(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210804715.7 (22)申请日 2022.07.08 (71)申请人 北京航空航天大 学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号 (72)发明人 孟偲　任龙飞　冯飞　齐巍　 (74)专利代理 机构 北京方圆嘉 禾知识产权代理 有限公司 1 1385 专利代理师 程华　王月松 (51)Int.Cl. G06T 7/73(2017.01) G06T 7/62(2017.01) G06T 17/00(2006.01) (54)发明名称 一种基于图像的球形物体位姿确定方法及 系统 (57)摘要 本发明涉及一种基于图像的球形物体位姿 确定方法及系统， 所述方法包括： 获取球形物体 的图像中的斑点信息； 根据斑点信息确定两个面 积较大的斑点作为两个目标大斑点， 除了两个目 标大斑点之外的斑点均作为目标小斑点； 构建目 标三棱锥； 将目标三棱锥与数据库中的三棱锥进 行匹配， 并采用投票法确定每个所述目标大斑点 的编号； 根据每个目标大斑点的编号确定每个目 标大斑点的初始位置坐标； 根据两个目标大斑点 的当前位置坐标和初始位置坐标， 确定球形物体 的当前位姿。 本发明采用三棱锥匹配的方式实现 球形物体位姿的确定， 不受经纬度划分精度的限 制， 提高了 球形物体位姿确定的精度。 权利要求书4页 说明书12页 附图4页 CN 115170665 A 2022.10.11 CN 115170665 A 1.一种基于图像的球形物体位姿确定方法， 其特 征在于， 所述方法包括如下步骤： 获取球形物体的图像中的斑点信息； 所述球形物体上标记有多个大斑点和多个小斑 点； 根据所述斑点信 息确定两个面积最大的斑点作为两个目标大斑点， 除了两个所述目标 大斑点之外的斑点均 作为目标小斑点； 以两个所述目标大斑点作为底面的两个顶点， 以球形物体的球心作为底面之外的顶 点， 并分别以每个所述目标小斑点作为底面的另外一个顶点， 构建目标三棱锥， 获得多个目 标三棱锥； 分别将每个所述目标三棱锥与数据库中的三棱锥进行匹配， 获得与每个目标三棱锥向 匹配的三棱锥的两个大斑点的编号组合； 所述数据库中存储有每个大斑点的编号、 初始位 置坐标， 及任意两个大斑点与任意一个小斑点分别作为底面的三个顶点， 球形物体的球心 作为底面之外的顶点构建的三棱锥， 组成同一个三棱锥的两个大斑点和一个小斑点按照大 斑点、 大斑点、 小斑点的顺序呈顺时针排列； 采用投票统计的方式确定两个所述目标大斑点对应的编号组合， 进而确定每个所述目 标大斑点的编号； 根据每个所述目标 大斑点的编号确定每 个所述目标 大斑点的初始位置坐标； 根据两个所述目标大斑点在图像中的位置信 息， 确定每个所述目标大斑点的当前位置 坐标； 根据两个所述目标大斑点的当前位置坐标和初始位置坐标， 确定所述球形物体的当前 位姿。 2.根据权利要求1所述的基于图像的球形物体位姿确定方法， 其特征在于， 所述根据 所 述斑点信息确定两个面积最大的斑点作为两个目标大斑点， 除了两个所述目标大斑点之外 的斑点均 作为目标小斑点， 具体包括： 采用如下公式， 对图像中的斑点的图像测量 面积进行修 正， 获得修 正后的面积； 其中， S'表示修正后的面积， S表示图像测量面积， θ为斑点的中心点相对于XOZ平面的 梯度方向与XOZ平面的夹角， R为球形物体的半径， x和z分别为斑点的中心点的x轴 坐标和z 轴坐标； 对大于2倍的图像测量面积的修正后的面积进行二 次修正， 获得二 次修正后的面积； 所 述二次修正后的面积等于2倍的图像测量 面积； 分别将斑点的修 正后的面积或二次修 正后的面积作为所述斑点的标准 面积； 选取标准面积最大的两个斑点， 作为两个所述目标大斑点， 并确定除了两个所述目标 大斑点之外的斑点作为目标小斑点。 3.根据权利要求1所述的基于图像的球形物体位姿确定方法， 其特征在于， 所述根据两 个所述目标大斑点的当前位置坐标和初始位置坐标， 确定所述球形物体的当前位姿， 具体 包括： 利用如下 方程求解球形物体的旋转矩阵；权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115170665 A 2(Pt1'‑Pt0)×(Pt2'‑Pt0)＝RM[(Pt1‑Pt0)×(Pt2‑Pt0)]； 其中， Pt1'和Pt2'分别为两个目标大斑点的当前位置坐标， Pt1和Pt2分别为两个目标大斑 点的初始位置坐标， RM表示球形物体的旋转矩阵， Pt0表示球形物体的球心坐标； 根据球形物体的旋转矩阵， 利用 如下公式确定球形物体的当前齐次矩阵， 即为球形物 体的当前位姿； 其中， r11、 r12、 r13、 r21、 r22、 r23、 r31、 r32和r33均为球形物体的旋转矩阵中的元素， H为球形 物体的当前齐次矩阵。 4.根据权利要求1所述的基于图像的球形物体位姿确定方法， 其特征在于， 所述获取球 形物体的图像中的斑点信息， 之前还 包括： 将球形物体等效为阿基 米德多面体； 在所述阿基 米德多面体的正六边形的中心位置设置大斑点； 在所述阿基米德多面体的正六边形或正五边形的至少一个中心线上设置小斑点； 所述 中心线为连接正六边形或正五边形的中心点和端点的线段。 5.一种基于图像的球形物体位姿确定系统， 其特 征在于， 所述系统包括： 斑点信息获取模块， 用于获取球形物体的图像中的斑点信息； 所述球形物体上标记有 多个大斑点和多个小斑点； 目标斑点选取模块， 用于根据 所述斑点信 息确定两个面积最大的斑点作为两个目标大 斑点， 除了 两个所述目标 大斑点之外的斑点均 作为目标小斑点； 目标三棱锥构建模块， 用于以两个所述目标大斑点作为底面的两个顶点， 以球形物体 的球心作为底面之外的顶点， 并分别以每个所述 目标小斑点作为底面的另外一个顶点， 构 建目标三 棱锥， 获得多个目标三 棱锥； 编号组合确定模块， 用于分别将每个所述目标三棱锥与数据库中的三棱锥进行匹配， 获得与每个目标三棱锥向匹配的三棱锥的两个大斑点的编号组合； 所述数据库中存储有每 个大斑点的编号、 初始位置坐标， 及任意两个大斑点与任意一个小斑点分别作为底面的三 个顶点， 球形物体的球心作为底面之外的顶点构建的三棱锥， 组成同一个三棱锥的两个大 斑点和一个小斑点按照大斑点、 大斑点、 小斑点的顺序呈顺时针排列； 目标大斑点的编 号确定模块， 用于采用投票统计的方式确定两个所述目标大斑点对应权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115170665 A 3