CN104463156B - 数字式钢琴编码解码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字钢琴式编码解码方法。本发明采用编码标示符有三个区域：识别区，微调区和编码区。识别区和微调区用于精确地定位提取出编码区。编码区是由类似于钢琴的码块组成的，每行可以储存出1个数值。每行有三种颜色的编码，利用每种颜色的码块的个数，可以计算出要表示的数字以及对最终结果进行校正。本发明的解码方法是首先要利用高清摄像机获取包含编码的标示符的图像，利用D‑PSA方法，标识定位并提取出编码；然后调整扫描线，用D‑PDA方法计算出每行表示的数值并校验。本发明的实施例主要用于室内机器人定位，机器人解析出环境中张贴的编码包含的数字信息，即标示符坐标信息。
Description
技术领域
本发明公开了一种数字钢琴式编码解码方法，用于储存和解析固定的数字信息，涉及模板匹配技术，图像处理技术。
背景技术
编码作为一种储存信息的载体，在生活和科研中都经常被用到。在生活中，商家经常利用二维码来储存自己的活动、促销或者宣传信息，可以利用微信或者微博搜索二维码就可以看到这些宣传；商品上的条形码用于记录商品的信息，可以更方便地了解商品的信息，比如价格，产地和质量等；我们乘公交车或者地铁时，用我们持有的卡在机器上刷一下，就可以改变我们公交卡内的余额，就是这些固定的设备激发的信号使我们的卡内产生了一串编码，不同的信息可以产生不同的数值编码，以扣除公交卡内相应的余额；上班刷卡的时候在公司的机器上签到，公司的签到机器上产生的射频信号，激发了我们的个人信息卡，使我们的编码可以传输给签到机，使我们的签到信息可以被签到机记录下来。
公交卡和签到机这些方式的编码都属于有源编码，由于有源编码的长距离传播的优越性能，数据传输的快速性和大量的数据储存性能，被广泛的采用，这种红外遥控信号编码，射频信号等。有源的编码经常会有局限性，比如电源切断，电能耗尽或者有源设备因为使用寿命或者环境苛刻遭到破坏的时候，就会出现信号无法检测的情况。比如我们的公交卡被手机辐射坏掉了，或者我们工作信息卡由于机械地破坏了电子器件，就没有办法再进行信息读取了。这些卡坏了还是可以补办的，但是无源编码在一些环境下是必须的，比如需要长时间放在对有源设备致命的放射性环境下，如果电子器件长时间放置，必然不久后就会辐射坏掉。再比如灾害发生现场，供电很可能被破坏掉，这种编码储存就不再可行了，对于救援机器人捕获环境的参数是非常不利的。
无源码有常见的编码有：数字文字组合编码，条形码，二维码，二进制数字编码等。数字编码或者数字文字组合的编码形式，在分辨率很小的情况下，就很难分辨和识别，而且当外界有干扰的时候，很容易发生错误识别并且很难进行错误校验。商品中常用的条形码编码是用来近距离扫描的编码，在远距离，低分辨率的情况下，更难以分辨和识别。微信和微博中用的二维码，可以存储大量的信息，但是二维码体积很小，而且内容十分复杂，所以在稍微远距离的情况下不可能检测成功，所以二维码也是一种近距离的扫码。连续型的模拟编码更容易出现错误，图像处理中尤其对图像有更高的要求。二进制的0-1编码，作为可靠的数字编码，是编码中比较基本的一种编码，但是每一个十进制数字需要4位来表示，需要大量的数码，非常占用空间和内存。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种数字式的钢琴编码解码方法，这种编码方法完全无源，而且是数字型的编码，每对图像的要求较低，而且更大的抵抗了周围环境的噪声干扰，更准确的解码出需要的数字。
为了达到上述目的，本发明的构思是：编码的标示符由三个区域构成，识别区，微调区和编码区。识别区和微调区用于精确地定位提取出编码区。编码区是由类似于钢琴的码块组成的，每行可以储存出1个数值。每行有三种颜色的编码，利用每种颜色的码块的个数，白色码块表示存储的数值，蓝色码块用于对最终结果进行校正。本发明的解码方法是首先要利用高清摄像机获取包含编码的标示符的图像，利用D-PSA方法，标识定位并提取出编码；然后调整扫描线，用D-PDA方法计算出每行表示的数值并校验。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种数字钢琴式编码解码方法，其特征在于：采用数字钢琴编码标示符，该数字钢琴编码标示符是一种无源的数字式编码，包含了需要的数字信息，作为图像数据被高清摄像机采集；编码包含三个部分，识别区，微调区和编码区：识别区包含三个用于粗定位的标准匹配模板，以对标示符进行识别和粗定位；小块的黄色的微调区位于识别区和编码区的边缘线上，用于对编码区的精确定位；编码区包括了三种颜色琴键组成的数字编码，储存了数字的信息，是数字钢琴编码标示符的最重要的区。数字钢琴编码区每行有三种颜色码块，码块都类似于琴键，有三种颜色，白色、黑色和蓝色。白色琴键码块的个数N(白色)i代表数值，其中i为行数，N(白色)i代表第i行的白色码块的个数，蓝色琴键码块的个数N(蓝色)i，用来校验码块解析是否出错，黑色码块用来间隔其他颜色的码块，不用计算黑色码块的数量，每行编码经校验后可以准确地解析出一个数字。编码区的钢琴码共有六行，每行可以表示一个数字，一共可以表示6个数字。
模拟钢琴式解码方法操作步骤如下：
(1)利用高清摄像机拍摄带有数字钢琴编码标示符的周边环境照片图像；
(2)在图像中，利用D-PSA算法检测标示符的编码区的三个定位点的坐标：右上定位点右上定位点(XRU,YRU)、左下定位点(XLD,YLD)、右下定位点(XRD,YRD)，精确定位后，计算出第四个点的坐标(XLU，YLU)，定位表示出编码区；
(3)旋转图片使编码区水平，公式如下：
angle＝arctan[(XLU-XLD)/(YLD-YLU)]
其中，正值表示逆时针旋转；
并且根据旋转后的四个顶点坐标对图像进行分割提取出编码区，并以编码区的左上角为原点重新建立坐标系；
(4)以每行的中心线为扫描线，利用D-PDA解码方法解析出每行码块中包含的数字信息；
(5)对数字信息进行运算处理，得到需要的数字量，并进行结果校验；
(6)如果解码成功，得到结果，如果解码失败，调整扫描线向上四分之一行距，进行二次扫描；
(7)对二次扫描的数据进行处理，利用D-PDA解码方法得到需要的数字量，并进行结果校验；
(8)如果二次扫描的数据通过校验，得到结果，否则调整扫描线向上二分之一行距，进行三次扫描，得到各颜色像素值，此刻，扫描线位于一次扫描线的下方四分之一行距处；
(9)对三次扫描的数据进行处理，利用D-PDA解码方法得到需要的数字量，并对结果进行校验；
(10)如果三次扫描的结果通过校验，得到结果，否则输出“解析失败”；
(11)调整扫描线以一次扫描为基准向下一个行距，根据上述方法进行后面的五行的扫描并得到结果；
(12)如果输出有解析失败，则需要调整获取图像的姿势和角度，重新获取图像并且进行解析。
上述解码步骤(2)中提到的D-PSA算法为，数据处理模块对图像数据进行检测以定位出标示符的编码器区，具体方法如下：
(1)机器人通过模板匹配法在拍摄的图像数据中，利用检测标示符的三个定位点坐标：右上定位点(XRU,YRU)、左下定位点(XLD,YLD)、右下定位点(XRD,YRD)；
(2)扩大搜索：以模板匹配法搜索出的像素坐标为中心，向外扩展15-30个像素点；
(3)更新精确：当搜索到微调区颜色的黄色像素值时，可以精确地将编码区定位出来，控制系统更新坐标为新定位的坐标值；
(4)根据公式：XLU＝XRU+XLD-XRD，YLU＝YLD+YRU-YRD，求出第四个点，左上定位点的坐标(XLD,YLD)；
上述解码步骤(4)(7)(9)中提到的D-PDA算法为相对于数字钢琴式编码的解码算法，具体步骤如下：
1算法准备：对提取之后的编码区重新建立二维坐标系，以左上角的点为原点，向右为X轴，向下为Y轴，右上角左下角的点分别为(x1，0)(0，y2)，并将每行数值N(白色)i和校验值N(蓝色)i初始值设为0，假设单位行距
2扫描计算：取每行编码的中心线进行扫描，判定出白色码块进入黑色码块，数值位N(白色)i加一，判定出黑色码块进入蓝色码块，则校验值N(蓝色)i加一。六条扫描线路径如下：
(0≤x≤x1,k＝1,2,3,4,5)，
相应的，二次扫描线路径为：
(0≤x≤x1,k＝1,2,3,4,5)；
三次扫描线路径为：
(0≤x≤x1,k＝1,2,3,4,5)；
3校验：如果校验算法(N(白色)+N(蓝色))％3＝＝0，判定解码成功；
(4)如果解码成功，便可以得到六个数字N1＝N(白色)1，N2＝N(白色)2，N3＝N(白色)3，N4＝N(白色)4，N5＝N(白色)5，N6＝N(白色)6。
本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明并不需要在室内布置有源的设备，防止了意外事故停电或者核辐射干扰导致定位方法失灵；解码算法为数字式编码解码，解码结果更加可靠准确。
附图说明
图1为本发明的解码方法的步骤流程图；
图2为本发明的标示符的结构图及编码区的结构；
图3为文中提到的D-PDA解码方法的扫描线示意图；
图4为文中提到的D-PSA模板匹配法的示意模板；
图5为文中提到的D-PSA法实际效果图；
图6为文中提到的D-PSA法中的图片旋转示意图；
图7为用了D-PSA法后被提取出的编码区。
具体实施方式
下面结合附图对本发明中的优选实施例进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
实施例一：
参见图1，图2，本数字钢琴式编码编码解码方法采用一种数字钢琴编码标示符，它是一种无源的数字式编码，包含了要储存的数字信息，作为图像数据被高清摄像机采集；编码包含三个部分，识别区，微调区和编码区：识别区包含三个用于粗定位的标准匹配模板，以对标示符进行识别和粗定位；小块的黄色的微调区位于识别区和编码区的边缘线上，用于对编码区的精确定位；编码区包括了三种颜色琴键组成的数字编码，储存了数字的信息，是数字钢琴编码标示符的最重要的区。数字钢琴式编码每行有三种颜色的类似于琴键的码块组成，白色、黑色和蓝色，白色琴键码块的个数N(白色)i代表数值，其中i为行数，N(白色)i代表第i行的白色码块的个数，蓝色琴键码块的个数N(蓝色)i，用来校验码块解析是否出错，黑色码块用来间隔其他颜色的码块，不用计算黑色码块的数量，每行编码经校验后可以准确地解析出一个数字。编码区的钢琴码共有六行，每行可以表示一个数字，一共可以表示6个数字的数值。
根据图3-7，假设一个机器人在室内运行，需要拍摄标示符，确定出标示符的坐标，以进行自身的定位，检测、操作步骤如下：
步骤1：机器人在室内运行，并利用高清摄像机(2)采集建筑内部包括了标示符的图像数据，并将数据传输给控制系统；
步骤2：对图像利用D-PSA算法检测标示符的编码区的三个定位点的坐标，精确定位后，计算出第四个点的坐标，定位表示出编码区，如图5所示，具体步骤为：
(1)机器人通过模板匹配法在拍摄的图像数据中，利用检测标示符的三个定位点坐标：右上定位点(XRU,YRU)、左下定位点(XLD,YLD)、右下定位点(XRD,YRD)；
(2)扩大搜索：以模板匹配法搜索出的像素坐标为中心，向外扩展15-30个像素点；
(3)更新精确：当搜索到微调区颜色的像素值时，可以精确地将编码区定位出来，控制系统更新坐标为新定位的坐标值；
(4)根据公式：XLU＝XRU+XLD-XRD，YLU＝YLD+YRU-YRD，求出第四个点，左上定位点的坐标(XLD,YLD)；
步骤3：对步骤2已找到的标识符(1)进行编码区的分割和提取，旋转图片使编码区水平，如图6所示，公式如下：
angle＝arctan[(XLU-XLD)/(YLD-YLU)]，
正值表示逆时针旋转，并且根据旋转后的四个顶点坐标对图像进行分割提取出编码区，如图7所示。并以编码区的左上角为原点重新建立坐标系；
步骤4：以每行的中心线为扫描线，利用D-PDA解码方法解析出每行码块中包含的数字信息并进行校验，如果成功，得到本行的结果；
步骤5：如果校验失败，调整扫描线向上四分之一行距，进行二次扫描；
步骤6：对二次扫描的数据进行处理，利用D-PDA解码方法得到需要的数字量，并进行结果校验，如果成功，得到本行的结果；
步骤7：如果校验失败，调整扫描线向下二分之一行距，进行三次扫描，得到各颜色像素值，此刻，扫描线位于一次扫描线的下方四分之一行距处；
步骤8：对三次扫描的数据进行处理，利用D-PDA解码方法得到需要的数字量，并进行结果校验，如果成功，得到本行的结果，继续回到第4步，进行下一行的数据解析；
步骤9：如果三次扫描失败，需要调整获取图像的姿势和角度，重新获取图像并且进行解析。
上述的D-PDA法为相对于数字钢琴式编码的解码算法，步骤为：
1算法准备：对提取之后的编码区重新建立二维坐标系，以左上角的点为原点，向右为X轴，向下为Y轴，右上角左下角的点分别为(x1,0)(0,y2)，并将每行数值N(白色)i和校验值N(蓝色)i初始值设为0，假设单位行距
2扫描计算：取每行编码的中心线进行扫描，判定出白色码块进入黑色码块，数值位N(白色)i加一，判定出黑色码块进入蓝色码块，则校验值N(蓝色)i加一。六条扫描线路径如下：
(0≤x≤x1,k＝1,2,3,4,5)，
相应的，二次扫描线路径为：
(0≤x≤x1,k＝1,2,3,4,5)；
三次扫描线路径为：
(0≤x≤x1,k＝1,2,3,4,5)；
扫描线如图3所示；
3校验：如果校验算法(N(白色)+N(蓝色))％3＝＝0，判定解码成功；
(4)如果解码成功，便可以得到六个数字N1＝N(白色)1，N2＝N(白色)2，N3＝N(白色)3，N4＝N(白色)4，N5＝N(白色)5，N6＝N(白色)6。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不仅局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化和替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应为所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种数字钢琴式编码解码方法，其特征在于：采用数字钢琴编码标示符，该编码中有提供识别和定位的信息、多行的数字信息，张贴在室内的墙上，被高清摄像机采集之后，根据识别和定位信息辨别并且从周围环境中提取出标示符，逐行扫描标示符后并进行解析，最终解析出所需要的数字信息；其中，数字钢琴编码标示符是一种无源的数字式编码，包含了要储存的数字信息，作为图像数据被高清摄像机采集；编码包含三个部分，识别区，微调区和编码区：识别区包含三个用于粗定位的标准匹配模板，以对标示符进行识别和粗定位；黄色的微调区位于识别区和编码区的边缘线上，用于对编码区的精确定位；编码区包括了三种颜色琴键组成的数字编码，储存了数字的信息，是数字钢琴编码标示符的最重要的区；所述的数字钢琴式编码每行有三种颜色的类似于琴键的码块组成：白色、黑色和蓝色，白色琴键码块的个数N(白色)i代表数值，其中i为行数，N(白色)i代表第i行的白色码块的个数，蓝色琴键码块的个数N(蓝色)i，用来校验码块解析是否出错，黑色码块用来间隔其他颜色的码块，不用计算黑色码块的数量，每行编码经校验后可以准确地解析出一个数字；所述的编码区的钢琴码共有六行，每行可以表示一个数字，一共可以表示6个数字；编码解码的具体操作步骤如下：
(1)利用高清摄像机拍摄带有数字钢琴编码标示符的周边环境照片图像；
(2)在图像中，利用D-PSA算法检测标示符的编码区的三个定位点的坐标：右上定位点(XRU,YRU)、左下定位点(XLD,YLD)、右下定位点(XRD,YRD)，精确定位后，计算出第四个点的坐标，定位标示出编码区；
(3)旋转图片使编码区水平，公式如下：
angle＝arctan[(XLU-XLD)/(YLD-YLU)]
其中正值表示逆时针旋转，并且根据旋转后的四个顶点坐标对图像进行分割提取出编码区，并以编码区的左上角为原点重新建立坐标系；
(4)以每行的中心线为扫描线，利用D-PDA解码方法解析出每行码块中包含的数字信息；
(5)对数字信息进行运算处理，得到需要的数字量，并进行结果校验；
(6)如果解码成功，得到结果，如果解码失败，调整扫描线向上四分之一行距，进行二次扫描；
(7)对二次扫描的数据进行处理，利用D-PDA解码方法得到需要的数字量，并进行结果校验；
(8)如果二次扫描的数据通过校验，得到结果，否则调整扫描线向下二分之一行距，进行三次扫描，得到各颜色像素值，此刻，扫描线位于一次扫描线的下方四分之一行距处；
(9)对三次扫描的数据进行处理，利用D-PDA解码方法得到需要的数字量，并对结果进行校验；
(10)如果三次扫描的结果通过校验，得到结果，否则输出“解析失败”；
(11)调整扫描线，以一次扫描为基准，然后向下一个行距，根据上述方法进行后面的五行的扫描并得到结果；
(12)如果输出“解析失败”，则需要调整获取图像的姿势和角度，重新获取图像并且进行解析。
2.根据权利要求1所述的数字钢琴式编码解码方法，其特征在于，步骤(2)中提到的D-PSA算法为：对图像数据进行检测以定位出标示符的编码区，具体方法如下：
(1)机器人通过模板匹配法在拍摄的图像数据中，检测标示符的三个定位点坐标：右上定位点(XRU,YRU)、左下定位点(XLD,YLD)、右下定位点(XRD,YRD)；
(2)扩大搜索：以模板匹配法搜索出的像素坐标为中心，向外扩展15-30个像素点；
(3)根据公式：XLU＝XRU+XLD-XRD，YLU＝YLD+YRU-YRD，求出第四个点，左上定位点的坐标(XLD,YLD)；
(4)更新精确：当搜索到微调区颜色的像素值时，更新四个角的坐标值可以精确地将编码区定位出来，更新坐标为新定位的坐标值。
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