[發(fā)明專利]一種基于二維碼的高精度視覺定位方法及系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710826864.2
• 申請(qǐng)日: 2017-09-14
• 公開（公告）號(hào): CN107609451A
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張米令;王永錕;李洪祥
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 斯坦德機(jī)器人（深圳）有限公司
• 主分類號(hào): G06K7/14
• 分類號(hào): G06K7/14;G06T5/00;G06T7/13
• 代理公司: 深圳市添源知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)44451
• 代理人: 羅志偉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及二維碼識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于二維碼的高精度視覺定位方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

二維碼(2-dimensional bar code)是用某種特定的幾何圖形按一定規(guī)律在平面分布的黑白相間的圖形記錄數(shù)據(jù)符號(hào)信息的；在代碼編制上巧妙地利用構(gòu)成計(jì)算機(jī)內(nèi)部邏輯基礎(chǔ)的“0”和“1”比特流的概念，使用若干個(gè)與二進(jìn)制相對(duì)應(yīng)的幾何形體來表示文字?jǐn)?shù)值信息，通過圖象輸入設(shè)備或光電掃描設(shè)備自動(dòng)識(shí)讀以實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)處理。矩陣式二維碼是在一個(gè)矩形空間通過黑白像素在矩陣中的不同分布進(jìn)行編碼。在矩陣相應(yīng)元素位置上，用點(diǎn)的出現(xiàn)表示二進(jìn)制“1”,點(diǎn)的不出現(xiàn)表示二進(jìn)制“0’，點(diǎn)的排列組合確定了矩陣式二維碼所代表的意義。矩陣式二維碼是建立在計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)、組合編碼原理等基礎(chǔ)上的一種新型圖形符號(hào)自動(dòng)識(shí)讀處理碼制。其中，矩陣式的Data Matrix二維條形碼，因其尺寸小、保密性好、糾錯(cuò)能力強(qiáng)而廣泛應(yīng)用在工業(yè)、數(shù)據(jù)安全等領(lǐng)域。

隨著家用服務(wù)機(jī)器人、倉儲(chǔ)機(jī)器人的推廣應(yīng)用，室內(nèi)機(jī)器人的定位和導(dǎo)航問題成為機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。為此，各種定位技術(shù)和車載傳感器系統(tǒng)相繼涌現(xiàn)。這些方法和儀器可以分為相對(duì)定位系統(tǒng)和絕對(duì)定位系統(tǒng)兩大類。其中，相對(duì)定位系統(tǒng)依靠羅盤、里程計(jì)等可以給出移動(dòng)機(jī)器人的大致位置和方向；而絕對(duì)定位系統(tǒng)如電磁導(dǎo)引、激光掃描儀以及視覺傳感器等則被用來給出傳感器系統(tǒng)在參考坐標(biāo)系中的絕對(duì)位置和方向，并可糾正相對(duì)定產(chǎn)生的位置誤差。而視覺方法是近年來發(fā)展起來的一種先進(jìn)定位方法，它是通過攝像機(jī)攝取周圍景物的圖像，然后利用景物中一些自然的或者是人造的特征(路標(biāo))來實(shí)現(xiàn)位置確定。視覺定位方法中，地理特征或人工標(biāo)志(簡稱路標(biāo))在世界坐標(biāo)系中的位置是預(yù)先已知的。當(dāng)從捕獲的景物圖像中提取出路標(biāo)的圖像坐標(biāo)后，則通過路標(biāo)在圖像中的位置和它們?cè)趨⒖甲鴺?biāo)系中的幾何關(guān)系，就可以計(jì)算出傳感器系統(tǒng)在參考坐標(biāo)系中的絕對(duì)位置。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種基于二維碼的高精度視覺定位方法，包括依次執(zhí)行如下步驟：

標(biāo)定步驟：對(duì)采集圖像用到的工業(yè)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，得到工業(yè)相機(jī)的內(nèi)參數(shù)；

濾波步驟：對(duì)工業(yè)相機(jī)采集到圖片進(jìn)行濾波處理，減小噪聲對(duì)識(shí)別精度的影響，并對(duì)圖像進(jìn)行二值化；

邊緣檢測(cè)步驟：對(duì)采集到的圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)；

初定位步驟：利用形態(tài)學(xué)操作對(duì)二維碼初定位；

直線檢測(cè)步驟：利用Hough變換進(jìn)行直線檢測(cè)；

校正步驟：二維碼的旋轉(zhuǎn)校正；

解碼步驟：對(duì)二維碼進(jìn)行解碼識(shí)別；

位姿解算步驟：結(jié)合解碼得到的二維碼信息和其世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)進(jìn)行位姿解算。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在所述濾波步驟中，選取一個(gè)大小為3×3的滑動(dòng)窗口，該窗口沿著數(shù)據(jù)的行方向逐像素滑動(dòng)，在每次滑動(dòng)期間內(nèi)，窗口中的所有像素按照灰度值被排序，數(shù)據(jù)中的中值作為輸出，替代原來窗函數(shù)的中心位置像素的灰度值，從而實(shí)現(xiàn)圖片的濾波處理；

在所述濾波步驟中，設(shè)圖像的閾值為T，依次設(shè)定閾值T的大小，分別計(jì)算出大于T、小于T的像素?cái)?shù)目和灰度值之和，然后再分別計(jì)算出大于閾值和小于閾值的像素灰度值的概率和平均灰度值，再使用概率和平均灰度值求出類間方差，最后對(duì)計(jì)算出的254個(gè)類間方差進(jìn)行對(duì)比，選取最大的類間方差值作為圖像二值化的閾值，從而實(shí)現(xiàn)圖像的二值化；

在所述邊緣檢測(cè)步驟中，圖像的邊緣是圖像灰度值發(fā)生突變的像素的集合，邊緣處圖像灰度值的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)都會(huì)有明顯的變化，從而利用變化可以求得圖像的邊緣，并通過高斯拉普拉斯算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在所述初定位步驟中，對(duì)二維碼圖像進(jìn)行腐蝕膨脹處理，消除二維碼內(nèi)部的干擾點(diǎn)，再掃描腐蝕膨脹后圖像的黑色像素點(diǎn)，標(biāo)記掃描到的連通區(qū)域并計(jì)算出每個(gè)連通區(qū)域的面積大小，對(duì)掃描到的連通區(qū)域面積進(jìn)行排列，找到其中面積最大的區(qū)域作為二維碼區(qū)域。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在所述直線檢測(cè)步驟中，設(shè)任意一條直線在直角坐標(biāo)系中的方程為：設(shè)一條直線L在直角坐標(biāo)系中的方程為：

y＝kx+b(9)

直線L的參數(shù)方程可以表示為：

ρ＝x cosθ+y sinθ(10)

其中，ρ表示原點(diǎn)到直線的距離，θ表示該直線與x軸的夾角，統(tǒng)計(jì)出極坐標(biāo)系中經(jīng)過每個(gè)交點(diǎn)的曲線個(gè)數(shù)，找到個(gè)數(shù)最多的點(diǎn)即對(duì)應(yīng)的是某條直線；