高鲁棒性的标志点解码方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明适用于图像处理【技术领域】，尤其涉及一种高鲁棒性的标志点解码方法及系统。该解码方法包括下述步骤：步骤A，估计单应矩阵并将标志点的透视投影图像变换为正投影图像；步骤B，在极坐标系下遍历标志点图像的编码段，得到每一点在笛卡尔坐标系中对应的该点的像素值并判断各编码段的长度和在二进制编码序列中的码值，以此确定每一编码段在二进制编码序列中所占的码值位数，形成一个二进制编码序列；步骤C，将所述二进制编码序列进行循环移位，并将每次移位后的序列转换为一个十进制编码值，将最小的一个十进制编码值标记为该标志点的编码值。本发明能够更好的避免拍摄角度、相机分辨率以及噪声等影响对标志点中编码特征区域的判断造成的误差。
【专利说明】高鲁棒性的标志点解码方法及系统
【技术领域】
[0001] 本发明属于图像处理【技术领域】，尤其涉及一种高鲁棒性的标志点解码方法及系 统，用于多传感器网络中大尺寸物体三维形貌的拼接和匹配。
【背景技术】
[0002] 在计算机视觉和三维测量中，对于大尺寸的三维物体，需要多个图像传感器从多 个角度对三维物体进行数据采集才能得到完整的三维形貌。而在这样的多传感器网络中， 采用全局控制网络的全局匹配方法，将不同视角的深度数据变换到统一的参考坐标系的方 法来完成多视场匹配，那么匹配的精确性是提高三维数据拼接正确率的重要环节。
[0003] 人工标志点作为重要的图像特征，广泛应用于相机标定、三维重建、深度数据匹配 等3DIM的重要领域。其中，圆形标志点以其定位精度高、易于识别的优点的到了广泛的应 用。
[0004] 不同视场的图像之间点对应关系的确立（对应点匹配）是基于立体视觉的三维重 建的基础。但是普通（非编码）标志点只是一个圆点，其所成的像一般是椭圆，相互之间无 法在形态上进行区分，对于没有任何先验知识（未经标定）的立体视觉系统，无法实现非编 码标志点的对应匹配。因此需要设计外观有区别的标记点--编码标志点，通过外观为每 个标志点确立不同的编码值，使每个编码标志点具有唯一的身份信息以确立编码点之间的 对应关系。自上个世纪以来，编码标志点已经在数字近景工业摄影测量中得到了广泛的应 用。
[0005] 编码标志点的设计方案主要分为两大类：如图1(a)、图1(b)示出的同心圆（环） 式和图1(c)、图1(d)点示出的分布式。在实际应用方面，美国GSI公司的V-STAR系统 采用的是Hattori编码标志点（图1 (c));德国AIC0N 3D公司的DPA-Pro系统采用的是 Schneider编码标志点（图1 (b))，目前DPA-Pro系统至少被两家公司集成在自己的相关产 品中：
[0006] (1)德国G0M公司的TRIT0P系统；
[0007] (2)德国 Steinbichler 公司的 C0MMET 系统。
[0008] 后来国内外诸多学者进行了研究，在Schneider标志的基础之上，国内学者Zhou 设计了双层编码环带的标志点，上海交通大学的张义力在"逆向工程数据获取中测量参考 点的设计与自动检测关键技术研究"中设计了编码环带14等分间隔的标志点。
[0009] 因此，如果能避免拍摄角度、相机分辨率以及噪声等因素对标志点中编码特征区 域的判断造成的误差，将会使标志点的解码应用更广泛。
【发明内容】
[0010] 本发明所要解决的第一个技术问题在于提供一种高鲁棒性的标志点解码方法，以 更好地避免拍摄角度、相机分辨率以及噪声等因素对标志点中编码特征区域的判断造成的 误差。 toon] 本发明是这样实现的，一种高鲁棒性的标志点解码方法，包括下述步骤：
[0012] 步骤A，估计单应矩阵，利用估计出的单应矩阵将标志点的透视投影图像变换为正 投影图像；
[0013] 步骤B，在极坐标系下遍历标志点正投影图像的编码段，得到编码段的每一像素点 在笛卡尔坐标系中对应的像素值，根据各像素值的分布情况判断各编码段的长度，以此确 定每一编码段在二进制编码序列中所占的码值位数，再将各编码段的像素值作为其在二进 制编码序列中的码值，形成一个在笛卡尔坐标系下用于表征该标志点编码值的二进制编码 序列；
[0014] 其中，所述标志点图像为环状二值编码图像，且当所述标志点的图像被等角度的 N等分时，其中每一等份作为一个像素值编码位，而每个所述编码段又包含有至少一个等 份；
[0015] 步骤C，将所述二进制编码序列进行循环移位，并将每次移位后的序列转换为一个 十进制编码值，最后将最小的一个十进制编码值标记为该标志点的编码值。
[0016] 进一步地，步骤A中单应矩阵利用如下五个点来进行估计：利用标志点图像中心 椭圆的长轴与边缘的两个交点、短轴与边缘的两个交点以及椭圆中心点。
[0017] 进一步地，步骤B具体根据如下公式将包含多个标志点的图像从极坐标系映射到 笛卡尔坐标系中：
[0018] X = x〇+rX cos (theta)；
[0019] Y = y〇+rX sin (theta)；
[0020] 其中，X(l为极坐标变换中心横坐标，y(l为极坐标变换中心纵坐标，r表示极径， theta表示极角；极径r在标志点的图像范围之内。
[0021] 更进一步地，所述极径r取值为：r e [2R，3R]，R为标志点的图像的中心圆半径； 所述极角 theta 取值为：thetae [1°，360° ]。
[0022] 再进一步地，步骤B中遍历编码段的具体方式为：
[0023] 将极径r作为定量，将极角theta以Γ的等间隔取360个角度值作为变量，遍历 标志点正投影图像的编码段；其中，极径r = 2. 5R。
[0024] 进一步地，所述标志点的图像的中心圆半径、编码环带内半径、编码环带外半径的 比值为1 : 2 : 3。
[0025] 本发明所要解决的第二个技术问题在于提供一种高鲁棒性的标志点解码系统，其 包括下述模块：
[0026] 透视投影变换模块，用于利用估计出的单应矩阵将标志点的透视投影图像变换为 正投影图像；
[0027] 坐标变换模块，用于在极坐标系下遍历标志点正投影图像的编码段，得到编码段 的每一像素点在笛卡尔坐标系中对应的像素值，根据各像素值的分布情况判断各编码段的 长度，以此确定每一编码段在二进制编码序列中所占的码值位数，再将各编码段的像素值 作为其在二进制编码序列中的码值，形成一个在笛卡尔坐标系下用于表征该标志点编码值 的二进制编码序列；其中，所述标志点图像为环状二值编码图像，且当所述标志点的图像被 等角度的N等分时，其中每一等份作为一个像素值编码位，而每个所述编码段又包含有至 少一个等份；
[0028] 解码标记模块，用于将所述二进制编码序列进行循环移位，并将每次移位后的序 列转换为一个十进制编码值，最后将最小的一个十进制编码值标记为该标志点的编码值。
[0029] 进一步地，所述坐标变换模块根据如下公式将包含多个标志点的图像从极坐标系 映射到笛卡尔坐标系中：
[0030] X = x〇+rX cos (theta)；
[0031] Y = y〇+rX sin (theta)；
[0032] 其中，X(l为极坐标变换中心横坐标，y(l为极坐标变换中心纵坐标，r表示极径， theta表示极角；极径r在标志点的图像范围之内。
[0033] 本发明中，由于单应矩阵变换能够有效消除倾斜拍摄角度的影响，而极坐标本身 具有旋转不变性，能够消除旋转的影响；对编码环带的过采样能够在一定程度上消除相机 分辨率以及噪声的负面影响，因此可以在保证高鲁棒性的前提下具有广泛的适用性，能够 更好的避免拍摄角度、相机分辨率以及噪声等影响对标志点中编码特征区域的判断造成的 误差。
【专利附图】
【附图说明】
[0034] 图la、图lb是编码标志点同心圆（环）式设计示意图；
[0035] 图lc、图Id是编码标志点的点分布式设计示意图；
[0036] 图2是本发明提供的环状编码标志点的高鲁棒性解码方法的实现流程图；
[0037] 图3a是本发明提供的编码标志点的设计原理图；
[0038] 图3b是本发明采用图3a所示原理设计出的一个标志点示意图；
[0039] 图4是对贴附有本发明提供的编码标志点的标靶从一个有一定倾斜和旋转的角 度拍摄得到的图像；
[0040] 图5、图6是本发明提供的坐标变换的原理图；
[0041] 图7是本发明提供的一种编码值为1463的标志点示意图；
[0042] 图8是对图7所示标志点进行解码的流程图；
[0043] 图9是对图4中图像的解码结果示意图；
[0044] 图10是本发明提供的环状编码标志点的高鲁棒性解码系统的逻辑结构图。
[0045] 图11是本发明提供的透视投影变换为正投影的示意图。
【具体实施方式】
[0046] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0047] 本发明选取比较实用且易于扩充的Schneider编码图案作为研究的基础，所用的 解码方法在保证高鲁棒性的前提下具有广泛的适用性，无论12等分还是14等分亦或是更 加细分的编码环带均可以达到很高的解码正确率。
[0048] 图2示出了本发明提供的高鲁棒性的标志点解码方法的实现流程，详述如下。
[0049] 步骤A，估计单应矩阵，利用求解出的单应矩阵将标志点的透视投影图像变换为正 投影图像；
[0050] 本发明中，标志点的图像为环状二值编码图像，且当所述标志点的图像被等角度 的N等分时，其中每一等份作为一个像素值编码位，如图3a所示，其中包围中心的圆环即为 编码特征区域----编码环带，被等角度地分成N等分（称为N bits位编码），每一等份称 为一个编码位，每一编码位可以看作是一个二进制位，黑色表示〇,白色表示1，这样每个标 志点都可以解码为一个N位二进码，而且中心圆半径、编码环带内半径、编码环带外半径的 比值为1 : 2 : 3。采用图3a设计原理而设计的标志点图3b中，每个白色的编码段可以包 含有至少一个上述的等份。
[0051] 上述标志点采用软件AIC0N的标志点生成器即可生成。将软件AIC0N的标志点生 成器生成的一套具有不同编码值的标志点粘贴在标靶上，使用摄像机（如单反相机）从拍 摄带有标志点的标靶，将采集的图像传输到计算机中。本发明对含有72个不同标志点的标 靶从一个有一定倾斜和旋转的角度进行拍摄，如图4所示。
[0052] 然后，再对采集的图像进行边缘检测，通过一系列限制条件和判据来过滤噪声和 非目标对象，完成目标的识别。之后，对摄像机所拍摄到的标志点图像进行边沿的亚像素定 位，定位过程如下：
[0053] 步骤1 :采用Canny算子进行标志点的边缘检测；
[0054] 步骤2 :根据长度判据（标志点边缘像素数）、闭合判据、亮度判据以及形状判据等 一系列约束条件得到只包含标志点边缘的图像；
[0055] 步骤3 :基于曲面拟合的圆形标志点的亚像素中心定位算法，利用边缘亚像素定 位结合椭圆曲线拟合的方法和基于曲面拟合的方法进行亚像素中心定位；
[0056] 亚像素边缘定位：对像素级边缘的每个像素的5X5邻域进行三次多项式曲面拟 合，求取曲面的一阶导数局部极值的位置，即亚像素位置。
[0057] 设图像邻域模型为：
[0058]
【权利要求】
1. 一种高鲁棒性的标志点解码方法，其特征在于，包括下述步骤： 步骤A，估计单应矩阵，利用估计出的单应矩阵将标志点的透视投影图像变换为正投影 图像； 步骤B，在极坐标系下遍历标志点正投影图像的编码段，得到编码段的每一像素点在 笛卡尔坐标系中对应的像素值，根据各像素值的分布情况判断各编码段的长度，以此确定 每一编码段在二进制编码序列中所占的码值位数，再将各编码段的像素值作为其在二进制 编码序列中的码值，形成一个在笛卡尔坐标系下用于表征该标志点编码值的二进制编码序 列； 其中，所述标志点图像为环状二值编码图像，且当所述标志点的图像被等角度的N等 分时，其中每一等份作为一个像素值编码位，而每个所述编码段又包含有至少一个等份； 步骤C，将所述二进制编码序列进行循环移位，并将每次移位后的序列转换为一个十进 制编码值，最后将最小的一个十进制编码值标记为该标志点的编码值。
2. 如权利要求1所述的高鲁棒性解码方法，其特征在于，步骤A中单应矩阵利用如下五 个点来进行估计：利用标志点图像中心椭圆的长轴与边缘的两个交点、短轴与边缘的两个 交点以及椭圆中心点。
3. 如权利要求1所述的标志点解码方法，其特征在于，步骤B具体根据如下公式完成极 坐标系到笛卡尔坐标系的对应： X = x〇+rX cos (theta)； Y = y〇+rX sin (theta)； 其中，为极坐标变换中心横坐标，y〇为极坐标变换中心纵坐标，r表示极径，theta表 示极角；极径r在标志点的图像范围之内。
4. 如权利要求3所述的标志点解码方法，其特征在于，所述极径r取值为：re [2R， 3R]，R为标志点的图像的中心圆半径；所述极角theta取值为：thetae[l°，360° ]。
5. 如权利要求4所述的标志点解码方法，其特征在于，步骤B中遍历编码段的具体方式 为： 将极径r作为定量，将极角theta以Γ的等间隔取360个角度值作为变量，遍历标志 点正投影图像的编码段；其中，极径r = 2. 5R。
6. 如权利要求1所述的标志点解码方法，其特征在于，所述标志点图像的中心圆半径、 编码环带内半径、编码环带外半径的比值为1 : 2 : 3。
7. -种高鲁棒性的标志点解码系统，其特征在于，包括下述模块： 透视投影变换模块，用于利用估计出的单应矩阵将标志点的透视投影图像变换为正投 影图像； 坐标变换模块，用于在极坐标系下遍历标志点正投影图像的编码段，得到编码段的每 一像素点在笛卡尔坐标系中对应的像素值，根据各像素值的分布情况判断各编码段的长 度，以此确定每一编码段在二进制编码序列中所占的码值位数，再将各编码段的像素值作 为其在二进制编码序列中的码值，形成一个在笛卡尔坐标系下用于表征该标志点编码值的 二进制编码序列；其中，所述标志点图像为环状二值编码图像，且当所述标志点的图像被等 角度的N等分时，其中每一等份作为一个像素值编码位，而每个所述编码段又包含有至少 一个等份； 解码标记模块，用于将所述二进制编码序列进行循环移位，并将每次移位后的序列转 换为一个十进制编码值，最后将最小的一个十进制编码值标记为该标志点的编码值。
8. 如权利要求7所述的高鲁棒性解码系统，其特征在于，所述坐标变换模块根据如下 公式将包含多个标志点的图像从极坐标系映射到笛卡尔坐标系中： X = x〇+rX cos (theta)； Y = y〇+rX sin (theta)； 其中，为极坐标变换中心横坐标，y〇为极坐标变换中心纵坐标，r表示极径，theta表 示极角；极径r在标志点的图像范围之内。
9. 如权利要求8所述的高鲁棒性解码系统，其特征在于，所述极径r取值为：re [2R， 3R]，R为标志点的图像的中心圆半径；所述极角theta取值为：theta e [Γ，360° ];所 述标志点的图像的中心圆半径、编码环带内半径、编码环带外半径的比值为1 : 2 : 3。
10. 如权利要求9所述的高鲁棒性解码系统，其特征在于，所述坐标变换模块将极径r 作为定量，将极角theta以Γ的等间隔取360个角度值作为变量，遍历标志点正投影图像 的编码段；其中，极径r = 2.5R。
【文档编号】G06T7/00GK104299249SQ201410413706
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年8月20日 优先权日:2014年8月20日
【发明者】刘晓利, 姚梦婷, 殷永凯, 彭翔 申请人:深圳大学