專利名稱：一種基于象限的編碼標記點設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于象限的編碼標記點設(shè)計方法，更具體的說，本發(fā)明涉及一種 能夠用于逆向工程、零件識別與定位中涉及的圖像匹配的方法。
背景技術(shù)：
目標分割一直是計算機視覺中和近景測量的一個關(guān)鍵問題，準確地從圖像中分割 出感興趣目標對圖象分析、逆向工程的圖像匹配和模式識別等處理具有極為重要的意義， 在這一過程中對被測物體進行標記點標記，從而確定被測物體的準確的位置信息顯得尤為 重要。近景攝影測量包括低空攝影測量、地面和室內(nèi)近景攝影測量，是目前國內(nèi)外研究的熱 點。在傳統(tǒng)的近景攝影測量手段中，如果要獲取待測點的三維坐標，需要滿足兩個條件一 是要求待測點本身紋理豐富，處于適宜的攝影環(huán)境中，能夠獲取合乎質(zhì)量的立體像對；二是 需要在待測物點表面或周圍布設(shè)一定數(shù)量的控制點，目前，現(xiàn)有的較成熟的標記點設(shè)計主 要有由Cootes提出的主動形狀模型(Active ShapeModel，簡稱ASM)方法，等距標定方法， Hill提出的采用最小化形狀模型的標定方法，Baumberg和Hogg提出的利用主軸和輪廓的 交點作為參考點進行局部等距標定的方法，Souza和Jayaram提出的自動標定方法，基于變 分域的主動形狀模型標記點自動標定，這些方法在一定程度上可以滿足對物體進行全場檢 測的編碼標志點拼接法的要求，但還分別存在以下不足所述的ASM通過目標樣本圖像的訓練和形狀模型的建立，有效利用了目標形狀的 先驗知識來指導(dǎo)分割，從而獲得了比傳統(tǒng)的基于底層特征的分割方法更好的效果。ASM方 法中需要對大量訓練樣本的形狀進行準確的標記點標定，但目前卻沒有一種理想的解決辦 法，這成為阻礙ASM方法獲得廣泛應(yīng)用的主要問題之一。人工或人機交互的方法十分費時 費力而且不夠精確；等距標定方法實現(xiàn)簡單，但無法保證各樣本標記點間的一致性，因此由 其建立的模型緊致度不足；所述的Hill提出的采用最小化形狀模型的標定方法，容易陷入局部最小值，而且 嚴重依賴初始標記點的正確選擇；所述的Baumberg和Hogg提出的利用主軸和輪廓的交點作為參考點進行局部等距 標定的方法，但該方法在除行人外的其他目標上效果不理想；所述的Souza和Jayaram提出的一種簡便有效的自動標定方法，其創(chuàng)新在于采用 了“平均形狀_樣本形狀”的標定流程，這為更好地利用樣本形狀的統(tǒng)計信息來指導(dǎo)標記點 的自動選擇提供了一種有益的思路。但Souza方法在選定標記點時只考慮了曲線曲率，因 此對在樣本集中變化較大但曲率較小的部位只能得到較少的標記點覆蓋，從而可能導(dǎo)致形 狀描述的不準確和相關(guān)形變模式的遺漏。所述的等距法是采用先標定樣本再統(tǒng)計平均形狀的流程，而每個樣本上的標記點 是獨立地等距選取的，不能保證樣本間標記點的關(guān)聯(lián)一致性，導(dǎo)致平均形狀產(chǎn)生了失真，這 會影響其作為初始形狀的搜索匹配效果。對形狀不準確的描述將會導(dǎo)致一個非緊致、非確 定(即會衍生出與訓練樣本迥異的形狀)的模型。
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所述的基于變分域的主動形狀模型標記點自動標定不僅利用了 D-P算法有效保 形的優(yōu)點，并且變分域中所反映的變化頻繁、幅度較大的部位，仍能保證合理的標記點覆 蓋，可看到其分布密度與樣本變化的大小成正比，但其算法復(fù)雜，造成工作量加大。由此可見，尋找一種較好的人工標志，提高標志點圖像識別的精度和減少勞動強 度是當前近景攝影測量，計算機視覺以及數(shù)字圖像處理等各領(lǐng)域的焦點和瓶頸問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是克服以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種簡潔、快速、可靠、實用、容 易識別的標記點設(shè)計方法，以彌補現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，該方法能夠應(yīng)用于逆向工程、零件 識別與定位中涉及的圖像匹配的方法。所述的標記點設(shè)計方法包括用于標記點設(shè)計的標記圖案(由本發(fā)明提出)；用于精度控制、圖像采集和數(shù)據(jù)處理的計算機；用于采集圖像的一個高精度彩色或黑白照相機；所述的標記圖案為正方形塊，黑色背景白色圖案或白色背景黑色圖案，每一標記 圖中其圖案包括3個實心圓，所述的三個實心圓中包含一個大圓和兩個大小相同的小圓， 所述的大圓位于整個圖案的中心，所述的兩個小圓一個靠近中心圓，另一個遠離中心圓，且 這兩小圓的圓心分別與中心的大圓圓心的連線相互垂直，并將標記圖案被分成4個區(qū)域； 所述的標記圖案內(nèi)還存在1-4個圓弧，所述的圓弧截取于與中心圓同心的圓環(huán)，大小是基 圓弧的一倍或兩倍，不同的標記圖案在圓弧個數(shù)、面積、位置上不同，圓弧的位置被劃分到4 個區(qū)域中，所述的基元弧是指定義在單個區(qū)域中一個基本大小的圓弧，所要滿足的要求是2 倍基元弧的圓弧也要落在此區(qū)域內(nèi)。本發(fā)明的一種基于象限的編碼標記點設(shè)計方法工作步驟分為六步(1)根據(jù)上述的標記圖案建立坐標系，劃分象限所述的中心圓圓心為坐標原點 0，連接中心圓圓心與遠離中心圓的圓心的直線為Y軸，且其正方向為從中心圓圓心指向遠 離中心圓的圓圓心的方向；連接中心圓圓心與靠近中心圓心的直線為X軸，其正方向為從 中心圓圓心指向靠近中心圓的圓心的方向；(2)基于落在單個象限圓弧的編碼坐標系建立之后，在每個象限中，若圓弧大小 為2倍基元弧，編碼為11 ；若圓弧大小為1倍基元弧，則按順時針方向編碼，存在1倍基元弧 的情況下編碼為1，存在1倍基元弧的情況下則為編碼為0 ；當不存在圓弧時則編碼為00 ；(3)基于整個圖案進行的編碼各象限以步驟2的方法編碼后，再以第一象限為起 點，按順時針方向?qū)⒏鞣侄尉幋a依次從高位排到低位排列；(4)為驗證所設(shè)計的基于象限編碼標記圖案進行編碼的可行性的準備，提取標記 圖案標記圖案是否可行關(guān)鍵在于對單幅圖像編碼是否可行，利用所述的高精度數(shù)碼相機 對含有標記圖案的物體進行拍攝，利用計算機算法首先對圖像進行二值化的圖像處理，再 從圖像中提取出存在的標記圖案；(5)圖像矯正將所述的提取出的圖案比例縮放，所述的設(shè)計好的標記圖案中心 圓圓心與遠離中心圓的圓圓心的距離與中心圓圓心與靠近中心圓的圓心的距離的真實比 值為K，拍成圖像之后兩個的距離比值是m，又圖案比例縮放是在Y軸方向上是保持不變的，在X軸方向上放大F倍，則有F = g成立，即任意一個原坐標為(X，y)的點與經(jīng)縮放之后的 坐標(X，Y)之間的關(guān)系滿足Y = y ；X = FXx;(6)根據(jù)上述的基于象限的編碼標記點的編碼思想及所做的相應(yīng)的可行性的準 備，開始通過計算機算法實現(xiàn)對所述的標記圖案編碼，其過程是(1)圖案編碼主要是利用了外層圓環(huán)弧的個數(shù)、長度和位置信息，找到所有外層圓 環(huán)弧的中心位置；(2)計算所有外層圓環(huán)弧與中心圓的周長比；(3)判斷各圓環(huán)弧所在象限；(4)編碼。本發(fā)明的有益效果是通過本發(fā)明所提出的編碼標記點的方法，能夠準確快速的 識別編碼標記點，對任何室內(nèi)室外目標物體的快速識別提供了快速的方法，剔除誤碼，錯 碼，填補了近景三維測量不準確的空白，使測量技術(shù)前進了一大步。


圖1 標記圖案坐標系的建立；圖2 標記圖案的編碼方法示意圖；圖3 —種基于象限的編碼標記點設(shè)計方法流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供一種快速、可靠、實用、操作便捷的標記點設(shè)計方法，該方法能夠應(yīng)用 于逆向工程、零件識別與定位中涉及的圖像匹配的方法。本發(fā)明的一種基于象限的編碼標記點設(shè)計方法包括用于標記點設(shè)計的標記圖案；用于精度控制、圖像采集和數(shù)據(jù)處理的計算機；用于采集圖像的高精度彩色或黑白照相機，所述的高精度彩色或黑白照相機從不 同位置采集貼有標記圖案的被測物體的圖像信息；本發(fā)明的一種基于象限的編碼標記點設(shè)計方法的工作步驟分為以下六步所述的標記圖案為正方形塊，黑色背景白色圖案或白色背景黑色圖案，每一標記 圖中其圖案包括3個實心圓，所述的三個實心圓中包含一個大圓和兩個大小相同的小圓， 所述的大圓位于整個圖案的中心，所述的兩個小圓一個靠近中心圓，另一個遠離中心圓，且 這兩小圓的圓心分別與中心的大圓圓心的連線相互垂直，并將標記圖案被分成4個區(qū)域; 所述的標記圖案內(nèi)還存在1-4個圓弧，所述的圓弧截取于與中心圓同心的圓環(huán)，大小是基 圓弧的一倍或兩倍，不同的標記圖案在圓弧個數(shù)、面積、位置上不同，圓弧的位置被劃分到4 個區(qū)域中，所述的基元弧是指定義在單個區(qū)域中一個基本大小的圓弧，所要滿足的要求是 其2倍大小的圓弧也要落在此區(qū)域內(nèi)。本發(fā)明的編碼標記點工作步驟分為六步(1)建立坐標系，劃分象限如圖1所示，所述的中心圓圓心為坐標原點0，連接中
6心圓圓心與遠離中心圓的圓心的直線為Y軸，且其正方向為從中心圓圓心指向遠離中心圓 的圓圓心的方向；連接中心圓圓心與靠近中心圓心的直線為X軸，其正方向為從中心圓圓 心指向靠近中心圓的圓心的方向；(2)基于落在單個象限圓弧的編碼坐標系建立之后，在每個象限中，若圓弧大小 為2倍基元弧，編碼為11 ；若圓弧大小為1倍基元弧，則按順時針方向編碼，存在1倍基元弧 的情況下編碼為1，存在1倍基元弧的情況下則為編碼為0 ；當不存在圓弧時則編碼為00 ；(3)基于整個圖案進行的編碼如圖2所示，各象限以步驟2的方法編碼后，再以 第一象限為起點，按順時針方向?qū)⒏鞣侄尉幋a依次從高位排到低位排列；(4)為驗證所設(shè)計的基于象限編碼標記圖案進行編碼的可行性的準備，提取標記 圖案標記圖案是否可行關(guān)鍵在于對單幅圖像編碼是否可行，利用所述的高精度數(shù)碼相機 對含有標記圖案的物體進行拍攝，利用計算機算法首先對圖像進行二值化的圖像處理，再 從圖像中提取出存在的標記圖案；(5)圖像矯正，將所述的提取出的圖案比例縮放所述的設(shè)計好的標記圖案中心 圓圓心與遠離中心圓的圓圓心的距離與中心圓圓心與靠近中心圓的圓心的距離的真實比 值為K，拍成圖像之后兩個的距離比值是m，又圖案比例縮放是在Y軸方向上是保持不變的，
在X軸方向上放大F倍，則有F = |成立，即任意一個原坐標為(x，y)的點與經(jīng)縮放之后的
坐標(X，Y)之間的關(guān)系滿足Y = y ；X = FXx;(6)根據(jù)上述的基于象限的編碼標記點的編碼思想及所做的相應(yīng)的可行性的準 備，開始通過計算機算法實現(xiàn)對所述的標記圖案編碼，其過程是(1)圖案編碼主要是利用了外層圓環(huán)弧的個數(shù)、長度和位置信息，找到所有外層圓 環(huán)弧的中心位置；(2)計算所有外層圓環(huán)弧與中心圓的周長比；(3)判斷各圓環(huán)弧所在象限；(4)編碼。本發(fā)明與現(xiàn)有編碼標記點方法最大區(qū)別有如下兩點(1)本發(fā)明所設(shè)計的編碼標記點有編碼環(huán)和圓形直角坐標構(gòu)成，是本發(fā)明和現(xiàn)有 標記點的最大區(qū)別是增加了圓形直角坐標系，通過照相機拍物體三維照片，然后輸入計算 機，由于拍攝角度變化，編碼標記點不一定都在一個平面，所以直角編碼標記點會有所變 形，所以需要用三維坐標變換進行矯正，然后可識別。(2)編碼標記點的識別算法有別于其他算法，通過坐標變換，環(huán)形編碼識別與編 碼，剔除干擾編碼標記，實現(xiàn)準確快速的識別物體標記點。綜上所述，本發(fā)明所述編碼標記點方法的優(yōu)點是(1)識別精度高，不容易出現(xiàn)匹配誤差和匹配錯誤，測量準確性和穩(wěn)定性高；(2)識別速度快，通過改進算法實現(xiàn)了更快速的識別；本發(fā)明將基于坐標的編碼標記點方法在逆向工程、零件識別與定位、產(chǎn)品質(zhì)量檢 測等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
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以上示意性的對本發(fā)明及其實施方式進行了描述，該描述沒有局限性，附圖中所 示的也只是本發(fā)明的實施方式之一。所以，如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離 本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，采用其它形式的同類部件或其它形式的各部件布局方式，不經(jīng) 創(chuàng)造性的設(shè)計出與該技術(shù)方案相似的技術(shù)方案與實施例，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
一種基于象限的編碼標記點設(shè)計方法，其特征是，它包括用于標記點設(shè)計的標記圖案；用于精度控制、圖像采集和數(shù)據(jù)處理的計算機；用于采集圖像的一個高精度彩色或黑白照相機；所述的標記圖案為正方形塊，黑色背景白色圖案或白色背景黑色圖案，每一標記圖中其圖案包括3個實心圓，所述的三個實心圓中包含一個大圓和兩個大小相同的小圓，所述的大圓位于整個圖案的中心，所述的兩個小圓一個靠近中心圓，另一個遠離中心圓，且這兩小圓的圓心分別與中心的大圓圓心的連線相互垂直，并將標記圖案被分成4個區(qū)域；所述的標記圖案內(nèi)還存在1 4個圓弧，所述的圓弧截取于與中心圓同心的圓環(huán)，大小是基圓弧的一倍或兩倍，不同的標記圖案在圓弧個數(shù)、面積、位置上不同，圓弧的位置被劃分到4個區(qū)域中，所述的基元弧是指定義在單個區(qū)域中一個基本大小的圓弧，所要滿足的要求是2倍基元弧的圓弧也要落在此區(qū)域內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于象限的編碼標記點設(shè)計方法，其特征是，它包括如下步驟(1)第一步建立坐標系，劃分象限所述的中心圓圓心為坐標原點0，連接中心圓圓心 與遠離中心圓的圓心的直線為Y軸，且其正方向為從中心圓圓心指向遠離中心圓的圓圓心 的方向；連接中心圓圓心與靠近中心圓心的直線為X軸，其正方向為從中心圓圓心指向靠 近中心圓的圓心的方向；(2)第二步基于落在單個象限的圓弧編碼坐標系建立之后，在每個象限中，若圓弧 大小為2倍基元弧，編碼為11 ；若圓弧大小為1倍基元弧，則按順時針方向編碼，存在1倍 基元弧的情況下編碼為1，不存在1倍基元弧的情況下則為編碼為0 ；當不存在圓弧時則編 碼為00 ；(3)第三步基于整個圖案進行的編碼各象限以步驟2的方法編碼后，再以第一象限 為起點，按順時針方向?qū)⒏鞣侄尉幋a依次從高位排到低位排列；(4)第四步為驗證所設(shè)計的基于象限編碼標記圖案進行編碼的可行性的準備，提取 標記圖案對標記圖案編碼是否可行關(guān)鍵在于對單幅圖像編碼是否可行，利用所述的高精 度數(shù)碼相機對貼有標記圖案的物體進行拍攝得到含有標記圖案的圖像，利用計算機算法首 先對所述的圖像進行二值化的圖像處理，再從圖像中提取出存在的標記圖案；(5)第五步圖像矯正，將所述的提取出的標記圖案進行比例縮放所述的設(shè)計好的標 記圖案中心圓圓心與遠離中心圓的圓圓心的距離與中心圓圓心與靠近中心圓的圓心的距 離的真實比值為K，拍成圖像之后兩個距離的比值是m，又圖案比例縮放是在Y軸方向上是保持不變的，在X軸方向上放大F倍，則有F =.成立，即任意一個原坐標為(χ，y)的點與經(jīng)縮放之后的坐標(X，Y)之間的關(guān)系滿足 Y = YX = FXx。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于象限的編碼標記點的編碼思想，通過計算機算法實現(xiàn)對 權(quán)利要求2所述的標記可行性的準備后的標記圖案進行編碼，其特征是，它包括如下步驟(1)第一步圖案編碼主要是利用了外層圓環(huán)弧的個數(shù)、長度和位置信息，找到所有外 層圓環(huán)弧的中心位置；(2)第二步計算所有外層圓環(huán)弧與中心圓的周長比；(3)第三步判斷各圓環(huán)弧所在象限；(4)第四步根據(jù)各圓弧所在的象限，按照權(quán)利要求書2所述的方法進行編碼。
全文摘要
本發(fā)明屬于圖像處理和模式識別領(lǐng)域，涉及一種基于象限的編碼標記點設(shè)計方法。該方法需要設(shè)計要編碼的標記圖案，然后對所設(shè)計的標記圖案進行基于象限的編碼方式進行編碼，最后對基于象限的編碼標記點設(shè)計方法進行了可行性實施。實施過程為對被測物體某些部位粘貼所述的編碼標記圖案，采用一個高精度數(shù)碼照相機，對被測物體含有標記圖案部分進行圖像采集，將采集的圖像輸入到計算機中進行二值化處理，提取出標記圖案并進行縮放矯正，最終通過對標記圖案中圓弧的信息找到所有外層圓環(huán)弧的中心位置，并判斷各圓環(huán)弧所在象限后進行編碼。本發(fā)明所提出的基于象限的編碼標記點設(shè)計方法，豐富了標記點基礎(chǔ)理論，為圖像分割理論奠定基礎(chǔ)。
文檔編號G06T1/00GK101950409SQ20101026589
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月30日
發(fā)明者宋麗梅, 張春波, 陳華偉, 馬欣 申請人:天津工業(yè)大學