用于单目视觉定位的非镜像对称二维码标志图形校验及布局方法与流程

本发明涉及单目相机视觉定位领域，具体涉及非镜像对称二维码标志图形校验及布局方法。
背景技术：
：目前，单目相机视觉定位主要应用在增强现实(augmentedreality，ar)和虚拟现实(virtualreality，vr)系统中。在ar或vr系统中，通过对标识物的位置与姿态进行估计，将虚拟的3d影像经过相应的变换后与拍摄的图像进行融合，以实现增强现实或虚拟现实的目标。artoolkit是一个在过去十年间被广泛应用的开源ar软件，其使用的标识图形是一个尺寸已知的方形框中放置自定义的辨识模型(identifiablepatterns)，辨识模型可以是文字或图片，然后利用模板匹配(templatematching)的方式对所拍摄图像中的标识图形进行识别。由于识别算法中使用的是模板匹配，故而在标识物图形相对相机姿态较大时，识别精度不高，此外，虽然可以使用自定义的文字或图像作为辨识模型，从而在一个定位系统中创建相当多的可用标识物，但正是由于这种自由性，也使得系统在应用时需要消耗大量的时间进行模型的创建和校验等工作，复用性差。visualcode使用了由11×11共121个码元聚合构成的二维码图形作为标识物，其特征是通过在二维码的右下部使用一长一短的两个导航条(guidebars)来确定标识物的取向，在其余三个角点使用黑色方块获得畸变参数，并包含83位数据码，可以在同一个系统中获得大量可用编码，如图1所示。由于使用编码来构建标识物，与artoolkit相比，系统复用性得到极大的提高，但是由于编码位数过多，为了可靠的获得全部数据，单目相机所拍摄的图像中，标识物需要占很大的面积，这使得其仅适用于短距离、小角度的位置和姿态估计。reactivision使用了遗传算法(geneticalgorithm)来得到经过优化的标识物，一个典型的标识图形如图2所示。与visualcode相比，其可应用的定位距离更远，但标识物的产生方法过于复杂，重用性降低，且识别算法的难度也很大。此外，其对于人来说不够直观，不方便人工进行数据的检查与校验。aruco是现阶段使用意义最大的增强现实系统之一，其使用的标识物是在一个大小已知的矩形框中放置n×n(n通常等于5)的经过hamming(7,4)编码的数据，一个典型的标识物如图3所示，该标识物中含10位数据码，15位校验码，即每两位数据经过补零变成4位后再通过hamming(7,4)编码获取3位校验码。故而aruco系统中的标识物与其它系统相比，产生算法简单，易于复用；同一系统中可用编码总量较大，如图3所示的系统中可用编码总数达1024个；数据码数量适中，可用于较远距离的单目视觉导航。但aruco中的标识物也存在一个明显的问题，那就是其采用的编码方式具有镜像对称性，即某一编号所对应的标识物，其镜像与另一编号所对应的标识物相同，这使得其无法应用在存在大量镜面反射条件的环境中。技术实现要素：本发明的目的是为了解决现有技术存在数据位过多摄像头精度低时无法识别、无法人工进行数据的检查与校验以及二维码在镜像条件下形成错误的(即符合编码规则但与预设编码值不同的)二维码导致定位错误的问题，而提出用于单目视觉定位的非镜像对称二维码标志图形校验及布局方法。用于单目视觉定位的非镜像对称二维码标志图形校验及布局方法包括以下步骤：步骤一：将二维码标志图形分成7×7个矩形码元，即将二维码标志图形分成7行7列，共49个矩形码元，每个矩形码元用(i，j)表示，i表示行号，j表示列号，将i＝1、i＝7、j＝1和j＝7的矩形码元组成的矩形环称为矩形辨识环；除矩形辨识环外的码元构成编码域；编码域由25个矩形码元构成，即为25个编码位；每个编码位有0或1两种状态，每个状态填充一种颜色(所有状态为0的颜色相同，所有状态为1的颜色相同，0和1的颜色不同)；步骤二：对矩形辨识环进行纯色填充；步骤三：将位于(2，2)、(2，6)、(6，6)和(6，2)的码元称为锚位，将位于(2，3)、(2，4)、(2，5)、(3，6)、(4，6)、(5，6)、(6，5)、(6，4)、(6，3)、(5，2)、(4，2)和(3，2)的码元称为数据位，将位于(3，3)、(3，4)、(3，5)、(4，5)、(5，5)、(5，4)、(5，3)和(4，3)的码元称为校验位，将位于(4，4)的码元称为冗余位；步骤四：位于(2，2)、(2，6)和(6，6)的码元设置为相同状态，位于(2，2)、(2，6)和(6，6)的码元与位于(6，2)的码元设置为不同状态；步骤五：每个数据位有2种状态，12个数据位共有4096种状态，即4096种编码，选择一种编码按照(2，3)、(2，4)、(2，5)、(3，6)、(4，6)、(5，6)、(6，5)、(6，4)、(6，3)、(5，2)、(4，2)、(3，2)顺序依次填充颜色；步骤六：按照步骤五中选择的编码，计算校验位，填充校验位颜色；步骤七：冗余位作为第九个校验位、填充文字、填充图形、不参与校验计算的第十三个数据位或者不使用。本发明的有益效果为：在单目视觉定位领域中，针对现存的一些二维码标志图形(又称标识图形)的校验和布局方式存在镜像对称的问题，本发明提出了一种新的二维码标志图形校验及布局方法。与其它方式获得的二维码标识图形相比，该方法布局简单、易于实现，数据码与校验码分离，方便人工检查和校验；同时，增大了数据码的位数，从而极大的扩增了系统中可用编码的总数；最重要的是，通过该方法产生的二维码标识图形具有非镜像对称性，从而适用于存在大面积镜面反射条件的环境。对于图1中所示的二维码标志图像，假设利用分辨率为640像素*480像素的相机进行拍摄，拍摄得到的二维码标识图像变换为正视图后尺寸为100像素*100像素，则每个数据位的图像尺寸约为9像素*9像素。对于本发明的二维码标志图，相同条件下，每个数据位的图象尺寸为14像素*14像素，明显大于图1中所示二维码标志图像，即解决其因为数据位过多或摄像头精度不高时，每个数据位因为图像尺寸太小导致识别错误(即“无法识别”)的问题。与其它方式获得的二维码标识图形相比，通过本发明中所述方法得到的二维码标识图像，具备以下4个优点。(1)布局方式简单直观、编码手段易于实现；(2)数据码与校验码分离，方便进行人工数据检查和校验；(3)与部分其它手段相比，增大了数据码的位数，从而极大的扩增了系统中可用编码的总数，本发明中在不使用冗余位的情况下，单一系统(补充码已知，后同)可用编码总数达到了4096个，若通过其它手段能辅助获得补充码的信息，则编码总数可达4194304个；(4)依据本发明所述方法获得的二维码标识图形，在单一系统中，具备非镜像对称性的编码达到总编码数的99.6％，共计4080个，与其它二维码标识物相比，更适用于具有大面积镜面反射条件的环境。附图说明图1为典型visualcode标识物示例图；图2为典型reactivision标识物示例图；图3为典型aruco标识物示例图；图4为二维码标志图形布局方法图；图5为镜像映射图；图6为二维码标志码元定义图；图7为利用本
发明内容制作的编号为2710的二维码标志图像。具体实施方式具体实施方式一：用于单目视觉定位的非镜像对称二维码标志图形校验及布局方法包括以下步骤：步骤一：将二维码标志图形分成7×7个矩形码元，即将二维码标志图形分成7行7列，共49个矩形码元，每个矩形码元用(i，j)表示，i表示行号，j表示列号，将i＝1、i＝7、j＝1和j＝7的矩形码元组成的矩形环称为矩形辨识环；除矩形辨识环外的码元构成编码域；编码域由25个矩形码元构成，即为25个编码位；每个编码位有0或1两种状态，每个状态填充一种颜色(所有状态为0的颜色相同，所有状态为1的颜色相同，0和1的颜色不同)；步骤二：对矩形辨识环进行纯色填充；步骤三：如图6所示，将位于(2，2)、(2，6)、(6，6)和(6，2)的码元称为锚位，将位于(2，3)、(2，4)、(2，5)、(3，6)、(4，6)、(5，6)、(6，5)、(6，4)、(6，3)、(5，2)、(4，2)和(3，2)的码元称为数据位，将位于(3，3)、(3，4)、(3，5)、(4，5)、(5，5)、(5，4)、(5，3)和(4，3)的码元称为校验位，将位于(4，4)的码元称为冗余位；步骤四：位于(2，2)、(2，6)和(6，6)的码元设置为相同状态，位于(2，2)、(2，6)和(6，6)的码元与位于(6，2)的码元设置为不同状态；步骤五：每个数据位有2种状态，12个数据位共有4096种状态，即4096种编码，选择一种编码按照(2，3)、(2，4)、(2，5)、(3，6)、(4，6)、(5，6)、(6，5)、(6，4)、(6，3)、(5，2)、(4，2)、(3，2)顺序依次填充颜色；步骤六：按照步骤五中选择的编码，计算校验位，填充校验位颜色；步骤七：冗余位作为第九个校验位、填充文字、填充图形、不参与校验计算的第十三个数据位或者不使用。本发明中所设计的用于单目相机视觉定位系统的标志图形由7×7共49个矩形码元聚合组成的矩形二维码构成，其布局方式如图4所示。图4中黑色网格线是为了区分各码元，实际并不存在。下面对所设计的布局方法进行详细说明。图4中最外圈码元(图示中深灰色部分)称为矩形辨识环(rectangularidentificationring)，采用纯色填充，颜色不仅限于黑、白、灰等，可根据辨识度要求随意指定，为方便说明，后文中将使用黑色进行填充。矩形辨识环的作用有两个，一是其构成了闭合矩形轮廓，在识别时便于将标识物从环境背景中过滤出来，二是由于其边长对于视觉定位系统来说是已知的，结合相机参数可用于最终相机与标识物间相对位置与姿态关系的确定。图4中除去矩形辨识环部分外，其余部分统称为编码域(coderegion)，共含25个编码位(codebit)，其中包含4个锚位(anchorbit)、12个数据位(databit)、8个校验位(paritybit)以及一个冗余位(redundantbit)。编码域中的编码位均为二进制位，每一位仅含“0”与“1”两个状态。在对编码域进行填充时，处于“0”状态的编码位填充同一种颜色，处于“1”状态的数据位填充另外一种颜色，具体填充何种颜色根据辨识度要求和周围环境而定，不仅局限于黑、白、灰三种颜色。在后文中为方便说明，处于“1”状态的编码位填充为黑色，处于“0”状态的编码位填充为白色。编码域中的锚位如图4中数字0、4、8、12所在位置，其用于指示标识图形的方向(orientation)。4个锚位中三个位的状态相同并且与最后一位相异，即0、4、8位状态相同，与12位状态相异。在此共有两种方式表达这种状态，当0、4、8位状态为“1”时，12位状态为“0”，或者当0、4、8位状态为“0”时，12位状态为“1”。在此为方便说明问题，后文中0、4、8位状态统一取为“1”，12位状态取为“0”。锚位状态确定后，为了表明标识图形的方向，还需确定第一个编码位的位置，在此规定取4个锚位中，状态与其它三个锚位不同的那个位的顺时针或逆时针方向的第一个锚位为第一个编码位。在确定了第一编码位后，其它编码位的排序根据选定的方向螺旋排列确定。后文中为便于说明问题，统一取顺时针方向，如图4所示，则0位为第一编码位，24位为最后编码位，编码位排序为0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24。由图4可知，编码域共3层，其中锚位处于最外层。编码域最外层中除去锚位外，其它的编码位为数据位，数据位的排列顺序与编码位相同。如图4所示，1位为第一数据位，15位为最后数据位，数据位排序为1、2、3、5、6、7、9、10、11、13、14、15。冗余位处于编码域最内层，亦即最中心处，如图4所示冗余位为24位。冗余位既可当做第13个数据位使用，也可以当做第9个校验位使用，或者留空不使用，再或者填充其它文字或图形信息，如系统参数、商标等。在此为便于说明问题，选择不使用冗余位。编码域最外层与最内层间为校验位，即图4中16至23位。规定第一编码位与冗余位间的编码位为第一校验位，校验位排序与编码位排序相同。如图4所示16位为第一校验位，23位为最后校验位，校验位排序为16、17、18、19、20、21、22、23。首先，本发明提出了一种新的利用已知编码制作二维码标识图形的方法，即一种全新的二维码标识图形布局方法。简单的说来，就是通过4个锚位来确定标识图形的方向，通过数据位来对二维码标识图形进行编码，通过校验位以及矩形编码环对单目摄像机所拍摄的图像中存在的二维码标识图形进行识别和校验。其次，本发明结合hamming(15,11)编码算法，提出了适合本发明中二维码标识图形布局方法的校验算法。简单的说来，就是通过将原12位数据位分为2组6位数据码后，通过分别补充5位补充码，得到2组11位数据码，然后分别使用hamming(15,11)算法进行编码，得到总计8位校验码。最后，综合使用本发明中设计的二维码标识图形的校验与布局方法，得到了具备非镜像对称性的二维码标识图形，在单一系统中，占全部编码总数的99.6％。hammingcode是电信领域中使用的一种编码，中文翻译为“汉明码”或“海明码”。“(15，11)”代表长度为11的二进制编码经过hammingcode方法计算得到4位校验位，再将校验位根据hammingcode方法要求插入原11位数据的不同位置，得到长度为11位的新编码。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤四中位于(2，2)、(2，6)和(6，6)的码元与位于(6，2)的码元状态不同具体为：若将位于(2，2)、(2，6)和(6，6)的码元状态设置为1，则位于(6，2)的码元状态则为0；若将位于(2，2)、(2，6)和(6，6)的码元状态设置为0，则位于(6，2)的码元状态则为1；即位于(2，2)、(2，6)和(6，6)的码元填充的颜色与位于(6，2)的码元的颜色不同。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤六中按照步骤五中选择的编码，计算校验位，填充校验位颜色的具体过程为：步骤六一：将步骤五选择的编码分为两组，(2，3)、(2，4)、(2，5)、(3，6)、(4，6)和(5，6)为第一组，(6，5)、(6，4)、(6，3)、(5，2)、(4，2)和(3，2)为第二组；步骤六二：向第一组和第二组编码中任意插入5位二进制补充码，将长度各扩增为11位；判断两组扩增为11位的编码是否是镜像对称码，若不是镜像对称码，执行步骤六三，若是镜像对称码，则返回步骤五从4096种编码中重新选择一种；所述镜像对称码的定义为：一个任意长度大于1位的二进制编码集合中的编码，在经过镜像映射后，其码序会被改变，得到新的编码，若新编码仍属于原集合，则称原编码具备镜像对称性，新编码为其镜像对称码，若新编码与原编码相同，则称原编码具备自身镜像对称性，原编码为自镜像对称码；所述镜像映射的定义为：一个任意长度大于1位的二进制编码，在经过任意的一个编码位位置调整操作后，得到的新编码码序与原编码不同，则该编码位置调整操作称为镜像映射。步骤六三：将步骤六二中扩增为11位的两组编码采用hamming(15,11)算法，得到第一组对应的4位二进制校验码ⅰp和第二组对应的4位二进制校验码ⅱp；步骤六四：将步骤六三得到的第一组对应的4位二进制校验码ⅰp按照顺序依次填充至(3，3)、(3，4)、(3，5)、(4，5)的位置(即将第一位校验码填充至(3，3)，第二位校验码填充至(3，4))，将得到的第二组对应的4位二进制校验码ⅱp按照顺序依次填充至(5，5)、(5，4)、(5，3)、(4，3)的位置。根据图4所示二维码标识图像布局方法，可将编码位功能总结如表1所示。由于24位为冗余位，在此为方便说明问题，默认不使用。表1中“a”代表锚位，“d”代表数据位，“p”代表校验位，0位为最低码位，23位为最高码位。表1编码位功能表功能adddadddadddaddd位号0123456789101112131415功能pppppppp--------位号1617181920212223--------如前文所述，所设计的二维码标识图像中共含12个数据码，8个校验码。校验码计算方法如下：(1)将12位数据码根据码序分为等长的ⅰ、ⅱ两组码；(2)向ⅰ中插入长度为5位的补充码，将其长度扩增为11位；(3)向ⅱ中插入长度为5位的补充码，将其长度扩增为11位；(4)对ⅰ应用hamming(15,11)算法，得到ⅰ对应的4位校验码ⅰp；(5)对ⅱ应用hamming(15,11)算法，得到ⅱ对应的4位校验码ⅱp；(6)按照ⅰp、ⅱp的顺序，即得到所需12位数据码的8位校验码。所提到的“扩增”并不限制扩增的具体手段，可以连续或间断的在被扩增码的任意码位插入任意长度的扩增码，只要经过扩增后，总码长达到11位即可，为了方便描述问题，后文中将采用在被插入码最高位，亦即其最后一个码位后插入连续的5位补充码的方式实现。根据hamming(15,11)算法如表2所示，其中{pi}表示第i个校验位，{di}表示第i个数据位，i＝0、1、2……。表2hamming(15,11)算法其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤六二中镜像对称条件具体为：本发明所述方法完成了标识图形的编码和布局等问题，解决了标识图形的产生问题，接下来要通过理论推导检验通过该方法得到的二维码标识图形编码几何中是否存在镜像对称码，若存在，确定其数量。在将编码集合中的全部镜像对称码去除后，即可得到具有非镜像对称性的二维码标识图形。首先定义镜像对称码。某长度大于1位的二进制编码集合中的编码，在经过镜像映射后，其码序会被改变，得到新的编码，若新编码仍属于原集合，则称原编码具备镜像对称性，新编码为其镜像对称码，若新编码与原编码相同，则称原编码具备自身镜像对称性，原编码为自镜像对称码。使用数学语言描述如下。使得c的码序与d的码序不同，称f为镜像映射。使得b∈a，则称编码a具备镜像对称性，b为a的镜像对称码；若a＝b，则称编码a具备自身镜像对称性，a称为自镜像对称码。结合前文所述的二维码标识图形的布局方式，从理论上证明其编码集合中是否存在具备镜像对称性的编码，若存在，推导出其数量。设原编码集合为c，x为其中一个编码，表示为x＝[x0x1…x23](0位为编码最低位，23位为编码最高位，后同)，经过镜像映射f后的新编码集合为d，y＝[y0y1…y23]。如图5所示，左侧图像为编码x根据上述布局方式得到的二维码标识图形，其中x0、x4、x8、x12为锚位，经图5中部假想镜面映射后，其图像如图5中右侧图像所示。根据前文所述编码的布局方法，x0位为原像第一编码位，x23位为原像最后编码位(由于冗余位位序号不受镜像映射的影响，故在此不参与讨论)；x8位为镜像第一编码位，x21为镜像最后编码位。利用编码y表示编码x的镜像码，如表3所示。表3编码y与编码x的镜像码的码位关系根据前文所述有关镜像对称性的定义，若编码x存在镜像对称性，则编码y应属于集合c，即编码y应能通过应用在编码x上的校验算法。根据前文“数据校验方法”所述内容，编码x的校验算法如下。(1)将编码x的12位数据码根据码序分为等长的xⅰ、xⅱ两组码，即有xⅰ＝[x1x2x3x5x6x7]，xⅱ＝[x9x10x11x13x14x15](2)向xⅰ中插入长度为5位的补充码，将其长度扩增为11位，即有xⅰ＝[x1x2x3x5x6x7a0a1a2a3a4](3)向xⅱ中插入长度为5位的补充码，将其长度扩增为11位，即有xⅱ＝[x9x10x11x13x14x15b0b1b2b3b4](4)对xⅰ应用hamming(15,11)算法，得到4位校验码xⅰp，即有xⅰp＝[x16x17x18x19](5)对xⅱ应用hamming(15,11)算法，得到4位校验码xⅱp，即有xⅱp＝[x20x21x22x23](6)按照xⅰp、xⅱp的顺序，得到12位数据码的8位校验码xp，即有xp＝[x16x17x18x19x20x21x22x23]根据上述算法，可得到式(1)：式(1)中符号表示通常意义上的异或操作，即相同状态异或结果为“0”状态，相异状态异或结果为“1”状态。根据前文“数据校验方法”所述内容，结合表3的对应关系，编码y的校验算法如下。(1)将编码y的12位数据码根据码序分为等长的yⅰ、yⅱ两组码，即有yⅰ＝[x7x6x5x3x2x1]，yⅱ＝[x15x14x13x11x10x9](2)向yⅰ中插入长度为5位的补充码，将其长度扩增为11位，即有yⅰ＝[x7x6x5x3x2x1a0a1a2a3a4](3)向yⅱ中插入长度为5位的补充码，将其长度扩增为11位，即有yⅱ＝[x15x14x13x11x10x9b0b1b2b3b4](4)对yⅰ应用hamming(15,11)算法，得到4位校验码yⅰp，即有yⅰp＝[y16y17y18y19](5)对yⅱ应用hamming(15,11)算法，得到4位校验码yⅱp，即有yⅱp＝[y20y21y22y23](6)按照yⅰp、yⅱp的顺序，即得到12位数据码的8位校验码yp，即有yp＝[y16y17y18y19y20y21y22y23]根据上述算法，可得到式(2)若编码y属于集合c,则其应满足约束计算镜像对称检验参数c1、c2、c3：其中a0、a1、a2、a4分别为向第一组编码中插入的第一位、第二位、第三位、第五位二进制补充码，b0、b1、b2、b4分别为向第二组编码中插入的第一位、第二位、第三位、第五位二进制补充码，为异或运算；若计算出的c1、c2、c3满足下式，则步骤五中选择的编码符合镜像对称条件；其中x1、x2、x3、x5、x6、x7、x9、x10、x11、x13、x14、x15依次为(2，3)、(2，4)、(2，5)、(3，6)、(4，6)、(5，6)、(6，5)、(6，4)、(6，3)、(5，2)、(4，2)、(3，2)的数据位的状态(二进制)。当校验算法中补充码的形式确定后，c1、c2、c3均为定值，则约束条件(4)中共含有4个独立变量，当4个独立变量的值确定后，全部12个数据位均能依次确定下来。例如，选定x1、x3、x5、x9作为独立变量，一旦确定其值，则全部数据位均能得到。因为每个独立变量均只有两种取值，故集合c中，具备镜像对称性的编码数量为16个。进一步的，若在式(3)的基础上再增加约束式(5)，即可得到自镜像对称码。当补充码的形式确定后，联立式(4)、(5)可知，此时共有3个独立变量，集合c中具备自镜像对称性的编码共有8个。结合前述内容，可知本发明所设计的二维码标识图形中含12个数据位(不使用冗余位时)，共含4096个编码，其中16个编码具有镜像对称性，非镜像对称编码数量达到了4080个，占全部编码数量的99.6％。在补充码确定时，通过式(4)可获得全部镜像对称码，在编码集合全集中将其去除，即可得到非镜像对称性码集合，从而得到具备非镜像对称性的二维码标识图形集合。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤七中第十三个数据位和第九个校验位可设置为0或1。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。采用以下实施例验证本发明的有益效果：实施例一：设所构造的二维码标识图像的编号为2710(十进制表示)，规定二进制码序为最低位到最高位顺序排列，即其数字位为x＝[011010010101]将编码x根据码序分为等长的两组，即xⅰ＝[011010]，xⅱ＝[010101]设补足码全部为0，则经过扩充后有xⅰ＝[01101000000]，xⅱ＝[01010100000]对xⅰ码进行hamming(15,11)编码，得校验码xⅰp＝[0101]对xⅱ码进行hamming(15,11)编码，得校验码xⅱp＝[0001]即得到校验码xp＝[01010001]结合数据码x与校验码xp，插入锚位后，得到编号2710所对应的编码为c＝[101110101010010101010001]设冗余码为“0”，用编码c布局得到的二维码标识图形如图7所示。以上实现过程中对锚位、补充码、冗余码以及二维码标识图形的布局方式和填充方式等均做了假设。本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。当前第1页12