(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 202211072889.5 (22)申请日 2022.09.02 (71)申请人 扬州大学江都高端 装备工程 技术研 究所 地址 225261 江苏省扬州市江都区邵伯镇 诚意路1号 (72)发明人 孙进　梁立　雷震霆　马昊天　 周威　谢文涛　 (74)专利代理 机构 南京苏科专利代理有限责任 公司 32102 专利代理师 董旭东　季雯 (51)Int.Cl. G06T 7/73(2017.01) G06T 7/80(2017.01) (54)发明名称 基于对称性椭圆拟合的褐菇间苗用伞盖三 维位姿确定方法 (57)摘要 本发明公开了基于对称性椭圆拟合的褐菇 间苗用伞盖三维位姿确定方法， 基于对称性原 理， 通过利用椭圆的中心对称的性质及二分迭代 逼近方法， 计算出椭圆中心坐标， 不断逼近椭圆 长短半轴长、 方向角的实际值； 根据褐菇实际生 长情况， 通过旋转举证进行坐标转换， 得到褐菇 伞盖在相机的实际坐标系下的三维位姿， 相对于 现有间苗技术， 本发明具有更高的识别精度， 具 有很大的市场前 景和推广价 值。 权利要求书3页 说明书9页 附图4页 CN 115423871 A 2022.12.02 CN 115423871 A 1.一种基于对称性椭圆拟合的褐菇间苗用伞盖三维位姿确定方法， 其特征在于， 包括 以下步骤： 步骤1)基于对称性椭圆拟合获取伞盖特 征信息； 步骤2)根据椭圆参数， 确定目标在概念相机坐标系下的位姿； 步骤3)基于 旋转矩阵确定空间目标在实际相机坐标系下的位姿； 步骤4)基于双目视 觉的褐菇空间位姿确定 。 2.根据权利要求1所述的基于对称性椭圆拟合的褐菇间苗用伞盖三维位姿确定方法， 其特征在于， 所述 步骤1)中具体包括： 1‑1)先对相机进行标定获取内外参， 相机采集椭圆孔图像， 并进行图像矫正及预处理， 采用Canny算子得到椭圆的像素边 缘； 通过高斯拟合的方法得到椭圆的亚像素边 缘； 1‑2)基于椭圆对称性计算椭圆中心坐标， 通过二分法迭代估计椭圆长半轴长、 短半轴 长和方向角。 3.根据权利要求2所述的基于对称性椭圆拟合的褐菇间苗用伞盖三维位姿确定方法， 其特征在于， 步骤1 ‑2)中所述基于椭圆对称性计算椭圆中心坐标具体包括： 计算椭圆不同 角度0°～180°之间步长， 角度步长： β＝180 °/n的n组切线对li、 li'， 得椭圆切点对坐标： (xi， yi)、 (xi′， yi′)， 以及切点对之间的距离di、 切线与x轴的夹角αi， 椭圆中心坐标可由式 (1)及式(2)计算 式中： x0、 y0为估计的椭圆中心坐标； n 为切点对的对数。 4.根据权利要求3所述的基于对称性椭圆拟合的褐菇间苗用伞盖三维位姿确定方法， 其特征在于， 步骤1 ‑2)中所述通过二分法迭代估计椭圆长半轴长、 短半轴长和方向角具体 包括： 二分法迭代估计椭圆长半轴长a， 将得到的n个切点对之间的距离di与切线与x轴的夹 角 αi的值， 对n个di从小到大进行排序， 取前两个记为dk， ds(dk＞ds)， 锁定椭圆长轴长存在于 切线角范围为( αk， αs)的角度区域， 通过二分法取下一个角度αn+1＝( αk+αs)/2， 得到对应新 的切线对ln+1， l′n+1及切点对 的距离dn+1； 锁定下一个椭圆长轴长出现的切线角区域( αn+1， αn+2)， 其中： αn+2＝( αk+αn+1)/2， 如此往复通过二分法在迭代中不 断更新逼近椭圆长轴长的 真实值， 设当迭代到第j次时， dn+j与dn+j+1差值的绝对值小于设定的迭代阈值ε， 此 时迭代结 束， 椭圆长半轴长计算见式(3)： 计算椭圆短半轴长b及方向角 θ， 采用迭代逼近 方式， 对n个di从小到大进行排序， 取后两 个记为dv， dp， 由此锁定椭圆短轴长存在于切线角范围为( αv， αp)， 与之前迭代方式相同， 设 当迭代到第m次时， dn+m与dn+m+1的差值绝对值小于设定的迭代阈值ε， 此时迭代结束， 椭圆的 短半轴长及方向角的计算见式(4)及式(5)：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115423871 A 25.根据权利要求1所述的基于对称性椭圆拟合的褐菇间苗用伞盖三维位姿确定方法， 其特征在于， 所述步骤2)具体包括： 根据目标椭圆参数， 获取该椭圆在像素坐标系上对应的 长短轴四个特征点， 然后转换到相 机坐标系 下， 求得目标椭圆四个特征点在在概念相 机坐 标系下的三维坐标； 通过最大观测角LAA的两条边分别与空间目标 圆面交于P、 Q两点， 与像平面中的椭圆透 视投影交于p、 q两点， LAA的角 平分线与空间目标圆交于点M， 与像平面交于点m； 假设向量 Gp、 Gq的单位向量分别为 μgp、 μgq， 则最大观测角LAA的角平 分线对应的单位方向向量ω表示 为式(6)， 最大观测角LAA所在平面的法向量n表示为式(7)； 垂直于LAA所在的平 面， 且过LAA 的角平分线的平面与像平面椭圆E交于b、 c 两点， 其法向量表示 为式(8)； μ＝ω×n                              (8) 保持相机光心G位置不变， 旋转相机使得其光轴与 单位向量ω重合， 对应的像平面物 理 坐标系的x轴和y轴分别与单位 向量μ、 n重合， 像平面截此圆锥得到的椭圆E'， 相机光心G与 空间目标圆的交点 不变， GP、 GQ、 GB、 GC分别与像平面椭圆E'交于p'， q'， b'， c'四点； 旋转之后的相机光心G和空间目标圆面的位置均未改变， 因而相机光心G与空间目标圆 所构成的斜观测椎体保持不变， 其 最大观测角也保持不变， 即有式(9)与式(10)成立； ∠bGc＝∠b'Gc'                               (9) ∠pGq＝∠p'Gq'                              (10) 旋转之后空间目标圆的投影在图像物理坐标系上， 椭圆E'与x轴相交于p'和q'， 与y轴 相交于b'和c'， 且线段p'q'为椭圆E'的长轴， 线段b'c'为椭圆E'的短轴； 在概念相机坐标系中， p'， q'， b'， c'四点的三维坐标 可以用式(1 1)表示； 由于相机旋转过程中， 光心与空间目标圆面构成的斜圆锥的最大观测角不变， 因而根 据几何关系得到式(12)与(13)， 从而确定点p'， q'， b'， c'的坐标； 权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115423871 A 3