CN113096191B - 基于编码平面靶标的单目摄像机智能标定方法 - Google Patents

基于编码平面靶标的单目摄像机智能标定方法 Download PDF

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CN113096191B CN202110386596.3A CN202110386596A CN113096191B CN 113096191 B CN113096191 B CN 113096191B CN 202110386596 A CN202110386596 A CN 202110386596A CN 113096191 B CN113096191 B CN 113096191B
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Abstract

本发明公开了基于编码平面靶标的单目摄像机智能标定方法，利用基于生长的棋盘格角点检测算法提取编码平面靶标图像中各个标定角点的亚像素级坐标；利用编码平面靶标上的编码图案及解码方法判断编码平面靶标的旋转方向，并获得编码平面靶标图像中各个标定角点在靶标坐标系下一一对应的靶标坐标；利用平面靶标空间姿态估算算法估算编码平面靶标在空间中的旋转和平移；获得G幅满足条件的标定图像后，利用张正友标定算法求解摄像机的内外参数。本发明能够实现单目摄像机内外参数的自动标定，能够充分利用满足条件的局部编码平面靶标图像，提高了单目摄像机标定的适用性和鲁棒性。

Description

基于编码平面靶标的单目摄像机智能标定方法
技术领域
本发明涉及计算机视觉领域中的摄像机标定领域，具体为基于编码平面靶标的单目摄像机智能标定方法。
背景技术
计算机视觉技术在工业控制、测量学等领域有着广泛的应用，计算机视觉技术主要是利用摄像机的成像，通过图像信息获取空间中被测物体的三维信息，由此重建和识别物体。计算机视觉技术的根本问题是摄像机标定，通过摄像机标定技术可以获得空间三维坐标与图像二维坐标之间的映射关系，摄像机标定技术是计算机视觉测量技术的研究重点，摄像机标定的任务就是求解摄像机的内外参数，摄像机标定技术得到越来越多的关注和发展。
1986年Roger Tsai提出了基于径向约束的摄像机标定算法，该标定算法需要3D立体靶标，使得标定过程不灵活；1999年前后，张正友(Z.Y Zhang)提出了基于平面靶标的摄像机标定算法，该标定算法使用了不包含方向信息和编码信息的平面靶标，标定过程中无法判断出无方向信息的平面靶标的旋转方向，并且张正友(Z.Y Zhang)提出的基于平面靶标的摄像机标定算法要求摄像机拍摄到完整的平面靶标，但实际标定过程中摄像机常常会拍摄不到完整的平面靶标，此时使用传统的没有包含方向信息和编码信息的平面靶标难以进行摄像机标定和保证摄像机标定精度。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提出了基于编码平面靶标的单目摄像机智能标定方法，利用包含方向信息和编码信息的编码平面靶标进行摄像机标定，能够精确地判断出编码平面靶标的旋转方向，且编码平面靶标中的编码信息能够保证摄像机标定时像素坐标和靶标坐标匹配的精度；另外编码平面靶标中的编码图像具有独立性，不依赖于某个具体的方向图案，因此与方向性平面靶标相比，没有拍摄到方向性图案的局部靶标图像仍可以用于摄像机标定。
为实现上述效果，本发明采用的技术方案为：提供一种用于摄像机标定的编码平面靶标，所述编码平面靶标由平行四边形编码单元和平行四边形非编码单元交替组成的编码棋盘格构成，所述编码平面靶标以任意对角相连的平行四边形编码单元的交点作为编码平面靶标的标定角点，所述编码平面靶标一共包含M行×N列个标定角点，其中M和N均为正整数；编码平面靶标中每一个平行四边形编码单元的内部设置有编码图案，编码图案包括定位图案、定向图案和编码标志图案，其中编码标志图案又由多个编码单元图案组成；定向图案和定位图案用于编码平面靶标旋转方向的判断；编码标志图案用于给编码平面靶标中每一个标定角点进行编码。
编码平面靶标中每一个平行四边形编码单元内部的定位图案、定向图案和编码单元图案均不重叠且不连通。
编码平面靶标中所有平行四边形编码单元和平行四边形非编码单元均为长度为a且宽度为b的平行四边形，a和b均大于零，所述平行四边形内的锐角记为λ(其中0°＜λ＜90°)，且当平行四边形编码单元为矩形时，λ＝90°。
任取编码平面靶标中的一个平行四边形编码单元记为编码平面靶标向量确定编码单元Γv，任取编码平面靶标向量确定编码单元Γv的一个顶点记为向量确定编码单元第一顶点o″1，在编码平面靶标向量确定编码单元Γv中将相交形成向量确定编码单元第一顶点o1″的任意一条边记为向量确定编码单元第一边Νv1，在向量确定编码单元第一边Νv1上取向量确定编码单元Γv的顶点记为向量确定编码单元第一边上第一点o″2，其中向量确定编码单元第一边上第一点o″2与向量确定编码单元第一顶点o″1是互不重合的2个点，记向量
Figure BDA0003015292640000021
为规定向量
Figure BDA0003015292640000022
并且编码平面靶标内的每一个平行四边形编码单元中的定位图案和定向图案的位置关系如下：在同一平行四边形编码单元内由定向图案质心指向定位图案质心的方向与规定向量
Figure BDA0003015292640000023
的方向相同；
将编码平面靶标所在的平面记为靶标平面Pt，以向量确定编码单元第一顶点o″1为起点做一个与规定向量
Figure BDA0003015292640000024
同向的单位向量记为第1个规定单位向量
Figure BDA0003015292640000025
当人正视看向靶标平面Pt时，以向量确定编码单元第一顶点o″1为旋转中心，在靶标平面Pt内将第1个规定单位向量
Figure BDA0003015292640000026
逆时针旋转β′角度(0°＜β′＜90°)得到第2个规定单位向量
Figure BDA0003015292640000027
在空间中以向量确定编码单元第一顶点o″1为起点做一个与
Figure BDA0003015292640000028
所得向量的方向相同的单位向量，并记为正向向量
Figure BDA0003015292640000029
将编码平面靶标向量确定编码单元Γv上距离编码平面靶标向量确定编码单元Γv中的定向图案最近的两个顶点分别记为第1临时顶点o″3和第2临时顶点o″4；若
Figure BDA00030152926400000210
所得向量的方向与正向向量
Figure BDA00030152926400000211
的方向相同，则将记为向量
Figure BDA00030152926400000212
辅助向量
Figure BDA00030152926400000213
若
Figure BDA00030152926400000214
所得向量的方向与正向向量
Figure BDA00030152926400000215
的方向相同，则将向量
Figure BDA00030152926400000216
记为辅助向量
Figure BDA00030152926400000217
提供一种基于编码平面靶标的单目摄像机智能标定方法，包括以下主要步骤：
步骤1、定义标定图像总数G，其中G为整数且G＞3；定义旋转阈值k1和平移阈值k2；定义编码平面靶标图像中标定角点个数阈值k3；定义整数变量α、整数变量β、整数变量i′，并初始化α＝1,β＝0，i′＝0；
步骤2、以所述摄像机的光心作为摄像机坐标系的原点Oc，以标定角点像素坐标系的x轴方向为摄像机坐标系的Xc轴方向，以标定角点像素坐标系的y轴方向作为摄像机坐标系的Yc轴方向，且所述摄像机坐标系的Xc轴、Yc轴和Zc轴满足右手定则，从而建立所述摄像机坐标系Oc-XcYcZc；
步骤3、利用位置固定的摄像机实时拍摄空间中移动的编码平面靶标，获得靶标图像；
步骤4、将所述靶标图像为第α个移动位置上的编码平面靶标经过摄像机进行成像时所得的图像记为第α幅靶标图像；
步骤5、以所述靶标图像的左上角作为标定角点像素坐标系的原点o，自左向右作为所述标定角点像素坐标系的x轴方向，自上向下作为所述标定角点像素坐标系的y轴方向，从而建立标定角点像素坐标系o-xy；
步骤6、根据第α个移动位置上的编码平面靶标上的第1行第1个平行四边形编码单元的4个顶点中是标定角点的个数为Φp情况，建立对应的第α个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000031
分为以下两种情况：
情况1、当Φp＝＝1时，记第α个移动位置上的编码平面靶标上第1行第1个平行四边形编码单元Γ1 (α)1中的标定角点为原点标定角点
Figure BDA0003015292640000032
此时选取原点标定角点
Figure BDA0003015292640000033
作为第α个靶标坐标系的原点
Figure BDA0003015292640000034
以第α个移动位置上的编码平面靶标上的辅助向量
Figure BDA0003015292640000035
的方向作为第α个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000036
轴的方向；
情况2、当Φp＝＝2时，分别记第α个移动位置上的编码平面靶标上第1行第1个平行四边形编码单元
Figure BDA0003015292640000037
中的两个标定角点为ε′1 (α)和ε″1 (α)，根据标定角点ε′1 (α)和ε″1 (α)的位置关系又可分为以下情况：
(1)当向量
Figure BDA0003015292640000038
的方向与第α个移动位置上的编码平面靶标上的辅助向量
Figure BDA0003015292640000039
的方向相同时，此时选取标定角点ε′1 (α)作为第α个靶标坐标系的原点
Figure BDA00030152926400000310
以第α个移动位置上的编码平面靶标上的辅助向量
Figure BDA00030152926400000311
的方向作为第α个靶标坐标系的
Figure BDA00030152926400000312
轴的方向；
(2)当向量
Figure BDA0003015292640000041
的方向与第α个移动位置上的编码平面靶标上的辅助向量
Figure BDA0003015292640000042
的方向不同时，此时选取标定角点ε″1 (α)作为第α个靶标坐标系的原点
Figure BDA0003015292640000043
以第α个移动位置上的编码平面靶标上的辅助向量
Figure BDA0003015292640000044
的方向作为第α个靶标坐标系的
Figure BDA0003015292640000045
轴的方向；
以第α个移动位置上的编码平面靶标上的正向向量
Figure BDA0003015292640000046
的方向作为第α个靶标坐标系的
Figure BDA0003015292640000047
轴的方向，靶标坐标系的
Figure BDA0003015292640000048
轴、
Figure BDA0003015292640000049
轴与Yt (α)轴满足右手准则，以此建立第α个靶标坐标系
Figure BDA00030152926400000410
步骤7、将第α幅靶标图像进行复制备份得到第α幅复制靶标图像；
步骤8、将第α幅复制靶标图像作为输入条件，利用编码平面靶标的解码方法获得第α幅复制靶标图像上的标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素坐标值、第α幅复制靶标图像上提取到的标定角点的个数γ(α)、第α幅复制靶标图像中提取到的每个标定角点的唯一编码序号以及第α幅复制靶标图像中提取到的所有标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素级坐标和与之一一对应的空间中第α个移动位置上的编码平面靶标上具有相同唯一编码序号的标定角点在所述第α个靶标坐标系
Figure BDA00030152926400000411
下的靶标坐标之间的匹配关系，其中γ(α)为正整数；
所述编码平面靶标的解码方法具体步骤为：
步骤8.1、输入放置在空间中的编码平面靶标的基本信息，即位于空间中的编码平面靶标包含M行×N列个标定角点，编码平面靶标的初始平行四边形编码单元编码号为zv，编码平面靶标上第1行第1个平行四边形编码单元的4个顶点中作为标定角点的个数Φp；
步骤8.2、对所述第α幅复制靶标图像进行8位灰度处理，得到第α个编码平面靶标灰度图像P1 (α)；
步骤8.3、在所述第α个编码平面靶标灰度图像P1 (α)中，利用棋盘格角点提取算法提取第α个编码平面靶标灰度图像P1 (α)中所包含标定角点个数最多的mα行×nα列个标定角点的亚像素坐标集合并记为第α个标定角点亚像素坐标集合Q(α),并将所述mα行×nα列个标定角点亚像素坐标集合中最外围角点(即第1行标定角点、第1列标定角点、第mα行标定角点和第nα列标定角点)所围成的多边形记为第α个最大标定角点数多边形Lα；其中，经过角点提取后的第α个编码平面靶标灰度图像P1 (α)没有发生改变；
步骤8.4、在所述第α个编码平面靶标灰度图像P1 (α)中，利用数字图像处理的方法令第α个最大标定角点数多边形Lα内部的所有像素点的灰度值均保持不变，Lα以外的所有像素点的灰度值均赋值为255，并将第α个编码平面靶标灰度图像P1 (α)经过此处理得到的图像记为第α个无复杂背景靶标灰度图像P1′(α)；
步骤8.5、对第α个无复杂背景靶标灰度图像P1′(α)进行二值化处理，得到第α个无复杂背景靶标二值化图像P2 (α)，使得在第α个无复杂背景靶标二值化图像
Figure BDA0003015292640000051
中平行四边形编码单元的背景颜色变为黑色，平行四边形非编码单元背景颜色、定位图案、定向图案的颜色均变为白色，编码标志图案的颜色根据编码规则可以为白色也可以为黑色；
步骤8.6、根据在第α个编码平面靶标灰度图像P1 (α)中提取的第α个最大标定角点数多边形Lα内部包含mα行×nα列个标定角点数目,确定最大标定角点数多边形Lα内部包含的平行四边形编码单元个数μα，其中mα、nα和μα均为整数；
本步骤分为如下情况：
情况1、当mα、nα均为奇数，或者mα、nα一奇一偶时可由公式(8-1)计算出多边形Lα内部包含的平行四边形编码单元个数μα(μα为整数)；
μα＝(mα-1)(nα-1)/2 (8-1)
情况2、若mα、nα均为偶数时，可由公式(8-2)计算出多边形Lα内包含的平行四边形编码单元预估个数μ′α(μ′α为整数)；
μ′α＝[(mα-1)(nα-1)+1]/2 (8-2)
此时多边形Lα内实际包含的平行四边形编码单元的个数μα满足μα≤μ′α；
设置平行四边形编码单元个数判断阀值L′；
步骤8.7、在第α个无复杂背景靶标二值化图像
Figure BDA0003015292640000052
上，作黑色连通域腐蚀处理，使得第α个无复杂背景靶标二值化图像
Figure BDA0003015292640000053
中所有平行四边形编码单元对角处断开，并将第α个无复杂背景靶标二值化图像
Figure BDA0003015292640000054
经过此处理得到的图像记为第α个靶标二值化腐蚀图像P′2 (α)；其中对第α个无复杂背景靶标二值化图像
Figure BDA0003015292640000055
进行黑色连通域腐蚀处理时，须满足以下条件：
(1)第α个最大标定角点数多边形Lα内的每一个平行四边形编码单元均满足，平行四边形编码单元内的定向圆的白色连通域、定位圆环的白色连通域、定位圆环中心的黑色连通域和编码标志图案的白色连通域均保持完整；
(2)第α个最大标定角点数多边形Lα内的每一个平行四边形编码单元均满足，平行四边形编码单元内的定向图案、定位图案和编码标志图案的连通域互不相通；
(3)第α个最大标定角点数多边形Lα内的每一个平行四边形编码单元均满足，平行四边形编码单元内的定向图案、定位图案和编码标志图案均处于平行四边形编码单元背景中；
在第α个靶标二值化腐蚀图像P′2 (α)上寻找μ′α个最大的黑色连通域，并计算前μ′α-1个最大黑色连通域包含像素点的平均值χ′α；
将多边形Lα内μ′α个最大黑色连通域中最小的黑色连通域记为第α个末端黑色连通域，并计算末端黑色连通域包含的像素点数χm，α，根据公式(8-3)进行判断；
Figure BDA0003015292640000061
(1)若L″α≤L′α，则多边形Lα内实际包含μ′α个平行四边形编码单元，将μ′α的数值赋值给μα，μα＝μ′α；并执行步骤8.8；
(2)若L″α＞L′α，则多边形Lα内实际包含μ′α-1个平行四边形编码单元，将μ′α-1的数值赋值给μα，μα＝μ′α-1；并执行步骤8.8；
步骤8.8、寻找在第α个靶标二值化腐蚀图像P′2 (α)中的μα个最大黑色连通域并分别记为方格连通域
Figure BDA0003015292640000062
方格连通域
Figure BDA0003015292640000063
方格连通域
Figure BDA0003015292640000064
取整数变量i，并赋予其初始值i＝1；
计算方格连通域
Figure BDA0003015292640000065
质心的像素坐标
Figure BDA0003015292640000066
将i+1重新赋值给i后继续执行此步骤直到i＞μ，由此得到计算得到靶标二值化腐蚀图像P2′上的方格连通域
Figure BDA0003015292640000067
方格连通域
Figure BDA0003015292640000068
方格连通域
Figure BDA0003015292640000069
质心像素坐标
Figure BDA00030152926400000610
Figure BDA00030152926400000611
并将
Figure BDA00030152926400000612
依次作为平行四边形编码单元质心像素坐标集合A(α)中的第1个元素、第2个元素、…、第μα个元素；
步骤8.9、给整数变量i重新赋予初值i＝1；
在第α个靶标二值化腐蚀图像P′2 (α)中，计算距离方格连通域
Figure BDA00030152926400000613
的质心像素坐标值
Figure BDA00030152926400000614
最近的黑色连通域，并记为第α个靶标二值化腐蚀图像P′2 (α)中的圆环中心连通域Ω′i (α)；将i+1重新赋值给i后继续执行此步骤，直到i＞μα时结束；由此分别得到第α个靶标二值化腐蚀图像P′2 (α)中的圆环中心连通域Ω′1 (α)、圆环中心连通域
Figure BDA00030152926400000615
圆环中心连通域
Figure BDA00030152926400000616
步骤8.10、给整数变量i重新赋予初值i＝1；
在第α个靶标二值化腐蚀图像P′2 (α)中，计算上述第α个靶标二值化腐蚀图像P′2 (α)中的圆环中心连通域Ω′i (α)质心像素坐标
Figure BDA0003015292640000071
将i+1重新赋值给i后继续执行此步骤，直到i＞μα时结束；由此得到第α个靶标二值化腐蚀图像P′2 (α)中的圆环中心连通域Ω′1 (α)、圆环中心连通域
Figure BDA0003015292640000072
圆环中心连通域
Figure BDA0003015292640000073
的质心像素坐标
Figure BDA0003015292640000074
并将
Figure BDA0003015292640000075
Figure BDA0003015292640000076
依次作为圆环质心像素坐标集合B(α)中的第1个元素、第2个元素、…、第μα个元素；
步骤8.11、在第α个靶标二值化腐蚀图像P′2 (α)中，将除方格连通域
Figure BDA0003015292640000077
方格连通域
Figure BDA0003015292640000078
方格连通域
Figure BDA0003015292640000079
以及圆环中心连通域Ω′1 (α)、圆环中心连通域
Figure BDA00030152926400000710
圆环中心连通域
Figure BDA00030152926400000711
以外的黑色连通域的灰度值均赋值为255，并将第α个靶标二值化腐蚀图像P′2 (α)经过此处理得到的图像记为第α个解码二值化图像P3 (α)；
步骤8.12、取整数变量ζ，并赋予初始值ζ＝1；
步骤8.13、对第α个解码二值化图像P3 (α)进行复制备份得到第α组第ζ个备份二值化图像
Figure BDA00030152926400000712
通过对第α组第ζ个备份二值化图像
Figure BDA00030152926400000713
进行处理得到第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400000714
具体方法包括以下步骤：
步骤8.13.1、在第α组第ζ个备份二值化图像
Figure BDA00030152926400000715
上，取平行四边形编码单元质心像素坐标集合A(α)中第ζ个质心像素坐标值
Figure BDA00030152926400000716
在第α个标定角点集合Q(α)中寻找距离质心像素坐标值
Figure BDA00030152926400000717
最近的4个标定角点的像素坐标值，并将这4个标定角点的像素坐标值在第α组第ζ个备份二值化图像
Figure BDA00030152926400000718
上对应的4个像素点分别记为
Figure BDA00030152926400000719
并将该4个像素点作为第α组第ζ个标定角点四边形
Figure BDA00030152926400000720
的4个顶点，并将4个顶点相连形成第α组第ζ个标定角点四边形
Figure BDA00030152926400000721
步骤8.13.2、在圆环质心像素坐标集合B(α)中，找出与平行四边形编码单元质心像素坐标集合A(α)中第ζ个质心像素坐标值
Figure BDA00030152926400000722
相对应的第ζ个圆环质心像素坐标值
Figure BDA00030152926400000723
步骤8.13.3、在第α组第ζ个备份二值化图像
Figure BDA00030152926400000724
中，寻找距离上述圆环质心像素坐标值
Figure BDA00030152926400000725
最近的白色连通域，并将此白色连通域的灰度值赋值为0；
步骤8.13.4、在第α组第ζ个备份二值化图像
Figure BDA00030152926400000726
上，将第α组第ζ个标定角点四边形
Figure BDA0003015292640000081
以外的所有像素点的灰度值均赋值为255，第α组第ζ个标定角点四边形
Figure BDA0003015292640000082
内部的所有像素点的灰度值保持不变；
步骤8.14、在第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA0003015292640000083
中，寻找得到质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000084
的平行四边形编码单元的标定角点，并得出质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000085
的平行四边形编码单元中所有编码标志圆的编码值；
寻找得到质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000086
的平行四边形编码单元的标定角点的具体方法包括以下步骤：
步骤8.14.1、在第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA0003015292640000087
中，寻找最大黑色连通域并记为第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA0003015292640000088
中的最大黑色连通域
Figure BDA0003015292640000089
提取第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400000810
中的最大黑色连通域
Figure BDA00030152926400000811
的所有内、外轮廓，并记为质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400000812
的平行四边形编码单元的轮廓集合
Figure BDA00030152926400000813
步骤8.14.2、在质心像素坐标为值
Figure BDA00030152926400000814
的平行四边形编码单元的轮廓集合
Figure BDA00030152926400000815
中，统计每个轮廓中包含的像素点数，其中包含像素点数第二多的轮廓即为在第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400000816
上的质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400000817
的平行四边形编码单元中定位圆的轮廓
Figure BDA00030152926400000818
计算此定位圆轮廓
Figure BDA00030152926400000819
的质心像素坐标并记为在第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400000820
上的质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400000821
的平行四边形编码单元中定位圆质心像素坐标
Figure BDA00030152926400000822
步骤8.14.3、在质心坐标为
Figure BDA00030152926400000823
的平行四边形编码单元的轮廓集合
Figure BDA00030152926400000824
中，除去包含像素点数最多的2个轮廓，剩余其他
Figure BDA00030152926400000825
个轮廓即为在第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400000826
上的质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400000827
的平行四边形编码单元中编码标志圆的轮廓，并分别记为编码标志圆轮廓
Figure BDA00030152926400000828
编码标志圆轮廓
Figure BDA00030152926400000829
编码标志圆轮廓
Figure BDA00030152926400000830
其中
Figure BDA00030152926400000831
步骤8.14.4、给整数变量i重新赋予初值i＝1；
步骤8.14.5、在第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400000832
中，计算编码标志圆轮廓
Figure BDA00030152926400000833
的质心像素坐标
Figure BDA00030152926400000834
将i+1重新赋值给i后继续执行此步骤，直到
Figure BDA00030152926400000835
结束，得到质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400000836
的平行四边形编码单元中的编码标志圆轮廓
Figure BDA00030152926400000837
编码标志圆轮廓
Figure BDA00030152926400000838
编码标志圆轮廓
Figure BDA00030152926400000839
的质心像素坐标
Figure BDA00030152926400000840
步骤8.14.6、在第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA0003015292640000091
上，将像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000092
的像素点记为质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000093
的平行四边形编码单元上的定向圆环质心
Figure BDA0003015292640000094
并且在第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA0003015292640000095
上，将像素坐标值分别为
Figure BDA0003015292640000096
的4个像素点记为
Figure BDA0003015292640000097
步骤8.14.7、在第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA0003015292640000098
上，取
Figure BDA0003015292640000099
分别表示在质心坐标为
Figure BDA00030152926400000910
的平行四边形编码单元中第1编码区域、第3编码区域、第4编码区域和第6编码区域的标定角点的像素坐标；根据定位圆质心像素坐标
Figure BDA00030152926400000911
和定向圆环质心
Figure BDA00030152926400000912
计算出质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400000913
的平行四边形编码单元中的第α组第ζ个方向向量
Figure BDA00030152926400000914
Figure BDA00030152926400000915
步骤8.14.8、在第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400000916
上，将4个像素点
Figure BDA00030152926400000917
中距离定位圆质心
Figure BDA00030152926400000918
最近的2个像素点分别记为
Figure BDA00030152926400000919
和
Figure BDA00030152926400000920
分别计算出在质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400000921
的平行四边形编码单元中的第1判断向量
Figure BDA00030152926400000922
和第2判断向量
Figure BDA00030152926400000923
以及区域划分正弦值
Figure BDA00030152926400000924
和区域划分正弦值
Figure BDA00030152926400000925
根据
Figure BDA00030152926400000926
和
Figure BDA00030152926400000927
的取值情况确定质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400000928
的平行四边形编码单元中第1编码区域和第6编码区域的标定角点；
Figure BDA00030152926400000929
Figure BDA00030152926400000930
Figure BDA00030152926400000931
Figure BDA00030152926400000932
步骤8.14.9、在第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400000933
上，通过已找到质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400000934
的平行四边形编码单元中第1编码区域和第6编码区域的标定角点
Figure BDA00030152926400000935
和
Figure BDA00030152926400000936
将4个像素点
Figure BDA00030152926400000937
Figure BDA00030152926400000938
中余下的2个像素点的像素坐标分别赋值给质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400000939
的平行四边形编码单元的第1临时坐标值，记为
Figure BDA0003015292640000101
以及第2临时坐标值，记为
Figure BDA0003015292640000102
求出在质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000103
的平行四边形编码单元中的第3判断向量
Figure BDA0003015292640000104
和第4判断向量
Figure BDA0003015292640000105
Figure BDA0003015292640000106
Figure BDA0003015292640000107
步骤8.14.10、根据第3判断向量
Figure BDA0003015292640000108
和第4判断向量
Figure BDA0003015292640000109
得出区域划分正弦值
Figure BDA00030152926400001010
和区域划分正弦值
Figure BDA00030152926400001011
Figure BDA00030152926400001012
Figure BDA00030152926400001013
根据
Figure BDA00030152926400001014
和
Figure BDA00030152926400001015
的取值情况，确定质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400001016
的平行四边形编码单元中第3编码区域和第4编码区域的标定角点；
得出质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400001017
的平行四边形编码单元中所有编码标志圆的编码值的具体方法包括以下步骤：
步骤8.14.11、在第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400001018
上，根据在质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400001019
的平行四边形编码单元中第1编码区域的标定角点
Figure BDA00030152926400001020
和第6编码区域的标定角点
Figure BDA00030152926400001021
得出质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400001022
的平行四边形编码单元中的第5判断向量
Figure BDA00030152926400001023
Figure BDA00030152926400001024
以质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400001025
的平行四边形编码单元的定位圆质心
Figure BDA00030152926400001026
为起点作与第5判断向量
Figure BDA00030152926400001027
平行且同向的单位向量
Figure BDA00030152926400001028
以质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400001029
的平行四边形编码单元的定向圆环质心
Figure BDA00030152926400001030
为起点作与第5判断向量
Figure BDA00030152926400001031
平行且同向的单位向量，记为
Figure BDA00030152926400001032
将整数变量i重新赋值i＝1；
步骤8.14.12、定义6个浮点型二维数组
Figure BDA00030152926400001033
Figure BDA00030152926400001034
用于存放质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400001035
的平行四边形编码单元中分别位于第1编码区域、第2编码区域、第3编码区域、第4编码区域、第5编码区域和第6编码区域的编码标志圆轮廓质心在第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400001036
上的像素坐标，初始化这6个二维数组中的所有元素，且均赋值为-1；取6个整数变量并初始化为：
Figure BDA00030152926400001037
步骤8.14.13、在第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA0003015292640000111
上，计算质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000112
的平行四边形编码单元中编码标志圆轮廓
Figure BDA0003015292640000113
的质心像素坐标
Figure BDA0003015292640000114
分别与定位圆中心
Figure BDA0003015292640000115
和定向环中心
Figure BDA0003015292640000116
所形成的第i组第1个象限向量
Figure BDA0003015292640000117
和第i组第2个象限向量
Figure BDA0003015292640000118
Figure BDA0003015292640000119
Figure BDA00030152926400001110
根据
Figure BDA00030152926400001111
和
Figure BDA00030152926400001112
单位向量
Figure BDA00030152926400001113
与
Figure BDA00030152926400001114
以及方向向量
Figure BDA00030152926400001115
分别计算
Figure BDA00030152926400001116
Figure BDA00030152926400001117
Figure BDA00030152926400001118
Figure BDA00030152926400001119
Figure BDA00030152926400001120
根据
Figure BDA00030152926400001121
的数值情况分别判断在质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400001122
的平行四边形编码单元中，编码标志圆所属编码区域的方式如下：
情况1、若
Figure BDA00030152926400001123
编码标志圆轮廓
Figure BDA00030152926400001124
落在质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400001125
的平行四边形编码单元的第1编码区域内；令
Figure BDA00030152926400001126
然后把
Figure BDA00030152926400001127
赋值给
Figure BDA00030152926400001128
把i+1重新赋值给i，当
Figure BDA00030152926400001129
时重新开始执行步骤8.14.13，当
Figure BDA00030152926400001130
时执行下一步骤8.15；
情况2、若
Figure BDA00030152926400001131
编码标志圆轮廓
Figure BDA00030152926400001132
落在质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400001133
的平行四边形编码单元的第2编码区域内；令
Figure BDA00030152926400001134
然后把
Figure BDA00030152926400001135
赋值给
Figure BDA00030152926400001136
把i+1重新赋值给i，当
Figure BDA00030152926400001137
时重新开始执行步骤8.14.13，当
Figure BDA00030152926400001138
时执行下一步骤8.15；
情况3、若
Figure BDA00030152926400001139
编码标志圆轮廓
Figure BDA00030152926400001140
落在质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400001141
的平行四边形编码单元的第3编码区域内；令
Figure BDA00030152926400001142
然后把
Figure BDA00030152926400001143
赋值给
Figure BDA00030152926400001144
把i+1重新赋值给i，当
Figure BDA00030152926400001145
时重新开始执行步骤8.14.13，当
Figure BDA00030152926400001146
时执行下一步骤8.15；
情况4、若
Figure BDA00030152926400001147
编码标志圆轮廓
Figure BDA00030152926400001148
落在质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400001149
的平行四边形编码单元的第4编码区域内；令
Figure BDA00030152926400001150
然后把
Figure BDA00030152926400001151
赋值给
Figure BDA00030152926400001152
把i+1重新赋值给i，当
Figure BDA0003015292640000121
时重新开始执行步骤8.14.13，当
Figure BDA0003015292640000122
时执行下一步骤8.15；
情况5、若
Figure BDA0003015292640000123
编码标志圆轮廓
Figure BDA0003015292640000124
落在质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000125
的平行四边形编码单元的第5编码区域内；令
Figure BDA0003015292640000126
然后把
Figure BDA0003015292640000127
赋值给
Figure BDA0003015292640000128
把i+1重新赋值给i，当
Figure BDA0003015292640000129
时重新开始执行步骤8.14.13，当
Figure BDA00030152926400001210
时执行下一步骤8.15；
情况6、若
Figure BDA00030152926400001211
编码标志圆轮廓
Figure BDA00030152926400001212
落在质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400001213
的平行四边形编码单元的第6编码区域内；令
Figure BDA00030152926400001214
然后把
Figure BDA00030152926400001215
赋值给
Figure BDA00030152926400001216
把i+1重新赋值给i，当
Figure BDA00030152926400001217
时重新开始执行步骤8.14.13，当
Figure BDA00030152926400001218
时执行下一步骤8.15；
步骤8.15、根据质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400001219
的平行四边形编码单元中所有编码标志圆的编码值，求出与第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400001220
中质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400001221
的平行四边形编码单元相对应的实际空间中放置的编码平面靶标上的平行四边形编码单元的编码号
Figure BDA00030152926400001222
具体步骤如下：
步骤8.15.1、定义
Figure BDA00030152926400001223
代表质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400001224
的平行四边形编码单元中第λ编码区域(其中λ＝1,2,3,4,5,6)中第w位编码标志圆(其中w＝1,2)的编码值，
Figure BDA00030152926400001225
取0或1；取整数变量i，给i重新赋予初值i＝1；
步骤8.15.2、本步骤分为以下情况：
情况1、若
Figure BDA00030152926400001226
则
Figure BDA00030152926400001227
把i+1赋值给i，当满足i＞2时，继续执行下一步骤8.15.3；否则返回执行步骤8.15.2；
情况2、若
Figure BDA00030152926400001228
记坐标点
Figure BDA00030152926400001229
到直线
Figure BDA00030152926400001230
的距离为
Figure BDA00030152926400001231
到直线
Figure BDA00030152926400001232
的距离为
Figure BDA00030152926400001233
若
Figure BDA00030152926400001234
并令
Figure BDA00030152926400001235
若
Figure BDA00030152926400001236
则令
Figure BDA00030152926400001237
把i+1赋值给i，当满足i＞2时，继续执行下一步骤8.15.3；否则返回执行步骤8.15.2；
情况3、若
Figure BDA00030152926400001238
记坐标点
Figure BDA00030152926400001239
到直线
Figure BDA00030152926400001240
的距离为
Figure BDA00030152926400001241
到直线
Figure BDA00030152926400001242
的距离为
Figure BDA00030152926400001243
若
Figure BDA00030152926400001244
则令
Figure BDA00030152926400001245
若
Figure BDA00030152926400001246
令
Figure BDA00030152926400001247
把i+1赋值给i，当满足i＞2时，继续执行下一步骤8.15.3；否则返回执行步骤8.15.2；
情况4、若
Figure BDA0003015292640000131
则令
Figure BDA0003015292640000132
把i+1赋值给i，当满足i＞2时，继续执行下一步骤8.15.3；否则返回执行步骤8.15.2；
步骤8.15.3、本步骤分为以下情况：
情况1、若
Figure BDA0003015292640000133
则
Figure BDA0003015292640000134
把i+1赋值给i，当满足i＞4时，继续执行下一步骤8.15.4；否则返回执行步骤8.15.3；
情况2、若
Figure BDA0003015292640000135
记坐标点
Figure BDA0003015292640000136
到直线
Figure BDA0003015292640000137
的距离为
Figure BDA0003015292640000138
到直线
Figure BDA0003015292640000139
的距离为
Figure BDA00030152926400001310
若
Figure BDA00030152926400001311
并令
Figure BDA00030152926400001312
若
Figure BDA00030152926400001313
则令
Figure BDA00030152926400001314
把i+1赋值给i，当满足i＞4时，继续执行下一步骤8.15.4；否则返回执行步骤8.15.3；
情况3、若
Figure BDA00030152926400001315
记坐标点
Figure BDA00030152926400001316
到直线lζ,2的距离为
Figure BDA00030152926400001317
到直线
Figure BDA00030152926400001318
的距离为
Figure BDA00030152926400001319
若
Figure BDA00030152926400001320
则令
Figure BDA00030152926400001321
若
Figure BDA00030152926400001322
令
Figure BDA00030152926400001323
把i+1赋值给i，当满足i＞4时，继续执行下一步骤8.15.4；否则返回执行步骤8.15.3；
情况4、若
Figure BDA00030152926400001324
则令
Figure BDA00030152926400001325
把i+1赋值给i，当满足i＞4时，继续执行下一步骤8.15.4；否则返回执行步骤8.15.3；
步骤8.15.4、本步骤分为以下情况：
情况1、若
Figure BDA00030152926400001326
则
Figure BDA00030152926400001327
把i+1赋值给i，当满足i＞6时，继续执行下一步骤23；否则返回执行步骤8.15.4；
情况2、若
Figure BDA00030152926400001328
记坐标点
Figure BDA00030152926400001329
到直线
Figure BDA00030152926400001330
的距离为
Figure BDA00030152926400001331
到直线
Figure BDA00030152926400001332
的距离为
Figure BDA00030152926400001333
若
Figure BDA00030152926400001334
并令
Figure BDA00030152926400001335
若
Figure BDA00030152926400001336
则令
Figure BDA00030152926400001337
把i+1赋值给i，当满足i＞6时，继续执行下一步骤8.15.5；否则返回执行步骤8.15.4；
情况3、若
Figure BDA00030152926400001338
记坐标点
Figure BDA00030152926400001339
到直线
Figure BDA00030152926400001340
的距离为
Figure BDA00030152926400001341
到直线
Figure BDA00030152926400001342
的距离为
Figure BDA00030152926400001343
若
Figure BDA00030152926400001344
则令
Figure BDA00030152926400001345
若
Figure BDA00030152926400001346
令
Figure BDA00030152926400001347
把i+1赋值给i，当满足i＞6时，继续执行下一步骤8.15.5；否则返回执行步骤8.15.4；
情况4、若
Figure BDA0003015292640000141
则令
Figure BDA0003015292640000142
把i+1赋值给i，当满足i＞6时，继续执行下一步骤8.15.5；否则返回执行步骤8.15.4；
步骤8.15.5、通过上述步骤得出的质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000143
的平行四边形编码单元中所有编码标志圆的编码值，可求出与第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA0003015292640000144
中质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000145
的平行四边形编码单元相对应的实际空间中放置的编码平面靶标上的平行四边形编码单元的编码号
Figure BDA0003015292640000146
Figure BDA0003015292640000147
其中：列向量U＝(20,21,22,...211)T，列向量
Figure BDA0003015292640000148
步骤8.16、标记第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400001431
上质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000149
的平行四边形编码单元上4个标定角点
Figure BDA00030152926400001410
Figure BDA00030152926400001411
的非唯一编码序号；
记在第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400001412
上质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400001413
的平行四边形编码单元中属于第σ编码区域(其中σ＝1,3,4,6)的标定角点的非唯一编码序号为
Figure BDA00030152926400001414
其中下脚标Wζ为标定角点
Figure BDA00030152926400001415
所属平行四边形编码单元的编码号，上角标σ的取值代表了标定角点
Figure BDA00030152926400001416
所属的第σ编码区域；即得到了质心像素坐标为
Figure BDA00030152926400001417
的平行四边形编码单元上4个标定角点
Figure BDA00030152926400001418
Figure BDA00030152926400001419
的非唯一编码序号分别为
Figure BDA00030152926400001420
Figure BDA00030152926400001421
(其中σζ,1＝1,σζ,2＝3,σζ,3＝4,σζ,4＝6)；
步骤8.17、计算得到第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400001422
上质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400001423
的平行四边形编码单元上4个标定角点
Figure BDA00030152926400001424
Figure BDA00030152926400001425
的唯一编码序号；
具体步骤如下：
在得到第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400001426
上质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400001427
的平行四边形编码单元的4个标定角点的非唯一编码序号的基础上，通过步骤8.17.1至步骤8.17.4可计算该4个标定角点的唯一编码序号；
步骤8.17.1、取
Figure BDA00030152926400001428
分别用于存放质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400001429
的平行四边形编码单元上4个标定角点
Figure BDA00030152926400001430
Figure BDA0003015292640000151
的唯一编码序号，其中
Figure BDA0003015292640000152
Figure BDA0003015292640000153
均为正整数；
步骤8.17.2、取整数变量i并重新赋值i＝1；
步骤8.17.3判断N是否为偶数，若N为奇数则执行步骤8.17.4；若N为偶数，则取整数参数Δ并赋值Δ＝N/2，根据标定角点
Figure BDA0003015292640000154
的非唯一编码序号
Figure BDA0003015292640000155
可将本步骤分为如下情况：
情况1、若σζ,i＝＝1或σζ,i＝＝6，将Wζ的值赋值给
Figure BDA0003015292640000156
将σζ,i的值赋值给
Figure BDA0003015292640000157
则标定角点
Figure BDA0003015292640000158
的唯一编码序号为
Figure BDA0003015292640000159
情况2、若σζ,i＝＝3，将(Wζ-Δ)的值赋值给
Figure BDA00030152926400001510
将6赋值给
Figure BDA00030152926400001511
则标定角点
Figure BDA00030152926400001512
的唯一编码序号为
Figure BDA00030152926400001513
情况3、若σζ,i＝＝4，将(Wζ-Δ-1)的值赋值给
Figure BDA00030152926400001514
将1赋值给
Figure BDA00030152926400001515
则标定角点
Figure BDA00030152926400001516
的唯一编码序号为
Figure BDA00030152926400001517
判断i是否小于4，若i＜4，则将i+1赋值给i，返回步骤8.17.3顺序执行；否则执行步骤8.18；
步骤8.17.4、取整数参数Δ并赋值Δ＝(N+1)/2，根据标定角点Cζ,i(xζ,i,yζ,i)的非唯一编码序号
Figure BDA00030152926400001518
可将本步骤分为如下情况：
情况1、若σζ,i＝＝1或σζ,i＝＝6，将Wζ的值赋值给Δ′ζ,i，将σζ,i的值赋值给σ′ζ,i，则标定角点Cζ,i(xζ,i,yζ,i)的唯一编码序号为Δ′ζ,i_σ′ζ,i；
情况2、若σζ,i＝＝3，又分为如下两种情况：
(1)当Φp＝＝1时，将(Wζ-Δ′)的值赋值给Δ′ζ,i，将6赋值给σ′ζ,i，则标定角点Cζ,i(xζ,i,yζ,i)的唯一编码序号为Δ′ζ,i_σ′ζ,i；其中：
Figure BDA00030152926400001519
Δ″＝2(Wζ-zv)/(N+1)+1(只保留整数)；
(2)当Φp＝＝2时，将(Wζ-Δ″′)的值赋值给Δ′ζ,i，将6赋值给σ′ζ,i，则标定角点Cζ,i(xζ,i,yζ,i)的唯一编码序号为Δ′ζ,i_σ′ζ,i；其中：
Figure BDA00030152926400001520
Δ″＝2(Wζ-zv+1)/(N+1)+1(只保留整数)；
情况3、若σζ,i＝＝4，又分为如下两种情况：
(1)当Φp＝＝1时，将(Wζ-Δ′)的值赋值给Δ′ζ,i，将1赋值给σ′ζ,i，则标定角点Cζ,i(xζ,i,yζ,i)的唯一编码序号为Δ′ζ,i_σ′ζ,i，其中：
Figure BDA0003015292640000161
Δ″＝2(Wζ-zv)/(N+1)+1(只保留整数)；
(2)当Φp＝＝2时，将(Wζ-Δ″′)的值赋值给Δ′ζ,i，将1赋值给σ′ζ,i，则标定角点Cζ,i(xζ,i,yζ,i)的唯一编码序号为Δ′ζ,i_σ′ζ,i，其中：
Figure BDA0003015292640000162
Δ″＝2(Wζ-zv+1)/(N+1)+1(只保留整数)；
判断i是否小于4，若i＜4，则将i+1赋值给i，返回步骤8.17.4顺序执行；否则执行步骤8.18；
至此获得了第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA0003015292640000163
上质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000164
的平行四边形编码单元的4个标定角点的像素坐标与其唯一编码序号的一一对应关系，即：
标定角点
Figure BDA0003015292640000165
对应的唯一编码序号为
Figure BDA0003015292640000166
标定角点
Figure BDA0003015292640000167
对应的唯一编码序号为
Figure BDA0003015292640000168
标定角点
Figure BDA0003015292640000169
对应的唯一编码序号为
Figure BDA00030152926400001610
标定角点
Figure BDA00030152926400001611
对应的唯一编码序号为
Figure BDA00030152926400001612
步骤8.18、利用编码平面靶标上标定角点的靶标坐标计算方法，获得第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400001613
上质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400001614
的平行四边形编码单元的4个标定角点的靶标坐标值；
具体步骤如下：
步骤8.18.1、取整数变量i并重新赋值i＝1；
步骤8.18.2、判断N是否为偶数，若N为偶数，则执行步骤8.18.3，否则执行8.18.4；
步骤8.18.3、本步骤分为如下情况：
情况1、若
Figure BDA00030152926400001615
中的
Figure BDA00030152926400001616
则唯一编码号为
Figure BDA00030152926400001617
的标定角点对应的靶标坐标
Figure BDA0003015292640000171
为：
Figure BDA0003015292640000172
其中当
Figure BDA0003015292640000173
时取+，当
Figure BDA0003015292640000174
时取-；
情况2、若
Figure BDA0003015292640000175
中的
Figure BDA0003015292640000176
则唯一编码号为
Figure BDA0003015292640000177
的标定角点对应的靶标坐标
Figure BDA0003015292640000178
为：
Figure BDA0003015292640000179
其中当
Figure BDA00030152926400001710
时取+，当
Figure BDA00030152926400001711
时取-；
且
Figure BDA00030152926400001712
Figure BDA00030152926400001713
取整数；
当
Figure BDA00030152926400001714
为奇数时，
Figure BDA00030152926400001715
当
Figure BDA00030152926400001716
为偶数时，
Figure BDA00030152926400001717
本步骤执行结束后，直接执行步骤8.18.5；
步骤8.18.4、本步骤分为如下两种情况：
情况1、若
Figure BDA00030152926400001718
中的
Figure BDA00030152926400001719
则唯一编码号为
Figure BDA00030152926400001720
的标定角点对应的靶标坐标
Figure BDA00030152926400001721
为：
Figure BDA00030152926400001722
其中当
Figure BDA00030152926400001723
时取+，当
Figure BDA00030152926400001724
时取-；
情况2、若
Figure BDA00030152926400001725
中的
Figure BDA00030152926400001726
则唯一编码号为
Figure BDA00030152926400001727
的标定角点对应的靶标坐标
Figure BDA00030152926400001728
为：
Figure BDA00030152926400001729
其中当
Figure BDA00030152926400001730
时取+，当
Figure BDA00030152926400001731
时取-；
且
Figure BDA00030152926400001732
Figure BDA00030152926400001733
取整数；
当
Figure BDA00030152926400001734
为奇数时，
Figure BDA00030152926400001735
当
Figure BDA00030152926400001736
为偶数时，
Figure BDA00030152926400001737
步骤8.18.5、判断i是否小于4，若i＜4，则将i+1赋值给i并返回步骤8.18.2顺序执行；若i≥4，则获得了第
Figure BDA00030152926400001738
号标定角点的靶标坐标
Figure BDA00030152926400001739
第
Figure BDA00030152926400001740
号标定角点的靶标坐标
Figure BDA00030152926400001741
第
Figure BDA00030152926400001742
号标定角点的靶标坐标
Figure BDA00030152926400001743
和第
Figure BDA00030152926400001744
号标定角点的靶标坐标
Figure BDA00030152926400001745
由此获得了第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400001746
上质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000181
的平行四边形编码单元上4个标定角点的像素坐标值所对应的靶标坐标值；
步骤8.19、利用编码平面靶标标定角点信息匹配方法获得质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000182
的平行四边形编码单元的4个标定角点的亚像素坐标、唯一编码号和靶标坐标的匹配关系，具体方法如下：
在第α幅复制靶标图像上(包含完整或局部的编码平面靶标)，以已获得的4个标定角点
Figure BDA0003015292640000183
的唯一编码序号为中介，分别将4个标定角点的亚像素坐标及其靶标坐标进行配组，即：
唯一编码序号为
Figure BDA0003015292640000184
的标定角点的像素坐标
Figure BDA0003015292640000185
所对应的靶标坐标为
Figure BDA0003015292640000186
唯一编码序号为
Figure BDA0003015292640000187
的标定角点的像素坐标
Figure BDA0003015292640000188
所对应的靶标坐标为
Figure BDA0003015292640000189
唯一编码序号为
Figure BDA00030152926400001810
的标定角点的像素坐标
Figure BDA00030152926400001811
所对应的靶标坐标为
Figure BDA00030152926400001812
唯一编码序号为
Figure BDA00030152926400001813
的标定角点的像素坐标
Figure BDA00030152926400001814
所对应的靶标坐标为
Figure BDA00030152926400001815
步骤8.20、将ζ+1赋予ζ，循环执行步骤8.13至步骤8.19，完成μα个平行四边形编码单元的解码。
步骤9、判断第α幅复制靶标图像上提取的标定角点的个数γ(α)是否小于标定角点个数阈值k3；若γ(α)＜k3，则执行步骤14；
步骤10、将第α幅复制靶标图像中提取到的所有标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素级坐标和与之一一对应的空间中第α个移动位置上的编码平面靶标上具有相同唯一编码序号的标定角点在所述第α个靶标坐标系
Figure BDA00030152926400001816
下的靶标坐标之间的匹配关系记为第α个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组；
步骤11、将第α个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组作为输入条件，利用编码平面靶标空间姿态判断法获得返回的姿态判断值的步骤如下：
步骤11.1、将第α个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组作为输入条件，利用平面靶标空间姿态估算算法计算出从第α个靶标坐标系
Figure BDA00030152926400001817
变换到摄像机坐标系Oc-XcYcZc的第α个靶标旋转矩阵Rα和第α个靶标平移矩阵Tα；
步骤11.2、判断i′是否等于0；若i′＝＝0，则直接跳转至步骤11.6执行；否则执行步骤11.3；
步骤11.3、通过式(1)和式(2)得到从第α个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000191
变换到第i′个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000192
的旋转矩阵Rα,i′和平移矩阵Tα,i′；
Rα,i′＝(R′i′)-1·Rα (1)
Tα,i′＝(R′i′)-1·(Tα-T′i′) (2)
步骤11.4、通过获得的旋转矩阵Rα,i′计算出从第α个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000193
变换到第i′个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000194
时Xt轴、Yt轴和Zt轴的旋转角度
Figure BDA0003015292640000195
和
Figure BDA0003015292640000196
步骤11.5、判断旋转角度θα,i′是否大于旋转阀值k1且平移矩阵Tα,i′的范数是否大于平移阀值k2，其中
Figure BDA0003015292640000197
若旋转角度平均值θα,i′大于旋转阀值k1且平移矩阵Tα,i′的范数大于平移阀值k2，则执行步骤11.6；否则执行步骤11.7；
步骤11.6、定义整型判断返回值Jp并赋值Jp＝1，而后结束姿态判断；
步骤11.7、定义整型判断返回值Jp并赋值Jp＝-1，而后结束姿态判断；
若Jp＝1，则从步骤12顺序执行；否则执行步骤14；
步骤12、将α的值赋值给i′，i′＝α，将β+1赋值给β，将所述第α幅靶标图像作为第β幅标定图像，并将第α个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组作为第β个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组，同时将第α个靶标旋转矩阵Rα和第α个靶标平移矩阵Tα分别赋值给第β个标定旋转矩阵R′β和第β个标定平移矩阵T′β，
步骤13、判断β是否等于标定图像总数G；若β＝＝G，则获得了G幅标定图像和G个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组；否则执行步骤14；
步骤14、将α+1赋值给α，返回步骤4顺序执行；
步骤15、根据所述G个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组，利用张正友摄像机标定算法计算出所述摄像机的内外参数。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，包括与具有图像处理功能的电子设备结合使用的计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以如权利要求1所述的智能标定方法。
与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：
(1)相较于传统的棋盘格靶标，本发明中提出的编码平面靶标在摄像机标定过程中具有固定的靶标坐标系，因此可以获得确定的从靶标坐标系变换到摄像机坐标系的旋转矩阵和平移向量，能够去除拍摄具有相同和相似的位姿的编码平面靶标时所得的靶标图像；
(2)与利用棋盘格标靶进行标定的方法相比，本发明提出的基于编码平面靶标的单目摄像机标定方法，在拍摄的图像中只包含局部的靶标时，依然能够完成标定工作；同时与方向性靶标相比，本发明提出的方法在标定时无需拍摄到特定的方向性标志，只需保证拍摄到的标定角点个数满足阈值，即可进行标定工作；
(3)本发明中提出的编码平面靶标具有图案简单，易于提取的特点，且具有很大的编码容量，便于实现摄像机的标定工作；
(4)本发明提出的基于编码平面靶标的单目摄像机标定方法可以实现实时标定、智能化标定，该方法可以自动选取一定数量且符合标定要求的靶标图像，能够实现在线标定；
(5)本发明提出的标定方法在获取图像中的标定角点和编码信息时，能够去除复杂背景，消除其对编码平面靶标的干扰，保证获得的标定角点数据和编码信息的准确性和可靠性。
附图说明
图1为实施例中使用的摄像机和摄像机镜头等实验设备展示图；
图2为实施例中使用的编码平面靶标设计图；
图3为实施例中使用的编码平面靶标的实物图；
图4为在编码平面靶标上选取规定向量
Figure BDA0003015292640000201
的示意图；
图5为在编码平面靶标上选取辅助向量和正向向量
Figure BDA0003015292640000202
的示意图；
图6为第1幅靶标图像以及在靶标图像上建立标定角点像素坐标系的示意图；
图7为建立靶标坐标系的示意图；
图8为利用编码平面靶标解码方法获得的第1幅靶标图像上标定角点的亚像素坐以及标定角点对应的唯一编码序号的示意图；
图9利用编码平面靶标解码方法获得的第2幅靶标图像上标定角点的亚像素坐以及标定角点对应的唯一编码序号的示意图；
图10为利用编码平面靶标解码方法获得的第3幅靶标图像上标定角点的亚像素坐以及标定角点对应的唯一编码序号的示意图；
图11为利用编码平面靶标解码方法获得的第4幅靶标图像上标定角点的亚像素坐以及标定角点对应的唯一编码序号的示意图；
图12为利用编码平面靶标解码方法获得的第5幅靶标图像上标定角点的亚像素坐以及标定角点对应的唯一编码序号的示意图；
图13为利用编码平面靶标解码方法获得的第6幅靶标图像上标定角点的亚像素坐以及标定角点对应的唯一编码序号的示意图；
图14为利用编码平面靶标解码方法获得的第7幅靶标图像上标定角点的亚像素坐以及标定角点对应的唯一编码序号的示意图；
图15为的第1个编码平面靶标灰度图像P1 (1)的示意图；
图16为第1个无复杂背景靶标灰度图像P′1 (1)的示意图；
图17为第1个无复杂背景靶标二值化图像
Figure BDA0003015292640000211
的示意图；
图18为第1个靶标二值化腐蚀图像P′2 (1)的示意图；
图19为第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA0003015292640000212
的示意图；
图20为本发明的基于编码平面靶标的单目摄像机智能标定方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本次实施例使用的是MER-231-41U3C型号彩色工业相机，相机采集的最高帧率为40帧，像素尺寸为×5.86微米，图像分辨率1920×1200；相机镜头采用的型号是HN-1216-5M-C2/3X，镜头焦距12毫米。实验设备设置状态如图1所示。
请参阅图2和图3，一种用于摄像机内外参数标定的编码平面靶标，所述编码平面靶标由平行四边形编码单元和平行四边形非编码单元交替组成的编码棋盘格构成，所述编码平面靶标以任意对角相连的平行四边形编码单元的交点作为编码平面靶标的标定角点，所述编码平面靶标一共包含5行×5列个标定角点；编码平面靶标中每一个平行四边形编码单元的内部设置有编码图案，编码图案包括定位图案、定向图案和编码标志图案，其中编码标志图案又由多个编码单元图案组成；由定向图案和定位图案可实现编码平面靶标旋转方向的判断；编码标志图案则是用于给编码平面靶标中每一个标定角点进行编码。
所述编码平面靶标中每一个平行四边形编码单元内部的定位图案、定向图案和编码单元图案均不重叠且不连通。本实施例中，所有平行四边形编码单元和平行四边形非编码单元均为长度为13.5mm且宽度为13.5mm的平行四边形，所述平行四边形编码单元为矩形，λ＝90°。
本实施例中，向量确定编码单元第一顶点o″1、向量确定编码单元第一边上第一点o″2、规定向量
Figure BDA0003015292640000221
和辅助向量
Figure BDA0003015292640000222
的选取如图4和图5所示。
下面以具体的实验过程来说明基于该编码平面靶标的单目摄像机智能标定方法的具体使用过程。
请参阅图20，一种基于编码平面靶标的单目摄像机智能标定方法，包括以下主要步骤：
步骤1、定义标定图像总数为5，即G＝＝5；定义旋转阈值k1＝10°、平移阈值k2＝50；定义编码平面靶标图像中标定角点个数阈值k3＝＝16；定义整数变量α、整数变量β、整数变量i′，并初始化α＝1,β＝0，i′＝0；
步骤2、以所述摄像机的光心作为摄像机坐标系的原点Oc，以标定角点像素坐标系的x轴方向为摄像机坐标系的Xc轴方向，以标定角点像素坐标系的y轴方向作为摄像机坐标系的Yc轴方向，且所述摄像机坐标系的Xc轴、Yc轴和Zc轴满足右手定则，从而建立所述摄像机坐标系Oc-XcYcZc；
步骤3、利用位置固定的摄像机实时拍摄空间中移动的编码平面靶标，获得靶标图像；
判断第1幅靶标图像：
步骤4、将所述靶标图像为第1个移动位置上的编码平面靶标经过摄像机进行成像时所得的图像记为第1幅靶标图像，如图6所示；
步骤5、以所述靶标图像的左上角作为标定角点像素坐标系的原点o，自左向右作为所述标定角点像素坐标系的x轴方向，自上向下作为所述标定角点像素坐标系的y轴方向，从而建立标定角点像素坐标系o-xy；
步骤6、根据第1个移动位置上的编码平面靶标上的第1行第1个平行四边形编码单元的4个顶点中是标定角点的个数为Φp情况，建立对应的第1个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000223
本实施例属于情况2中的(1)，Φp＝＝2，靶标坐标系的建立如图7所示，建立的靶标坐标系与编码平面靶标的相对空间位置固定不变，因此在实际摄像机标定过程中靶标坐标系跟随编码平面靶标的移动而移动；
步骤7、将第1幅靶标图像进行复制备份得到第1幅复制靶标图像；
步骤8、将第1幅复制靶标图像作为输入条件，利用编码平面靶标的解码方法获得第1幅复制靶标图像上的标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素坐标值、第α幅复制靶标图像上提取到的标定角点的个数γ(1)(γ(1)正整数)、第1幅复制靶标图像中提取到的每个标定角点的唯一编码序号和第1幅复制靶标图像中提取到的所有标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素级坐标和与之一一对应的空间中第α个移动位置上的编码平面靶标上具有相同唯一编码序号的标定角点在所述第α个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000231
下的靶标坐标之间的匹配关系。本实施例中，第1幅复制靶标图像上提取到的标定角点的个数为25，即γ(1)＝＝25，标定角点提取结果如图8所示。
步骤9、本实施例中，对于第1幅靶标图像，γ(1)＝＝25，满足γ(1)＞k3；
步骤10、将第1幅复制靶标图像中提取到的所有标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素级坐标和与之一一对应的空间中第1个移动位置上的编码平面靶标上具有相同唯一编码序号的标定角点在所述第1个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000232
下的靶标坐标之间的匹配关系记为第1个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组；
步骤11、将第1个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组作为输入条件，利用开源的平面靶标空间姿态估算算法(Pose Estimation For Planar Target，算法开源程序下载地址为http://nghiaho.com/？page_id＝576)计算出从第1个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000233
变换到摄像机坐标系Oc-XcYcZc的第1个靶标旋转矩阵R1和第1个靶标平移矩阵T1为：
Figure BDA0003015292640000234
T1＝(-85.370 -92.663 314.674)T；
步骤12、判断i′是否等于0；在实施例中，在讨论第1幅复制靶标图像时i′＝＝0，将1的值赋值给i′，i′＝1，将1赋值给β，β＝1，将所述第1幅靶标图像作为第1幅标定图像，并将第1个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组作为第1个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的标定匹配组，同时将第1个靶标旋转矩阵R1和第1个靶标平移矩阵T1分别赋值给第1个标定旋转矩阵R1′和第1个标定平移矩阵T1′，并执行步骤16，即将2赋值给α，返回步骤4顺序执行；
至此完成第1幅靶标图像的判断，其中第1幅靶标图像满足标定要求，可以作为第1幅标定图像；获得的第1个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组如下表1所示；
表1
序号 标定角点亚像素坐标 标定角点对应的唯一编码序号 标定角点对应的靶标坐标
1 (234.718，110.763) 2_6 (54，0，0)
2 (302.369，110.447) 1_1 (40.5，0，0)
3 (370.619，110.327) 1_6 (27，0，0)
4 (439.747，110.393) 0_1 (13.5，0，0)
5 (509.52，110.608) 0_6 (0，0，0)
6 (229.528，178.913) 5_1 (54，13.5，0)
7 (297.645，179.173) 5_6 (40.5，13.5，0)
8 (366.166，178.533) 4_1 (27，13.5，0)
9 (435.333，178.734) 4_6 (13.5，13.5，0)
10 (505.31，179.024) 3_1 (0，13.5，0)
11 (28.17.276，248.015) 8_6 (54，27，0)
12 (293.533，248.399) 7_1 (40.5，27，0)
13 (362.192，247.897) 7_6 (27，27，0)
14 (431.196，248.327) 6_1 (13.5，27，0)
15 (500.879，247.77) 6_6 (0，27，0)
16 (221.119，318.093) 11_1 (54，40.5，0)
17 (289.332，318.3) 11_6 (40.5，40.5，0)
18 (357.516，318.179) 10_1 (27，40.5，0)
19 (427.17，318.217) 10_6 (13.5，40.5，0)
20 (496.958，318.448) 9_1 (0，40.5，0)
21 (217.364，388.476) 14_6 (54，54，0)
22 (284.794，388.513) 13_1 (40.5，54，0)
23 (353.259，388.509) 13_6 (27，54，0)
24 (422.998，388.917) 12_1 (13.5，54，0)
25 (493.83，389.439) 12_6 (0，54，0)
判断第2幅靶标图像：
步骤4、将所述靶标图像为第2个移动位置上的编码平面靶标经过摄像机进行成像时所得的图像记为第2幅靶标图像；
步骤5、以所述靶标图像的左上角作为标定角点像素坐标系的原点o，自左向右作为所述标定角点像素坐标系的x轴方向，自上向下作为所述标定角点像素坐标系的y轴方向，从而建立标定角点像素坐标系o-xy；
步骤6、通过与建立第1个靶标坐标系相同的方法，建立第2个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000241
步骤7、将第2幅靶标图像进行复制备份得到第2幅复制靶标图像；
步骤8、将第2幅复制靶标图像作为输入条件，利用编码平面靶标的解码方法获得第2幅复制靶标图像上的标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素坐标值、第2幅复制靶标图像上提取到的标定角点的个数γ(2)(γ(2)正整数)、第2幅复制靶标图像中提取到的每个标定角点的唯一编码序号和第2幅复制靶标图像中提取到的所有标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素级坐标和与之一一对应的空间中第2个移动位置上的编码平面靶标上具有相同唯一编码序号的标定角点在所述第2个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000251
下的靶标坐标之间的匹配关系。本实施例中，第2幅复制靶标图像上提取到的标定角点的个数为25，即γ(2)＝＝25，标定角点提取结果如图9所示。
步骤9、本实施例中，对于第2幅靶标图像，γ(2)＝＝25，满足γ(2)＞k3；
步骤10、将第1幅复制靶标图像中提取到的所有标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素级坐标和与之一一对应的空间中第2个移动位置上的编码平面靶标上具有相同唯一编码序号的标定角点在所述第2个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000252
下的靶标坐标之间的匹配关系记为第2个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组；
步骤11、将第2个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组作为输入条件，利用开源的平面靶标空间姿态估算算法计算出从第1个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000253
变换到摄像机坐标系Oc-XcYcZc的第2个靶标旋转矩阵R2和第2个靶标平移矩阵T2；
Figure BDA0003015292640000254
T2＝(-29.865 16.225 324.175)T；
步骤12、本实施例中，在讨论第2幅复制靶标图像时i′＝＝1，则执行步骤13；
步骤13、通过式(1)和式(2)得到从第2个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000255
变换到第1个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000256
的旋转矩阵R2，1和平移矩阵T2，1：
Figure BDA0003015292640000257
T2，1＝(R1′)-1·(T2-T1′)＝(-56.953 105.743 -24.547)T；
步骤14、通过获得的旋转矩阵R2，1计算出从第2个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000258
变换到第1个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000259
时Xt轴、Yt轴和Zt轴的旋转角度
Figure BDA00030152926400002510
和
Figure BDA00030152926400002511
Figure BDA00030152926400002512
步骤15、本实施例中，对于第2幅靶标图像，旋转角度θ2，1＝＝36.672°(其中
Figure BDA0003015292640000261
)大于旋转阀值k1＝10°且平移矩阵T2，1的2-范数||T2，1||2＝122.587大于平移阀值k2＝50，则执行步骤16，即将2赋值给i′，i′＝2，将2赋值给β，β＝2，将所述第2幅靶标图像作为第2幅标定图像，并将第2个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组作为第2个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的标定匹配组，同时将第2个靶标旋转矩阵R2和第2个靶标平移矩阵T2分别赋值给第2个标定旋转矩阵R′2和第2个标定平移矩阵T′2，并执行步骤17；
步骤17、本实施例中，在判断第2幅靶标图像时，β＝＝2，β＜G，则将3赋值给α，返回步骤4顺序执行；
至此完成第2幅靶标图像的判断，第2幅靶标图像满足标定要求，可以作为第2幅标定图像；获得的第2个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的标定匹配组如下表2所示；
表2
序号 标定角点亚像素坐标 标定角点对应的唯一编码序号 标定角点对应的靶标坐标
1 (1083.64，430.237) 14_6 (54，54，0)
2 (1084.29，499.286) 11_1 (54，40.5，0)
3 (1084.47，566.188) 8_6 (54，27，0)
4 (1084.88，630.755) 5_1 (54，13.5，0)
5 (1085.19，692.346) 2_6 (54，0，0)
6 (1007.18，431.176) 13_1 (40.5，54，0)
7 (1008.66，498.578) 11_6 (40.5，40.5，0)
8 (1010.62，565.054) 7_1 (40.5，27，0)
9 (1012.16，629.07) 5_6 (40.5，13.5，0)
10 (1013.87，692.142) 1_1 (40.5，0，0)
11 (931.045，431.751) 13_6 (27，54，0)
12 (934.299，499.193) 10_1 (27，40.5，0)
13 (937.205，564.592) 7_6 (27，27，0)
14 (940.28，628.726) 4_1 (27，13.5，0)
15 (942.441，690.441) 1_6 (27，0，0)
16 (855.184，432.674) 12_1 (13.5，54，0)
17 (859.644，499.819) 10_6 (13.5，40.5，0)
18 (864.366，564.748) 6_1 (13.5，27，0)
19 (868.341，628.006) 4_6 (13.5，13.5，0)
20 (872.407，689.157) 0_1 (13.5，0，0)
21 (779.976，432.971) 12_6 (0，54，0)
22 (785.703，500.613) 9_1 (0，40.5，0)
23 (791.334，565.246) 6_6 (0，27，0)
24 (796.869，627.314) 3_1 (0，13.5，0)
25 (802.263，687.68) 0_6 (0，0，0)
第3幅靶标图像的判断：
步骤4、将所述靶标图像为第3个移动位置上的编码平面靶标经过摄像机进行成像时所得的图像记为第3幅靶标图像；
步骤5、以所述靶标图像的左上角作为标定角点像素坐标系的原点o，自左向右作为所述标定角点像素坐标系的x轴方向，自上向下作为所述标定角点像素坐标系的y轴方向，从而建立标定角点像素坐标系o-xy；
步骤6、通过与建立第1个靶标坐标系相同的方法，建立第3个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000271
步骤7、将第3幅靶标图像进行复制备份得到第3幅复制靶标图像；
步骤8、将第3幅复制靶标图像作为输入条件，利用编码平面靶标的解码方法获得第3幅复制靶标图像上的标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素坐标值、第3幅复制靶标图像上提取到的标定角点的个数γ(3)(γ(3)正整数)、第3幅复制靶标图像中提取到的每个标定角点的唯一编码序号和第3幅复制靶标图像中提取到的所有标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素级坐标和与之一一对应的空间中第3个移动位置上的编码平面靶标上具有相同唯一编码序号的标定角点在所述第3个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000272
下的靶标坐标之间的匹配关系；本实施例中第3幅复制靶标图像上提取到的标定角点的个数为25，即γ(3)＝＝25，标定角点提取结果如图10所示。
步骤9、本实施例中，对于第2幅靶标图像，γ(3)＝＝25，满足γ(3)＞k3；
步骤10、将获得的第3幅复制靶标图像中提取到的所有标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素级坐标和与之一一对应的空间中第3个移动位置上的编码平面靶标上具有相同唯一编码序号的标定角点在所述第3个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000273
下的靶标坐标之间的匹配关系记为第3个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组；
步骤11、将第3个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组作为输入条件，利用平面靶标空间姿态估算算法计算出从第3个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000274
变换到摄像机坐标系Oc-XcYcZc的第3个靶标旋转矩阵R3和第3个靶标平移矩阵T3：
Figure BDA0003015292640000275
T3＝(59.158 26.107 325.063)T；
步骤12、本实施例中，在讨论第3幅复制靶标图像时i′＝＝2，则执行步骤13；
步骤13、通过式(1)和式(2)得到从第3个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000281
变换到第2个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000282
的旋转矩阵R3，2和平移矩阵T3，2：
Figure BDA0003015292640000283
T3，2＝(R′2)-1·(T3-T′2)＝(88.646 -12.568 -2.774)T；
步骤14、通过获得的旋转矩阵R3，2计算出从第3个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000284
变换到第2个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000285
时Xt轴、Yt轴和Zt轴的旋转角度
Figure BDA0003015292640000286
和
Figure BDA0003015292640000287
步骤15、本实施例中，对于第3幅靶标图像，旋转角度θ3，2＝2.904°(其中
Figure BDA0003015292640000288
)小于旋转阀值k1＝10°，则直接执行步骤17；
步骤17、本实施例中，在判断第3幅靶标图像时，β＝＝2，β＜G，则将3赋值给α，返回步骤4顺序执行；
至此完成第3幅靶标图像的判断，其中第3幅靶标图像并不满足标定要求，旋转角度θ3，2＝2.904°小于旋转阀值k1＝10°，所以不能作为标定图像。
判断第4幅靶标图像：
步骤4、将所述靶标图像为第4个移动位置上的编码平面靶标经过摄像机进行成像时所得的图像记为第4幅靶标图像；
步骤5、以所述靶标图像的左上角作为标定角点像素坐标系的原点o，自左向右作为所述标定角点像素坐标系的x轴方向，自上向下作为所述标定角点像素坐标系的y轴方向，从而建立标定角点像素坐标系o-xy；
步骤6、通过与建立第1个靶标坐标系相同的方法，建立第4个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000289
步骤7、将第4幅靶标图像进行复制备份得到第2幅复制靶标图像；
步骤8、将第4幅复制靶标图像作为输入条件，利用编码平面靶标的解码方法获得第4幅复制靶标图像上的标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素坐标值、第4幅复制靶标图像上提取到的标定角点的个数γ(4)(γ(4)正整数)、第4幅复制靶标图像中提取到的每个标定角点的唯一编码序号和第4幅复制靶标图像中提取到的所有标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素级坐标和与之一一对应的空间中第4个移动位置上的编码平面靶标上具有相同唯一编码序号的标定角点在所述第4个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000291
下的靶标坐标之间的匹配关系；本实施例中第4幅复制靶标图像上提取到的标定角点的个数为15，即γ(4)＝＝15，标定角点提取结果如图11所示。
步骤9、本实施例中，对于第4幅靶标图像，γ(4)＝＝15，γ(4)＜k3，则将5赋值给α，α＝5，并返回步骤4顺序执行；
至此完成第4幅靶标图像的判断，其中第4幅靶标图像并不满足标定要求，第4幅靶标中提取的标定角点个数不满足标定角点个数阈值，所以不能作为标定图像。
判断第5幅标定图像：
步骤4、将所述靶标图像为第5个移动位置上的编码平面靶标经过摄像机进行成像时所得的图像记为第5幅靶标图像；
步骤5、以所述靶标图像的左上角作为标定角点像素坐标系的原点o，自左向右作为所述标定角点像素坐标系的x轴方向，自上向下作为所述标定角点像素坐标系的y轴方向，从而建立标定角点像素坐标系o-xy；
步骤6、通过与建立第1个靶标坐标系相同的方法，建立第5个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000292
步骤7、将第5幅靶标图像进行复制备份得到第5幅复制靶标图像；
步骤8、将第5幅复制靶标图像作为输入条件，利用编码平面靶标的解码方法获得第5幅复制靶标图像上的标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素坐标值、第5幅复制靶标图像上提取到的标定角点的个数γ(5)(γ(5)正整数)、第5幅复制靶标图像中提取到的每个标定角点的唯一编码序号和第5幅复制靶标图像中提取到的所有标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素级坐标和与之一一对应的空间中第5个移动位置上的编码平面靶标上具有相同唯一编码序号的标定角点在所述第5个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000293
下的靶标坐标之间的匹配关系；本实施例中第5幅复制靶标图像上提取到的标定角点的个数为20，即γ(5)＝＝20，标定角点提取结果如图12所示。
步骤9、本实施例中，对于第5幅靶标图像，γ(5)＝＝20，满足γ(5)＞k3；
步骤10、将获得的第5幅复制靶标图像中提取到的所有标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素级坐标和与之一一对应的空间中第5个移动位置上的编码平面靶标上具有相同唯一编码序号的标定角点在所述第5个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000294
下的靶标坐标之间的匹配关系记为第5个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组；
步骤11、将第5个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组作为输入条件，利用平面靶标空间姿态估算算法计算出从第5个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000301
变换到摄像机坐标系Oc-XcYcZc的第5个靶标旋转矩阵R5和第5个靶标平移矩阵T5：
Figure BDA0003015292640000302
T5＝(-72.447 -59.144 328.493)T；
步骤12、本实施例中，在讨论第5幅复制靶标图像时i′＝＝2，则执行步骤13；
步骤13、通过式(1)和式(2)得到从第5个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000303
变换到第2个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000304
的旋转矩阵R5，2和平移矩阵T5，2：
Figure BDA0003015292640000305
T5，2＝(R′2)-1·(T5-T′2)＝(-43.264 64.071 -39.185)T；
步骤14、通过上述获得的旋转矩阵R5，2计算出从第5个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000306
变换到第2个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000307
时Xt轴、Yt轴和Zt轴的旋转角度
Figure BDA0003015292640000308
和
Figure BDA0003015292640000309
Figure BDA00030152926400003010
步骤15、本实施例中，对于第5幅靶标图像，旋转角度θ5，2＝38.92°(其中
Figure BDA00030152926400003011
大于旋转阀值k1＝10°且平移矩阵T5，2的2-范数||T5，2||2＝86.6740大于平移阀值k2＝50，则执行步骤16，即将5赋值给i′，i′＝5，将3赋值给β，β＝3，将所述第5幅靶标图像作为第3幅标定图像，并将第5个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组作为第3个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的标定匹配组，同时将第5个靶标旋转矩阵R5和第5个靶标平移矩阵T5分别赋值给第5个标定旋转矩阵R5′和第5个标定平移矩阵T5′；
步骤17、本实施例中，在判断第5幅靶标图像时，β＝＝3，β＜G，则将5赋值给α，返回步骤4顺序执行；
至此完成第5幅靶标图像的判断，其中第5幅靶标图像满足标定要求，可以作为第3幅标定图像；获得的第3个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的标定匹配组如下表3所示；
表3
序号 标定角点亚像素坐标 标定角点对应的唯一编码序号 标定角点对应的靶标坐标
1 (820.207，238.259) 9_1 (54，0，0)
2 (759.452，254.692) 10_6 (40.5，0，0)
3 (701.311，271.063) 10_1 (27，0，0)
4 (646.489，286.933) 11_6 (13.5，0，0)
5 (592.549，302.518) 11_1 (0，0，0)
6 (812.293，165.794) 6_6 (54，13.5，0)
7 (752.827，183.852) 6_1 (40.5，13.5，0)
8 (694.784，200.977) 7_6 (27，13.5，0)
9 (639.307，218.366) 7_1 (13.5，13.5，0)
10 (585.082，234.863) 8_6 (0，13.5，0)
11 (804.802，95.3649) 3_1 (54，27，0)
12 (746.311，114.614) 4_6 (40.5，27，0)
13 (688.343，132.819) 4_1 (27，27，0)
14 (632.546，150.797) 5_6 (13.5，27，0)
15 (577.762，167.837) 5_1 (0，27，0)
16 (798.448，26.1367) 0_6 (54，40.5，0)
17 (739.301，45.7157) 0_1 (40.5，40.5，0)
18 (681.329，64.6303) 1_6 (27，40.5，0)
19 (625.603，83.658) 1_1 (13.5，40.5，0)
20 (570.687，102.071) 2_6 (0，40.5，0)
判断第6幅靶标图像：
步骤4、将所述靶标图像为第6个移动位置上的编码平面靶标经过摄像机进行成像时所得的图像记为第6幅靶标图像；
步骤5、以所述靶标图像的左上角作为标定角点像素坐标系的原点o，自左向右作为所述标定角点像素坐标系的x轴方向，自上向下作为所述标定角点像素坐标系的y轴方向，从而建立标定角点像素坐标系o-xy；
步骤6、通过与建立第1个靶标坐标系相同的方法，建立第6个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000311
步骤7、将第6幅靶标图像进行复制备份得到第6幅复制靶标图像；
步骤8、将第6幅复制靶标图像作为输入条件，利用编码平面靶标的解码方法获得第6幅复制靶标图像上的标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素坐标值、第6幅复制靶标图像上提取到的标定角点的个数γ(6)(γ(6)正整数)、第5幅复制靶标图像中提取到的每个标定角点的唯一编码序号和第6幅复制靶标图像中提取到的所有标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素级坐标和与之一一对应的空间中第6个移动位置上的编码平面靶标上具有相同唯一编码序号的标定角点在所述第6个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000321
下的靶标坐标之间的匹配关系；本实施例中第6幅复制靶标图像上提取到的标定角点的个数为25，即γ(6)＝＝25，标定角点提取结果如图13所示；
步骤9、本实施例中，对于第6幅靶标图像，γ(6)＝＝25，满足γ(6)＞k3；
步骤10、将获得的第6幅复制靶标图像中提取到的所有标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素级坐标和与之一一对应的空间中第6个移动位置上的编码平面靶标上具有相同唯一编码序号的标定角点在所述第6个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000322
下的靶标坐标之间的匹配关系记为第6个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组；
步骤11、将第6个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组作为输入条件，利用平面靶标空间姿态估算算法计算出从第6个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000323
变换到摄像机坐标系Oc-XcYcZc的第6个靶标旋转矩阵R6和第6个靶标平移矩阵T6：
Figure BDA0003015292640000324
T6＝(31.520 91.805 288.613)T；
步骤12、本实施例中，在讨论第6幅复制靶标图像时i′＝＝5，则执行步骤13；
步骤13、通过式(1)和式(2)得到从第6个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000325
变换到第5个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000326
的旋转矩阵R6，5和平移矩阵T6，5：
Figure BDA0003015292640000327
T6，5＝(R′5)-1·(T6-T′6)＝(90.814 -163.344 -16.022)T；
步骤14、通过上述获得的旋转矩阵R6，5计算出从第6个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000328
变换到第5个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000329
时Xt轴、Yt轴和Zt轴的旋转角度
Figure BDA00030152926400003210
和
Figure BDA00030152926400003211
Figure BDA00030152926400003212
步骤15、本实施例中，对于第6幅靶标图像，旋转角度θ6，5＝53.39°(其中
Figure BDA00030152926400003213
大于旋转阀值k1＝10°且平移矩阵T6，5的2-范数||T6，5||2＝187.577大于平移阀值k2＝50，则执行步骤16，即将6赋值给i′，i′＝6，将4赋值给β，β＝4，将所述第6幅靶标图像作为第4幅标定图像，并将第6个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组作为第4个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的标定匹配组，同时将第6个靶标旋转矩阵R6和第6个靶标平移矩阵T6分别赋值给第6个标定旋转矩阵R′6和第6个标定平移矩阵T′6；
步骤17、本实施例中，在判断第6幅靶标图像时，β＝＝4，β＜G，则将7赋值给α，返回步骤4顺序执行；
至此完成第6幅靶标图像的判断，第6幅靶标图像满足标定要求，可以作为第4幅标定图像；获得的第4个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的标定匹配组如下表4所示；
表4
序号 标定角点亚像素坐标 标定角点对应的唯一编码序号 标定角点对应的靶标坐标
1 (1138.63，816.228) 12_6 (0，54，0)
2 (1204.23，819.44) 12_1 (13.5，54，0)
3 (1267.09，88.15.209) 13_6 (27，54，0)
4 (1327.18，824.793) 13_1 (40.5，54，0)
5 (1385.42，827.695) 14_6 (54，54，0)
6 (1139.94，892.352) 9_1 (0，40.5，0)
7 (1204.89，894.155) 10_6 (13.5，40.5，0)
8 (1268.26，896.153) 10_1 (27，40.5，0)
9 (1328.67，897.523) 11_6 (40.5，40.5，0)
10 (1388.95，898.905) 11_1 (54，40.5，0)
11 (1140.54，969.073) 6_6 (0，27，0)
12 (1205.94，970.005) 6_1 (13.5，27，0)
13 (1269.98，970.404) 7_6 (27，27，0)
14 (1331.62，970.463) 7_1 (40.5，27，0)
15 (1392.25，970.505) 8_6 (54，27，0)
16 (1140.33，1046.28) 3_1 (0，13.5，0)
17 (1206.67，1045.63) 4_6 (13.5，13.5，0)
18 (1271.76，1044.86) 4_1 (27，13.5，0)
19 (1333.93，1044.28) 5_6 (40.5，13.5，0)
20 (1394.7，1042.65) 5_1 (54，13.5，0)
21 (1140.58，1123.78) 0_6 (0，0，0)
22 (1207.75，118.15.22) 0_1 (13.5，0，0)
23 (1273.34，1120.34) 1_6 (27，0，0)
24 (1336.11，1118.17) 1_1 (40.5，0，0)
25 (1396.76，1115.92) 2_6 (54，0，0)
判断第7幅靶标图像：
步骤4、将所述靶标图像为第7个移动位置上的编码平面靶标经过摄像机进行成像时所得的图像记为第7幅靶标图像；
步骤5、以所述靶标图像的左上角作为标定角点像素坐标系的原点o，自左向右作为所述标定角点像素坐标系的x轴方向，自上向下作为所述标定角点像素坐标系的y轴方向，从而建立标定角点像素坐标系o-xy；
步骤6、通过与建立第1个靶标坐标系相同的方法，建立第7个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000341
步骤7、将第7幅靶标图像进行复制备份得到第7幅复制靶标图像；
步骤8、将第7幅复制靶标图像作为输入条件，利用编码平面靶标的解码方法获得第7幅复制靶标图像上的标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素坐标值、第7幅复制靶标图像上提取到的标定角点的个数γ(7)(γ(7)正整数)、第5幅复制靶标图像中提取到的每个标定角点的唯一编码序号和第7幅复制靶标图像中提取到的所有标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素级坐标和与之一一对应的空间中第7个移动位置上的编码平面靶标上具有相同唯一编码序号的标定角点在所述第7个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000342
下的靶标坐标之间的匹配关系；本实施例中第7幅复制靶标图像上提取到的标定角点的个数为25，即γ(7)＝＝25，标定角点提取结果如图14所示；
步骤9、本实施例中，对于第7幅靶标图像，γ(7)＝＝25，满足γ(7)＞k3；
步骤10、将获得的第7幅复制靶标图像中提取到的所有标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素级坐标和与之一一对应的空间中第7个移动位置上的编码平面靶标上具有相同唯一编码序号的标定角点在所述第7个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000343
下的靶标坐标之间的匹配关系记为第7个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组；
步骤11、将第7个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组作为输入条件，利用平面靶标空间姿态估算算法计算出从第7个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000344
变换到摄像机坐标系Oc-XcYcZc的第7个靶标旋转矩阵R7和第7个靶标平移矩阵T7：
Figure BDA0003015292640000345
T7＝(-156.442 -22.353 319.107)T；
步骤12、本实施例中，在讨论第7幅复制靶标图像时i′＝＝6，则执行步骤13；
步骤13、通过式(1)和式(2)得到从第7个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000346
变换到第6个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000347
的旋转矩阵R7，6和平移矩阵T7，6：
Figure BDA0003015292640000351
T7，6＝(R′6)-1·(T7-T′6)＝(-172.251 115.496 -79.259)T；
步骤14、通过上述获得的旋转矩阵R6，5计算出从第7个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000352
变换到第6个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000353
时Xt轴、Yt轴和Zt轴的旋转角度
Figure BDA0003015292640000354
和
Figure BDA0003015292640000355
Figure BDA0003015292640000356
步骤15、本实施例中，对于第7幅靶标图像，转角度θ7，6＝23.77°(其中
Figure BDA0003015292640000357
)大于旋转阀值k1＝10°且平移矩阵T7，6的2-范数||T7，6||2＝222.017大于平移阀值k2＝50，则执行步骤16，即将7赋值给i′，i′＝7，将5赋值给β，β＝5，将所述第7幅靶标图像作为第5幅标定图像，并将第7个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组作为第5个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的标定匹配组，同时将第7个靶标旋转矩阵R7和第7个靶标平移矩阵T7分别赋值给第7个标定旋转矩阵R7′和第7个标定平移矩阵T7′；
步骤17、本实施例中，在判断第7幅靶标图像时，β＝＝5，满足β等于G，则执行步骤19；
至此完成第7幅靶标图像的判断，第7幅靶标图像满足标定要求，可以作为第5幅标定图像；获得的第5个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的标定匹配组如下表5所示；
表5
Figure BDA0003015292640000358
Figure BDA0003015292640000361
至此找出了满足标定条件的5幅标定图像和5个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的标定匹配组。
步骤19、根据表1-表5中获得的5个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组，利用张正友摄像机标定算法(A Flexible New Technique for Camera Calibration)计算出所述摄像机的内外参数，标定结果如下：
摄像机图像总体平均定标误差：0.033196像素；
摄像机内参数矩阵：
Figure BDA0003015292640000362
摄像机畸变系数：(-0.107788 0.180799 -0.001999 0.003397)；
摄像机第1幅标定图像的旋转矩阵：
Figure BDA0003015292640000363
摄像机第1幅标定图像的平移向量：(-85.0505 -92.8587 390.576)；
摄像机第2幅标定图像的旋转矩阵：
Figure BDA0003015292640000364
摄像机第2幅标定图像的平移向量：(-71.4925 -58.1461 404.051)；
摄像机第3幅标定图像的旋转矩阵：
Figure BDA0003015292640000365
摄像机第3幅标定图像的平移向量：(31.6828 91.9851 361.903)；
摄像机第4幅标定图像的旋转矩阵：
Figure BDA0003015292640000371
摄像机第4幅标定图像的平移向量：(-151.206 -21.6385 382.293)；
摄像机第5幅标定图像的旋转矩阵：
Figure BDA0003015292640000372
摄像机第5幅标定图像的平移向量：(-30.0547 17.185 399.044)；
由此，利用编码平面靶标完成了单目摄像机的标定工作。
在上述标定过程中，利用编码平面靶标的解码方法处理每幅复制靶标图像的过程基本相同，故在本实施例中，只详尽介绍第1幅复制靶标图像的处理过程，其他图像的处理过程均可参考第1幅复制靶标图像的解码方法。所述编码平面靶标的解码方法具体步骤为：
步骤8.1、输入放置在空间中的编码平面靶标的基本信息，即位于空间中的编码平面靶标包含5行×5列个标定角点，编码平面靶标的初始平行四边形编码单元编码号为zv，zv＝＝0，编码平面靶标上第1行第1个平行四边形编码单元的4个顶点中作为标定角点的个数Φp，Φp＝＝2；
步骤8.2、对所述第1幅复制靶标图像进行8位灰度处理，得到第1个编码平面靶标灰度图像P1 (1)；其中，第1个编码平面靶标灰度图像P1 (1)为8位灰度图，如图15所示；
步骤8.3、在上述第1个编码平面靶标灰度图像P1 (1)中，利用Opencv中棋盘格角点亚像素坐标函数(cvFindChessboardCorners)提取第1个编码平面靶标灰度图像P1 (1)中所包含标定角点个数最多的5行×5列个标定角点的亚像素坐标集合并记为第1个标定角点亚像素坐标集合Q(1),并将所述5行×5列个标定角点亚像素坐标集合中最外围角点(即第1行标定角点、第1列标定角点、第5行标定角点和第5列标定角点)所围成的多边形记为第1个最大标定角点数多边形L1；其中，经过角点提取后的第1个编码平面靶标灰度图像P1 (1)没有发生改变；标定角点的提取结果如图8所示；
步骤8.4、在所述第1个编码平面靶标灰度图像P1 (1)中，利用数字图像处理的方法令上述步骤3中第1个最大标定角点数多边形L1内部的所有像素点的灰度值均保持不变，L1以外的所有像素点的灰度值均赋值为255，并将第1个编码平面靶标灰度图像P1 (1)经过此处理得到的图像记为第1个无复杂背景靶标灰度图像P1′(1)；第1个无复杂背景靶标灰度图像P1′(1)如图16所示；
步骤8.5、对第1个无复杂背景靶标灰度图像P1′(1)进行二值化处理，得到第1个无复杂背景靶标二值化图像
Figure BDA0003015292640000381
使得在第1个无复杂背景靶标二值化图像
Figure BDA0003015292640000382
中平行四边形编码单元的背景颜色变为黑色，平行四边形非编码单元背景颜色、定位图案、定向图案的颜色均变为白色，编码标志图案的颜色根据编码规则可以为白色也可以为黑色；得到第1个无复杂背景靶标二值化图像
Figure BDA0003015292640000383
如图17所示；
步骤8.6、根据在第1个编码平面靶标灰度图像P1 (1)中提取的第1个最大标定角点数多边形L1内部包含m1行×n1列个标定角点数目(其中m1和n1均为整数)，本实施例中m1＝＝5、n1＝＝5均为奇数，可由公式(1)计算出多边形L1内部包含的平行四边形编码单元个数μ1，μ1＝(m1-1)(n1-1)/2＝8；
步骤8.7、在第1个无复杂背景靶标二值化图像
Figure BDA0003015292640000384
上，作黑色连通域腐蚀处理，使得第1个无复杂背景靶标二值化图像
Figure BDA0003015292640000385
中所有平行四边形编码单元对角处断开，并将第1个无复杂背景靶标二值化图像
Figure BDA0003015292640000386
经过此处理得到的图像记为第1个靶标二值化腐蚀图像P′2 (1)，如图18所示；
步骤8.8、寻找在第1个靶标二值化腐蚀图像P′2 (1)中的8个最大黑色连通域并分别记为方格连通域
Figure BDA0003015292640000387
方格连通域
Figure BDA0003015292640000388
方格连通域
Figure BDA0003015292640000389
取整数变量i，并赋予其初始值i＝1；
计算方格连通域
Figure BDA00030152926400003810
质心的像素坐标
Figure BDA00030152926400003811
将i+1重新赋值给i后继续执行此步骤直到i＞8，由此得到靶标二值化腐蚀图像P′2 (1)上的方格连通域
Figure BDA00030152926400003812
方格连通域
Figure BDA00030152926400003813
方格连通域
Figure BDA00030152926400003814
质心像素坐标
Figure BDA00030152926400003815
并将
Figure BDA00030152926400003816
依次作为平行四边形编码单元质心像素坐标集合A(1)中的第1个元素、第2个元素、…、第8个元素；
步骤8.9、给整数变量i重新赋予初值i＝1；
在第1个靶标二值化腐蚀图像P′2 (1)中，计算距离方格连通域
Figure BDA00030152926400003817
的质心像素坐标值
Figure BDA00030152926400003818
最近的黑色连通域，并记为第1个靶标二值化腐蚀图像P′2 (1)中的圆环中心连通域Ω′i (1)；将i+1重新赋值给i后继续执行此步骤，直到i＞8时结束；由此分别得到第1个靶标二值化腐蚀图像P′2 (1)中的圆环中心连通域Ω′1 (1)、圆环中心连通域
Figure BDA00030152926400003819
圆环中心连通域Ω′8 (1)；
步骤8.10、给整数变量i重新赋予初值i＝1；
在第1个靶标二值化腐蚀图像P′2 (1)中，计算上述第1个靶标二值化腐蚀图像P′2 (1)中的圆环中心连通域Ω′i (1)质心像素坐标
Figure BDA0003015292640000391
将i+1重新赋值给i后继续执行此步骤，直到i＞8时结束；由此得到第1个靶标二值化腐蚀图像P′2 (1)中的圆环中心连通域Ω′1 (1)、圆环中心连通域
Figure BDA0003015292640000392
圆环中心连通域Ω′8 (1)的质心像素坐标
Figure BDA0003015292640000393
Figure BDA0003015292640000394
并将
Figure BDA0003015292640000395
依次作为圆环质心像素坐标集合B(1)中的第1个元素、第2个元素、…、第8个元素；
步骤8.11、在第1个靶标二值化腐蚀图像P′2 (1)中，将除方格连通域
Figure BDA0003015292640000396
方格连通域
Figure BDA0003015292640000397
方格连通域
Figure BDA0003015292640000398
以及圆环中心连通域Ω′1 (1)、圆环中心连通域
Figure BDA0003015292640000399
圆环中心连通域Ω′8 (1)以外的黑色连通域的灰度值均赋值为255，并将第α个靶标二值化腐蚀图像P′2 (1)经过此处理得到的图像记为第1个解码二值化图像P3 (1)；
步骤8.12、取整数变量ζ，并赋予初始值ζ＝1；
步骤8.13、对第1个解码二值化图像P3 (1)进行复制备份，将复制得到的图像记为第1组第1个备份二值化图像
Figure BDA00030152926400003910
通过对第1组第1个备份二值化图像
Figure BDA00030152926400003911
进行处理得到第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400003912
具体方法包括以下步骤：
步骤8.13.1、在第1组第1个备份二值化图像
Figure BDA00030152926400003913
上，取平行四边形编码单元质心像素坐标集合A(1)中第1个质心像素坐标值
Figure BDA00030152926400003914
在第1个标定角点集合Q(1)中寻找距离质心像素坐标值
Figure BDA00030152926400003915
最近的4个标定角点的像素坐标值，并将这4个标定角点的像素坐标值在第1组第1个备份二值化图像
Figure BDA00030152926400003916
上对应的4个像素点分别记为
Figure BDA00030152926400003917
并将该4个像素点作为第1组第1个标定角点四边形
Figure BDA00030152926400003918
的4个顶点，并将4个顶点相连形成第1组第1个标定角点四边形
Figure BDA00030152926400003919
步骤8.13.2、在圆环质心像素坐标集合B(1)中，找出与平行四边形编码单元质心像素坐标集合A(1)中第1个质心像素坐标值
Figure BDA00030152926400003920
相对应的第1个圆环质心像素坐标值(395,272)；
步骤8.13.3、在第1组第1个备份二值化图像
Figure BDA00030152926400003921
中，寻找距离上述圆环质心像素坐标值(395,272)最近的白色连通域，并将此白色连通域的灰度值赋值为0；
步骤8.13.4、在第1组第1个备份二值化图像
Figure BDA00030152926400003922
上，将第1组第1个标定角点四边形
Figure BDA0003015292640000401
以外的所有像素点的灰度值均赋值为255，第1组第1个标定角点四边形
Figure BDA0003015292640000402
内部的所有像素点的灰度值保持不变，并将得到的图像记为第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA0003015292640000403
如图19所示；
步骤8.14、在第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA0003015292640000404
中，寻找得到质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000405
的平行四边形编码单元的标定角点，并得出质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000406
的平行四边形编码单元中所有编码标志圆的编码值；
寻找得到质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000407
的平行四边形编码单元的标定角点的具体方法包括以下步骤：
步骤8.14.1、在第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA0003015292640000408
中，寻找最大黑色连通域并记为第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA0003015292640000409
中的最大黑色连通域
Figure BDA00030152926400004010
提取第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400004011
中的最大黑色连通域
Figure BDA00030152926400004012
的所有内、外轮廓，并记为质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400004013
的平行四边形编码单元的轮廓集合
Figure BDA00030152926400004014
步骤8.14.2、在质心像素坐标为值
Figure BDA00030152926400004015
的平行四边形编码单元的轮廓集合
Figure BDA00030152926400004016
中，统计每个轮廓中包含的像素点数，其中包含像素点数第二多的轮廓即为在第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400004017
上的质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400004018
的平行四边形编码单元中定位圆的轮廓
Figure BDA00030152926400004019
计算此定位圆轮廓
Figure BDA00030152926400004020
的质心像素坐标并记为在第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400004021
上的质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400004022
的平行四边形编码单元中定位圆质心像素坐标
Figure BDA00030152926400004023
步骤8.14.3、在质心坐标为
Figure BDA00030152926400004024
的平行四边形编码单元的轮廓集合
Figure BDA00030152926400004025
中，除去包含像素点数最多的2个轮廓，剩余其他
Figure BDA00030152926400004026
个轮廓即为在第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400004027
上的质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400004028
的平行四边形编码单元中编码标志圆的轮廓，并分别记为编码标志圆轮廓
Figure BDA00030152926400004029
编码标志圆轮廓
Figure BDA00030152926400004030
步骤8.14.4、给整数变量i重新赋予初值i＝1；
步骤8.14.5、在第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400004031
中，计算编码标志圆轮廓
Figure BDA00030152926400004032
的质心像素坐标
Figure BDA00030152926400004033
将i+1重新赋值给i后继续执行此步骤，直到i＞2结束；由此可以得到质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400004034
的平行四边形编码单元中的编码标志圆轮廓
Figure BDA00030152926400004035
编码标志圆轮廓
Figure BDA00030152926400004036
的质心像素坐标o′1 (1),1(370,301)、o′1 (1),2(371,289)；
步骤8.14.6、在第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA0003015292640000411
上，将像素坐标值为(395,272)的像素点记为质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000412
的平行四边形编码单元上的定向圆环质心
Figure BDA0003015292640000413
并且在第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA0003015292640000414
上，将像素坐标值分别为(357.516,318.179)、(362.192,247.897)、(431.196,248.327)、(427.17,318.217)的4个像素点记为
Figure BDA0003015292640000415
Figure BDA0003015292640000416
步骤8.14.7、在第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA0003015292640000417
上，取
Figure BDA0003015292640000418
Figure BDA0003015292640000419
分别表示在质心坐标为
Figure BDA00030152926400004110
的平行四边形编码单元中第1编码区域、第3编码区域、第4编码区域和第6编码区域的标定角点的像素坐标；根据定位圆质心像素坐标
Figure BDA00030152926400004111
和定向圆环质心
Figure BDA00030152926400004112
计算出质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400004113
的平行四边形编码单元中的第1组第1个方向向量
Figure BDA00030152926400004114
步骤8.14.8、在第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400004115
上，将4个像素点
Figure BDA00030152926400004116
中距离定位圆质心
Figure BDA00030152926400004117
最近的2个像素点分别记为
Figure BDA00030152926400004118
和
Figure BDA00030152926400004119
计算出在质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400004120
的平行四边形编码单元中的第1判断向量
Figure BDA00030152926400004121
和第2判断向量
Figure BDA00030152926400004122
区域划分正弦值1sinα′1 (1)和区域划分正弦值2sinβ′1 (1)：
Figure BDA00030152926400004123
Figure BDA00030152926400004124
Figure BDA00030152926400004125
Figure BDA00030152926400004126
由于
Figure BDA00030152926400004127
则
Figure BDA00030152926400004128
是质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400004129
的平行四边形编码单元中第1编码区域的标定角点，把
Figure BDA00030152926400004130
的像素坐标值赋值给
Figure BDA00030152926400004131
Figure BDA00030152926400004132
为质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400004133
的平行四边形编码单元中第6编码区域的标定角点，把
Figure BDA00030152926400004134
的像素坐标值赋值给
Figure BDA00030152926400004135
步骤8.14.9、在第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400004136
上，通过已找到质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000421
的平行四边形编码单元中第1编码区域和第6编码区域的标定角点
Figure BDA0003015292640000422
和
Figure BDA0003015292640000423
将4个像素点
Figure BDA0003015292640000424
中余下的2个像素点的像素坐标分别赋值给质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000425
的平行四边形编码单元的第1临时坐标值，记为
Figure BDA0003015292640000426
以及第2临时坐标值，记为
Figure BDA0003015292640000427
求出在质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000428
的平行四边形编码单元中的第3判断向量
Figure BDA0003015292640000429
和第4判断向量
Figure BDA00030152926400004210
Figure BDA00030152926400004211
Figure BDA00030152926400004212
步骤8.14.10、根据第3判断向量
Figure BDA00030152926400004213
和第4判断向量
Figure BDA00030152926400004214
得出区域划分正弦值
Figure BDA00030152926400004215
和区域划分正弦值
Figure BDA00030152926400004216
Figure BDA00030152926400004217
Figure BDA00030152926400004218
实际实施过程中，选取平行阈值kp＝0.1，若
Figure BDA00030152926400004219
满足
Figure BDA00030152926400004220
则认为
Figure BDA00030152926400004221
与
Figure BDA00030152926400004222
平行；本实施例中，由于
Figure BDA00030152926400004223
则
Figure BDA00030152926400004224
即为质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400004225
的平行四边形编码单元中第3编码区域的标定角点，把
Figure BDA00030152926400004226
的坐标值赋值给
Figure BDA00030152926400004227
Figure BDA00030152926400004228
为质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400004229
的平行四边形编码单元中第4编码区域的标定角点，把
Figure BDA00030152926400004230
的坐标值赋值给
Figure BDA00030152926400004231
至此在第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400004232
上，找到了质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400004233
的平行四边形编码单元中第1编码区域的标定角点
Figure BDA00030152926400004234
第3编码区域的标定角点
Figure BDA00030152926400004235
第4编码区域的标定角点
Figure BDA00030152926400004236
和第6编码区域的标定角点
Figure BDA00030152926400004237
得出质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400004238
的平行四边形编码单元中所有编码标志圆的编码值的具体方法包括以下步骤：
步骤8.14.11、在第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400004239
上，根据得出的在质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400004240
的平行四边形编码单元中第1编码区域的标定角点
Figure BDA00030152926400004241
第6编码区域的标定角点
Figure BDA00030152926400004242
得出质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400004243
的平行四边形编码单元中的第5判断向量
Figure BDA00030152926400004244
Figure BDA0003015292640000431
同时记向量
Figure BDA0003015292640000432
所在的直线为
Figure BDA0003015292640000433
在第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA0003015292640000434
上，以质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000435
的平行四边形编码单元的定位圆质心
Figure BDA0003015292640000436
为起点做与第5判断向量
Figure BDA0003015292640000437
平行且同向的单位向量，记为
Figure BDA0003015292640000438
并记单位向量
Figure BDA0003015292640000439
所在的直线为
Figure BDA00030152926400004310
以质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400004311
的平行四边形编码单元的定向圆环质心
Figure BDA00030152926400004312
为起点做与第5判断向量
Figure BDA00030152926400004313
平行且同向的单位向量，记为
Figure BDA00030152926400004314
并记单位向量所在的直线为
Figure BDA00030152926400004315
将整数变量i重新赋值i＝1；
步骤8.14.12、定义6个浮点型二维数组
Figure BDA00030152926400004316
Figure BDA00030152926400004317
用于存放质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400004318
的平行四边形编码单元中分别位于第1编码区域、第2编码区域、第3编码区域、第4编码区域、第5编码区域和第6编码区域的编码标志圆轮廓质心在第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400004319
上的像素坐标，初始化这6个二维数组中的所有元素，且均赋值为-1；取6个整数变量并初始化：
Figure BDA00030152926400004320
步骤8.14.13、在第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400004321
上，计算质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400004322
的平行四边形编码单元中编码标志圆轮廓
Figure BDA00030152926400004323
的质心像素坐标
Figure BDA00030152926400004324
分别与定位圆中心
Figure BDA00030152926400004325
和定向环中心
Figure BDA00030152926400004326
所形成的第i组第1个象限向量
Figure BDA00030152926400004327
和第i组第2个象限向量
Figure BDA00030152926400004328
本实施例中可得：
Figure BDA00030152926400004329
Figure BDA00030152926400004330
根据计算得出的第i组第1个象限向量
Figure BDA00030152926400004331
和第i组第2个象限向量
Figure BDA00030152926400004332
单位向量
Figure BDA00030152926400004333
与
Figure BDA00030152926400004334
以及方向向量
Figure BDA00030152926400004335
本实施例中可得：
Figure BDA00030152926400004336
Figure BDA00030152926400004337
Figure BDA00030152926400004338
Figure BDA00030152926400004339
Figure BDA00030152926400004340
Figure BDA00030152926400004341
Figure BDA0003015292640000441
Figure BDA0003015292640000442
在质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000443
的平行四边形编码单元中，编码标志圆所属编码区域的判断结果如下：
Figure BDA0003015292640000444
编码标志圆轮廓
Figure BDA0003015292640000445
落在质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000446
的平行四边形编码单元的第1编码区域内；令
Figure BDA0003015292640000447
Figure BDA0003015292640000448
编码标志圆轮廓
Figure BDA0003015292640000449
落在质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400004410
的平行四边形编码单元的第2编码区域内；令
Figure BDA00030152926400004411
步骤8.15、根据质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400004412
的平行四边形编码单元中所有编码标志圆的编码值，求出与第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400004413
中质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400004414
的平行四边形编码单元相对应的实际空间中放置的编码平面靶标上的平行四边形编码单元的编码号W1 1；
具体步骤为：
步骤8.15.1、定义
Figure BDA00030152926400004415
代表质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400004416
的平行四边形编码单元中第λ编码区域(其中λ＝1,2,3,4,5,6)中第w位编码标志圆(其中w＝1,2)的编码值，
Figure BDA00030152926400004417
取0或1；取整数变量i，给i重新赋予初值i＝1；
步骤8.15.2、在具体实施例中，根据本步骤可得：
Figure BDA00030152926400004418
且
Figure BDA00030152926400004419
满足
Figure BDA00030152926400004420
则
Figure BDA00030152926400004421
Figure BDA00030152926400004422
且
Figure BDA00030152926400004423
满足
Figure BDA00030152926400004424
则
Figure BDA00030152926400004425
步骤8.15.3、在具体实施例中，根据本步骤可得：
Figure BDA00030152926400004426
则
Figure BDA00030152926400004427
Figure BDA00030152926400004428
则
Figure BDA00030152926400004429
步骤8.15.4、在具体实施例中，根据本步骤可得：
Figure BDA00030152926400004430
则
Figure BDA00030152926400004431
Figure BDA00030152926400004432
则
Figure BDA00030152926400004433
步骤8.15.5、通过上述步骤8.15.2、8.15.3和8.15.4得出的质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000451
的平行四边形编码单元中所有编码标志圆的编码值，可由公式(20)可求出与第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA0003015292640000452
中质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000453
的平行四边形编码单元相对应的实际空间中放置的编码平面靶标上的平行四边形编码单元的编码号W1 1：W1 (1)＝(V1 (1))T·U＝10；其中：列向量U＝(20,21,22,...211)T，列向量V1 (1)＝(0,1,0,1,0,0,...,0,0)T；
步骤8.16、记在第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA0003015292640000454
上质心像素坐标值为
Figure BDA0003015292640000455
的平行四边形编码单元中属于第σ编码区域(其中σ＝1,3,4,6)的标定角点的非唯一编码序号为
Figure BDA0003015292640000456
其中下脚标10为标定角点
Figure BDA0003015292640000457
所属平行四边形编码单元的编码号，上角标σ的取值代表了标定角点
Figure BDA0003015292640000458
所属的第σ编码区域；即得到了质心像素坐标为
Figure BDA0003015292640000459
的平行四边形编码单元上4个标定角点
Figure BDA00030152926400004510
Figure BDA00030152926400004511
的非唯一编码序号分别为
Figure BDA00030152926400004512
步骤8.17、在得到第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400004513
上质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400004514
的平行四边形编码单元的4个标定角点的非唯一编码序号的基础上，通过可计算该4个标定角点的唯一编码序号；
本实施例中，通过本步骤获得了第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400004515
上质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400004516
的平行四边形编码单元的4个标定角点的像素坐标与其唯一编码序号的一一对应关系，即：
标定角点
Figure BDA00030152926400004517
对应的唯一编码序号为10_1；
标定角点
Figure BDA00030152926400004518
对应的唯一编码序号为7_6；
标定角点
Figure BDA00030152926400004519
对应的唯一编码序号为6_1；
标定角点
Figure BDA00030152926400004520
对应的唯一编码序号为10_6；
步骤8.18、在已知第1组第1个无复杂背景的单元二值化图像
Figure BDA00030152926400004521
上质心像素坐标值为
Figure BDA00030152926400004522
的平行四边形编码单元的4个标定角点
Figure BDA00030152926400004523
Figure BDA00030152926400004524
的唯一编码序号10_1、7_6、6_1、10_6以及位于空间中的编码平面靶标的基本信息的条件下，利用编码平面靶标上标定角点的靶标坐标计算方法，获得第10_1号标定角点、第7_6号标定角点、第6_1号标定角点和第10_6号标定角点的靶标坐标值；
步骤8.19、利用编码平面靶标标定角点信息匹配方法可获得：
唯一编码序号为10_1的标定角点的像素坐标
Figure BDA0003015292640000461
所对应的靶标坐标为(27,40.5,0)；
唯一编码序号为7_6的标定角点的像素坐标
Figure BDA0003015292640000462
所对应的靶标坐标为(27,27,0)；
唯一编码序号为6_1的标定角点的像素坐标
Figure BDA0003015292640000463
所对应的靶标坐标为(13.5,27,0)；
唯一编码序号为10_6的标定角点的像素坐标
Figure BDA0003015292640000464
所对应的靶标坐标为(13.5,40.5,0)；
步骤8.20、将ζ+1赋予ζ，循环执行步骤8.13至步骤8.19，直到满足ζ≥8时结束此循环，完成8个平行四边形编码单元的解码；
由此，根据上述所有步骤，可以得出与第1个编码平面靶标灰度图像P1 (1)中提取到的所有标定角点的亚像素坐标和第1个编码平面靶标灰度图像P1 (1)中提取到的所有标定角点的唯一编码序号；并且获得了终获得了所述第1幅靶标图像中提取到的所有标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素级坐标和与之一一对应的空间中第1个移动位置上的编码平面靶标上具有相同唯一编码序号的标定角点在所述第1个靶标坐标系
Figure BDA0003015292640000465
下的靶标坐标之间的匹配关系，匹配关系如表1所示。
此外，本发明提供的基于编码平面靶标的单目摄像机智能标定方法，需要编制相应的计算机程序，并在计算机上执行程序以实现相应的运算处理及逻辑控制功能，因而本发明也提供一种计算机可读存储介质，包括与具有图像处理功能的电子设备结合使用的计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以所述的智能标定方法。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.基于编码平面靶标的单目摄像机智能标定方法，其特征在于：所述编码平面靶标由平行四边形编码单元和平行四边形非编码单元交替组成的编码棋盘格构成，所述编码平面靶标以任意对角相连的平行四边形编码单元的交点作为编码平面靶标的标定角点，所述编码平面靶标一共包含M行×N列个标定角点，其中M和N均为正整数；编码平面靶标中每一个平行四边形编码单元的内部设置有编码图案，编码图案包括定位图案、定向图案和编码标志图案，其中编码标志图案又由多个编码单元图案组成；由定向图案和定位图案可实现编码平面靶标旋转方向的判断；编码标志图案则是用于给编码平面靶标中每一个标定角点进行编码；
所述编码平面靶标中每一个平行四边形编码单元内部的定位图案、定向图案和编码单元图案均不重叠且不连通；
该标定方法包括以下主要步骤：
步骤1、定义标定图像总数G，其中G为整数且G＞3；定义旋转阈值k1和平移阈值k2；定义编码平面靶标图像中标定角点个数阈值k3；定义整数变量α、整数变量β、整数变量i′，并初始化α＝1,β＝0，i′＝0；
步骤2、以所述摄像机的光心作为摄像机坐标系的原点Oc，以标定角点像素坐标系的x轴方向为摄像机坐标系的Xc轴方向，以标定角点像素坐标系的y轴方向作为摄像机坐标系的Yc轴方向，且所述摄像机坐标系的Xc轴、Yc轴和Zc轴满足右手定则，从而建立所述摄像机坐标系Oc-XcYcZc；
步骤3、利用位置固定的摄像机实时拍摄空间中移动的编码平面靶标，获得靶标图像；
步骤4、将所述靶标图像为第α个移动位置上的编码平面靶标经过摄像机进行成像时所得的图像记为第α幅靶标图像；
步骤5、以所述靶标图像的左上角作为标定角点像素坐标系的原点o，自左向右作为所述标定角点像素坐标系的x轴方向，自上向下作为所述标定角点像素坐标系的y轴方向，从而建立标定角点像素坐标系o-xy；
步骤6、根据第α个移动位置上的编码平面靶标上的第1行第1个平行四边形编码单元的4个顶点中是标定角点的个数为Φp情况，建立对应的第α个靶标坐标系
Figure FDA0003736490790000011
步骤7、将第α幅靶标图像进行复制备份得到第α幅复制靶标图像；
步骤8、将第α幅复制靶标图像作为输入条件，利用编码平面靶标的解码方法获得第α幅复制靶标图像上的标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素坐标值、第α幅复制靶标图像上提取到的标定角点的个数γ(α)、第α幅复制靶标图像中提取到的每个标定角点的唯一编码序号以及第α幅复制靶标图像中提取到的所有标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素级坐标和与之一一对应的空间中第α个移动位置上的编码平面靶标上具有相同唯一编码序号的标定角点在所述第α个靶标坐标系
Figure FDA0003736490790000021
下的靶标坐标之间的匹配关系，其中γ(α)为正整数；
步骤9、判断第α幅复制靶标图像上提取的标定角点的个数γ(α)是否小于标定角点个数阈值k3；若γ(α)＜k3，则执行步骤14；
步骤10、将第α幅复制靶标图像中提取到的所有标定角点在标定角点像素坐标系o-xy下的亚像素级坐标和与之一一对应的空间中第α个移动位置上的编码平面靶标上具有相同唯一编码序号的标定角点在所述第α个靶标坐标系
Figure FDA0003736490790000022
下的靶标坐标之间的匹配关系记为第α个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组；
步骤11、将第α个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组作为输入条件，利用编码平面靶标空间姿态判断法获得返回的姿态判断值Jp，若Jp＝＝1则从执行步骤12顺序执行；否则执行步骤14；
步骤12、将α的值赋值给i′，i′＝α，将β+1赋值给β，将所述第α幅靶标图像作为第β幅标定图像，并将第α个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组作为第β个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组，同时将第α个靶标旋转矩阵Rα和第α个靶标平移矩阵Tα分别赋值给第β个标定旋转矩阵R′β和第β个标定平移矩阵T′β；
步骤13、判断β是否等于标定图像总数G；若β＝＝G，则获得了G幅标定图像和G个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组；否则执行步骤14；
步骤14、将α+1赋值给α，返回步骤4顺序执行；
步骤15、根据所述G个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组，利用张正友摄像机标定算法计算出所述摄像机的内外参数。
2.根据权利要求1所述的基于编码平面靶标的单目摄像机智能标定方法，其特征在于：步骤8中，所述编码平面靶标的解码方法具体步骤为：
步骤8.1、输入放置在空间中的编码平面靶标的基本信息，即位于空间中的编码平面靶标包含M行×N列个标定角点，编码平面靶标的初始平行四边形编码单元编码号为zv，编码平面靶标上第1行第1个平行四边形编码单元的4个顶点中作为标定角点的个数Φp；
步骤8.2、对所述第α幅复制靶标图像进行8位灰度处理，得到第α个编码平面靶标灰度图像P1 (α)；
步骤8.3、在所述第α个编码平面靶标灰度图像P1 (α)中，利用棋盘格角点提取算法提取第α个编码平面靶标灰度图像P1 (α)中所包含标定角点个数最多的mα行×nα列个标定角点的亚像素坐标集合并记为第α个标定角点亚像素坐标集合Q(α),并将所述mα行×nα列个标定角点亚像素坐标集合中最外围角点所围成的多边形记为第α个最大标定角点数多边形Lα；
步骤8.4、在所述第α个编码平面靶标灰度图像P1 (α)中，利用数字图像处理的方法令第α个最大标定角点数多边形Lα内部的所有像素点的灰度值均保持不变，Lα以外的所有像素点的灰度值均赋值为255，并将第α个编码平面靶标灰度图像P1 (α)经过此处理得到的图像记为第α个无复杂背景靶标灰度图像P′1 (α)；
步骤8.5、对第α个无复杂背景靶标灰度图像P′1 (α)进行二值化处理，得到第α个无复杂背景靶标二值化图像P2 (α)；
步骤8.6、根据在第α个编码平面靶标灰度图像P1 (α)中提取的第α个最大标定角点数多边形Lα内部包含mα行×nα列个标定角点数目,确定最大标定角点数多边形Lα内部包含的平行四边形编码单元个数μα，其中mα、nα和μα均为整数；
步骤8.7、在第α个无复杂背景靶标二值化图像
Figure FDA0003736490790000031
上，作黑色连通域腐蚀处理，使得第α个无复杂背景靶标二值化图像
Figure FDA0003736490790000032
中所有平行四边形编码单元对角处断开，并将第α个无复杂背景靶标二值化图像
Figure FDA0003736490790000033
经过此处理得到的图像记为第α个靶标二值化腐蚀图像P′2 (α)；
步骤8.8、寻找在第α个靶标二值化腐蚀图像P′2 (α)中的μα个最大黑色连通域并分别记为方格连通域
Figure FDA0003736490790000034
方格连通域
Figure FDA0003736490790000035
…、方格连通域
Figure FDA0003736490790000036
计算得到靶标二值化腐蚀图像P′2上的方格连通域
Figure FDA0003736490790000037
方格连通域
Figure FDA0003736490790000038
…、方格连通域
Figure FDA0003736490790000039
质心像素坐标
Figure FDA00037364907900000310
并将
Figure FDA00037364907900000311
Figure FDA00037364907900000312
依次作为平行四边形编码单元质心像素坐标集合A(α)中的第1个元素、第2个元素、…、第μα个元素；
步骤8.9、在第α个靶标二值化腐蚀图像P′2 (α)中，计算得到第α个靶标二值化腐蚀图像P′2 (α)中的圆环中心连通域Ω′1 (α)、圆环中心连通域
Figure FDA0003736490790000041
…、圆环中心连通域
Figure FDA0003736490790000042
步骤8.10、在第α个靶标二值化腐蚀图像P′2 (α)中，计算得到第α个靶标二值化腐蚀图像P′2 (α)中的圆环中心连通域Ω′1 (α)、圆环中心连通域
Figure FDA0003736490790000043
…、圆环中心连通域
Figure FDA0003736490790000044
的质心像素坐标
Figure FDA0003736490790000045
并将
Figure FDA0003736490790000046
依次作为圆环质心像素坐标集合B(α)中的第1个元素、第2个元素、…、第μα个元素；
步骤8.11、在第α个靶标二值化腐蚀图像P′2 (α)中，将除方格连通域
Figure FDA0003736490790000047
方格连通域
Figure FDA0003736490790000048
…、方格连通域
Figure FDA0003736490790000049
以及圆环中心连通域Ω′1 (α)、圆环中心连通域
Figure FDA00037364907900000410
圆环中心连通域
Figure FDA00037364907900000411
以外的黑色连通域的灰度值均赋值为255，并将第α个靶标二值化腐蚀图像P′2 (α)经过此处理得到的图像记为第α个解码二值化图像
Figure FDA00037364907900000412
步骤8.12、取整数变量ζ，并赋予初始值ζ＝1；
步骤8.13、对第α个解码二值化图像
Figure FDA00037364907900000413
进行复制备份得到第α组第ζ个备份二值化图像
Figure FDA00037364907900000414
通过对第α组第ζ个备份二值化图像
Figure FDA00037364907900000415
进行处理得到第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure FDA00037364907900000416
步骤8.14、在第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure FDA00037364907900000417
中，寻找得到质心像素坐标值为
Figure FDA00037364907900000418
的平行四边形编码单元的标定角点，并得出质心像素坐标值为
Figure FDA00037364907900000419
的平行四边形编码单元中所有编码标志圆的编码值；
步骤8.15、根据质心像素坐标值为
Figure FDA00037364907900000420
的平行四边形编码单元中所有编码标志圆的编码值，求出与第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure FDA00037364907900000421
中质心像素坐标值为
Figure FDA00037364907900000422
的平行四边形编码单元相对应的实际空间中放置的编码平面靶标上的平行四边形编码单元的编码号
Figure FDA00037364907900000423
步骤8.16、标记第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure FDA00037364907900000424
上质心像素坐标值为
Figure FDA00037364907900000425
的平行四边形编码单元上4个标定角点
Figure FDA00037364907900000426
Figure FDA00037364907900000427
的非唯一编码序号；
步骤8.17、计算得到第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure FDA00037364907900000428
上质心像素坐标值为
Figure FDA00037364907900000429
的平行四边形编码单元上4个标定角点
Figure FDA00037364907900000430
Figure FDA00037364907900000431
的唯一编码序号；
步骤8.18、利用编码平面靶标上标定角点的靶标坐标计算方法，获得第α组第ζ个无复杂背景的单元二值化图像
Figure FDA00037364907900000432
上质心像素坐标值为
Figure FDA00037364907900000433
的平行四边形编码单元的4个标定角点的靶标坐标值，并分别记为
Figure FDA0003736490790000051
Figure FDA0003736490790000052
和
Figure FDA0003736490790000053
步骤8.19、利用编码平面靶标标定角点信息匹配方法获得质心像素坐标值为
Figure FDA0003736490790000054
的平行四边形编码单元的4个标定角点的亚像素坐标、唯一编码号和靶标坐标的匹配关系；
步骤8.20、将ζ+1赋予ζ，循环执行步骤8.13至步骤8.19，完成μα个平行四边形编码单元的解码。
3.根据权利要求1所述的基于编码平面靶标的单目摄像机智能标定方法，其特征在于：在步骤11中，将第α个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组作为输入条件，利用编码平面靶标空间姿态判断法获得返回的姿态判断值Jp的具体步骤如下：
步骤11.1、将第α个标定角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组作为输入条件，利用平面靶标空间姿态估算算法计算出从第α个靶标坐标系
Figure FDA0003736490790000055
变换到摄像机坐标系Oc-XcYcZc的第α个靶标旋转矩阵Rα和第α个靶标平移矩阵Tα；
步骤11.2、判断i′是否等于0；若i′＝＝0，则直接跳转至步骤11.6执行；否则执行步骤11.3；
步骤11.3、通过式(1)和式(2)得到从第α个靶标坐标系
Figure FDA0003736490790000056
变换到第i′个靶标坐标系
Figure FDA0003736490790000057
的旋转矩阵Rα,i′和平移矩阵Tα,i′；
Rα,i′＝(R′i′)-1·Rα (1)
Tα,i′＝(R′i′)-1·(Tα-T′i′) (2)
其中，R′i′为第i′个标定旋转矩阵，T′i′为第i′个标定平移矩阵；
步骤11.4、通过获得的旋转矩阵Rα,i′计算出从第α个靶标坐标系
Figure FDA0003736490790000058
变换到第i′个靶标坐标系
Figure FDA0003736490790000059
时Xt轴、Yt轴和Zt轴的旋转角度
Figure FDA00037364907900000510
和
Figure FDA00037364907900000511
步骤11.5、判断旋转角度θα,i′是否大于旋转阈值k1且平移矩阵Tα,i′的范数是否大于平移阈值k2，其中
Figure FDA00037364907900000512
若旋转角度平均值θα,i′大于旋转阈值k1且平移矩阵Tα,i′的范数大于平移阈值k2，则执行步骤11.6；否则执行步骤11.7；
步骤11.6、定义整型判断返回值Jp并赋值Jp＝1，而后结束姿态判断；
步骤11.7、定义整型判断返回值Jp并赋值Jp＝-1，而后结束姿态判断。
4.根据权利要求2所述的基于编码平面靶标的单目摄像机智能标定方法，其特征在于：在步骤8.19中，利用编码平面靶标标定角点信息匹配方法获得质心像素坐标值为
Figure FDA0003736490790000061
的平行四边形编码单元的4个标定角点的亚像素坐标、唯一编码号和靶标坐标的匹配关系的具体方法如下：
在第α幅复制靶标图像上，以已获得的4个标定角点
Figure FDA0003736490790000062
Figure FDA0003736490790000063
的唯一编码序号为中介，分别将4个标定角点的亚像素坐标及其靶标坐标进行配组，即：
唯一编码序号为
Figure FDA0003736490790000064
的标定角点的像素坐标
Figure FDA0003736490790000065
所对应的靶标坐标为
Figure FDA0003736490790000066
唯一编码序号为
Figure FDA0003736490790000067
的标定角点的像素坐标
Figure FDA0003736490790000068
所对应的靶标坐标为
Figure FDA0003736490790000069
唯一编码序号为
Figure FDA00037364907900000610
的标定角点的像素坐标
Figure FDA00037364907900000611
所对应的靶标坐标为
Figure FDA00037364907900000612
唯一编码序号为
Figure FDA00037364907900000613
的标定角点的像素坐标
Figure FDA00037364907900000614
所对应的靶标坐标为
Figure FDA00037364907900000615
5.一种计算机可读存储介质，包括与具有图像处理功能的电子设备结合使用的计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以如权利要求1所述的智能标定方法。
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