一種面向視覺巡線的簡易直線自動定位方法，用于對視頻中的直線進(jìn)行快速自動定位，并提取等效直線方程，屬于機(jī)器人、小車巡線及無人機(jī)巡航等機(jī)器視覺應(yīng)用領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

直線特征作為視頻中十分重要的中層描述符號，在特征匹配，航空航海影像分析，機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域都有著重要的研究價值。

目前針對機(jī)器人、小車巡線及無人機(jī)巡航等機(jī)器視覺應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)中，多采用直接提取視頻中某一幀的直線，常用直線提取算法例如霍夫變換(houghtransform)，相位編組算法等，再使用所提取直線的位置和斜率引導(dǎo)機(jī)器人、小車和無人機(jī)進(jìn)行巡線或巡航。

直線提取算法如霍夫變換(houghtransform)算法和相位編組算法等在使用之前往往還需要進(jìn)行canny邊緣檢測，canny邊緣檢測算子是johnf.canny于1986年開發(fā)出來的一個多級邊緣檢測算法，效果較好。

霍夫變換(houghtransform)算法巡線的具體方法是：首先對預(yù)處理圖像使用canny算子進(jìn)行邊緣檢測，獲得二值化的邊緣圖像；然后運(yùn)用坐標(biāo)空間變換將在一個空間中具有相同形狀的曲線或直線映射到另一個坐標(biāo)空間的一個點(diǎn)上形成峰值；接著通過閾值處理，獲得霍夫變換(houghtransform)響應(yīng)較大的幾個峰值點(diǎn)代表的直線序列作為結(jié)果輸出；最后得到直線序列各自的斜率和位置，引導(dǎo)機(jī)器人、小車和無人機(jī)進(jìn)行巡線或巡航。

相位編組算法巡線的具體方法是：首先對預(yù)處理圖像使用canny算子進(jìn)行邊緣檢測，獲得二值化的邊緣圖像；然后計(jì)算邊緣圖像的梯度方向，進(jìn)行相位編組；接著連接邊緣圖像上位置相鄰且相位相同的像素點(diǎn)，得到一系列直線序列；最后得到直線序列各自的斜率和位置，引導(dǎo)機(jī)器人、小車和無人機(jī)進(jìn)行巡線或巡航。

以上兩種直線提取算法均忽視了幀與幀之間的聯(lián)系，并基于邊緣檢測和全圖搜索，提取某一幀圖像上所有可能的直線，其中不僅包括目標(biāo)直線，而且包括無關(guān)直線。而對于巡線技術(shù)領(lǐng)域中，所處理的對象通常是視頻，視頻的每一幀之間必然存在聯(lián)系，而忽視幀與幀之間的聯(lián)系，孤立的處理每一幀圖像，如以上兩種算法，帶來的是時間和空間復(fù)雜度的上升和誤差的增大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述不足之處提供了一種面向視覺巡線的簡易直線自動定位方法，解決現(xiàn)有巡線技術(shù)中使用直線特征對視頻進(jìn)行描述時，提取圖像中的所有直線信息，忽視了幀與幀之間的聯(lián)系，從而增加了直線定位的時間，并導(dǎo)致得到的結(jié)果有較大的誤差的問題。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種面向視覺巡線的簡易直線自動定位方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：獲取視頻，根據(jù)視頻內(nèi)所要定位的直線標(biāo)識的初始位置和傾斜度，初始化分割線方程的中心點(diǎn)pex、斜率kex和參數(shù)paramex，得到分割線方程；

步驟2：從視頻中讀取第一幀圖像ft(x,y)；

步驟3：對第一幀圖像ft(x,y)進(jìn)行閾值處理，得到二值圖像b(x,y)；

步驟4：在二值圖像b(x,y)內(nèi)，得到以點(diǎn)pex為圓心，rmin為半徑的分割區(qū)域c(pex,rmin)；

步驟5：根據(jù)分割線方程，得到分割線，使用分割線將分割區(qū)域c(pex,rmin)分割成c1和c2兩個區(qū)域，判斷直線標(biāo)識是否在c1和c2兩個區(qū)域內(nèi)，如果是，則執(zhí)行步驟6，否則執(zhí)行步驟2，處理視頻中的下一幀；

步驟6：分別在c1和c2內(nèi)求出形心p1和p2，根據(jù)形心p1和p2計(jì)算等效直線方程的中心點(diǎn)ptmp、斜率k^d和參數(shù)paramd，得到等效直線方程，其中，參數(shù)paramd為0時，表示等效直線垂直于x軸，而paramd為1時，表示等效直線不垂直于x軸；

步驟7：判斷視頻是否結(jié)束，如果結(jié)束，根據(jù)等效直線方程得到等效直線，將等效直線累次定位結(jié)果保存在文本文件中，否則，計(jì)算等效直線與二值圖像b(x,y)交點(diǎn)的中點(diǎn)pc，更新分割線的中心點(diǎn)pex為pc，更新分割線的斜率kex和參數(shù)paramex，得到更新后的分割線方程，執(zhí)行步驟2，處理視頻中的下一幀。

進(jìn)一步，所述步驟1中，分割線方程的公式如下：

lex(pex(xex,yex),kex,paramex)＝paramex(y-yex)-kex(x-xex)＝0；

其中，lex表示分割線，pex表示分割線的中心點(diǎn)，xex,yex分別表示pex的橫、縱坐標(biāo)，x,y分別表示分割線上任意一點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)，kex表示分割線的斜率，paramex表示分割線是否垂直于x軸。

進(jìn)一步，所述步驟4中，分割區(qū)域c(pex,rmin)的半徑rmin計(jì)算公式如下：

rmin＝min(wide/2-xex,wide/2+xex,height/2-yex,height/2+yex)；

其中，wide為二值圖像b(x,y)的寬度，height為二值圖像b(x,y)的高度。

進(jìn)一步，所述步驟6中，形心p1和p2的計(jì)算公式如下：

其中，x和y分別為形心p1和p2的橫、縱坐標(biāo)，xi和yj分別為直線標(biāo)識在c1和c2內(nèi)像素點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)，n表示區(qū)域c1或c2內(nèi)像素點(diǎn)總數(shù)；

等效直線方程的中心點(diǎn)ptmp的計(jì)算公式如下：

其中，xtmp、ytmp為中心點(diǎn)ptmp的橫、縱坐標(biāo)，x1、x2分別為形心p1和p2的橫坐標(biāo)，y1和y2為形心p1和p2的縱坐標(biāo)；

當(dāng)x1＝x2,令：

paramd＝0，k^d＝1；

當(dāng)x1≠x2,令：

得到等效直線在直角坐標(biāo)系xoy內(nèi)的表達(dá)式為：

l^d(ptmp(xtmp,ytmp),k^d,paramd)＝paramd(y-ytmp)-k^d(x-xtmp)＝0，

其中，l^d表示等效直線，k^d表示等效直線斜率，paramd表示等效直線是否垂直于x軸。

進(jìn)一步，所述步驟7中，分割線的斜率kex和參數(shù)paramex的更新具體如下:

當(dāng)paramd＝0，令：

paramex＝1，kex＝0；

當(dāng)k^d＝0，令：

paramex＝0,kex＝1；

當(dāng)paramd≠0且k^d≠0，令：

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

一、本發(fā)明相對于目前常用的巡線算法，不同于孤立的處理視頻的各幀，更強(qiáng)調(diào)幀與幀之間的聯(lián)系，直線定位的余弦距離在0.99999以上，歐式距離普遍在2像素左右，在保證了算法步驟精煉的前提下，有較高的準(zhǔn)確度；

二、本發(fā)明具有跟隨性分割的特點(diǎn)，跟隨性主要體現(xiàn)在以下兩個：

(1)跟隨直線標(biāo)識的位置，自動更新分割線方程，相對于分割線方程固定不變的方式，對任意位置和傾斜角的直線標(biāo)識的視覺定位，都具有較高的準(zhǔn)確度；

(2)跟隨直線標(biāo)識的位置，自動更新分割區(qū)域，減少了背景對直線標(biāo)識提取過程中的影響，提高了準(zhǔn)確度；

三、本發(fā)明對硬件平臺要求極低，處理速度快，實(shí)時性強(qiáng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中的整體流程；

圖2為本發(fā)明中直線定位的幾何分析圖；

圖3為本發(fā)明中第一幀圖像的原始圖像；

圖4為本發(fā)明中第一幀圖像的二值化圖像；

圖5為本發(fā)明中第一幀圖像的進(jìn)行直線定位的效果圖；

圖6為本發(fā)明中累次直線定位的余弦距離的數(shù)據(jù)圖；

圖7為本發(fā)明中累次直線定位的歐式距離的數(shù)據(jù)圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

一種面向視覺巡線的簡易直線自動定位方法，在場景二值圖像中，以形心公式和直線點(diǎn)斜式方程為基礎(chǔ)，將直線標(biāo)識分割成兩部分，分別求形心位置，進(jìn)而得到直線的斜率和位置。有別于傳統(tǒng)的分割線和區(qū)域固定不變模式，本發(fā)明采取結(jié)合前一幀直線標(biāo)識的定位結(jié)果，自動更新分割線方程和分割區(qū)域，從而達(dá)到自動視覺定位的效果，對硬件平臺要求極低，處理速度較快。具體流程如圖1所示，一種面向視覺巡線的簡易直線自動定位方法，如下步驟：

步驟1：獲取視頻，根據(jù)視頻內(nèi)所要定位的直線標(biāo)識的初始位置和傾斜度，初始化分割線方程的中心點(diǎn)pex、斜率kex和參數(shù)paramex，得到分割線方程，如圖2所示，為視頻圖像建立直角坐標(biāo)系xoy，多邊形efgh表示直線標(biāo)識的幾何輪廓，ab為分割線；其中分割線方程的公式如下：

lex(pex(xex,yex),kex,paramex)＝paramex(y-yex)-kex(x-xex)＝0；

其中，lex表示分割線，pex表示中心點(diǎn)，(xex,yex)分別表示pex的橫縱坐標(biāo)，kex表示分割線斜率，paramex表示分割線是否垂直于x軸，x,y分別表示分割線上任意一點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)，。

設(shè)視頻內(nèi)所要定位的直線標(biāo)識的初始位置p0(x0,y0)和傾斜度k0，p0(x0,y0)表示直線標(biāo)識的形心位置，k0表示直線標(biāo)識與視頻窗口夾角的正切值，分割線方程參數(shù)初始化公式如下：

pex＝p0；

當(dāng)k0＝0，令：

paramex＝0，kex＝1；

當(dāng)k0＝∞，令：

paramex＝1，kex＝0。

步驟2：從視頻中讀取第一幀圖像ft(x,y)，如圖3所示；

步驟3：對第一幀圖像ft(x,y)進(jìn)行閾值處理，得到二值圖像b(x,y)，如圖4所示；

步驟4：在二值圖像b(x,y)內(nèi)，得到以點(diǎn)pex為圓心，rmin為半徑的分割區(qū)域c(pex,rmin)；

分割區(qū)域c(pex,rmin)的半徑rmin計(jì)算公式如下：

rmin＝min(wide/2-xex,wide/2+xex,height/2-yex,height/2+yex)；

其中，wide為二值圖像b(x,y)的寬度，height為二值圖像b(x,y)的高度。

步驟5：根據(jù)分割線方程，得到分割線，使用分割線將分割區(qū)域c(pex,rmin)分割成c1和c2兩個區(qū)域，判斷直線標(biāo)識是否在c1和c2兩個區(qū)域內(nèi)，如果是，則執(zhí)行步驟6，否則執(zhí)行步驟2，處理視頻中的下一幀；

步驟6：分別在c1和c2內(nèi)求出形心p1和p2，根據(jù)形心p1和p2計(jì)算等效直線方程的中心點(diǎn)ptmp、斜率k^d和參數(shù)paramd，得到等效直線方程，其中，參數(shù)paramd為0時，表示等效直線垂直于x軸，而paramd為1時，表示等效直線不垂直于x軸；如圖2所示，通過等效直線方程得到等效直線mn，參數(shù)paramd為0時，表示等效直線垂直于x軸，而paramd為1時，表示等效直線不垂直于x軸。視頻中第一幀直線定位的效果圖如圖5所示；

其中，形心p1和p2的計(jì)算公式如下：

其中，x和y分別為形心p1和p2的橫、縱坐標(biāo)，xi和yj分別為直線標(biāo)識在c1和c2內(nèi)像素點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)，n表示區(qū)域c1或c2內(nèi)像素點(diǎn)總數(shù)；

等效直線方程的中心點(diǎn)ptmp的計(jì)算公式如下：

其中，xtmp、ytmp為中心點(diǎn)ptmp的橫、縱坐標(biāo)，x1、x2分別為形心p1和p2的橫坐標(biāo)，y1和y2為形心p1和p2的縱坐標(biāo)；

當(dāng)x1＝x2,令：

paramd＝0，k^d＝1；

當(dāng)x1≠x2,令：

得到等效直線在直角坐標(biāo)系xoy內(nèi)的表達(dá)式為：

l^d(ptmp(xtmp,ytmp),k^d,paramd)＝paramd(y-ytmp)-k^d(x-xtmp)＝0。

其中，l^d表示等效直線，k^d表示等效直線斜率，paramd表示等效直線是否垂直于x軸。

步驟7：判斷視頻是否結(jié)束，如果結(jié)束，根據(jù)等效直線方程得到等效直線，將等效直線累次定位結(jié)果保存在文本文件中，否則，計(jì)算等效直線l^d與二值圖像b(x,y)交點(diǎn)的中點(diǎn)pc，更新分割線的中心點(diǎn)pex為pc，更新分割線的斜率kex和參數(shù)paramex，得到更新后的分割線方程，執(zhí)行步驟2，處理視頻中的下一幀。

其中，分割線的斜率斜率kex和參數(shù)paramex的更新具體如下:

當(dāng)paramd＝0，令：

paramnex＝1，knex＝0；

當(dāng)k^d＝0，令：

paramnex＝0,knex＝1；

當(dāng)paramd≠0且k^d≠0，令：

本案的直線標(biāo)識表示跟蹤線，等效直線表示跟蹤線兩邊緣的中線。等效直線累次定位效果由圖6和圖7表示，圖6表示累次直線定位的余弦距離，圖7表示累次直線定位的歐式距離。余弦距離為直線定位傾斜角誤差的余弦值，從圖6所示，可以看出本發(fā)明直線定位的余弦距離達(dá)到了0.99999以上；歐式距離為直線定位的中心點(diǎn)到形心間的距離，從圖2可以看出當(dāng)直線標(biāo)識efgh經(jīng)過圖像b(x,y)窗口的拐角時，形心q相對于等效直線的中心點(diǎn)p有較大的偏移，而圖7中直線定位的歐氏距離大于2像素的幀數(shù)均是直線標(biāo)識經(jīng)過了圖像窗口b(x,y)拐角，其余幀數(shù)的歐式距離均在2像素以下，精度較高。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。