CN109285198A - 一种环形编码标记点的编码及识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种环形编码标记点的编码及识别方法属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种环形编码标记点的编码及识别方法。该方法首先根据二进制与十进制转换关系设计环形编码带，拍摄图像后利用常规图像处理算法完成编码标记点的检测及定位。采用环形编码带的灰度跳变点作为解码起点，通过单次顺时针移动计算并提取二进制码值，检测并判断二进制码值串中最高位的位置，将该二进制串分割并重新拼接，将生成的二进制串代表的十进制数值实现解码。该方法利用重新排列二进制串的方式避免了循环移位计算过程，仅需单次检测并通过重新排列的方式完成码值提取，同时编码值不受限制可任意选取，解码效率及码值利用率高，具有良好普适性及可行性。
Description
技术领域
本发明属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种环形编码标记点的编码及识别方法。
背景技术
近年来，编码标记点由于在摄影测量中具有定位、识别及信息表征等作用，在视觉测量领域被广泛应用。其中，在近景摄影测量中最常使用环形编码标记点，其设计原则为：内部的中心圆用于标记点定位，外部为均等分的环状编码带，以加载唯一的身份信息，主要用于标记点的识别，两者结合以便于计算机的快速、高效识别。但传统的编码标记点解码原理为将最终得到的二进制数值串循环移动多次，取对应的十进制数最小的数作为为最后的解码值，该方法由于不能在高位与低位中不能出现相同的二进制片段，存在解码效率低、十进制码值及同比二进制数利用率差等缺陷，因此根据编码标记点编码与解码特征发明一种兼顾解码效率与码值利用率的编码标记点检测及识别方法具有重要意义。
天津工业大学宋丽梅、陈昌曼等发明的专利号为CN 103310215 A的“一种环状编码标记点的检测与识别方法”，该方法将外部环状码带这一局部形状特征转化为平行直线这种容易检测和计算的形状特征，具有较高的编码标记点识别速率及识别准确率，但该方法最终仍使用循环排序求极小值的方法进行码值提取，因此解码效率及码值利用率较低。西华大学董秀成、曾玉等发明的专利号为CN 107578051 A的“一种环状编码标记点的检测与识别方法”，该方法将环形编码点的编码环带分离，通过求取白色码带灰度中心对其进行顺时针排序，来提取椭圆图像的解码端点并重构为圆形图像中的解码端点，进而完成码值提取，且定位精度较高，但该方法仅提高了码值提取效率，对于图像中每个环形编码带均需要求取解码端点，降低了解码效率。
发明内容
本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷问题，发明一种环形编码标记点的编码及识别方法，该方法首先根据二进制与十进制转换关系设计环形编码带，拍摄图像后利用常规图像处理算法完成编码标记点的检测及定位，采用环形编码带的灰度跳变点作为解码起点，通过单次顺时针移动计算并提取二进制码值，检测并判断二进制码值串中最高位的位置，将该二进制串分割并重新拼接，将生成的二进制串代表的十进制数值实现解码。该方法仅需单次检测并通过重新排列的方式完成码值提取，编码值不受限制可任意选取，具有解码效率及码值利用率高，普适性好的特点。
本发明所采用的技术方案是一种环形编码标记点的编码及识别方法，其特征是，该方法首先根据二进制与十进制转换关系设计环形编码带，根据二值化、最小二乘法拟合等常规算法处理拍摄的图像，完成编码标记点的检测及定位得到环形编码点的图像后，基于环形编码带的灰度变化，以灰度跳变点作为解码起点单次顺时针移动，根据圆心角和弧度计算该编码带上所包含的0或1，进而提取二进制码值串，检测该二进制串并判断其最高位的位置，将该二进制串分割为两个片段并重新拼接生成新的二进制串，其代表的十进制数值即为最终的编码值。方法的具体步骤如下：
步骤1：环形编码带编码
本文使用的环形编码标记点为10位编码标记点，即每隔36°对环形编码带进行分度，其中背景及代表“0”的环形编码带为黑色，中心圆及代表“1”的环形编码带为白色，其图像灰度直方图具有双峰特征。依据本文解码方法，编码过程即为将十进制数转化为二进制数，并将环形编码带中的白色块与二进制数的“1”对应。
步骤2：编码标记点检测
首先依据分块二值化方法，对采集的图像进行二值化处理：
其中，用尺寸大小S×S将图像分成互相重合一半的块Aij，用Otsu法计算每块的阈值tij＝Ostu(Aij)，基于该阈值用双线性插值法计算每个像素点的二值化阈值，以此进行灰度分割；在二值化图像上提取目标特征轮廓后，使用最小二乘法拟合椭圆的参数(中心、长轴、短轴及倾斜角)，求取参与拟合的任意一点(xi,yi)离椭圆的偏差均值，以去掉不规则的椭圆，并经过坐标系转换将所有拟合点转换到以椭圆中心为坐标原点，长轴、短轴分别为X轴、Y轴的坐标系上，并计算点(xi,yi)的拟合误差Δri：
其中，a与b分别分拟合椭圆的长半径和短半径。将Δri取求均值并将拟合误差超过一定均值的轮廓舍去。
步骤3：编码标记点分类
再根据标记点周围是否有白色连通域的编码环段来区分编码标记点，需满足两个约束：首先是距离约束，即环形白色块的拟合中心距离标记点中心需在一定范围内，该范围由标记点设计时本身的物理距离确定；其次是面积约束，即环形白色块的面积与标记点的面积比需满足一定比例：
其中，环形白色块的面积为AS，编码点由内而外的3个直径为r1，r2和r3。综上，即可得到所有编码标记点的二值化图像。
步骤4：逆仿射变换，解码起点提取
由于实际测量环境并不理想，相机时如果有灰尘会使所拍摄的图像存在污点造成误匹配，因此本发明方法采用环形编码带的中间部位提取解码起点，即根据环形编码带白色块的拟合中心来拟合椭圆B，实际中的相机模型是透视变换，这里近似为仿射变换。将椭圆B按照公式(4)逆仿射映射为一个单位圆，使得单位圆上各像素的灰度与椭圆B上的像素灰度一一对应：
其中，X'为逆仿射为单位圆的坐标，a0、b0、X0、θ分别为椭圆B的长半径、短半径、圆心坐标、偏转角。为避免任意选择解码起点时刚好选到的是编码环段的中间，利用椭圆B中有灰度跳变的点作为解码起点；
步骤5：环形编码带解码
由步骤4可得解码起点，然后在单位圆上以顺时针方向检测到下一个灰度跳变点，并计算前后两个点对应的圆心角，利用圆心角与36°的比值结合灰度变化关系，即可计算环形编码带上“0”和“1”的个数，按顺序排列可得初始二进制数值串。
10位二进制串可表达210个数值，但实际测量过程使用的编码标记点远小于该数值，因此由将十进制下的编码值转换为二进制码值串，在二进制码值串的高位会连续出现最多的“0”，本发明依据该特性，将上述检测得到的二进制数值串导入计算机中，判断出最多的“0”位，以此找到该二进制数值串中所对应最高位的“0”，以最高位“0”的左侧为分界线，将该二进制串分解两个片段并调换位置，拼接生成的新二进制串即为所求二进制码值串，将其转换为十进制数值可实现解码。
本发明的有益效果是依据二进制码值串高位“0”集中的特性，利用重新排列二进制串的方式避免了循环移位计算过程，提高了解码效率，该方法仅需单次检测并通过重新排列的方式即可实现码值信息提取，同时编码值不受限制可任意选取，具有解码效率及码值利用率高，十进制及同比二进制码值利用率较高，具有良好普适性及可行性。
附图说明
图1为一种环形编码标记点的编码及识别方法的流程示意图。
图2为编码值为21的环形编码标记点示例图。其中，外围环形编码带上的白色块与黑色块分别代表二进制数的“1”和“0”。
具体实施方式
以下结合技术方案及附图详细叙述本发明方法的具体实施方式。
本发明方法的流程如图1所示。实际测量时，首先是标记点的编码，根据不停编码值设计多个环形编码标记点，将其固定在目标物上，采用标定好的相机拍摄，得到含有标记点的图像；其次是标记点的检测及定位，使用二值化方法提取轮廓、结合最小二乘法拟合去除不规则的椭圆，通过距离及面积约束来筛选得到所有的标记点图像；最后是标记点的解码，以环形编码带中的白色块中心拟合单位圆，使用灰度跳变点作为解码起点，单次顺时针移动来提取二进制码值串，检测该二进制串并判断其最高位的位置，将该二进制串分割为两个片段并重新拼接生成新的二进制串，最终实现编码。方法的具体步骤如下：
步骤1：环形编码带编码
本文使用的环形编码标记点为10位编码标记点，如图2所示为码值为21对应的编码标记点，即每隔36°对环形编码带进行分度，其中背景为黑色，中心圆及代表“1”环形编码带为白色，采用的环形编码点由内而外的三个直径分别为9mm，13mm及17mm。实际测量时，目标物体上均匀分布环形编码标记点。编码过程即为将十进制数转化为二进制数，并将环形编码带中的白色块与二进制数的“1”对应。例如：码值为21的编码标记点对应的二进制数为“0000010101”。
步骤2：编码标记点检测
首先依据分块二值化方法，对采集的图像进行二值化处理，如公式(1)。基于用Otsu法计算每块的阈值，根据该阈值用双线性插值法计算每个像素点的二值化阈值并进行灰度分割，大于阈值的像素设成255，否则设置成0；在二值化图像上提取图案轮廓后，对满足尺寸和形状准则的轮廓采用代数最小二乘法拟合椭圆的参数(中心、长轴、短轴及倾斜角)，使用公式(2)求取参与拟合的任意一点离椭圆的偏差均值，经过坐标系转换将所有拟合点转换到以椭圆中心为坐标原点，长轴、短轴分别为X轴、Y轴的坐标系上，并计算点拟合误差：将拟合误差超过一定均值的轮廓舍去以去掉不规则的椭圆；
步骤3：编码标记点分类
之后再根据标记点周围是否有白色连通域的编码环段来区分编码标记点，需满足两个约束：首先是距离约束，即环形白色块的拟合中心距离标记点中心需在一定环形编码带的内直径和外直径之间，其次是面积约束，即环形白色块的面积与标记点中心圆的面积比需满足公式(3)。综上，即可得到所有编码标记点的二值化图像。
步骤4：逆仿射变换，解码起点提取
由于实际测量环境并不理想，相机时如果有灰尘会使所拍摄的图像存在污点造成误匹配，因此本发明方法采用环形编码带的中间部位提取解码起点，即根据环形编码带白色块的拟合中心来拟合椭圆B，实际中的相机模型是透视变换，这里近似为仿射变换。将椭圆B按照公式(4)逆仿射映射为一个单位圆，使得单位圆上各像素的灰度与椭圆B上的像素灰度一一对应，再在单位圆上找出有灰度跳变的点作为解码起点。
步骤5：环形编码带解码
由步骤4可得解码起点，然后在单位圆上以顺时针方向检测到下一个灰度跳变点，并计算前后两个点对应的圆心角，利用圆心角与36°的比值结合灰度变化关系，即可计算环形编码带上“0”和“1”的个数，按顺序排列可得初始二进制数值串，将上述检测得到的二进制数值串导入计算机中，判断出最多的“0”位，以此找到该二进制数值串中所对应最高位的“0”，以最高位“0”的左侧为分界线，将该二进制串分解两个片段并调换位置，拼接生成的新二进制串即为所求二进制码值串，将其转换为十进制数值可实现解码。以图2的编码点为例，由灰度跳变点为起点会得到三个不同的二进制数值串：“1010100000”，“1010000010”与“1000001010”，将以上三个二进制串按照本发明的方法在最高位处进行分割与重新拼接，均能得到最后的“0000010101”，因此本发明可行性良好。
本发明利用重新排列后拼接二进制串的方式避免了循环移位计算过程，提高了解码效率，依据二进制码值串高位“0”集中的特性，仅需单次检测即可提取标记点中的码值信息，同时编码值不受限制可任意选取，十进制及同比二进制码值利用率较高，具有良好普适性及可行性。
Claims (1)
1.一种环形编码标记点的编码及识别方法，其特征是，该方法首先根据二进制与十进制转换关系设计环形编码带，根据二值化、最小二乘法拟合等常规算法处理拍摄的图像，完成编码标记点的检测及定位得到环形编码点的图像后，基于环形编码带的灰度变化，以灰度跳变点作为解码起点单次顺时针移动，根据圆心角和弧度计算该编码带上所包含的0或1，进而提取二进制码值串，检测该二进制串并判断其最高位的位置，将该二进制串分割为两个片段并重新拼接生成新的二进制串，其代表的十进制数值即为最终的编码值；方法的具体步骤如下：
步骤1：环形编码带编码
采用环形编码标记点为10位编码标记点，即每隔36°对环形编码带进行分度，其中背景及代表“0”的环形编码带为黑色，中心圆及代表“1”的环形编码带为白色，其图像灰度直方图具有双峰特征；依据本文解码方法，编码过程即为将十进制数转化为二进制数，并将环形编码带中的白色块与二进制数的“1”对应；
步骤2：编码标记点检测
首先依据分块二值化方法，对采集的图像进行二值化处理：
其中，用尺寸大小S×S将图像分成互相重合一半的块Aij，用Otsu法计算每块的阈值tij＝Ostu(Aij)，基于该阈值用双线性插值法计算每个像素点的二值化阈值，以此进行灰度分割；在二值化图像上提取目标特征轮廓后，使用最小二乘法拟合椭圆的参数：中心、长轴、短轴及倾斜角，求取参与拟合的任意一点(xi,yi)离椭圆的偏差均值，以去掉不规则的椭圆，并经过坐标系转换将所有拟合点转换到以椭圆中心为坐标原点，长轴、短轴分别为X轴、Y轴的坐标系上，并计算点(xi,yi)的拟合误差Δri：
其中，a与b分别分拟合椭圆的长半径和短半径；将Δri取求均值并将拟合误差超过一定均值的轮廓舍去；
步骤3：编码标记点分类
再根据标记点周围是否有白色连通域的编码环段来区分编码标记点，需满足两个约束：首先是距离约束，即环形白色块的拟合中心距离标记点中心需在一定范围内，该范围由标记点设计时本身的物理距离确定；其次是面积约束，即环形白色块的面积与标记点的面积比需满足一定比例：
其中，环形白色块的面积为AS，编码点由内而外的3个直径为r1，r2和r3；综上，即可得到所有编码标记点的二值化图像；
步骤4：逆仿射变换，解码起点提取
采用环形编码带的中间部位提取解码起点，即根据环形编码带白色块的拟合中心来拟合椭圆B，实际中的相机模型是透视变换，这里近似为仿射变换；将椭圆B按照公式(4)逆仿射映射为一个单位圆，使得单位圆上各像素的灰度与椭圆B上的像素灰度一一对应：
其中，X'为逆仿射为单位圆的坐标，a0、b0、X0、θ分别为椭圆B的长半径、短半径、圆心坐标、偏转角；为避免任意选择解码起点时刚好选到的是编码环段的中间，利用椭圆B中有灰度跳变的点作为解码起点；
步骤5：环形编码带解码
由步骤4得到解码起点，然后在单位圆上以顺时针方向检测到下一个灰度跳变点，并计算前后两个点对应的圆心角，利用圆心角与36°的比值结合灰度变化关系，计算环形编码带上“0”和“1”的个数，按顺序排列得到初始二进制数值串；
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