪廓之間的重合區(qū)域的面積；
[0024] 計(jì)算所述重合區(qū)域的面積與所述第一輪廓所包圍區(qū)域的面積之間的第一比值；
[0025] 計(jì)算所述重合區(qū)域的面積與所述第二輪廓所包圍區(qū)域的面積之間的第二比值；
[0026] 將所述第一比值與所述第二比值之間的乘積作為相似性度量函數(shù)。
[0027] 所述方法還包括：
[0028] 步驟九，當(dāng)所述相似性度量函數(shù)的當(dāng)前函數(shù)值小于1時(shí)，根據(jù)當(dāng)前的位置參數(shù)和 姿態(tài)參數(shù)，選取充分小增量，在參數(shù)空間進(jìn)行采樣，得到至少兩組采樣后的位置和姿態(tài)參 數(shù)；
[0029] 步驟十，將所述采樣后的每組位置和姿態(tài)參數(shù)，作為當(dāng)前的位置和姿態(tài)參數(shù)，執(zhí)行 所述步驟四到所述步驟六，得到不同組的采樣后的位置和姿態(tài)參數(shù)對(duì)應(yīng)的相似性度量函數(shù) 值；
[0030] 步驟十一，從不同組的采樣后的位置和姿態(tài)參數(shù)對(duì)應(yīng)的相似性度量函數(shù)值中，選 擇最大值；
[0031] 步驟十二，判斷所述最大值是否等于1 ;
[0032] 步驟十三，當(dāng)所述最大值等于1時(shí)，將所述最大值對(duì)應(yīng)的位置和姿態(tài)參數(shù)作為位 置和姿態(tài)參數(shù)的最佳參數(shù)，并且輸出。
[0033] 所述方法還包括：
[0034] 步驟十四，當(dāng)所述最大值小于1時(shí)，將所述最大值對(duì)應(yīng)的位置和姿態(tài)參數(shù)作為當(dāng) 前的位置和姿態(tài)參數(shù)，跳到所述步驟四。
[0035] 所述相似性度量函數(shù)S ( Θ )為： LlN 丄Ut)丄bUb/d Λ rVJ Ij >3/丄Z
[0036]
[0037] 其中，A(CMMW))為所述第一輪廓所包圍區(qū)域的面積；A(Cd)為所述第二輪廓所包 圍區(qū)域的面積；^(Θ)為所述第一輪廓和所述第二輪廓之間的重合區(qū)域的面積。
[0038] 所述選取充分小增量的步驟根據(jù)以下公式進(jìn)行：
[0039] Δ Θ = -(JtJ+λ I) '/(8(0 + Δ 0)-S(0)),
[0040] 其中，J為雅可比矩陣，
[0041] λ為迭代計(jì)算的步長；I為單位矩陣；T表示倒置；


[0042] 表不對(duì)α求偏導(dǎo)數(shù) 表不對(duì)Θ求偏導(dǎo)數(shù) 〖表不對(duì)ω求偏導(dǎo)數(shù)；
[0043] 表示對(duì)h求偏導(dǎo)數(shù)； 表示對(duì)t2求偏導(dǎo)數(shù)； 表示對(duì)t 3求偏導(dǎo)數(shù)；
[0044] t2, 1:3分別為位置參數(shù)，α，θ，ω分別為角度姿態(tài)參數(shù)；
[0045] S ( Θ + Λ Θ )表示進(jìn)行空間采樣后計(jì)算的相似性度量函數(shù)值。
[0046] 所述雅可比矩陣中的向量根據(jù)以下公式計(jì)算：
[0047]
[0048] Va表示在α參數(shù)空間采樣；
[0049] %表示在Θ參數(shù)空間采樣；
[0050] I表示在ω參數(shù)空間采樣；
[0051 ] '表示在^參數(shù)空間采樣；
[0052] 氣表示在一參數(shù)空間采樣；
[0053] '表示在七3參數(shù)空間采樣；
[0054] da表示在α參數(shù)空間采樣的數(shù)值；
[0055] cL表示在ω參數(shù)空間采樣的數(shù)值；
[0056] de表示在Θ參數(shù)空間采樣的數(shù)值；
[0057] <表示在^參數(shù)空間采樣的數(shù)值；
[0058] 爲(wèi)2表示在〖2參數(shù)空間采樣的數(shù)值；
[0059] 武3表示在〖3參數(shù)空間采樣的數(shù)值；
[0060] 表示在a參數(shù)空間采樣后計(jì)算的相似性度量函數(shù)值；
[0061] 表示在Θ參數(shù)空間采樣后計(jì)算的相似性度量函數(shù)值；
[0062] 表示在ω參數(shù)空間采樣后計(jì)算的相似性度量函數(shù)值；
[0063] 表示在^參數(shù)空間采樣后計(jì)算的相似性度量函數(shù)值；
[0064] 表示在一參數(shù)空間采樣