一種高魯棒性的視覺(jué)圖形標(biāo)志及其識(shí)別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及了一種高魯椿性的視覺(jué)圖形標(biāo)志及其識(shí) 別方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是在虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。它是通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的 信息增加用戶對(duì)現(xiàn)實(shí)世界感知的技術(shù)，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，并將計(jì)算機(jī)生成的 虛擬物體、場(chǎng)景或系統(tǒng)提示信息疊加到真實(shí)場(chǎng)景中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)的增強(qiáng)?；谝曈X(jué)標(biāo)志 的跟蹤注冊(cè)技術(shù)是目前開(kāi)發(fā)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)運(yùn)用最廣泛的。所謂的"標(biāo)志"，是指由用戶自定 義的一個(gè)特殊的圖形圖案，通過(guò)識(shí)別標(biāo)志的位置來(lái)確定虛擬信息的空間位置信息。
[0003] 典型的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)框架ARToo化it,其視覺(jué)圖形標(biāo)志是由一個(gè)正方形的黑色邊 框和內(nèi)部的模版圖組成的，由于它在編碼匹配方面采用了圖形相關(guān)性匹配，匹配效率和編 碼數(shù)量都受到了很大的限制，而且被遮擋時(shí)失效；ARTag標(biāo)志對(duì)之前的ARToo化it標(biāo)志進(jìn)行 了相應(yīng)的改進(jìn)，采用了編碼的形式，它是將正方形的邊長(zhǎng)分成10個(gè)等分，從而得到100個(gè)方 格子區(qū)域，標(biāo)志的邊框?yàn)閷挾葹?格的白色或黑色邊框，通過(guò)對(duì)標(biāo)志內(nèi)部的6*6個(gè)方格子進(jìn) 行編碼，為支持解碼糾錯(cuò)，使用了海明碼等編碼技術(shù)。
[0004] 海明碼是奇偶校驗(yàn)的一種擴(kuò)充。它采用多位校驗(yàn)碼的方式，在該些校驗(yàn)位中的每 一位都對(duì)不同的信息數(shù)據(jù)位進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，通過(guò)合理地安排校驗(yàn)位和原始數(shù)據(jù)的組合，達(dá) 到發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，糾正錯(cuò)誤的目的。由于海明碼是一個(gè)可W有多個(gè)校驗(yàn)位，具有檢測(cè)并糾正一位 錯(cuò)誤代碼的糾錯(cuò)碼，所W它也僅用于信道特性比較好的環(huán)境中，如W太局域網(wǎng)中，因?yàn)槿绻?信道特性不好的情況下，出現(xiàn)的錯(cuò)誤通常不是一位。海明碼的檢錯(cuò)、糾錯(cuò)基本思想是將有效 信息按某種規(guī)律分成若干組，每組安排一個(gè)校驗(yàn)位進(jìn)行奇偶性測(cè)試，然后產(chǎn)生多位檢測(cè)信 息，并從中得出具體的出錯(cuò)位置，最后通過(guò)對(duì)錯(cuò)誤位取反來(lái)將其糾正。
[0005] 在上述增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，標(biāo)志圖案的設(shè)計(jì)往往分為兩個(gè)獨(dú)立的部分，一部分是專 口用于標(biāo)志圖形的編碼，另一部分用于特征點(diǎn)的提取與姿態(tài)的計(jì)算，該樣分離的結(jié)果是造 成標(biāo)志圖案需要大面積的編碼區(qū)域，不利于減小標(biāo)志的尺寸和提高單位面積可提供的精 度。
[0006] 例如，授權(quán)發(fā)明專利《一種基于視覺(jué)不變量的新型標(biāo)志點(diǎn)圖形及其識(shí)別、跟蹤定位 算法》，采用黑色帶有白色圓形標(biāo)記的五邊形作為標(biāo)志點(diǎn)圖形的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)跟蹤注冊(cè)系統(tǒng)，它 的有益效果在于，充分利用了標(biāo)志點(diǎn)圖形自身所具有的視覺(jué)不變量信息，節(jié)省了編碼圖案 的面積，但設(shè)計(jì)的五邊形圖形不規(guī)則，設(shè)計(jì)考慮因素多，不容易設(shè)計(jì)大數(shù)量的標(biāo)志，外觀與 本發(fā)明相比而言也不具有可觀性。
[0007] 論文《基于視覺(jué)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)虛實(shí)注冊(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究》提出了一種基于海明碼編碼， 黑白顏色區(qū)分的圖形標(biāo)志，該標(biāo)志可分為7*7格，內(nèi)部的時(shí)5部分為ID信息區(qū)，每一行的1、 3、5位是海明碼的校驗(yàn)位，2、4是標(biāo)識(shí)ID的信息位，將包裹時(shí)5的信息區(qū)的外層邊框全設(shè)為 黑色，該樣方便標(biāo)識(shí)角點(diǎn)的有效定位。但是，黑色邊框的設(shè)計(jì)是為了能夠檢測(cè)出四邊形來(lái)識(shí) 別該標(biāo)志，所W該標(biāo)志面積的利用率是25/49 = 0. 51，如果標(biāo)志被遮擋，系統(tǒng)就不能檢測(cè)出 四邊形。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引為了解決上述【背景技術(shù)】提出的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明旨在提供一種高魯椿性的視覺(jué)圖 形標(biāo)志及其識(shí)別方法，通過(guò)對(duì)海明碼編碼設(shè)計(jì)的視覺(jué)圖形標(biāo)志進(jìn)行解碼，得到虛擬信息，在 真實(shí)空間坐標(biāo)系中擅染并輸出虛擬物體。
[0009] 為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0010] 一種高魯椿性的視覺(jué)圖形標(biāo)志，該視覺(jué)圖形標(biāo)志為正方形，該正方形等分成n*n 的方格陣列，每個(gè)方格由某種顏色填充，基于顏色對(duì)視覺(jué)圖形標(biāo)志進(jìn)行海明編碼，每種顏色 分別代表二進(jìn)制數(shù)1或0,其中n> 7。
[0011] 其中，上述正方形等分成7*7的方格陣列。
[0012] 其中，上述7*7的方格陣列中屯、處的3*3的方格陣列中的各個(gè)方格由黃色或白色 填充，7*7的方格陣列其余的各個(gè)方格由紅色或藍(lán)色填充，黃色和藍(lán)色代表二進(jìn)制數(shù)1，白 色和紅色代表二進(jìn)制數(shù)0。
[0013] 本發(fā)明還包括一種高魯椿性的視覺(jué)圖形標(biāo)志的識(shí)別方法，包括W下步驟：
[0014] (1)利用攝像機(jī)捕獲含有視覺(jué)圖形標(biāo)志的真實(shí)場(chǎng)景圖像；
[0015] (2)掃描場(chǎng)景圖像中的視覺(jué)圖形標(biāo)志，將視覺(jué)圖形標(biāo)志轉(zhuǎn)換成灰度圖像，并對(duì)灰度 圖形進(jìn)行闊值處理；
[0016] 做對(duì)闊值處理后的灰度圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，得到邊緣圖像；
[0017] (4)對(duì)邊緣圖像進(jìn)行輪廓的提取和分析，并通過(guò)四邊形檢測(cè)篩選出最終的輪廓，存 儲(chǔ)輪廓四個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)；
[0018] (5)根據(jù)存儲(chǔ)的輪廓四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出仿射變換矩陣，通過(guò)仿射變換將傾斜的 視覺(jué)圖形標(biāo)志轉(zhuǎn)正，并將轉(zhuǎn)正后的視覺(jué)圖形標(biāo)志轉(zhuǎn)換為HSV顏色空間；
[0019] (6)根據(jù)海明碼的編碼原則，對(duì)視覺(jué)圖形標(biāo)志進(jìn)行解碼，獲得編碼信息，所述編碼 信息包括碼字、朝向及碼距；
[0020] (7)根據(jù)標(biāo)志的跟蹤注冊(cè)，計(jì)算攝像機(jī)的姿態(tài)，得到真實(shí)世界與攝像頭坐標(biāo)系的轉(zhuǎn) 換矩陣，然后再計(jì)算攝像機(jī)到屏幕坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，從而得到真實(shí)世界坐標(biāo)系到屏幕坐 標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，根據(jù)真實(shí)世界坐標(biāo)系到屏幕坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，在真實(shí)場(chǎng)景中視覺(jué)圖形 標(biāo)志的一定偏移位置處，擅染并輸出顯示與海明碼對(duì)應(yīng)的虛擬信息；
[0021] (8)當(dāng)視覺(jué)圖形標(biāo)志被識(shí)別后，如果視覺(jué)圖形標(biāo)志被部分遮擋，判斷遮擋區(qū)域，計(jì) 算并判斷標(biāo)志的碼距，依據(jù)碼距信息對(duì)標(biāo)志編碼進(jìn)行恢復(fù)，解決遮擋問(wèn)題。
[0022] 其中，在步驟（2)中，采用OTSU最大類間方差法對(duì)灰度圖像進(jìn)行闊值處理。
[0023] 其中，在步驟（3)中，采用Canny算子對(duì)視覺(jué)圖形標(biāo)志進(jìn)行邊緣檢測(cè)。
[0024] 采用上述技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果：
[0025] (1)本發(fā)明設(shè)計(jì)的彩色海明碼視覺(jué)圖形標(biāo)志解決了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中黑白海明碼標(biāo)志不 能被遮擋的問(wèn)題；
[0026] (2)本發(fā)明設(shè)計(jì)的7*7方格組成的正方形標(biāo)志，與黑白色海明碼標(biāo)志不同的是，該 彩色標(biāo)志的信息區(qū)域是7*7方格，嚴(yán)格遵守海明碼的編碼原則，1、2、4位是校驗(yàn)位，3、5、6、7 位是信息位，擴(kuò)展了海明碼的信息位和校驗(yàn)位，在標(biāo)志可用數(shù)量上明顯增多，使標(biāo)志面積的 利用率提高到100% ;
[0027] 做本發(fā)明與ARTag-類能被部分遮擋的標(biāo)志相比，總的遮擋比率達(dá)到28. 57%， 明顯高于ARTag。
【附圖說(shuō)明】
[002引圖1為本發(fā)明的視覺(jué)圖形標(biāo)志示意圖；
[0029] 圖2為本發(fā)明的標(biāo)志識(shí)別方法流程示意圖；
[0030] 圖3為本發(fā)明標(biāo)志被遮擋時(shí)解碼流程示意圖；
[0031] 圖4為本發(fā)明計(jì)算碼距流程1示意圖；
[0032] 圖5為本發(fā)明計(jì)算碼距流程2示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] W下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0034] 如圖1所示本發(fā)明的視覺(jué)圖形標(biāo)志示意圖，該標(biāo)志為7*7方格組成的正方形標(biāo)志， 它嚴(yán)格遵守海明碼的編碼原則，1、2、4位是校驗(yàn)位，3、5、6、7位是信息位，該彩色標(biāo)志的顏 色設(shè)計(jì)分為兩個(gè)區(qū)域，正方形中屯、內(nèi)部3*3方格的用黃色和白色填充，黃色表示二進(jìn)制位 "1"，白色表示