[發明專利]一種基于目標二維輪廓模型的識別與空間定位方法

有效

• 申請號: 201710734207.5
• 申請日: 2017-08-24
• 公開（公告）號: CN107622499B
• 公開（公告）日: 2020-11-13
• 發明（設計）人: 凌樂;陳遠強;魏清平;周東;劉絲絲;莫堃;董娜;于信賓
• 申請（專利權）人: 中國東方電氣集團有限公司
• 主分類號: G06T7/13
• 分類號: G06T7/13;G06T7/149;G06T7/60;G06K9/46
• 代理公司: 成都天嘉專利事務所(普通合伙) 51211
• 代理人: 蔣斯琪

本發明公開了一種基于目標二維輪廓模型的識別與空間定位方法，涉及圖像處理技術領域，針對的對象為具有二維平面輪廓的物體，識別目標即為該物體的某個感興趣平面上的輪廓特征，識別目標由一定數量的直線段和/或弧線段和/或圓形連接成閉合的輪廓，圖像可從任意角度、高度拍攝目標及其所處背景，但須保證目標的所有輪廓可見且清晰，然后根據目標的二維模型輪廓信息，從圖像中識別目標，并計算出目標相對于相機的空間位置。

技術領域

本發明屬于圖像處理領域，主要用于從圖像中搜索識別出指定形狀的目標，并計算出該目標相對于相機的空間位姿，該技術可用于機器人的定位引導、工件分揀等場景。

背景技術

模板匹配是從圖像中識別并定位出指定目標最常用的技術，即給定一個目標的模板，然后從圖像中搜索與模板最相似的對象。最簡單的模板匹配技術為從圖像中尋找大小、方向與模板完全一致的對象，僅需要將模板沿圖像像素坐標系逐一平移，并分別計算相似度，直到相似度大于接受閾值，則認為搜索到目標；然而實際應用中圖像中的目標與模板的大小由于拍攝距離的不同而不同，同時目標繞面法線可能會有旋轉，上述方法已不再適用，但這種情況下目標并未發生變形，即圓形還是圓形，矩形仍是矩形，僅僅是被等比例縮放了，現有的方法是將縮放比與旋轉角進行離散化，按照一定的步長將原模板進行仿射變換，生成多個不同大小、不同角度的模板，然后再分別進行上述的模板匹配操作；上述技術在生產線上對工件的自動識別與定位已經能滿足需求，因為相機與生產線平臺的高度、角度是固定的，物體通常只會有繞法線的旋轉變化，然而，當機械臂、機器人需要對空間目標進行識別和定位時，圖像中目標不僅大小、法線旋轉角可能有變化，還有可能發生投影變形，因為拍攝角度是任意的，此時圓形可能投影為橢圓，矩形變為平行四邊形，由多條直線、弧線組成的不規則目標則會呈現出更加難以識別的形態，上述的模板匹配方法都不再適用。投影變形匹配是圖像識別的難題，因為它不僅需要從變形的圖像中識別出目標，還需要計算出目標當前的空間位置(相對于相機)，因此本發明針對投影變形目標，設計了一種基于目標二維輪廓模型的識別與空間定位方法。

發明內容

本發明針對的對象為具有二維平面輪廓的物體，識別目標即為該物體的某個感興趣平面上的輪廓特征，識別目標由一定數量的直線段和/或弧線段和/或圓形連接成閉合的輪廓，圖像可從任意角度、高度拍攝目標及其所處背景，但須保證目標的所有輪廓可見且清晰，然后根據目標的二維模型輪廓信息，從圖像中識別目標，并計算出目標相對于相機的空間位置。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種基于目標二維輪廓模型的識別與空間定位方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1，準備目標的二維模型，在制圖軟件中繪制目標的真實二維模型，長度單位為毫米，并將圖紙導出為包含有圖像輪廓信息的文件，二維模型輪廓線條必須閉合，輪廓由直線段、弧線段或圓組成；

步驟2，讀取上述包含有圖像輪廓信息的文件，解析出幾何基元，查找并描述出閉合輪廓，并判斷區分其中的歧義輪廓和非歧義輪廓，描述閉合輪廓中直線與弧線的連接順次關系，建立目標二維輪廓幾何基元拓撲關系；

步驟3，采集目標圖像，使用Canny邊緣檢測算子檢測圖像的邊緣，遍歷每一條輪廓，排除非閉合輪廓，對閉合輪廓進行單通、多通邊緣點檢查；選擇檢查出的單通、多通邊緣點進行相交輪廓分離；使多邊形逼近閉合輪廓，采用Ramer算法對每一個閉合輪廓進行遞歸細分，直至得到的全部線段到各自對應的閉合輪廓的最大距離小于閾值Dmax；再對直線段和/或弧線段進行擬合與合并，根據擬合出的直線方程和/或橢圓弧方程計算相鄰線段的交點坐標，該交點對應了步驟2中的目標二維輪廓；

步驟4，指定搜索輪廓，檢索在步驟3中產生的所有閉合輪廓確認與目標模板輪廓相同線段組成的待定輪廓，對待定輪廓進行姿態運算并完成確認，在圖像中標記識別成功的目標，輸出目標位置及投影矩陣。

所述步驟2中，所述歧義輪廓即該輪廓的順次描述中，存在相同的順次描述；建立目標二維輪廓幾何基元拓撲關系的具體方法為