[發(fā)明專(zhuān)利]一種環(huán)形編碼標(biāo)記點(diǎn)的編碼及識(shí)別方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810957280.3
• 申請(qǐng)日: 2018-08-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109285198B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-09-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王福吉;潘翼;劉巍;李肖;賈振元;馬建偉
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06T9/00
• 分類(lèi)號(hào): G06T9/00;G06T7/11;G06T3/40;G06T3/00;G06T7/62
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專(zhuān)利中心 21200
• 代理人: 關(guān)慧貞

1.一種環(huán)形編碼標(biāo)記點(diǎn)的編碼及識(shí)別方法，其特征是，該方法首先根據(jù)二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換關(guān)系設(shè)計(jì)環(huán)形編碼帶，根據(jù)二值化和最小二乘法擬合算法處理拍攝的圖像，完成編碼標(biāo)記點(diǎn)的檢測(cè)及定位得到環(huán)形編碼點(diǎn)的圖像后，基于環(huán)形編碼帶的灰度變化，以灰度跳變點(diǎn)作為解碼起點(diǎn)單次順時(shí)針移動(dòng)，根據(jù)圓心角和弧度計(jì)算該編碼帶上所包含的0或1，進(jìn)而提取二進(jìn)制碼值串，檢測(cè)該二進(jìn)制串并判斷其最高位的位置，將該二進(jìn)制串分割為兩個(gè)片段并重新拼接生成新的二進(jìn)制串，其代表的十進(jìn)制數(shù)值即為最終的編碼值；方法的具體步驟如下：

步驟1：環(huán)形編碼帶編碼

采用環(huán)形編碼標(biāo)記點(diǎn)為10位編碼標(biāo)記點(diǎn)，即每隔36°對(duì)環(huán)形編碼帶進(jìn)行分度，其中背景及代表“0”的環(huán)形編碼帶為黑色，中心圓及代表“1”的環(huán)形編碼帶為白色，其圖像灰度直方圖具有雙峰特征；編碼過(guò)程即為將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)，并將環(huán)形編碼帶中的白色塊與二進(jìn)制數(shù)的“1”對(duì)應(yīng)；

步驟2：編碼標(biāo)記點(diǎn)檢測(cè)

首先依據(jù)分塊二值化方法，對(duì)采集的圖像進(jìn)行二值化處理：

其中，用尺寸大小S×S將圖像分成互相重合一半的塊A_ij，用Otsu法計(jì)算每塊的閾值t_ij＝Ostu(A_ij)，基于該閾值用雙線性插值法計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)的二值化閾值，以此進(jìn)行灰度分割；在二值化圖像上提取目標(biāo)特征輪廓后，使用最小二乘法擬合橢圓的參數(shù)：中心、長(zhǎng)軸、短軸及傾斜角，求取參與擬合的任意一點(diǎn)(x_i,y_i)離橢圓的偏差均值，以去掉不規(guī)則的橢圓，并經(jīng)過(guò)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換將所有擬合點(diǎn)轉(zhuǎn)換到以橢圓中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，長(zhǎng)軸、短軸分別為X軸、Y軸的坐標(biāo)系上，并計(jì)算點(diǎn)(x_i,y_i)的擬合誤差Δr_i：

其中，a擬合橢圓的長(zhǎng)半徑，b擬合橢圓的短半徑；將Δr_i取求均值并將擬合誤差超過(guò)均值的輪廓舍去；

步驟3：編碼標(biāo)記點(diǎn)分類(lèi)

再根據(jù)標(biāo)記點(diǎn)周?chē)欠裼邪咨B通域的編碼環(huán)段來(lái)區(qū)分編碼標(biāo)記點(diǎn)，需滿足兩個(gè)約束：首先是距離約束，即環(huán)形白色塊的擬合中心距離標(biāo)記點(diǎn)中心需在范圍內(nèi)，該范圍由標(biāo)記點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)本身的物理距離確定；其次是面積約束，即環(huán)形白色塊的面積與標(biāo)記點(diǎn)的面積比需滿足比例：

其中，環(huán)形白色塊的面積為A_S，編碼點(diǎn)由內(nèi)而外的3個(gè)直徑為r₁，r₂和r₃；綜上，即可得到所有編碼標(biāo)記點(diǎn)的二值化圖像；

步驟4：逆仿射變換，解碼起點(diǎn)提取

采用環(huán)形編碼帶的中間部位提取解碼起點(diǎn)，即根據(jù)環(huán)形編碼帶白色塊的擬合中心來(lái)擬合橢圓B，實(shí)際中的相機(jī)模型是透視變換，這里近似為仿射變換；將橢圓B按照公式(4)逆仿射映射為一個(gè)單位圓，使得單位圓上各像素的灰度與橢圓B上的像素灰度一一對(duì)應(yīng)：

其中，X'為逆仿射為單位圓的坐標(biāo)，a₀、b₀、X₀、θ分別為橢圓B的長(zhǎng)半徑、短半徑、圓心坐標(biāo)、偏轉(zhuǎn)角；為避免任意選擇解碼起點(diǎn)時(shí)剛好選到的是編碼環(huán)段的中間，利用橢圓B中有灰度跳變的點(diǎn)作為解碼起點(diǎn)；

步驟5：環(huán)形編碼帶解碼

由步驟4得到解碼起點(diǎn)，然后在單位圓上以順時(shí)針?lè)较驒z測(cè)到下一個(gè)灰度跳變點(diǎn)，并計(jì)算前后兩個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圓心角，利用圓心角與36°的比值結(jié)合灰度變化關(guān)系，計(jì)算環(huán)形編碼帶上“0”和“1”的個(gè)數(shù)，按順序排列得到初始二進(jìn)制數(shù)值串；

10位二進(jìn)制串表達(dá)2¹⁰個(gè)數(shù)值，但實(shí)際測(cè)量過(guò)程使用的編碼標(biāo)記點(diǎn)遠(yuǎn)小于該數(shù)值，因此由將十進(jìn)制下的編碼值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼值串，在二進(jìn)制碼值串的高位會(huì)連續(xù)出現(xiàn)最多的“0”，依據(jù)該特性，將上述檢測(cè)得到的二進(jìn)制數(shù)值串導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中，判斷出最多的“0”位，以此找到該二進(jìn)制數(shù)值串中所對(duì)應(yīng)最高位的“0”，以最高位“0”的左側(cè)為分界線，將該二進(jìn)制串分解兩個(gè)片段并調(diào)換位置，拼接生成的新二進(jìn)制串即為所求二進(jìn)制碼值串，將其轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)值實(shí)現(xiàn)解碼。