专利名称：一种双层圆弧的编码标记点设计方法
技术领域：
本发明涉及一种双层圆弧的编码标记点设计及编码方法，更具体的说，本发明涉 及一种能够用于逆向工程、零件识别与定位中涉及的图像匹配的方法。
背景技术：
近景摄影测量包括低空摄影测量、地面和室内近景摄影测量，是目前国内外研究 的热点。对于大型物体目标分割是必不可少的，而目标分割一直也是计算机视觉中和近景 测量的一个关键问题，分割处理的图像后就必须进行像素间的匹配，在这一过程中对被测 物体进行标记点标记，从而确定被测物体的准确的位置信息显得尤为重要。目前，现有的较 成熟的标记点设计主要有由Cootes提出的主动形状模型(Active ShapeModel，简称ASM) 方法，等距标定方法，Hill提出的采用最小化形状模型的标定方法，Baumberg和Hogg提出 的利用主轴和轮廓的交点作为参考点进行局部等距标定的方法，Souza和Jayaram提出的 自动标定方法，基于变分域的主动形状模型标记点自动标定，这些方法在一定程度上可以 满足对物体进行全场检测的编码标志点拼接法的要求，但还分别存在以下不足所述的ASM通过目标样本图像的训练和形状模型的建立，有效利用了目标形状的 先验知识来指导分割，从而获得了比传统的基于底层特征的分割方法更好的效果。ASM方 法中需要对大量训练样本的形状进行准确的标记点标定，但目前却没有一种理想的解决办 法，这成为阻碍ASM方法获得广泛应用的主要问题之一。人工或人机交互的方法十分费时 费力而且不够精确；等距标定方法实现简单，但无法保证各样本标记点间的一致性，因此由 其建立的模型紧致度不足；所述的Hill提出的采用最小化形状模型的标定方法，容易陷入局部最小值，而且 严重依赖初始标记点的正确选择；所述的Baumberg和Hogg提出的利用主轴和轮廓的交点作为参考点进行局部等距 标定的方法，但该方法在除行人外的其他目标上效果不理想；所述的Souza和Jayaram提出的一种简便有效的自动标定方法，其创新在于采用 了“平均形状_样本形状”的标定流程，这为更好地利用样本形状的统计信息来指导标记点 的自动选择提供了一种有益的思路。但Souza方法在选定标记点时只考虑了曲线曲率，因 此对在样本集中变化较大但曲率较小的部位只能得到较少的标记点覆盖，从而可能导致形 状描述的不准确和相关形变模式的遗漏。所述的等距法是采用先标定样本再统计平均形状的流程，而每个样本上的标记点 是独立地等距选取的，不能保证样本间标记点的关联一致性，导致平均形状产生了失真，这 会影响其作为初始形状的搜索匹配效果。对形状不准确的描述将会导致一个非紧致、非确 定(即会衍生出与训练样本迥异的形状)的模型。所述的基于变分域的主动形状模型标记点自动标定不仅利用了 D-P算法有效保 形的优点，并且变分域中所反映的变化频繁、幅度较大的部位，仍能保证合理的标记点覆 盖，可看到其分布密度与样本变化的大小成正比，但其算法复杂，造成工作量加大。
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由此可见，寻找一种较好的人工标志，提高标志点图像识别的精度和减少劳动强 度是当前近景摄影测量，计算机视觉以及数字图像处理等各领域的焦点和瓶颈问题。
发明内容
本发明的目的就是克服以上现有技术的不足，提供一种简洁、快速、非常可靠、实 用、容易识别的标记点设计方法，以弥补现有技术存在的缺陷，该方法能够应用于逆向工 程、零件识别与定位中涉及的图像匹配的方法。所述的一种双层圆弧的编码标记点设计方法包括用于标记点设计的标记图案(由本发明提出)；用于精度控制、图像采集和数据处理的计算机；用于采集图像的一个高精度彩色或黑白照相机。所述的双层圆弧的编码标记点图案为正方形块，黑色背景白色图案或白色背景黑 色图案，标记图案中心处是一个实心圆，实心圆的周围分布两层圆弧，且每层圆弧分别截自 同一个圆环，且个圆环的中心与中心的实心圆圆心重合。本发明的一种双层圆弧的编码标记点设计方法和编码的工作步骤分为以下四
止
少1.将所设计的编码标记图案根据所含圆弧的个数进行相应的分组，组号与所含圆 弧的个数相同，根据实际应用中编码标记点数量的需求情况，合理调整圆弧的个数，从而设 计出合理的编码标记点个数，本设计的圆弧个数为1-4个。2.根据第一步所得到的组别，分别对每个组的各个双层圆弧标记图案进行编码设 计方法的计算，设编码点标记点灰度图像共N*M个像素点，灰度图像为g(a，b)，则其算法如 下
M N
ΣΣβχ咖》)
=1 b=\_
~MN
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似--⑴
o=l b=\
M N
ΣΣ6χ^(α，6) cb = ^^--(2)
b=\ M N
P{ca,cb) = ΣΣ_ - (ca,cb)f g(a,b)
i =l b=l
M N
-YZ{{a-cby+(b-cb)2)g{a,b)
a=\ b=\ 根据对图像计算上述的三个值，通过下面的公式可得到一个不变性非常可靠的值 q
Vm~Ν
Γβ⑶)2 +(6-M)2)咖，δ)
V r{ca,cb) — V q=\ b=l_
~ —MN
mYLsi^b)
a=\ b=]
q = -、’二 ’……-γτ—^--(4)
5M N其中，附=^容(《，6)。
a=l b=l3.根据第1步的分组，及第2步每个组的各个标记图案的q值对所设计的的标记 图案进行编码，从圆弧个数为一个的组开始，将第2步的值分别分配给各个图案确定的编 码，编码数从1开始。4.根据第3步的编码和与其相对应的数值，编码通过所述的高精度相机所获得 含有所述的编码标记点图像对其中的标记点图案进行编码通过计算机算法提取出标记图 案，根据计算机算法的区域标号确定所含圆弧的个数，判断所在的组，然后根据第2步的算 法计算q值，把计算所得的q值与上述判断的组中的各个q值数据比较，提取出的标记图案 编码定位与之差的绝对值最小的编码号为其最终的编码。本发明的有益效果是通过本发明所提出的编码标记点的方法，能够准确快速的 识别编码标记点，对任何室内室外目标物体的快速识别提供了快速的方法，剔除误码，错 码，填补了近景三维测量不准确的空白，使测量技术前进了一大步。
图1 双层圆弧的编码标记点编码流程图；图2 几种标记图案示例图；图3 圆弧为一个的标记图案编码及a值图；图4 圆弧为两个的标记图案编码及a值图；图5 圆弧为三个的标记图案编码及a值图；图6 圆弧为四个的标记图案编码及a值图。
具体实施例方式本发明提供一种快速、可靠、实用、操作便捷的标记点设计方法，该方法能够应用 于逆向工程、零件识别与定位中涉及的图像匹配的方法。本发明的一种双层圆弧的编码标记点设计方法包括用于标记点设计的标记图案；用于精度控制、图像采集和数据处理的计算机；用于采集图像的一个高精度彩色或黑白照相机。本发明的一种双层圆弧的编码标记点设计方法具体实施的工作步骤分为以下五 步，如图1所示1.设计双层圆弧的编码标记点图案为正方形块，如图2所示，标记图案可以为黑 色背景白色图案，也可以是白色背景黑色图案，标记图案中心处是一个实心圆，实心圆的周 围分布两层圆弧，且每层圆弧分别截自同一个圆环，且个圆环的中心与中心的实心圆圆心 重合，根据实际应用中编码标记点数量的需求情况，合理调整圆弧的个数，从而设计出合理 的编码标记点个数，本设计中圆弧的个数为1-4个。2.将所设计的编码标记图案根据所含圆弧的个数进行相应的分组，组号与所含圆 弧的个数相同。3.根据第2步所得到的组别，分别对每个组的各个双层圆弧标记图案进行编码设
6计方法的计算，设编码点标记点灰度图像共N*M个像素点，灰度图像为g(a，b)，则其算法如 下
M N
ΣΣβχ· (α，6)Ca = ^lj--(1)
σ=1 A=I M NCb = ^^--(2)
σ=1
M NP{caicb) = Σ Σ [(α,b、- (ca, cb^2 Si^ b)
α=\ b=\
M N=YYj^a-Cbf +φ-cb)2)g(a,b)
α=\ b=\根据对图像计算上述的三个值，通过下面的公式可得到一个不变性非常可靠的值 q
ΓμN
ΓβAY^{{a-caf+{b-cb)2)g{a,b)
Vr(ca,cb) V a=l b=\,
q=~-~=-ττα--⑷
mYLs^b)
iJ=l b=\
M N其中，讲=ΣΣ g(a’b)。
a=\ 6=]4.根据第2步的分组，及第3步每个组的各个标记图案的q值对所设计的的标记 图案进行编码，从圆弧个数为一个的组开始，将第3步的值分别分配给各个图案确定的编 码，编码数从1开始，如图3，4，5，6所示。5.根据第4步所获得的编码和与其相对应的数值，编码通过所述的高精度相机所 获得含有所述的编码标记点图像对其中的标记点图案进行编码通过计算机算法提取出标 记图案，根据计算机算法的区域标号确定所含圆弧的个数，判断所在的组，然后根据第3步 的算法计算q值，把计算所得的q值与上述判断的组中的各个q值数据比较，提取出的标记 图案编码定位与之差的绝对值最小的编码号为其最终的编码。本发明与现有编码标记点方法最大区别有如下两点(1)本发明所设计的编码标记点设计的圆弧布局是双层圆弧，是本发明和现有标 记点的最大区别，双层的设计大大地提高了识别的精度。(2)编码标记点的识别算法有别于其他算法，通过算法获得具有良好的缩放、旋转 和平移不变性的值，剔除干扰编码标记，实现准确快速的识别物体标记点。综上所述，本发明所述编码标记点方法的优点是(1)识别精度高，不容易出现匹配误差和匹配错误，测量准确性和稳定性高；(2)识别速度快，通过改进算法实现了更快速的识别；本发明的一种双层圆弧的编码标记点设计方法在逆向工程、零件识别与定位、产品质量检测等领域具有广泛的应用前景。 以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有局限性，附图中所 示的也只是本发明的实施方式之一。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离 本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的同类部件或其它形式的各部件布局方式，不经 创造性的设计出与该技术方案相似的技术方案与实施例，均应属于本发明的保护范围。
权利要求
一种双层圆弧的编码标记点设计方法，其特征在于它包括用于标记点设计的双层圆弧编码标记图案，用于精度控制、图像采集和数据处理的计算机，用于采集图像的一个高精度彩色或黑白照相机；所述的双层圆弧的编码标记点图案为正方形块，黑色背景白色图案或白色背景黑色图案，标记图案中心处是一个实心圆，实心圆的周围分布两层圆弧，每层的圆弧分别截自同一个圆环，且各圆环的中心与中心的实心圆圆心重合，根据实际应用中编码标记点数量的需求情况，合理调整圆弧的个数，从而设计出合理的编码标记点个数。
2.根据权利要求1所述的标记图案，对双层圆弧的编码标记点编码设计的方法，其特 征在于，将所设计的编码标记图案根据所含圆弧的个数进行相应的分组，组号与所含圆弧 的个数相同。
3.根据权利要求2所得到的每个组，分别对每个组的各个双层圆弧标记图案进行编 码设计方法的计算，其特征在于，编码点标记点灰度图像共N*M个像素点，灰度图像为g(a， b)，则其算法如下
4.根据权利要求2的每个组的圆弧个数及权利要求书3的m值对权利要求1的标记图 案进行编码，其特征在于从圆弧个数为一个开始，通过权利要求3所得的值分别分配给各 个图案确定的编码，编码数从1开始。
5.根据权利要求4中的编码和与其相对应的数值，编码通过所述的高精度相机所获得 含有所述的编码标记点图像对其中的标记点图案进行编码，其特征在于通过计算机算法 提取出标记图案，根据计算机算法的区域标号确定所含圆弧的个数，判断所在的组，然后根 据权利要求3的算法计算q值，把计算所得的q值与上述判断的组中的各个q值数据比较，提取出的标记图案编码为 与q之差的绝对值最小的编码号为其最终的编码。
全文摘要
本发明属于图像处理和模式识别领域，涉及一种双层圆弧的编码标记点设计方法。该方法需要设计一系列要编码的标记图案，然后对所设计的双层圆弧的编码标记点根据计算机算法进行编码。将所设计的编码标记图案根据所含圆弧的个数进行相应的分组，组号与所含圆弧的个数相同，分别对每个组的各个双层圆弧标记图案进行编码设计方法的计算，得到一个不变性非常可靠的值，并将此值分配给各个标记图案。编码通过所述的高精度相机所获得含有双层圆弧的编码标记点图像对其中的标记点图案进行编码，通过计算机算法提取出标记图案，根据计算机算法的区域标号确定所含圆弧的个数，判断所在的组，计算不变性非常可靠的值，把计算所得的值与上述判断的所在组中的各个值数据比较，提取出的标记图案编码为与之差的绝对值最小的值的编码号为其最终的编码。本发明所提出的一种双层圆弧的编码标记点设计方法，丰富了标记点基础理论，为图像分割、匹配理论奠定基础。
文档编号G06K9/00GK101968877SQ20101050745
公开日2011年2月9日 申请日期2010年10月15日 优先权日2010年10月15日
发明者宋丽梅, 张春波 申请人:天津工业大学