Реализация алгоритма определения пространственных координат и угловой ориентации объекта по реперным точкам, использующего информацию от одной камеры
Кудинов И.А., Павлов О.В., Холопов И.С.

Акционерное общество «Государственный Рязанский приборный завод» (АО «ГРПЗ»), Рязань, Россия,
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рязанский государственный радиотехнический университет» (ФГБОУ ВПО «РГРТУ»), Рязань, Россия

Аннотация:
Рассмотрен алгоритм определения пространственной ориентации объекта с размещёнными на его поверхности реперными излучателями с использованием одной откалиброванной видеокамеры. Алгоритм основан на последовательном решении задачи perspective-four-point и уточнении пространственных координат реперов с применением метода оптимизации Левенберга – Марквардта. Показано, что при нахождении в поле зрения камеры четырёх реперов с априорно известными расстояниями между ними, измеренными с погрешностью не более 0,15 мм, возможно определение угловой ориентации объекта в реальном масштабе времени с погрешностью не более 20 угловых минут.

Ключевые слова :
калибровка камеры, дисторсия, алгоритмы PnP, алгоритм Левенберга – Марквардта.

Цитирование:
Кудинов, И.А. Реализация алгоритма определения пространственных координат и угловой ориентации объекта по реперным точкам, использующего информацию от одной камеры / И.А. Кудинов, О.В. Павлов, И.С. Холопов // Компьютерная оптика. – 2015. – Т. 39, № 3. – С. 413-419. – DOI: 10.18287/0134-2452-2015-39-3-413-419.

Литература:

  1. Hartley, R. Multiple View Geometry in Computer Vision / R. Hartley, A. Zisserman. – 2nd ed. – Cambridge: Cambridge University Press, 2003. – 656 р.
  2. Maier, D. An Efficient and Accurate Method for 3d-point Reconstruction from Multiple Views / D. Maier, B. Liu, M. Yu, R. Maenner // International Journal of Computer Vision. – 2005. – Vol. 65(3). – P. 175-188.
  3. Rothwell, C. A Comparison of Projective Reconstruction Methods for Pairs of Views / C. Rothwell, O. Faugeras, G. Csurka // Computer Vision and Image Understanding. – 1997. – Vol. 68(1). – P. 37-58.
  4. Pollefeys, M. Detailed Real-Time Urban 3D Reconstruction From Video / M. Pollefeys, D. Nister, J.-M. Frahm, A. Akbarzadeh, P. Mordohai, B. Clipp, C. Engels, D. Gallup, S.?J. Kim, P. Merrell, C. Salmi, S. Sinha, B. Talton, L. Wang, Q. Yang, H. Stewenius, R. Yang, G. Welch, H. Towles // International Journal of Computer Vision. – 2008. – Vol. 78(2-3). – P. 143-167.
  5. Handbook of Mathematical Models in Computer Vision / ed. by N. Paragios, Y. Chen and O. Faugeras. – NY: Springer Science + Business Media, 2006. – 606 p.
  6. Грузман, И.С. Цифровая обработка изображений в информационных системах: учеб. пособие / И.С. Грузман, В.С. Киричук, В.П. Косых, Г.И. Перетягин, А.А. Спектор. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. – 352 с.
  7. Гошин, Е.В. Решение задачи автокалибровки камеры с использованием метода согласованной идентификации / Е.В. Гошин, В.А. Фурсов // Компьютерная оптика. – 2012. – Т. 36, № 4. – С. 605-610.
  8. Medioni, G. Emerging Topics in Computer Vision / G. Medioni, S.B. Kang. – New Jersey: Prentice Hall, 2004. – 654 p.
  9. Hartley, R. In Defence of the 8-point Algorithm / R. Hartley // Proc. of 5th International Conference on Computer Vision, 20-23 Jun 1995. – Cambridge, MA, 1995. – P. 1064-1070.
  10. Heikkilä, J. A Four-Step Camera Calibration Procedure with Implicit Image Correction / J. Heikkilä, O. Silvén // Proceedings of IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, 17-19 Jun 1997. – San Juan, 1997. – P. 1106-1112.
  11. Zhang, Z. A Flexible New Technique for Camera Calibration / Z. Zhang // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. – 2000. – Vol. 22(11). – P. 1330?1334.
  12. Zhang, Z. Flexible Camera Calibration by Viewing a Plane from Unknown Orientations / Z. Zhang // Proc. IEEE International Conference on Computer Vision. – Vol. 1, 20-27 Sep 1999. – Kerkyra, 1999. – P. 666-673.
  13. Tsai, R.Y. A Versatile Camera Calibration Technique for High-Accuracy 3d Machine Vision Metrology Using Off-The-Shelf TV Cameras and Lenses / R.Y. Tsai // IEEE Journal on Robotics and Automation. – 1987. – Vol. 3(4). – P. 323-344.
  14. Levenberg, K. A Method for the Solution of Certain Problems in Least Squares / K. Levenberg // Quarterly of Applied Mathematics. – 1944. – Vol. 2. – P. 164-168.
  15. Marquardt, D. An Algorithm for Least-Squares Estimation of Nonlinear Parameters / D. Marquardt // SIAM Journal on Applied Mathematics. – 1963. – Vol. 11. – P. 431-441.
  16. More, J. The Levenberg-Marquardt Algorithm: Implementation and Theory / J. More // Numerical Analysis. Lecture Notes in Mathematics. – 1978. – Vol. 630. – P. 105-116.
  17. Faugeras, O. Three-Dimensional Computer Vision: a Geometric Viewpoint / O. Faugeras. – MIT Press, 1993. – 662 p.
  18. Lee, G.H. RS-SLAM: RANSAC Sampling for Visual FastSLAM / G.H. Lee, F. Fraundorfer, M. Pollefeys // Proceedings IEEE / RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 25-30 Sept 2011. – San Francisco, CA, 2011. – P. 1655-1660.
  19. Brown, D.C. Decentering Distortion of Lenses / D.C. Brown // Photogrammetric Engineering. – 1966. – No 5. – P. 444-462.
  20. Жимбуева, Л.Д. Метод определения суммарной дисторсии цифровых изображений / Л.Д. Жимбуева // Компьютерная оптика. – 2011. – Т. 35, № 3. – С. 347-355.
  21. Ma, L. Flexible Camera Calibration Using a New Analytical Radial Undistortion Formula with Application to Mobile Robot Localization / L. Ma, Y. Chen, K.L. Moore // Proceedings Intelligent Control IEEE International Symposium, 8 Oct 2003. – Houston, 2003. – P. 799-804.
  22. Quan, L. Linear N Point Camera Pose Determination / L. Quan, Z. Lan // IEEE Trans. on Pattern Analysis and Machine Intelligence. – 1999. – Vol. 21(8). – P. 774-780.
  23. Quan, L. Linear N³4-Point Pose Determination / L. Quan, Z. Lan: IEEE International Conference on Computer Vision, 4-7 Jan 1998. – Bombay, 1998. – P. 778-783.
  24. Chou, S.-C. Complete Solution Classification for the Perspective-Three-Point Problem / S.-C. Chou, X.-S. Gao // IEEE Trans. Pattern Analysis and Machine Intelligence. – 2003. – Vol. 25(8). – P. 930-943.
  25. Haralick, R.M. Review and Analysis of Solutions of the Three Point Perspective Pose Estimation Problem / R.M. Haralick, C.-N. Lee, K. Ottenberg, M. Nolle // International Journal of Computer Vision. – 1994. – Vol. 13(3). – P. 331-356.
  26. Зейналов, Р.Ш. Оценка траектории движения объекта с использованием инфракрасных маркеров / Р.Ш. Зейналов, А.А. Якубенко, А.С. Конушин // Материалы 14-й международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (DSPA-12), 28-30 марта 2012. – М.: ИПУ РАН, 2012. – Т. 2. – С. 267-271.
  27. Maths – Rotation Conversions [Электронный ресурс]. – URL: http://www.euclideanspace.com/maths/geometry/ rotations/ conversions/ index.htm (дата обращения: 05.12.2014).
© 2009, IPSI RAS
Institution of Russian Academy of Sciences, Image Processing Systems Institute of RAS, Russia, 443001, Samara, Molodogvardeyskaya Street 151; E-mail: ko@smr.ru; Phones: +7 (846) 332-56-22, Fax: +7 (846) 332-56-20