[發明專利]一種基于光條幾何特征突變的目標邊界提取方法

有效

• 申請號: 201710593197.8
• 申請日: 2017-07-20
• 公開（公告）號: CN107516324B
• 公開（公告）日: 2019-12-17
• 發明（設計）人: 劉巍;趙海洋;葉帆;張致遠;蘭志廣;張洋;馬建偉;賈振元
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06T7/521
• 分類號: G06T7/521;G06T7/00;G01C11/04
• 代理公司: 21200 大連理工大學專利中心
• 代理人: 關慧貞

1.一種基于激光光條幾何特征突變的邊界提取方法，其特征是，該方法首先通過激光結合雙目視覺的方式，利用左、右攝像機(1、2)拍攝激光發射器(3)在被測物(5)上形成的激光光條(6)，獲取激光光條(6)圖像；其次根據實際測量過程中主要存在的邊界光條情況，建立三類邊界模型；之后，利用差分運算對邊界特征向量進行求導，得到粗提取的目標邊界特征點坐標；最后根據矩不變原理，得到精提取的目標邊界特征點坐標；方法的具體步驟如下：

第一步，采集激光光條圖像

安裝測量設備，打開輔助激光發射器(3)并照射被測物(5)，在開始采集之后，打開轉臺(4)帶動激光發射器(3)轉動，使激光掃描被測物(5)；然后，整體平移左右攝像機(1、2)的位置，進行多次拍攝，保證被測物(5)形面信息的完整性；通過信息采集系統采集到激光光條(6)圖像之后，需要對激光光條(6)的邊界進行提取；

第二步，建立三類邊界模型

A.彎折型邊界模型：

由于被測目標與背景物體相接且成一定夾角，光條在目標邊界處連續但經不同表面調制發生彎折現象，從而導致光條中心線在邊界處產生曲率突變；因此，定義此類邊界特征模型為斜坡型，根據光條中心位置建立理想邊界模型如下：

其中，x為圖像中的行坐標；f(x)為對應行坐標x的光條中心列坐標；p₁,b₁和p₂,b₂分別為光條投射在被測表面和背景物體表面的光條中心線方程參數；x₀為光條中心線曲率突變的位置，將其定義為該光條所在位置的被測物理想邊界特征點；

B.錯位型邊界模型:

由于被測目標與背景物體重疊且被測表面與背景表面存在一定空間距離或被測物存在一定的厚度，使得光條在目標邊界處連續但經不同表面調制在圖像中發生錯位的現象，從而導致光條中心線在邊界處產生位置突變；因此，定義此類邊界特征模型為階躍型，根據光條中心位置建立理想邊界模型如下：

f(x)＝(b₂-b₁)U(x-x₀)+p₁x+b₁ (2)

其中，x為圖像中的行坐標；f(x)為對應行坐標x的光條中心列坐標；p₁,b₁和p₁,b₂分別為光條投射在被測表面和背景物體表面的光條中心線方程參數；U(x)為理想一維階躍方程；x₀為光條中心線位置突變處，將其定義為該光條所在位置的被測物理想邊界特征點；

C.寬度變化型邊界模型:

光條在被測物邊界處連續但無明顯位置和曲率變化，但是由于被測目標與背景物體表面由于材料反射率不同，光條在圖像中呈現不同的寬度分布，在被測物邊界處發生寬度突變現象；因此，以光條寬度為特征，定義此類邊界模型為階躍型，建立理想邊界模型如下：

d(x)＝(d₂-d₁)U(x-x₀)+d₁ (3)

其中，x為圖像中的行坐標；d(x)為對應行坐標x的光條截面寬度值；d₁和d₂分別為光條投射在被測表面和背景物體表面的光條截面寬度值；U(x)為理想一維階躍方程；x₀為光條截面寬度突變位置，將其定義為該光條所在位置的被測物理想邊界特征點；

綜合以上邊界模型的分析發現，除了彎折型邊界特征外其余邊界特征均服從階躍型邊界模型；而至于彎折型邊界特征，其理想的一階導數曲線同樣符合階躍特征；因此，針對彎折型邊界特征作一階離散求導處理，結合其余兩種邊界特征，即將上述三類邊界模型統一歸類為階躍型邊界模型:

其中，ρ(x)為圖像中行坐標x對應的光條中心線曲率值；

第三步，基于有限差分方法的邊界粗提取

由于邊界特征向量H的獲取受環境噪聲以及感光元件性能的影響，其分布并不完全符合理想階躍模型；首先采用一維高斯函數對特征向量H作卷積處理進行平滑濾波，得到的邊界特征向量h；對得到的邊界特征向量h進行如下求導計算：

根據邊界模型定義，邊界特征向量h一階導數最大值所對應的行坐標v₀即為目標邊界行坐標，定義其對應的光條中心列坐標f(v₀)為目標邊界列坐標；得到目標邊界特征點坐標為(v₀，f(v₀))；由于對邊界特征向量h的求導是利用差分運算代替的，所以其提取精度只能達到像素級；

第四步，基于矩方法的邊界精提取

設u(x)為理想階躍函數，則一維理想邊界函數E(x)表示為：

E(x)＝(h₂-h₁)u(x-k)+h₁ (6)

其中，k表示理想邊緣位置；設P₁、P₂分別表示特征值h₁與h₂的特征點所占的比例，且有P₁+P₂＝1，因此有一維理想邊緣模型的前三階特征矩為：

經過第二步提取后得到初始邊界特征點(v₀，f(v₀))，在v₀的α鄰域內選取2α+1個特征點進行，作為特征矩計算的輸入序列h(j){j＝1,2,…,n；n＝2α+1}，因此邊界實際特征矩為：

根據矩不變原理，即假設實際邊界分布與理想階躍邊界模型的特征矩保持不變，聯立式(7)和式(8)可以得到

通過前三階特征矩建立方程組解得三個未知數h₁，h₂，P₁分別為

其中：P₂＝1-P₁，因此得到邊界亞像素位置為

l＝nP₁ (13)

根據以上計算，得到圖像中精確的邊界行坐標位置l，相應的列坐標f(l)通過相鄰的光條中心點坐標進行插值得到：

其中，[l]為取整函數，代表邊界行坐標l的整數部分；因此，精確提取在光條所在位置的目標邊界特征點坐標為(l,f(l))；這樣就完成了光條目標邊界的提取。