用于测量物体旋转角度的方法及相关设备

技术领域

本发明涉及旋转角度测量技术领域，具体涉及一种用于测量物体旋转角度的方法及相关设备。

背景技术

目前，工业应用上很多场合需要对物体的旋转角度进行测量。传统的测量方法通常是在该物体上安装多种电子传感器，利用电子传感器对物体的旋转角度进行测量。但是，电子传感器往往需要直接安装在物体上，对安装位置有较高的要求，容易对物体造成物理损伤。

发明内容

为了克服传统的在物体上安装多种电子传感器，从而容易对物体造成物理损伤的问题，本发明提供了一种测量物体旋转角度的方法、装置、系统、计算设备及计算机可读存储介质。

第一方面，为了解决上述技术问题，本发明提供了用于测量物体旋转角度的方法，包括：

获取第一双目相机拍摄的承载平台上的物体处于初始状态时的第一图像；所述第一图像包含了三个标定点分别在第一世界坐标系中对应的三个第一坐标点，所述三个标定点表征了物体表面贴附的构成唯一平面的标定点，所述第一世界坐标系为所述第一双目相机对应的世界坐标系；

当所述物体从初始状态转换为终止状态时，获取所述第一双目相机拍摄的处于终止状态的物体的第二图像；所述第二图像包含了三个标定点分别在第一世界坐标系中对应的三个第二坐标点；

根据各个第一坐标点确定第一平面，根据各个第二坐标点确定第二平面，并将第一平面和第二平面之间的第一夹角角度作为物体的旋转角度。

第二方面，为了解决上述技术问题，本发明提供了用于测量物体旋转角度的装置，包括：承载平台、旋转件、三个标定点和第一双目相机；

所述旋转件设置在所述承载平台的中间位置，且沿竖直方向的轴向转动，用于放置物体；

所述三个标定点贴附于所述物体的表面，且所述三个标定点构成唯一平面；

所述第一双目相机设置于所述承载平台上，用于拍摄所述物体在旋转过程中的图像；

处理模块，用于实现如权利要求1所示的一种用于测量物体旋转角度的方法。

第三方面，为了解决上述技术问题，本发明提供了用于测量物体旋转角度的系统，包括：

第一图像获取模块，用于获取第一双目相机拍摄的承载平台上的物体处于初始状态时的第一图像；所述第一图像包含了三个标定点分别在第一世界坐标系中对应的三个第一坐标点，所述物体表面贴附有三个能够构成唯一平面的标定点，所述第一世界坐标系为所述第一双目相机对应的世界坐标系；

第二图像获取模块，用于当所述物体从初始状态转换为终止状态时，获取所述第一双目相机拍摄的处于终止状态的物体的第二图像；所述第二图像包含了三个标定点分别在第一世界坐标系中对应的三个第二坐标点；

第一角度确定模块，用于根据各个第一坐标点确定第一平面，根据各个第二坐标点确定第二平面，并将第一平面和第二平面之间的第一夹角角度作为物体的旋转角度。

第四方面，为了解决上述技术问题，本发明提供了计算设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的用于测量物体旋转角度的方法的步骤。

第五方面，为了解决上述技术问题，本发明提供了计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当所述指令在终端设备上运行时，使得所述终端设备执行如上述所述的用于测量物体旋转角度的方法的步骤。

本发明的有益效果是：通过获取第一双目相机拍摄的物体处于初始状态时的第一图像和物体处于终止状态时的第二图像。第一图像中包含了三个标定在第一世界坐标系中对应的三个第一坐标点，第二图像中包含了三个标定点在第一世界坐标系中对应的三个第二坐标点，三个标定点为物体表面贴附的构成唯一平面的标定点。再根据各个第一坐标点和各个第二坐标点分别确定第一平面和第二平面，将第一平面和第二平面的第一夹角角度确定为物体的旋转角度。由于，三个标定点构成唯一平面，且三个标定点与物体一同旋转。因此，第一平面与第二平面之间的第一夹角角度为三个标定点构成的唯一平面的旋转角度，即为物体旋转的角度。这样，本申请利用第一双目相机拍摄的第一图像和第二图像来确定物体旋转角度的方式，不需要在物体上安装电子传感器就能测量物体的旋转角度，不易对旋转物体造成损伤。

附图说明

图1为本发明用于测量物体旋转角度的方法的流程图；

图2为本发明中第一平面和第二平面的示意图；

图3为本发明中第一法向量和第二法向量的夹角示意图；

图4为本发明的一个公开实施例；

图5为本发明用于测量物体旋转角度的装置的结构示意图；

图6为本发明用于测量物体旋转角度的系统的结构示意图。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

以下结合附图描述本发明实施例的一种用于测量物体旋转角度的方法、装置、系统、计算设备和计算机可读存储介质。

如图1所示，本公开实施例提供了一种用于测量物体旋转角度的方法，包括：

步骤S101,获取第一双目相机拍摄的承载平台上的物体处于初始状态时的第一图像；第一图像包含了三个标定点分别在第一世界坐标系中对应的三个第一坐标点，三个标定点表征了物体表面贴附的构成唯一平面的标定点，第一世界坐标系为第一双目相机对应的世界坐标系。

步骤S102，当物体从初始状态转换为终止状态时，获取第一双目相机拍摄的处于终止状态的物体的第二图像；第二图像包含了三个标定点分别在第一世界坐标系中对应的三个第二坐标点。

步骤S103，根据各个第一坐标点确定第一平面，根据各个第二坐标点确定第二平面，并将第一平面和第二平面之间的第一夹角角度作为物体的旋转角度。

采用本公开实施例提供的一种用于测量物体旋转角度的方法，能够通过获取第一双目相机拍摄的物体处于初始状态时的第一图像和物体处于终止状态时的第二图像。第一图像中包含了三个标定在第一世界坐标系中对应的三个第一坐标点，第二图像中包含了三个标定点在第一世界坐标系中对应的三个第二坐标点，三个标定点为物体表面贴附的构成唯一平面的标定点。再根据各个第一坐标点和各个第二坐标点分别确定第一平面和第二平面，将第一平面和第二平面的第一夹角角度确定为物体的旋转角度。由于，三个标定点构成唯一平面，且三个标定点与物体一同旋转。因此，第一平面与第二平面之间的第一夹角角度为三个标定点构成的唯一平面的旋转角度，即为物体旋转的角度。这样，本申请利用第一双目相机拍摄的第一图像和第二图像来确定物体的旋转角度的方式，不需要在物体上安装电子传感器就能测量物体的旋转角度，不易对旋转物体造成损伤。

优选的，第一图像中的三个第一坐标点通过以下方式确定：对第一双目相机进行标定，以获得第一双目相机的左目内参矩阵M

具体的，第一双目相机包括左目相机和右目相机。对第一双目相机进行标定，以获得M

优选的，第二图像中的三个第二坐标点通过以下方式确定：分别确定三个标定点在第二图像上的第二像素坐标。根据M

优选的，物体的初始状态表征物体开始旋转前静止不动时的状态。

优选的，物体的终止状态表征物体在旋转至目标角度过程中，除物体的初始状态外的任一时刻的状态。这样，将物体在旋转过程中，除物体的初始状态外的任一时刻的状态确定为终止状态，使得获取到的第二图像包含了物体在旋转过程中，除初始状态外的任一时刻的图像，从而能够实时确定物体的旋转角度。

例如，当物体从初始状态开始旋转至旋转结束的时间段内，每间隔预设时长获取第一双目相机拍摄的第二图像，以获得各第二图像。根据第一图像和各第二图像，能够确定物体每间隔预设时长所旋转的角度。在一些实施例中，预设时长为0.1S。

优选的，根据各个第一坐标点确定第一平面，根据各个第二坐标点确定第二平面，包括：将各个第一坐标点在第一世界坐标系中构成的平面确定为第一平面，以及将各个第二坐标点在第一世界坐标系中构成的平面确定为第二平面。

优选的，将第一平面和第二平面之间的第一夹角角度作为物体的第一旋转角度，包括：分别确定第一平面的第一法向量和第二平面的第二法向量。计算第一法向量和第二法向量之间的夹角角度。将第一法向量和所第二法向量之间的夹角角度作为第一夹角角度。将第一夹角角度作为物体的旋转角度。

例如，如图2所示，图2为第一平面和第二平面的示意图。该示意图包括第一平面plane1、第二平面plane2、第一法向量N

具体的，确定第一平面的第一法向量，包括：确定第一平面内任意三个点的位置矢量为X

X

X

N

其中，X

具体的，确定第二平面的第二法向量，包括：确定第二平面内任意三个点的位置矢量为X

X

X

N

其中，X

优选的，将第一法向量和所第二法向量之间的夹角角度作为第一夹角角度，包括：计算第一法向量和第二法向量之间的夹角角度，将第一法向量和所第二法向量之间的夹角角度作为第一夹角角度。

例如，如图3所示，图3为第一法向量和第二法向量的夹角示意图。该示意图包括第一平面plane1、第二平面plane2、第一法向量N

优选的，一种用于测量物体旋转角度的方法，还包括：当物体从初始状态转换为终止状态，且三个标定点未均处于视野范围的情况下，获取第二双目相机拍摄的处于终止状态的物体的第三图像。其中，第三图像包含了三个标定点分别在第二世界坐标系中对应的三个第三坐标点，第二世界坐标系为第二双目相机对应的世界坐标系。将各个第一坐标点根据对应关系转换至第二世界坐标系上，确定每个第一坐标点对应的第四坐标点。根据各个第三坐标点确定第三平面，以及根据各个第四坐标点确定第四平面。将第四平面和第三平面之间的第二夹角角度作为物体的旋转角度。

当物体旋转的角度较大时，第一双目相机受视野限制，很难拍摄到包含三个标定点的图像，也就不能确定物体处于终止状态时三个标定点对应的坐标点，从而难以确定物体旋转的角度。这样，在三个标定点未均处于视野范围的情况下，获取第二双目相机拍摄的处于终止状态的物体的第三图像，在物体旋转角度较大时也能够确定物体旋转的角度。

另外，由于相邻的两个双目相机存在视野重叠的部分，因此，不会出现三个标定点中只有部分标定点在单独一个双目相机中的情况。

可以理解的是，在本公开实施例中，第二双目相机的数量并未进行限定，第二双目相机的数量可以是多个。

例如，第二双目相机的数量为n。物体处于初始状态时，物体表面的三个标定点均处于第一双目相机的拍摄视野范围内。物体从初始状态开始旋转，当物体表面的三个标定点超过第一双目相机的视野范围，并均进入第二双目相机n

优选的，第三图像中的三个第三坐标点通过以下方式确定：对第三双目相机进行标定，以获得第三双目相机的左目内参矩阵M

具体的，第二双目相机包括左目相机和右目相机。对第二双目相机进行标定，以获得M

优选的，将各个第一坐标点根据对应关系转换至第二世界坐标系上，确定每个第一坐标点对应的第四坐标点，包括：确定第一世界坐标系转换到第二世界坐标系的旋转矩阵和平移向量。通过以下公式，确定每个第一坐标点对应的第四坐标点：

P`

其中，R

优选的，确定第一世界坐标系转换到第二世界坐标系的旋转矩阵和平移向量，包括：从物理世界中选取一组初始点，该组初始点的数量为i，i大于或等于3。本公开实施例为了便于理解，将i确定为3。确定该组初始点在第一世界坐标系中对应的第一目标点为P

根据所有第二目标点确定第二质心点C

根据第一目标点和第一质心点，对第一目标点进行去中心化处理，获得去中心化的点q

根据第二目标点和第二质心点，对第二目标点进行去中心化处理，获得去中心化的点q`

根据qi和q`i，构建互相关矩阵H，计算公式如下：

对互相关矩阵H进行SVD分解，计算公式如下：

H＝U∑V

其中，U是一个m*m的酉矩阵(对于实数矩阵，它是正交的)，其列向量称为“左奇异向量”，Σ是一个m*m的对角矩阵，其对角线上的元素称为奇异值，V是一个n*n的酉矩阵(对于实数矩阵，它是正交的)，其列向量称为“右奇异向量”。

根据奇异值分解SVD的结果,计算第一世界坐标系转换到第二世界坐标系的旋转矩阵R

R

根据旋转矩阵R

T

优选的，将第四平面和第三平面之间的夹角角度作为物体的旋转角度，包括：分别确定第三平面的第三法向量和第四平面的第四法向量；计算第四法向量和第三法向量之间的夹角角度；将第四法向量和第三法向量之间的夹角角度作为第二夹角角度；将第二夹角角度作为物体的旋转角度。

具体的，确定第三平面的第三法向量，包括：确定第三平面内任意三个点的位置矢量为X

X

X

N

其中，X

具体的，确定第四平面的第四法向量，包括：确定第四平面内任意三个点的位置矢量为X

X

X

N

其中，X

结合图4所示，图4为一种用于测量物体旋转角度的方法的一个公开实施例。该方法如下：

步骤S201，获取第一双目相机拍摄的物体处于初始状态时的第一图像，第一图像包含了三个标定点。

步骤S202，确定第一图像中三个标定点分别在第一世界坐标系中对应的三个第一坐标点，第一世界坐标系为第一双目相机对应的世界坐标系。

步骤S203，当物体从初始状态转换为终止状态时，判断三个标定点是否均处于第一双目相机的视野范围内。

步骤S204，；若是，则获取第一双目相机拍摄的物体处于终止状态时第二图像，并执行步骤S208,若否，则获取第二双目相机拍摄的物体处于终止状态时的第三图像，第三图像包含了三个标定点，并执行步骤S205。

步骤S205，确定第三图像中三个标定点分别在第二世界坐标系中对应的三个第三坐标点，第二世界坐标系为第二双目相机对应的世界坐标系，并执行步骤S206。

步骤S206，将各个第一坐标点根据对应关系转换至第二世界坐标系上，确定每个第一坐标点对应的第四坐标点，并执行步骤S207。

步骤S207，根据各个第三坐标点确定第三平面，以及根据各个第四坐标点确定第四平面；并将第四平面和第三平面之间的第二夹角角度作为物体的旋转角度。

步骤S208，获取第一双目相机拍摄的处于终止状态的物体的第二图像；第二图像包含了三个标定点，并执行步骤S209。

步骤S209,确定第一图像中三个标定点分别在第一世界坐标系中对应的三个第二坐标点，并执行步骤S210。

步骤S210，根据各个第一坐标点确定第一平面，根据各个第二坐标点确定第二平面，并将第一平面和第二平面之间的第一夹角角度作为物体的旋转角度。

结合图5所示，本公开实施例提供一种用于测量物体旋转角度的装置。该装置包括：承载平台1、旋转件、三个标定点和第一双目相机2。旋转件设置在承载平台的中间位置，且沿竖直方向的轴向转动，用于放置物体3。三个标定点4贴附于物体的表面，且三个标定点4构成唯一平面。第一双目相机2设置于承载平台1上，用于拍摄物体在旋转过程中的图像。处理模块，用于实现如前述所示的一种用于测量物体旋转角度的方法。

采用本公开实施例提供的一种用于测量物体旋转角度的装置，物体放置在承载平台上的旋转件上，以使物体能够通过旋转件沿竖直方向的轴向转动。处理模块能够通过获取第一双目相机拍摄的物体处于初始状态时的第一图像和物体处于终止状态时的第二图像。第一图像中包含了三个标定在第一世界坐标系中对应的三个第一坐标点，第二图像中包含了三个标定点在第一世界坐标系中对应的三个第二坐标点。再根据各个第一坐标点和各个第二坐标点分别确定第一平面和第二平面，将第一平面和第二平面的第一夹角角度确定为物体的旋转角度。由于，三个标定点构成唯一平面，且三个标定点与物体一同旋转。因此，第一平面与第二平面之间的第一夹角角度为三个标定点构成的唯一平面的旋转角度，即为物体旋转的角度。这样，本申请中的物体利用旋转件实现旋转，处理模块利用第一双目相机拍摄的第一图像和第二图像来确定物体的旋转角度的方式，不需要在物体上安装电子传感器就能测量物体的旋转角度，不易对旋转物体造成损伤。

优选的，旋转件在承载平台上的旋转角度为360度，从而使得物体能够通过旋转件实现360度的旋转角度。

优选的，一种用于测量物体旋转角度的装置，还包括标定标签。标定标签贴附于物体的表面，三个标定点分别为该标定标签上的三个预设点。这样，通过在物体上贴附标定标签以确定标定点的方式，便于处理模块通过标定点来确定物体旋转的角度。

优选的，一种用于测量物体旋转角度的装置，还包括三个标定标签。三个标定标签均贴附于物体的表面。各个标定标签上分别设置有一个预设点，三个标定点为三个标定标签上对应的预设点。

优选的，承载平台上设置有多个槽孔，第一双目相机通过槽孔设置于承载平台上。这样，多个槽孔的设置，便于调节第一双目相机在承载平台上的位置，以调节第一双目相机与物体之间的距离。

优选的，结合图5所示，一种用于测量物体旋转角度的装置，还包括：第二双目相机5。第二双目相机5设置于承载平台1上，用于拍摄物体在旋转过程中处于终止状态的图像。可以理解的是，在本公开实施例中，第二双目相机的数量并未进行限定，第二双目相机的数量可以是多个。其中，在物体旋转过程中，三个标定点能够同时处于第一双目相机或任一第二双目相机的视野范围内。具体的，第二双目相机通过槽孔设置于承载平台上。这样，通过设置多个第二双目相机的方式，使得物体旋转角度较大时，仍能够获取物体处于终止状态时的第二图像，从而能够确定物体的旋转角度。

在一些实施例中，第二双目相机的数量有三个。第一双目相机和三个第二双目相机环绕设置在物体的四周，以能够在物体旋转角度较大时，仍能够拍摄到为物体处于终止状态时的第二图像。

例如，三个第二双目相机分别为第二双目相机n

结合图6所示，本公开实施例提供一种用于测量物体旋转角度的系统100。该系统包括：第一图像获取模块101、第二图像获取模块102以及第一角度确定模块103。其中，第一图像获取模块，用于获取第一双目相机拍摄的承载平台上的物体处于初始状态时的第一图像；第一图像包含了三个标定点分别在第一世界坐标系中对应的三个第一坐标点，物体表面贴附有三个能够构成唯一平面的标定点，第一世界坐标系为第一双目相机对应的世界坐标系。第二图像获取模块，用于当物体从初始状态转换为终止状态时，获取第一双目相机拍摄的处于终止状态的物体的第二图像；第二图像包含了三个标定点分别在第一世界坐标系中对应的三个第二坐标点。第一角度确定模块，用于根据各个第一坐标点确定第一平面，根据各个第二坐标点确定第二平面，并将第一平面和第二平面之间的第一夹角角度作为物体的旋转角度。

采用本公开实施例的一种用于测量物体旋转角度的系统，第一图像获取模块用于获取物体处于初始状态时的第一图像，第一图像中包含了三个标定在第一世界坐标系中对应的三个第一坐标点。第二图像模块用于获取物体处于终止状态时的第二图像。第二图像中包含了三个标定点在第一世界坐标系中对应的三个第二坐标点。第一角度确定模块根据各个第一坐标点和各个第二坐标点分别确定第一平面和第二平面，将第一平面和第二平面的第一夹角角度确定为物体的旋转角度。由于，三个标定点构成唯一平面，且三个标定点与物体一同旋转。因此，第一平面与第二平面之间的第一夹角角度为三个标定点构成的唯一平面的旋转角度，即为物体旋转的角度。这样，本申请利用第一图像获取模块获取第一图像，以及利用第二图像获取模块获取第二图像，通过第一角度确定模块来确定物体旋转角度的方式，不需要在物体上安装电子传感器就能测量物体的旋转角度，不易对旋转物体造成损伤。

优选的，第一角度确定模块包括第一确定单元。第一确定单元，用于将各个第一坐标点在第一世界坐标系中构成的平面确定为第一平面，以及将各个第二坐标点在第一世界坐标系中构成的平面确定为第二平面。

优选的，角度确定模块还包括第二确定单元。第二确定单元，用于分别确定第一平面的第一法向量和第二平面的第二法向量；计算第一法向量和第二法向量之间的夹角角度；将第一法向量和第二法向量之间的夹角角度作为第一夹角角度；将第一夹角角度作为物体的旋转角度。

优选的，一种用于测量物体旋转角度的系统，还包括：第三图像获取模块、坐标点转换模块和第二角度确定模块。第三图像获取模块，用于当物体从初始状态转换为终止状态，且三个标定点未均处于视野范围的情况下，获取第二双目相机拍摄的处于终止状态的物体的第三图像；其中，第三图像包含了三个标定点分别在第二世界坐标系中对应的三个第三坐标点，第二世界坐标系为第二双目相机对应的世界坐标系。坐标点转换模块，用于将各个第一坐标点根据对应关系转换至第二世界坐标系上，确定每个第一坐标点对应的第四坐标点。第二角度确定模块，用于根据各个第三坐标点确定第三平面，以及根据各个第四坐标点确定第四平面；并将第四平面和第三平面之间的第二夹角角度作为物体的旋转角度。

优选的，坐标点转换模块包括第三确定单元和第四确定单元。第三确定单元，用于确定第一世界坐标系转换到第二世界坐标系的旋转矩阵和平移向量。第四确定单元，用于通过以下公式，确定每个第一坐标点对应的第四坐标点：

P`

其中，R

优选的，第二角度确定单元包括第五确定单元。第五确定单元，用于分别确定第三平面的第三法向量和第四平面的第四法向量；计算第四法向量和第三法向量之间的夹角角度；将第四法向量和第三法向量之间的夹角角度作为第二夹角角度；将第二夹角角度作为物体的旋转角度。

本发明实施例的一种计算设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并在处理器上运行的程序，处理器执行程序时实现上述用于测量物体旋转角度的方法的部分或全部步骤。

其中，计算设备可以选用电脑，相对应地，其程序为电脑软件，且上述关于本发明的一种计算设备中的各参数和步骤，可参考上文中一种线控制动控制方法的实施例中的各参数和步骤，在此不做赘述。

本发明实施例中一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有指令，当指令在运行时，执行上述用于测量物体旋转角度的方法的步骤。

其中，计算机可读存储介质可以是暂态计算机可读存储介质，也可以是非暂态计算机可读存储介质。

本公开实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括一个或多个指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本公开实施例方法的全部或部分步骤。而前述的计算机可读存储介质可以是非暂态计算机可读存储介质，包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁碟或者光盘等多种可以存储程序代码的介质，也可以是暂态计算机可读存储介质。

所属技术领域的技术人员知道，本发明可以实现为系统、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：可以是完全的硬件、也可以是完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，还可以是硬件和软件结合的形式，本文一般称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，在一些实施例中，本发明还可以实现为在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质中包含计算机可读的程序代码。计算机可读存储介质例如可以是但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。