一种基于QR码的定位编码标记点设计方法与流程

本发明涉及一种基于qr(quickresponse)码的定位编码标记点设计方法，更具体的说，本发明涉及一种能够应用于逆向工程、物体识别与定位中涉及的图像匹配的方法。

背景技术：

在现实生活中，大部分物体的全貌是无法通过一个观测角度来获取全部的外部结构信息的，人类的视觉可以通过移动等方式，在不借助任何外界辅助的情况下观察到所有的物体外部结构信息，但是如今计算机视觉领域里观测一个完整的物体外部结构信息对物体有很多的要求，当物体结构复杂表面不光滑时可以通过计算机视觉中匹配算法进行多个视角的图像拼接手段进行匹配拼接，从而使多个角度的三维信息数据合成一个完整的物体。但是当所测量的物体特征少，结构简单，表面光滑时，传统计算机视觉中的匹配算法会产生很差的效果，很难拼接出一个完整的物体。

在计算机视觉领域中，为提高定位的准确性，为降低相机标定的复杂程度，广泛使用编码标记点作为特征点。在机器三维视觉测量中，大视场、多角度采集图像的匹配精确性是提高三维数据拼接正确率的重要环节。在图像匹配的过程中，要求对图像对应点进行精确的检测和识别。然而对于高分辨率的大视场图像，识别出两幅图像的对应点非常困难，这就需要借助一种具有唯一编码值的标记点，人为地贴在被测物体关键特征点上拍照，通过检测和识别编码标记点来对两幅图像的特征点进行识别。编码标记点的种类有点形编码标记点、方形编码标记点、分布式编码标记点、颜色信息编码标记点、可纠错标记点和环状编码标记点。点分布式编码标记点的缺点是对于图像中的噪音、斑点和一定程度的变形比较敏感。在近景摄影测量中使用常见的是环状编码标记点，因为其设计简单，图像采集时标记点畸变对最终的解码结果影响较小。但是这种编码标记点因为其结构简单也导致所能包含的内容信息不足，对于进行大型物体三维重建时，例如邮轮，高铁或客机等，会捉襟见肘，无法通过一次性的扫描进行实时三维重建，本发明所述的基于qr码的编码标记点就可以弥补这种不足。

技术实现要素：

本发明设计了一种基于qr码的编码标记点设计方法，该方法能够应用于逆向工程、物体识别与定位中涉及的图像匹配的方法，并且在应用于大型物体或场景的三维数据扫描时具有很好的优势。

所述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相机；

用于放置所述的光源和所述的摄像机的扫描平台；

本发明设计了一种基于qr码的定位编码标记点设计方法，通过改良的qr码，生成用于图像处理中关键点定位和数据处理的含有编码的标记点。所述基于qr码的编码标记点设计方法，其包含八个步骤：

步骤1：本发明提出的编码标记点以qr码为基础，保留了qr码的部分特征，纠错级别选用h级，即纠错率为30％，编码标记点包含的内容储存在qr码中，所编辑的内容只能为文本，根据所编辑内容的大小选择版本1，版本2或版本3的qr码，内容大小在1到72比特选择版本1的qr码，内容大小在73到128比特选版本2的qr码，内容大小在129到208比特选择版本3的qr码，内容最小为1比特，最大为208比特，所述的编码标记点整体最小尺寸为3厘米*3厘米，最大尺寸为10厘米*10厘米。

步骤2：本发明提出的编码标记点是一种二维平面正方形块，背景为白色且图案为黑色，含有三个正方形定位区和编码区，正方形定位区由外侧黑色正方形框和内部黑色实心正方形组成，外侧黑色正方形框的厚度，内部黑色实心正方形的宽度和外侧黑色正方框与内部黑色实心正方形之间白色区域的厚度的比例为1∶3∶1，外侧黑色正方形框和内部黑色实心正方形的中心都重合于整个正方形定位区的中心。

步骤3：建立一个直角坐标系，划分出四个象限，所述的三个正方形定位区分别落在第一象限，第二象限和第三象限上，以落在第一象限的正方形定位区记为l1，落在第二象限的正方形定位区记为l2，落在第三象限的正方形定位区记为l3，正方形定位区l1和l3的中心点都在直线y＝x上，正方形定位区l2的中心点在直线y＝-x上，且正方形定位区l1，l2和l3两两对称，l1与l2关于x轴正半轴对称，l2与l3关于y轴负半轴对称，l1与l3关于原点对称。

步骤4：设计一个正方形特殊区域，所述的正方形特殊区域背景为白色，内容图案为黑色，所述的正方形特殊区域内容图案由外侧圆环和内部实心圆组成，圆环的环宽，实心圆直径和圆环与实心圆中间空白区域环宽的比例为1∶1∶1，且两个环心和圆心重合于图案中心点上，步骤1种所述的正方形定位区外侧黑色正方形框的厚度和正方形特殊区域的外侧圆环的环宽比例为1∶1，本发明提出的编码标记点整体最小尺寸为3厘米*3厘米，最大尺寸为10厘米*10厘米。

步骤5：在步骤3的基础上加入正方形特殊区域，正方形特殊区域的中心点应与内部黑色实心圆圆心重合于一点，并落于步骤1中的坐标系原点上，正方形特殊区域的两条正方形对角线应分别与直线y＝x和直线y＝-x重合。

步骤6：将计算机生成的所述编码标记点进行识别，检验正方形定位区图案和正方形特殊区域图案的位置和比例是否符合上述要求，校验所述编码标记点编译的内容是否正确，以上两部分都符合要求时生成的编码标记点才是有效可以使用的编码标记点，否则作废不可使用。

步骤7：步骤6中判定合格的编码标记点可以直接应用于现实工程中，将所述合格的编码标记点粘贴在需要进行匹配，定位或识别的位置上，根据三个正方形定位区进行编码标记点的粗识别，再根据正方形特殊区对粗识别中的编码标记点进行筛选，剔除误识别导致的干扰，保留剩余粗识别后的结果。

步骤8：对步骤7中识别到的编码标记点进行定位和内容读取，将识别到的编码标记点中正方形特殊区进行提取，由于正方形特殊区中内部黑色实心圆圆心所在位置是整幅编码标记点的中心，所以用计算出的内部黑色实心圆圆心所在图像的位置坐标代表编码标记点的位置坐标，最后根据qr码解码原则对编码标记点的内容进行读取。

附图说明

图1：本发明所述的编码标记点设计流程图；

图2：三个正方形定位区和正方形特殊区示意图；

图3：本发明提出的编码标记点示意图；

图4：现实场景下使用本发明提出的编码标记点；

图5：对图4进行识别的结果图。

具体实施方式

本发明设计了一种基于qr码的定位编码标记点设计方法，本发明提供了一种可靠，稳定性高，信息量大，低成本的，实用，操作便捷的编码标记点设计方法，本发明能够应用于逆向工程、物体识别与定位中涉及的图像匹配的方法。

所述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相机；

用于放置所述的光源和所述的摄像机的扫描平台；

本发明设计了一种基于qr码的编码标记点设计方法，通过改良的qr码，生成用于图像处理中关键点定位和数据处理的含有编码的标记点。图1为编码标记点设计流程图。所述基于qr码的编码标记点设计方法，其包含八个步骤：

步骤1：本发明提出的编码标记点以qr码为基础，保留了qr码的部分特征，纠错级别选用h级，即纠错率为30％，编码标记点包含的内容储存在qr码中，所编辑的内容只能为文本，根据所编辑内容的大小选择版本1，版本2或版本3的qr码，内容大小在1到72比特选择版本1的qr码，内容大小在73到128比特选版本2的qr码，内容大小在129到208比特选择版本3的qr码，内容最小为1比特，最大为208比特，所述的编码标记点整体最小尺寸为3厘米*3厘米，最大尺寸为10厘米*10厘米。

步骤2：本发明提出的编码标记点是一种二维平面正方形块，背景为白色且图案为黑色，含有三个正方形定位区和编码区，正方形定位区由外侧黑色正方形框和内部黑色实心正方形组成，外侧黑色正方形框的厚度，内部黑色实心正方形的宽度和外侧黑色正方框与内部黑色实心正方形之间白色区域的厚度的比例为1∶3∶1，外侧黑色正方形框和内部黑色实心正方形的中心都重合于整个正方形定位区的中心。

步骤3：建立一个直角坐标系，划分出四个象限，图2所示，所述的三个正方形定位区分别落在第一象限，第二象限和第三象限上，以落在第一象限的正方形定位区记为l1，落在第二象限的正方形定位区记为l2，落在第三象限的正方形定位区记为l3，正方形定位区l1和l3的中心点都在直线y＝x上，正方形定位区l2的中心点在直线y＝-x上，且正方形定位区l1，l2和l3两两对称，l1与l2关于x轴正半轴对称，l2与l3关于y轴负半轴对称，l1与l3关于原点对称。

步骤4：设计一个正方形特殊区域，所述的正方形特殊区域背景为白色，内容图案为黑色，所述的正方形特殊区域内容图案由外侧圆环和内部实心圆组成，圆环的环宽，实心圆直径和圆环与实心圆中间空白区域环宽的比例为1∶1∶1，且两个环心和圆心重合于图案中心点上，步骤1种所述的正方形定位区外侧黑色正方形框的厚度和正方形特殊区域的外侧圆环的环宽比例为1∶1，本发明提出的编码标记点整体最小尺寸为3厘米*3厘米，最大尺寸为10厘米*10厘米。

步骤5：在步骤3的基础上加入正方形特殊区域，正方形特殊区域的中心点应与内部黑色实心圆圆心重合于一点，并落于步骤1中的坐标系原点上，正方形特殊区域的两条正方形对角线应分别与直线y＝x和直线y＝-x重合。

步骤6：将计算机生成的所述编码标记点进行识别，检验正方形定位区图案和正方形特殊区域图案的位置和比例是否符合上述要求，校验所述编码标记点编译的内容是否正确，以上两部分都符合要求时生成的编码标记点才是有效可以使用的编码标记点，否则作废不可使用，图3为按照全部步骤所创建的本发明所述的编码标记点，其中图(a)中编码标记点的内容是“编码标记点a1”，图(b)中编码标记点的内容是“编码标记点b2”，图(c)中编码标记点的内容是“20190411”。

步骤7：步骤6中判定合格的编码标记点可以直接应用于现实工程中，将所述合格的编码标记点粘贴在需要进行匹配，定位或识别的位置上，根据三个正方形定位区进行编码标记点的粗识别，再根据正方形特殊区对粗识别中的编码标记点进行筛选，剔除误识别导致的干扰，保留剩余粗识别后的结果。图4为将本发明提出的编码标记点粘贴在工业机器人中的效果图。

步骤8：对步骤7中识别到的编码标记点进行定位和内容读取，将识别到的编码标记点中正方形特殊区进行提取，由于正方形特殊区中内部黑色实心圆圆心所在位置是整幅编码标记点的中心，所以用计算出的内部黑色实心圆圆心所在图像的位置坐标代表编码标记点的位置坐标，最后根据qr码解码原则对编码标记点的内容进行读取。图5为图4的识别效果图，可以获取出编码标记点的内容信息和位置信息。

本发明与现有的编码标记点方法最大的区别是：现有的大部分编码标记点均是在传统的环状编码标记点和点分布式编码标记点的基础上进行优化和改良，其根本问题无法得到解决，例如信息量少，尺寸可调范围小，可读性差。而本发明抛弃传统编码标记点的固有模型，使用qr码为基础进行改良得到的基于qr码的编码标记点可以克服上述中的缺点，本发明的编码标记点可以包含更多的信息，并且信息不仅仅是数字可以囊括更多的信息类型，从而增加操作人员对编码标记点的可读性。并且本发明在大型场景的三维数据扫描和大型场景的拼接中更能凸显优势，可以制作出大量不同编码的标记点，粘贴在需要进行处理的大型场景中进行一次性扫描和拼接，不会出现因为编码标记点信息量少而进行多次测量的情况。qr码具有纠错能力，传统的编码标记点不存在纠错能力，一旦有损坏或者畸变将导致编码标记点误识别产生错误。

综上所述，本发明所述编码标记点的优点是：

(1)自身具有编码方式的优势，信息量大，可应用于大型场景；

(2)具有纠错能力，降低误识别率，提高识别精度；

(3)信息形式丰富，提高人员可读性；

(4)拥有自身设计优势，定位操作简单。

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。