CN116051646B - 一种位置检测方法、位置检测装置及存储介质、计算装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种位置检测方法,用于获取基体的位置信息,基体设有基体编码序列,该基体编码序列是二进制编码序列,其每列编码沿所述基体的移动方向依次排列且每列编码具有相同的列宽;所述位置检测方法通过映射关系预设步骤、图像获取步骤、图像处理步骤、首位编码确定步骤、目标编码解析步骤、补偿值获取步骤、基体位置获取步骤,得到基体的位置信息。由此,能够高效地对编码序列图像进行高精度解析、并进而提高对基体位置检测的精度。
Description
技术领域
本申请涉及能够高效地对编码序列图像进行高精度解析、并进而提高位置检测精度的位置检测方法,以及使用该位置检测方法的位置检测装置和可读存储介质、计算装置。
背景技术
医用加速器是生物医学上用来对肿瘤进行放射治疗的粒子加速器装置。为了提高辐射线束对病灶轮廓的适形度,需要精确地检测并控制医用加速器中多叶光栅的每个光栅叶片的位移。通常情况下,每个光栅叶片均由伺服电机驱动,而伺服电机本身所带的编码器可作为一路位置检测装置。
但为了提高位置检测的精度,还需要设置第二路位置检测装置。在现有产品中,有基于电位器的方案,即采用一种特殊定制的导电薄膜,光栅叶片上连接一种特殊的机械结构,两者配合,使光栅叶片在运动时电位器的电位发生变化,根据电位的变化来判断光栅叶片的位置。但该方案结构复杂,工艺上不好实现;因为采用机械接触方案,故障率偏高,长时间磨损也会导致检测精度下降。
还有基于图像分析的方案,例如在每个光栅叶片末端镶嵌一块宝石,一个红外光源照射在宝石上,反射光线经光路系统进入摄像头,摄像头每次曝光,采集到一幅红外图像,在此图像上因所有叶片末端宝石对红外线的反射而形成一个高亮轮廓线,对此轮廓线通过图像分析就可以得到每个叶光栅叶片的位置。但该方案的光路系统占用空间比较大,宝石对光学的反射易受灰尘影响,镶嵌的宝石也存在脱落可能。
再者,还有对比文件1公开的位置编码的方案,即在光栅叶片的端面设置一种特殊的编码序列,通过光学装置检测编码序列进而判断出光栅叶片的位置。但在实现过程中,如何高效地对编码序列图像进行高精度解析、并进而提高位置检测的精度成为技术课题。
参考文献
专利文献
专利文献1:CN202020785333.0
发明内容
本申请的目的在于,提供一种能够高效地对编码序列图像进行高精度解析、并进而提高位置检测精度的位置检测方法,以及使用该位置检测方法的位置检测装置和可读存储介质、计算装置。
为了实现上述目的,本申请的一个方案为,一种位置检测方法,用于获取基体的位置信息,所述基体设有具有L列编码的基体编码序列,L为大于0的整数;该基体编码序列是二进制编码序列,其每列编码沿所述基体的移动方向依次排列且每列编码具有相同的列宽;
所述位置检测方法包含以下步骤:S1:映射关系预设步骤,将所述基体编码序列中用于解析的编码列数预设为M,并建立每M列编码的解析值与所述基体的位置之间的映射关系,其中M为大于0且小于L的整数;S2:图像获取步骤,获取所述基体的包含所述基体编码序列中的部分编码的区域图像,所述部分编码构成该区域图像中的编码成像区,且该编码成像区在其编码的排列方向上的像素宽度不小于M+1列编码对应的像素宽度;S3:图像处理步骤,采取图像处理方法对所述区域图像进行处理,并将所述编码成像区的至少一部分提取为第一兴趣区图像,该第一兴趣区图像在其编码的排列方向上的像素宽度不小于M+1列编码对应的像素宽度;S4:首位编码确定步骤,分别设置与1列编码对应的第一滑窗、第二滑窗,所述第一滑窗、所述第二滑窗分别对应不同的解析值;将所述第一滑窗、所述第二滑窗分别在所述第一兴趣区图像中沿其编码的排列方向从上游侧的第一个像素向下游侧按第一规定步长滑动;在所述第一滑窗、所述第二滑窗中每个滑窗的第一次滑动前和每一次滑动后,都将所述第一兴趣区图像中的与该滑窗处于相同位置的待比对编码与该滑窗对应的1列编码比对,最早与所述第一滑窗、所述第二滑窗中的任一滑窗相匹配的待比对编码即为首位编码;S5:目标编码解析步骤,将所述第一滑窗、所述第二滑窗中的至少一个滑窗从所述首位编码的位置按第二规定步长向其下游侧滑动M-1次;在所述第一滑窗、所述第二滑窗中的任一滑窗的第一次滑动前和每一次滑动后,都将与该滑窗处于相同位置的待比对编码与该滑窗对应的1列编码比对,根据每列编码与所述第一滑窗或所述第二滑窗相匹配的程度判断该列编码对应的解析值,从而得到从所述首位编码起共M列的目标编码序列的解析值;其中,所述第二规定步长是单列编码对应的像素宽度;S6:补偿值获取步骤:根据所述第一兴趣区图像中编码的上游侧的第一个像素,与所述首位编码的上游侧的第一个像素之间的距离,计算出位置补偿值;S7:基体位置获取步骤,根据所述映射关系、所述目标编码序列的解析值以及所述位置补偿值,得到所述基体的位置信息。
根据前述的技术方案,能够对采集的基体编码序列的图像进行高精度解析,加之位置补偿步骤,能够更精确地判断出光栅叶片的准确位置。
在一个优选的方式中,在所述图像处理步骤中,所述图像处理方法为利用设定的阈值对所述区域图像进行二值化处理。
根据前述的技术方案,二值化处理能够使提取的图像特征更醒目更容易识别,也减少图像数据的运算量。
在一个优选的方式中,在所述首位编码确定步骤和所述目标编码解析步骤中,将所述第一滑窗、所述第二滑窗对应的编码的二值化矩阵分别与待比对编码对应的二值化矩阵进行相关计算得到相关系数,根据所述相关系数判断所述第一滑窗、所述第二滑窗与待比对编码的匹配程度。
根据前述的技术方案,通过相关系数的大小来判断匹配程度,计算过程比较简单,运算效率极高。
在一个优选的方式中,在所述首位编码确定步骤中,所述第一滑窗、所述第二滑窗每次滑动的所述第一规定步长是1个像素宽度或1个像素宽度的整数倍。
根据前述的技术方案,第一滑窗、第二滑窗逐个像素地滑动,每次滑动后进行一次比对,能够及时准确地找出首位编码。
在一个优选的方式中,在所述首位编码确定步骤中,所述第一滑窗、所述第二滑窗各自在所述第一兴趣区图像中滑动2列编码对应的像素宽度即停止滑动。
根据前述的技术方案,第一滑窗、第二滑窗各自在第一兴趣区图像中滑动2列编码的距离,能够完整地覆盖到一列完整的编码,此时停止滑动可以减少不必要的运算。
在一个优选的方式中,在所述首位编码确定步骤之后,从所述第一兴趣区图像中,将从所述首位编码起、共M列编码的区域提取为第二兴趣区图像;在所述目标编码解码步骤中,在所述第二兴趣区图像中分别将所述第一滑窗、所述第二滑窗中的至少一个滑窗从与所述首位编码的位置向下游侧滑动。
根据前述的技术方案,第二兴趣区图像是去除了首位残码、末位残码的干扰的图像,便于进行后续运算和解析。
在一个优选的方式中,所述基体编码序列为2行L列的二进制编码序列,且每列编码的第一行对应的解析值与该列编码的第二行对应的解析值不同。
根据前述的技术方案,第二行的编码作为第一行的编码的冗余和补充,能够减少误差干扰。
在一个优选的方式中,所述基体编码序列采用曼彻斯特编码形式。
根据前述的技术方案,能够使光栅叶片的刻有编码序列的端面更加规则,结构强度也更高。
此外,本申请的另一个方面是一种位置检测装置,包括依次排列的多个基体、光源、相机、暗室盒,所述暗室盒具有不透光的壳体和所述壳体包围而成的内部腔室,所述壳体开设有采光口、采样口;所述光源设置于所述采光口对应的位置,所述多个基体设置于所述采样口对应的位置,所述相机设置于所述壳体以采集所述内部腔室的光线;所述多个基体中每个基体的朝向所述采样口的一侧端面设置具有L列编码的基体编码序列,L为大于0的整数,所述基体编码序列的每列编码沿该基体的移动方向依次排列且每列编码具有相同的列宽;所述光源发出的光线经所述采光口进入所述内部腔室,再经所述采样口射至所述多个基体中每个基体的刻有所述基体编码序列的端面,光线经过该端面反射后经所述采样口进入所述内部腔室并最终被所述相机采集;所述相机将采集的光学信号传输至外部的控制单元,该控制单元通过前述的位置检测方法,获取所述多个基体中每个基体的位置信息。
此外,本申请的另一个方面是一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质,当所述计算机程序在被处理器执行时实现前述的位置检测方法。
此外,本申请的另一个方面是一种计算装置,包括:处理器;存储器,存储有计算机程序,当所述计算机程序被处理器执行时,实现前述的位置检测方法。
本申请上述实施例的位置检测方法,由于采取滑窗滑动并逐一比对的方式,对提取的编码序列图像进行解析,并且对解析后的位置信息进行了位置补偿,从而能够高效地对编码序列图像进行高精度解析,并进而提高对光栅叶片的位置检测精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请,下面将对本申请的说明书附图进行描述和说明。显而易见地,下面描述中的附图仅仅说明了本申请的一些示例性实施方案的某些方面,对于本领域普通技术人员来说,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是例示的光栅单元的俯视图。
图2是例示的基体编码序列的局部示意图。
图3是例示的位置检测方法流程图。
图4是例示的区域图像的视图。
图5是例示的第一兴趣区图像的示意图。
图6是例示的滑窗起始位置示意图。
图7是例示的滑窗终止位置示意图。
图8是例示的提取第二兴趣区图像的示意图。
图9是例示的滑窗在第二兴趣区图像中的滑动示意图。
图10是例示的第三滑窗的滑动示意图。
图11是例示的曼彻斯特编码示意图。
图12是例示的位置检测装置示意图。
附图文字说明:
100 光栅单元
101 第一叶片组
102 第二叶片组
103 射野
104 光栅叶片
1 基体编码序列
11第一编码组
12第二编码组
13第三编码组
2 区域图像
21 编码成像区
22 首位残码
23 末位残码
3 第一兴趣区图像
31 第一列编码
32 第二列编码
4 第二兴趣区图像
5 目标编码序列
6 滑窗编码序列
91 第一滑窗
92 第二滑窗
93 第三滑窗
201光源
2021壳体
202暗室盒
203相机
204采样口
206采光口
207反光镜
208限光器
具体实施方式
以下参照附图详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的,决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现,不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整,并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到:除非另有说明,否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值等应被解释为仅仅是示例性的,而不是作为限制。
本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素,并不排除也涵盖其它要素的可能。
本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同,除非另外特别定义。还应当理解,在诸如通用词典中定义的术语应当被理解为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义,而不应用理想化或极度形式化的意义来解释,除非本文有明确地这样定义。
对于本部分中未详细描述的部件、部件的具体型号等参数、部件之间的相互关系以及控制电路,可被认为是相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备,但在适当情况下,所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
(光栅叶片)
作为一个实施例,本申请的位置检测方法用于检测医用加速器中光栅叶片104的具体位置,首先结合图1说明光栅单元100的工作原理。图1是光栅单元100的俯视图。
参看图1,在通常的例子中,光栅单元100包含沿图示的X轴方向相对设置的第一叶片组101、第二叶片组102,第一叶片组101、第二叶片组102分别由沿Y轴方向依次排列的多个光栅叶片104构成。光栅叶片104通常由硬质金属例如钨合金制成,在图示的Y轴方向上一般仅具有几毫米的厚度,在垂直于X轴、Y轴的Z轴方向(图中未示出)上还延伸一定的距离,即第一叶片组101、第二叶片组102是由多个薄片形的光栅叶片104依次排列而成。
其中,每个光栅叶片104分别独立地由驱动机构例如伺服电机加丝杆来调节X轴方向上的位移。具体而言,第一叶片组101、第二叶片组102中的每个光栅叶片104能够沿X轴进行彼此相互靠近/远离的平移运动,从而,在第一叶片组101、第二叶片组102之间,可以形成没有光栅叶片104遮挡的不规则形状的射野103。
通常情况下,加速器的辐射线束沿Z轴方向照射至光栅单元100,由于光栅叶片104的遮挡,辐射线束只能从射野103的空档区域透过光栅单元100,并最终照射到病灶例如肿瘤部位。
由于病灶的形状通常是不规则的,且在不同的角度具有不同形状的轮廓,因此需要在不同的角度都能精确调节光栅单元100中的每个光栅叶片104的位置,以使射野103能够精确地匹配病灶的形状轮廓,从而使辐射线束集中照射到病灶部位,而不会照射到病灶附近的正常组织。
由此,在治疗过程中,需要精确地检测每个光栅叶片104的X轴方向上的位置,再根据检测到的位置信息来控制伺服电机以调节每个光栅叶片104的X轴方向上的位移,进而提高射野103对病灶轮廓的适形度。
(基体编码序列)
接下来,结合图2对基体编码序列1进行具体说明。图2是基体编码序列1的局部示意图。在本实施方式中,以光栅叶片104的朝向或背离辐射线束的端面上设置的编码序列作为基体编码序列1,但是本发明不限于此,这里所称的基体编码序列1可以是采用同样编码原理的任何基体编码序列1。
参看图2,在通常的例子中,将光栅叶片104作为基体,在其朝向/背离辐射线束的端面上设置基体编码序列1。基体编码序列1具有L列编码,L为大于0的整数。优选地,基体编码序列1是二进制编码序列,即每列编码分别对应的解析值为0或1。可以理解的是,每列编码的解析值可以由其颜色灰度决定,或者由其形状特征决定等。在本发明中,作为一例,采用图2所示的对应于解析值1的白色和对应于解析值0的黑色来表示解析值。其中,每列编码沿光栅叶片104的移动方向即图示的X轴方向依次排列,且每列编码具有相同的列宽。
优选地,本申请采用图示的2行L列的编码序列,其中,每列编码的第一行编码的解析值与其第二行编码的解析值不同,例如某列编码的第一行编码对应的解析值为0,则其第二行编码对应的解析值即为1。即,每一列的两行编码包含相同的信息,但是采用相反的解析值。更具体地说,当某一列的第一行编码为对应于解析值1的白色时,该列的第二行编码为对应于解析值0的黑色。相对于只有一行编码序列的样式,两行的编码序列可以增强图像提取和编码解析的精确度,减少干扰误差,实际上第二行编码相当于提高了第一行编码的冗余度。
在本实施例中,以图2所示的白色方块的编码对应的二进制的解析值为1,黑色方块的编码对应的二进制的解析值为0,且每列编码均以其第一行编码的解析值作为该列编码的解析值。
加工过程中,通常是在光栅叶片104的朝向/远离辐射线束的端面,通过激光雕刻工艺刻制编码,例如,在解析值为1的对应位置用激光雕刻一定深度的方形、圆形或其他形状的雕刻孔,对于解析值为0的位置则不进行处理。雕刻而成的编码序列,具有位置唯一、抗干扰、无需掉电记忆等优点。
另外,由于在光栅叶片104的端面进行了激光雕刻,会使该端面凸凹不平,降低了光滑度,进而使该端面与光栅叶片104的移动轨道之间的摩擦力增大。为减少这种不利影响,雕刻孔的尺寸应尽量地小,还可在雕刻孔中添充特殊材料例如润滑材料。
(位置检测方法)
接下来,结合图3-图10对位置检测方法进行具体说明。图3是位置检测方法流程图,图4是区域图像2的示意图,图5是第一兴趣区图像3的示意图,图6是滑窗起始位置示意图,图7是滑窗终止位置示意图,图8是提取第二兴趣区图像4的示意图,图9是滑窗在第二兴趣区图像4中的滑动示意图,图10是第三滑窗93的滑动示意图。
参看图3,位置检测方法包含映射关系预设步骤S1、图像获取步骤S2、图像处理步骤S3、首位编码确定步骤S4、目标编码解析步骤S5、补偿值获取步骤S6、基体位置获取步骤S7。
首先,在映射关系预设步骤S1中,将基体编码序列1中用于解析的编码列数预设为M,并建立每M列编码的解析值与作为基体的光栅叶片104的位置之间的映射关系,其中M为大于0且小于L的整数。
假设用于解析的编码列数M预设为7,即以基体编码序列1中的7列编码为一个编码组进行解析。在二进制编码序列中,7位的编码组对应2的7次方即128个不同的解析值。如图2所示,多个7位的编码组沿X轴方向从左至右依次排列,相邻两个编码组之间相距单列编码的列宽即一个码位。换句话说,以图示的左侧为上游侧、右侧为下游侧,从最左侧的第一编码组11向右移动一个码位即为第二编码组12,再向右移动一个码位即得第三编码组13,后面以此类推。
值得说明的是,理论上,由于编码列数为M时,最多可以表达2的M次方个解析值,因此编码序列数L最多可以是2的M次方-1+M。如前述那样,当编码列数M=7时,编码序列数L最多可以是128-1+7=134个。但是,由于光栅叶片104的长度的限制,往往不会将编码序列数L设置到最大,因此M列编码列数所表达的解析值是有相当的冗余度的。
由于每个编码组的解析值是唯一的,每个编码组在光栅叶片104上的位置也是唯一的,故通过获取任意7位的编码组的解析值,就可以得到与该编码组对应的光栅叶片104的位置。
需要说明的是,用于解析的编码列数M,通常是根据光栅叶片104沿X轴方向的可移动距离和单列编码对应的像素宽度来确定的。例如,沿X轴方向,每列编码对应的像素宽度为10(即列宽等于10个像素的尺寸),设每个像素的尺寸为0.01mm,则每列编码的宽度为0.1mm,以此作为一个码位。也就是说,一个码位的宽度是每个像素的尺寸(由摄像机的分辨率决定)和一个码位的像素宽度(相当于一个码位包含了几个像素)的乘积。以7位编码组为例,128个不同的解析值对应128个不同的位置,相邻的两个位置之间相距一个码位即0.1mm。因此,7位的编码组对应的测量范围就是128*0.1mm=12.8mm,即最大能检测的光栅叶片104的可移动距离为12.8mm。每M列编码的解析值与作为基体的光栅叶片104的位置之间的映射关系预先存储在存储器中。
可以理解的是,用于解析的编码列数M应小于基体编码序列1的全部列数L,这样才能通过不同位置的M列的编码组得到对应的光栅叶片104的具体位置。
接下来,对图像获取步骤S2进行具体说明。
参看图4,在图像获取步骤S2中,通过相机203获取第一叶片组101和第二叶片组102的多个光栅叶片104之中的某个光栅叶片104的包含基体编码序列1中的部分编码的区域图像2,该部分编码构成区域图像2中的编码成像区21,且编码成像区21在其编码的排列方向即X轴方向上的像素宽度不小于M+1列编码对应的像素宽度。以图4所示的M=7为例,用于解析的每个编码组包含7列编码,则编码成像区21需在X轴方向的像素宽度不小于8列编码对应的像素宽度。
即,区域图像2由编码成像区21及其周围的无效图像(环境图像)构成,编码成像区21是拍摄有码位的区域。在此,所拍摄的码位除了包含不少于M个完整码位,还可能在首尾两端包含不完整的码位、即残码。编码成像区21是对于编码有意义的区域。
这是因为,对应于光栅叶片104的不同位置,区域图像2中的编码成像区21通常会包含位于图示最左侧的首位残码22、最右侧的末位残码23,首位残码22、末位残码23在X轴方向的宽度小于基体编码序列1中单列编码的列宽,即首位残码22、末位残码23通常不是一个完整的编码列,因此不能用于解析。只有当光栅叶片104移动至特定位置,使得首位残码22在X轴方向的列宽为0时,编码成像区21的左侧第一个像素才与一个完整的单列编码的左侧的第一个像素重合。
因此,为了获取足够M列的编码组,需要将编码成像区21在X轴方向上的宽度尽量大一些,至少为M+1列编码对应的像素宽度,这样去除首位残码22、末位残码23后,剩余的编码部分仍然足以构成M列的编码组,满足解析需求。作为一种优选的方案,编码成像区21在X轴方向的像素宽度等于M+1列编码对应的像素宽度。
由于用于解析的每个编码组的列数M可以根据实际情况选取,不同大小的M对应的位置检测方法的原理是相同的,故为了简单起见,接下来仅以M=7为例对位置检测方法进行说明。
接下来,对图像处理步骤S3进行具体说明。
参看图5,在图像处理步骤S3中,采取图像处理方法对区域图像2进行处理,并将编码成像区21的至少一部分提取为第一兴趣区图像3,第一兴趣区图像3在其编码的排列方向即X轴方向上的像素宽度,不小于M+1列编码对应的像素宽度。主要原因也是为了在去除首位残码22、末位残码23后,第一兴趣区图像3中剩余的编码部分仍然足以构成M列的编码组,从而满足解析需求。
可以理解的是,编码成像区21在X轴方向上的像素宽度,可以大于第一兴趣区图像3在X轴方向上的像素宽度。即,根据相机203的拍摄能力或拍摄窗口的大小,可以拍摄出多于M+1列的编码。但是,在提取第一兴趣区图像3时,由于编码位数为M位(M列),因此仅提取至少M+1列编码对应的像素宽度,即包含比M列更多的编码列,来作为第一兴趣区图像3。换句话说,第一兴趣区图像3是从编码成像区21中在X轴方向上抽取至少一部分的编码列。例如,可以将从编码成像区21最左侧的第一个像素起、共M+1列或更多列编码对应的像素宽度范围提取为第一兴趣区图像3,这样可以缩小编码范围,为后续的编码解析提供便利。
当然,作为一个优选的方式,第一兴趣区图像3在X轴方向上的像素宽度等于M+1列编码对应的像素宽度。即,只要能提取出完整的M列编码组用于解析即可,不必再提取更多列数的编码。
本步骤中所述的图像处理方法,优选地,是利用设定的阈值对区域图像2进行二值化处理,使图像的每个像素点的灰度值为0(对应黑色)或者255(对应白色),亦即让整个图像呈现只有黑和白的效果,使图像中的数据量大为减少,也更能凸显出目标的轮廓,也就更便于被提取和识别。当然,还可以对区域图像2进行灰度化处理,将每个像素点的RGB值统一成同一个值,灰度化后的图像将由三通道变为单通道,使数据处理更加简便,这里不过多赘述。
接下来,对首位编码确定步骤S4进行具体说明。
参看图6、图7,由于第一兴趣区图像3中提取的编码包含不能用于解析的首位残码22,故需要找出首位残码22后的第一列完整的编码即首位编码,再将从首位编码的左侧第一个像素起、向右侧共M列编码对应的像素宽度范围提取出来,即可得到完整的M列的编码组。在本实施方式中,首位编码指的是首位残码22之后的第一列完整的编码、即第一列编码31。
为此,在首位编码确定步骤S4中,分别设置与1列编码对应的第一滑窗91、第二滑窗92,第一滑窗91、第二滑窗92分别对应不同的解析值,例如,图示的第一滑窗91对应的解析值为1,而第二滑窗92对应的解析值为0。
另外,图6中示出的是优选的方式、即2行冗余编码方式,因此第一滑窗91 呈现为第一行为白色、第二行为黑色,而第二滑窗92呈现为第一行为黑色、第二行为白色。但是,在本实施方式中第二行编码作为冗余编码存在,其解析值与第一行编码相反,因此第一滑窗91、第二滑窗92的整体的解析值以第一行编码为基准,即第一滑窗91对应的解析值为1,而第二滑窗92对应的解析值为0。
第一滑窗91、第二滑窗92分别在第一兴趣区图像3中沿其编码的排列方向即X轴方向、从上游侧即左侧的第一个像素向下游侧即右侧按第一规定步长滑动。第一规定步长可以是1个像素宽度或1个像素宽度的整数倍,具体根据精度需求而定,第一规定步长的像素宽度越大则误差也越大。优选地,第一规定步长等于1个像素宽度。
在第一滑窗91、第二滑窗92中的每个滑窗的第一次滑动前和每一次滑动后,都将第一兴趣区图像3中与该滑窗处于相同位置的待比对编码与该滑窗对应的1列编码比对。值得说明的是,在第一滑窗91、第二滑窗92的滑动过程中,与第一滑窗91、第二滑窗92对应的待比对编码的大小与单列编码相同,但未必是一列完整的编码,可能是跨过两个完整码位的、由前后两个码位的各一部分拼成的单列编码大小。进而,随着第一滑窗91、第二滑窗92的滑动,在完全越过了第一残码22之后,将有一个完整的单列编码落入第一滑窗91和第二滑窗92中,此时的完整的单列编码即为首位编码。进而,将此时的完整的单列编码分别与第一滑窗91和第二滑窗92进行比对,将第一滑窗91和第二滑窗92之中的与该首位编码一致(相似度高)的滑窗的解析值作为该首位编码的解析值。换句话说,在第一滑窗91、第二滑窗92的滑动过程中,最早与第一滑窗91、第二滑窗92中的任一滑窗相匹配的单列编码即为首位编码。
示例性地,如图6所示,假设首位残码22在X轴方向上对应的像素宽度为P。首先,将第一滑窗91从第一兴趣区图像3的左侧第一个像素起向右侧滑动,每次滑动1个像素宽度。在第一次滑动前,第一滑窗91位于最左侧的初始位置,此时将第一滑窗91对应的1列编码(解析值为1)与第一兴趣区图像3中位于初始位置的待比对编码进行比对,由图示可知,此处的待比对编码由首位残码22和第一列编码31的一部分拼成,因此其与第一滑窗91对应的1列编码匹配程度相对较低。
以此类推,继续将第一滑窗91向右按1个像素宽度的步长滑动,每滑动一次就将第一兴趣区图像3中的与第一滑窗91处于相同位置的待比对编码与第一滑窗91对应的1列编码(解析值为1)进行比对。直到第一滑窗91滑动P个像素宽度后、即完全越过首位残码22后,第一滑窗91滑至与第一列编码31重合的位置,此时经过比对可知,第一列编码31与第一滑窗91对应的1列编码(解析值为1)匹配程度比较高。
之后,再将第二滑窗92按同样的步骤从左侧第一个像素的初始位置起向右侧滑动,直至其滑至与第二列编码32重合的位置时,经过比对可知,第二列编码32与第二滑窗92对应的1列编码(解析值为0)匹配程度比较高。
由上可知,在第一滑窗91、第二滑窗92的滑动过程中,最早与第一滑窗91、第二滑窗92中的任一滑窗相匹配的是第一列编码31,由此,将第一列编码31确定为首位编码。
参看图7,设定第一滑窗91、第二滑窗92沿X轴方向滑动的总距离为N个像素宽度,优选地,N等于基体编码序列1中的2列编码对应的像素宽度。即,两个滑窗均滑动2列编码对应的像素宽度后停止滑动。这是因为,第一滑窗91、第二滑窗92滑动2列编码对应的像素宽度后,其滑动的距离已经大于首位残码22和第一列编码31对应的像素宽度之和,可以理解,滑窗在滑动过程中必然已经覆盖到了一列完整的编码,据此已经能够确定首位编码的位置,没有必要继续向右滑下去,从而降低解析运算的复杂程度,提高运算效率。
接下来,对目标编码解析步骤S5进行具体说明。
参看图8,优选地,在首位编码确定步骤S4之后,从第一兴趣区图像3中,将从首位编码即第一列编码31起、从左至右共M列编码的区域提取为第二兴趣区图像4。即,第二兴趣区图像4是将第一兴趣区图像3去除了首位残码22、末位残码23这些无效区域之后的图像。
之后,参看图9,在目标编码解码步骤S5中,在第二兴趣区图像4中将第一滑窗91、第二滑窗92中分别从与首位编码即第一列编码31对应的位置沿X轴向右侧滑动。优选地,将第一滑窗91、第二滑窗中92按第二规定步长向右侧滑动M-1次,第二规定步长为基体编码序列1中单列编码对应的像素宽度。换句话说,第一滑窗91、第二滑窗92从第一列编码31处起,每次滑动一个码位,最后滑至第M列编码处停止。
在第一滑窗91、第二滑窗92中的每个滑窗的第一次滑动前和每一次滑动后,都将与该滑窗处于相同位置的待比对编码与该滑窗对应的1列编码比对,根据每列编码与第一滑窗91或第二滑窗92相匹配的程度,判断该列编码对应的解析值是0还是1,从而得到从第一列编码31起共M列的目标编码序列5的解析值。以图8所示的7列编码为例,目标编码序列5为1010000,通过二进制解码即可得到目标编码序列5的解析值。
需要说明的是,也可以将第一滑窗91、第二滑窗92中的一个滑窗,例如只将第一滑窗91从第一列编码31的位置按第二规定步长向右侧滑动M-1次,第一次滑动前和每一次滑动后都将与第一滑窗91处于相同位置的待比对编码与第一滑窗91对应的1列编码比对,若匹配程度高则该列编码对应的解析值为1,反之则为0,原理与双滑窗分别滑动和比对一样,这里不过多赘述。
另外,第一滑窗91或第二滑窗92也可以从第一列编码31起逐个像素逐个像素地向右侧滑动,只是在滑动1个码位即单列编码对应的像素宽度距离时,才将同样位置的单列编码与第一滑窗91或第二滑窗92对应的1列编码进行比对,这和每次滑动一个码位、共滑动M-1次的原理一样,这里也不过多赘述。
接下来,对补偿值获取步骤S6进行具体说明。
参看图6,根据所述第一兴趣区图像3中编码的左侧的第一个像素,与首位编码即第一列编码31的左侧的第一个像素之间的像素宽度,可以计算出第一位置补偿值λ1,由图示可知λ1等于首位残码22的像素宽度P。
实际检测过程中,可以从第一滑窗91或第二滑窗92从编码左侧的第一个像素起、到确定首位编码即第一列编码31时止,第一滑窗91或第二滑窗92滑动的步数来确定第一位置补偿值λ1。
之后,在基体位置获取步骤S7中,综合考虑在映射关系预设步骤S1中建立的每M列编码的解析值与光栅叶片104的位置之间的映射关系、目标编码序列5的解析值以及第一位置补偿值λ1,得到光栅叶片104的位置信息,再根据该位置信息来控制光栅叶片104的移动方向和距离。
示例性地,假定每个像素宽度为0.01mm,通过映射关系预设步骤S1中建立的映射关系以及目标编码序列5的解析值,得到对应的光栅叶片104移动了10mm,而第一位置补偿值λ1的像素宽度为3,则可以经补偿后判定光栅叶片104实际移动了10.03mm。
需要说明的是,在首位编码确定步骤S4中确定首位编码后,即可采用上述方法来确定第一位置补偿值λ1,不必非要等到目标编码解析步骤S5之后,这里对步骤的前后顺序不作限定。
可以理解的是,由于实际的编码为激光雕刻孔,通过相机203成像后,图像中的每列编码不可避免地会受到毛边、阴影等干扰而出现误差,所以,在首位编码确定步骤S4中确定的首位编码即第一列编码31的位置可能会有偏差。例如,误将实际的位置的偏左1个像素或偏右1个像素的位置认定为首位编码,进而,获取的第一位置补偿值λ1也可能会有相应的误差。
为此,作为一个优选的方式,在目标编码解析步骤S5之后,获取目标编码序列5对应的解析值后,设置第三滑窗93,第三滑窗93对应与目标编码序列5完全相同的、共M列的滑窗编码序列6。
如图10所示,将第三滑窗93在第一兴趣区图像3中沿其编码的排列方向即X轴方向、从上游的左侧的第一个像素向下游的右侧按第一规定步长即1个像素宽度滑动,第一次滑动前和每一次滑动后都与第一兴趣区图像3中处于相同位置的M列编码比对。其中,第三滑窗93从首位残码22的左侧第一个像素处开始向右滑动,当第三滑窗93的右侧最后一个像素滑动到末位残码23的右侧最后一个像素的位置时,第三滑窗93停止滑动,第三滑窗93滑动的总距离为图示的H个像素宽度。
在滑动过程中,当对应位置的M列编码与第三滑窗93对应的滑窗编码序列6相匹配时,根据第三滑窗93的滑动距离,求得第二位置补偿值λ2。
之后,在基体位置获取步骤S7中,综合考虑在映射关系预设步骤S1中建立的每M列编码的解析值与光栅叶片104的位置之间的映射关系、目标编码序列5的解析值以及第二位置补偿值λ2,得到光栅叶片104的位置信息,再根据该位置信息来控制光栅叶片104的移动方向和距离。
示例性地,假定每个像素宽度为0.01mm,通过映射关系预设步骤S1中建立的映射关系以及目标编码序列5的解析值,得到对应的光栅叶片104移动了10mm,而第二位置补偿值λ2的像素宽度为3,则可以经补偿后判定光栅叶片104实际移动了10.03mm。
或者,如图10所示,当第三滑窗93滑过首位残码22对应的像素宽度P时,与从第一列编码31起的首位编码序列5重合,此时经过比对可知,该位置的M列编码与第三滑窗93对应的滑窗编码序列6匹配程度最高,可以判断第一列编码31为目标编码序列5的首位编码。
根据此时确定的第一列编码31位置,与上述第一滑窗91或第二滑窗92滑动确定的第一列编码31的位置之间的偏差,确定浮动偏差值Δλ。该浮动偏差值Δλ是第二位置补偿值λ2与第一位置补偿值λ1的差值,将该浮动偏差值Δλ与第一位置补偿值λ1相加,即相当于第二位置补偿值λ2。由此,由于第二位置补偿值λ2是通过M列编码的整体校验出的补偿值,与仅通过首位编码即第一列编码31校验出的第一补偿值λ1相比,位置精度更高。因此,能够通过第二位置补偿值λ2更精确地确定第一列编码31的位置。其中,当第三滑窗93滑动确定的第一列编码31的位置相对于第一滑窗91/第二滑窗92滑动确定的第一列编码31的位置偏左时Δλ为负数,偏右时Δλ为正数。
如前述那样,第一位置补偿值λ1是在首位编码即第一列编码31的寻找过程中确定的,由于只比对了单列编码,因此计算负荷较小。第二位置补偿值λ2是通过M列编码的整体校验出的补偿值,其精度高于第一位置补偿值λ1,但是计算负荷也高于第一位置补偿值λ1。因此,可以根据实际的精度要求,适当地选择第一位置补偿值λ1或第二位置补偿值λ2。
之后,在基体位置获取步骤S7中,综合考虑在映射关系预设步骤S1中建立的每M列编码的解析值与光栅叶片104的位置之间的映射关系、目标编码序列5的解析值以及第一位置补偿值λ1和浮动偏差值Δλ,得到光栅叶片104的位置信息,再根据该位置信息来控制光栅叶片104的移动方向和距离。
示例性地,假定每个像素宽度为0.01mm,通过映射关系预设步骤S1中建立的映射关系以及目标编码序列5的解析值,得到对应的光栅叶片104移动了10mm,而第一位置补偿值λ1的像素宽度为3,而第三滑窗93滑动确定的第一列编码31的位置相对于第一滑窗91/第二滑窗92滑动确定的第一列编码31的位置偏左1个像素宽度,即浮动偏差值Δλ为-1,则可以经补偿后判定光栅叶片104实际移动了10.02mm。
本步骤中,第三滑窗93对应有M列的滑窗编码序列6,滑动过程中将滑窗编码序列6与第一兴趣区图像3中相同位置的M列编码同时比对,相比于第一滑窗91、第二滑窗92对应的1列编码与第一兴趣区图像3中相同位置的待比对编码进行比对,第三滑窗93滑动的方式得到的位置精度更高,更能克服毛边、阴影等的干扰。
(相关计算)
接下来,对滑窗对应的编码和图像中相同位置的编码相互比对的过程进行说明。
由于第一滑窗91、第二滑窗92、第三滑窗93对应的编码/编码序列,与第一兴趣区图像3、第二兴趣区图像4中处于相同位置的编码/编码序列进行比对的原理一样,这里仅以第一滑窗91为例进行说明。
此外,基体编码序列1的第二行编码是作为第一行编码的冗余存在的,为了而简单起见,这里仅以第一滑窗91对应的第一行编码与第一兴趣区图像3中处于相同位置的第一行编码进行比对,以判断两者的匹配程度。可以理解的是,实际检测过程中,需要将第一滑窗91对应的第一行编码、第二行编码,分别与第一兴趣区图像3中处于相同位置的第一行编码、第二行编码进行比对,以此提高编码识别解析和位置检测的精度。
参看图6,沿X轴方向,假设基体编码序列1中的每列编码对应的像素宽度为4,则以第一滑窗91的第一行编码对应的二值化矩阵为如下的第一矩阵,其中255为像素的灰度值:
示例性地,假设首位残码22在X轴方向的像素宽度为2,则第一滑窗91在第一次滑动前的初始位置时,与第一滑窗91处于相同位置的待比对编码的左半侧为首位残码22、右半侧为第一列编码31的左半侧。该待比对编码的第一行对应的二值化矩阵为如下的比对矩阵,其中0、255为像素的灰度值:
接下来,对第一矩阵与比对矩阵进行相关计算。相关计算通常用于表示两个函数或图形相互重叠的程度或相匹配的程度,本质上描述了双方的相似性。优选地,将第一矩阵与比对矩阵相乘后得到的矩阵的每个元素相加,得到相关系数Q1。即
而当第一滑窗91滑动至与第一列编码31重合的位置时,通过相关计算得到相关系数Q2:
可知,当第一滑窗91滑动至与第一列编码31重合的位置时,通过相关计算得到的相关系数大于第一滑窗91在初始位置时得到的相关系数,由此可以认为,当第一滑窗91在第一列编码31位置的匹配程度高于在初始位置的匹配程度。
同理,在第一滑窗91滑动的2列编码的像素宽度范围内,第一滑窗91滑动至第一列编码31的位置之前或之后,由于第一滑窗91与第一列编码31之间在X轴方向上总有一定的偏差,和第一滑窗91处于相同位置的待比对编码的二值化矩阵,与第一矩阵经过相关计算后的相关系数都会小于Q2。从而可知,第一滑窗91在第一列编码31位置的匹配程度高于在其他滑动位置的匹配程度,即认为第一滑窗91与第一列编码31相匹配。
(曼彻斯特编码)
作为一个优选的方式,基体编码序列1采用曼彻斯特编码形式。接下来结合图11进行具体说明,图11是曼彻斯特编码示意图。
通常情况下,在光栅叶片104的朝向/远离辐射线束的端面,通过激光雕刻工艺刻制编码,例如,在解析值为1的对应位置用激光雕刻一定深度的方形、圆形或其他形状的雕刻孔,对于解析值为0的位置则不进行处理。由此带来的问题是,以7列编码构成的编码组为例,一个编码组中对应多个1时,例如1111111、1011111、0111111等,该编码组对应的端面位置会出现连续的多个雕刻孔,从而影响端面的规则程度,还会影响光栅叶片104的结构强度。
为此,参看图11,优选地,基体编码序列1采用曼彻斯特编码形式。在曼彻斯特编码中,用从高到低的跳变代表1,从低到高的跳变代表0,即沿X轴的编码排列方向上,在单列编码即一个码位的宽度范围内,总会存在半列的雕刻孔,另外半列则不进行处理。由此基体编码序列1的每列编码均只包含一半的雕刻孔,这样使光栅叶片104的设置基体编码序列1的端面更加规则,结构强度也更高。
采用曼彻斯特编码形式时,假设每列编码在X轴方向为四个像素宽度,则解析值分别为1、0的单行单列编码对应的二值化矩阵分别为:
矩阵样式的变化并不影响相关计算的结果,即第一滑窗91、第二滑窗92、第三滑窗93对应的编码/编码序列,与第一兴趣区图像3、第二兴趣区图像4中处于相同位置的待比对编码比对的原理不变,匹配结果也不受矩阵形式变化的影响。
(位置检测装置)
接下来,结合图12对位置检测装置进行说明。图12是位置检测装置示意图。
参看图12,该位置检测装置包括沿X轴方向延伸的作为基体的光栅叶片104、光源201、暗室盒202、相机203,以及反光镜207、限光器208。
暗室盒202具有不透光的壳体2021和由壳体2021包围而成的内部腔室,壳体2021开设有、采样口204。
光源201设置于与采光口206对应的位置,光栅叶片104设置于采样口204对应的位置,反光镜207设置于暗室盒202的内部腔室,相机203的镜头设置于暗室盒202的内部腔室以采集反光镜207反射的光线。限光器208设置于光源201和采光口206之间的光路上,用于将光线分布得更均匀。
其中,光栅叶片104的朝向采样口204的端面设置具有L列编码的基体编码序列1,L为大于0的整数,基体编码序列1为二进制编码序列,其每列编码沿光栅叶片104的移动方向即X轴方向依次排列且每列编码具有相同的列宽。
光源201发出的光线经限光器208、采光口206进入暗室盒202的内部腔室,再经采样口204射至光栅叶片104的刻有基体编码序列1的端面,光线经过该端面反射后经采样口204进入暗室盒202的内部腔室,再经过反光镜207的反射后最终被相机203的镜头采集。由此,相机203就获取了基体编码序列1中与采样口204沿X轴方向上尺寸相对应的部分编码的图像。
之后,相机203将采集的光学信号传输至外部的控制单元,该控制单元通过前述的位置检测方法,即按照映射关系预设步骤S1、图像获取步骤S2、图像处理步骤S3、首位编码确定步骤S4、目标编码解析步骤S5、补偿值获取步骤S6、基体位置获取步骤S7,通过解析编码和位置补偿来获取光栅叶片104的位置信息。
需要说明的是,因为尺寸所限,相机203的镜头宜采用广角镜头,这样才能将更多个沿垂直于X轴Z轴的Y轴方向(图中未示出)依次排列的多个光栅叶片104的编码图像采集下来。在某些条件下,如果一个相机203不能将完整的区域照下来,也可以采用多个相机203。为了提高处理速度,多个照相机203的数据可以由多个处理器处理。
此外,结合上述实施例中提供的位置检测方法,在本实施例中还可以提供一种存储介质来实现。该存储介质上存储有计算机程序;该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的位置检测方法。
在一个实施例中,还提供了一种计算装置,该计算装置包括处理器、存储器。其中,该处理器用于提供计算和控制能力,该存储器包括非易失性存储介质。该非易失性存储介质存储有计算机程序;该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的位置检测方法。
应当理解,以上所述的具体实施例仅用于解释本申请,本申请的保护范围并不限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内,根据本申请的技术方案及其发明构思加以变更、置换、结合,都应涵盖在本申请的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种位置检测方法,用于获取基体的位置信息,所述基体设有具有L列编码的基体编码序列,L为大于0的整数;该基体编码序列是二进制编码序列,其每列编码沿所述基体的移动方向依次排列且每列编码具有相同的列宽;所述位置检测方法的特征在于,包含以下步骤:
S1:映射关系预设步骤,将所述基体编码序列中用于解析的编码列数预设为M,并建立每M列编码的解析值与所述基体的位置之间的映射关系,其中M为大于0且小于L的整数;
S2:图像获取步骤,获取所述基体的包含所述基体编码序列中的部分编码的区域图像,所述部分编码构成该区域图像中的编码成像区,且该编码成像区在其编码的排列方向上的像素宽度不小于M+1列编码对应的像素宽度;
S3:图像处理步骤,采取图像处理方法对所述区域图像进行处理,并将所述编码成像区的至少一部分提取为第一兴趣区图像,该第一兴趣区图像在其编码的排列方向上的像素宽度不小于M+1列编码对应的像素宽度;
S4:首位编码确定步骤,分别设置与1列编码对应的第一滑窗、第二滑窗,所述第一滑窗、所述第二滑窗分别对应不同的解析值;
将所述第一滑窗、所述第二滑窗分别在所述第一兴趣区图像中沿其编码的排列方向从上游侧的第一个像素向下游侧按第一规定步长滑动;在所述第一滑窗、所述第二滑窗中每个滑窗的第一次滑动前和每一次滑动后,都将所述第一兴趣区图像中的与该滑窗处于相同位置的待比对编码与该滑窗对应的1列编码比对,最早与所述第一滑窗、所述第二滑窗中的任一滑窗相匹配的待比对编码即为首位编码;
S5:目标编码解析步骤,将所述第一滑窗、所述第二滑窗中的至少一个滑窗从所述首位编码的位置按第二规定步长向其下游侧滑动M-1次;
在所述第一滑窗、所述第二滑窗中的任一滑窗的第一次滑动前和每一次滑动后,都将与该滑窗处于相同位置的待比对编码与该滑窗对应的1列编码比对,根据每列编码与所述第一滑窗或所述第二滑窗相匹配的程度判断该列编码对应的解析值,从而得到从所述首位编码起共M列的目标编码序列的解析值;其中,所述第二规定步长是单列编码对应的像素宽度;
S6:补偿值获取步骤:根据所述第一兴趣区图像中编码的上游侧的第一个像素,与所述首位编码的上游侧的第一个像素之间的距离,计算出位置补偿值;
S7:基体位置获取步骤,根据所述映射关系、所述目标编码序列的解析值以及所述位置补偿值,得到所述基体的位置信息。
2.根据权利要求1所述的位置检测方法,其特征在于,在所述图像处理步骤中:
所述图像处理方法为利用设定的阈值对所述区域图像进行二值化处理。
3.根据权利要求2所述的位置检测方法,其特征在于,在所述首位编码确定步骤和所述目标编码解析步骤中:
将所述第一滑窗、所述第二滑窗对应的编码的二值化矩阵分别与待比对编码对应的二值化矩阵进行相关计算得到相关系数,根据所述相关系数判断所述第一滑窗、所述第二滑窗与待比对编码的匹配程度。
4.根据权利要求1所述的位置检测方法,其特征在于,在所述首位编码确定步骤中:
所述第一滑窗、所述第二滑窗每次滑动的所述第一规定步长是1个像素宽度或1个像素宽度的整数倍。
5.根据权利要求1所述的位置检测方法,其特征在于,在所述首位编码确定步骤中:
所述第一滑窗、所述第二滑窗各自在所述第一兴趣区图像中滑动2列编码对应的像素宽度即停止滑动。
6.根据权利要求1所述的位置检测方法,其特征在于,在所述首位编码确定步骤之后:
从所述第一兴趣区图像中,将从所述首位编码起、共M列编码的区域提取为第二兴趣区图像;
在所述目标编码解析步骤中,在所述第二兴趣区图像中分别将所述第一滑窗、所述第二滑窗中的至少一个滑窗从与所述首位编码的位置向下游侧滑动。
7.根据权利要求1所述的位置检测方法,其特征在于:
所述基体编码序列为2行L列的二进制编码序列,且每列编码的第一行对应的解析值与该列编码的第二行对应的解析值不同。
8.根据权利要求1所述的位置检测方法,其特征在于:
所述基体编码序列采用曼彻斯特编码形式。
9.一种位置检测装置,包括依次排列的多个基体、光源、相机、暗室盒,所述位置检测装置的特征在于:
所述暗室盒具有不透光的壳体和所述壳体包围而成的内部腔室,所述壳体开设有采光口、采样口;
所述光源设置于所述采光口对应的位置,所述多个基体设置于所述采样口对应的位置,所述相机设置于所述壳体以采集所述内部腔室的光线;
所述多个基体中每个基体的朝向所述采样口的一侧端面设置具有L列编码的基体编码序列,L为大于0的整数,所述基体编码序列的每列编码沿该基体的移动方向依次排列且每列编码具有相同的列宽;
所述光源发出的光线经所述采光口进入所述内部腔室,再经所述采样口射至所述多个基体中每个基体的刻有所述基体编码序列的端面,光线经过该端面反射后经所述采样口进入所述内部腔室并最终被所述相机采集;
所述相机将采集的光学信号传输至外部的控制单元,该控制单元通过权利要求1-8中任一项所述的位置检测方法,获取所述多个基体中每个基体的位置信息。
10.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质,其特征在于:
当所述计算机程序在被处理器执行时实现如权利要求1-8中任一项所述的位置检测方法。
11.一种计算装置,其特征在于,包括:
处理器;
存储器,存储有计算机程序,当所述计算机程序被处理器执行时,实现如权利要求1-8中任一项所述的位置检测方法。
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