一種能量線性變化圓形標(biāo)記點及提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于計算機視覺測量技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種關(guān)于能量線性變化標(biāo)記點和準(zhǔn)確 穩(wěn)定的標(biāo)記點提取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于計算機視覺理論的視覺測量系統(tǒng)因具有非接觸、測量效率高和測量準(zhǔn)確度較 高等優(yōu)點，而廣泛應(yīng)用于制造業(yè)中。其中，標(biāo)記點設(shè)計及其提取方法在機器視覺中有著十分 重要的地位，在很多情況下，標(biāo)記點是圖像采集的主要對象，而標(biāo)記點提取也是圖像處理的 主要步驟。隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，機器視覺技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛，運使得標(biāo)記點的設(shè)計 W及提取方法必須滿足更寬泛的需求，在提取精度上提出了比較苛刻的要求?，F(xiàn)在常用的 標(biāo)記點主要有祀標(biāo)圓形標(biāo)記點和棋盤格兩種，運兩種標(biāo)記方法運用的約束都比較少，包含 的信息也較少，并不能完全準(zhǔn)確反映出被測物的信息。在目前情況下，合理設(shè)計標(biāo)記點并準(zhǔn) 確地提取標(biāo)記點是目前主要難題和研究的主要方向。
[0003] 目前使用的標(biāo)記點約束都較少，大多采用灰度階躍式變化的標(biāo)記點，提取過程中 只采用提取到的標(biāo)記點中的標(biāo)記信息。例如，解則曉，高翔，崔健等人2013年在中國激光發(fā) 表的《移動式Ξ維測量用圓形標(biāo)記點提取算法》采用內(nèi)部為白色亮圓、周圍帶有黑圈的圓形 標(biāo)記點，提取的僅僅是白色內(nèi)圓和黑色外圓環(huán)交線上的部分點，提取的圖像信息和約束都 十分有限，不能保正圓屯、的準(zhǔn)確性。張正友等人1988年在IE邸TRANSACTIONS ON PATTERN ANALYSIS AND MACHI肥 INTCLLIGENCE上發(fā)表的《A Flexible New Technique for Camera 化libration》使用棋盤格標(biāo)定祀標(biāo)進行標(biāo)定，很好的保證了精度問題，但是在操作過程中 需要人工指定棋盤格交叉點范圍，然后進行角點捜索，操作較為復(fù)雜，智能化低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，發(fā)明了一種能量線性變化的標(biāo)記點及其標(biāo)記點中 屯、的快速準(zhǔn)確提取方法，解決在機器視覺中標(biāo)記點運用的約束較少，圓形有傾斜角度時會 產(chǎn)生形變的技術(shù)難題。標(biāo)記點整體呈現(xiàn)圓形，從中屯、向邊緣灰度呈線性變化，中屯、處亮度最 高，灰度最大。運種標(biāo)記點不僅有形狀的約束，而且從中屯、向邊緣采取了能量信息的線性約 束，提局了標(biāo)記點提取的精度和魯棒性。在標(biāo)記點提取時，先進行標(biāo)記點中屯、的粗提取，可 W根據(jù)實際情況，利用整體標(biāo)記點圖形的對稱性，使用灰度重屯、法進行粗提取，提取標(biāo)記點 的形屯、。之后采用楠圓錐擬合算法，楠圓錐擬合算法運用了整個標(biāo)記點的灰度線性信息，而 不是單一的邊界信息，從而提高了標(biāo)記點提取的魯棒性和精度。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種能量線性變化圓形標(biāo)記點及提取方法，其特征是， 標(biāo)記點整體呈現(xiàn)圓形，從中屯、向邊緣灰度呈線性變化，中屯、處亮度最高，灰度最大;在標(biāo)記 點提取時，先進行標(biāo)記點中屯、的粗提取，根據(jù)實際情況，利用整體標(biāo)記點圖形的對稱性，使 用灰度重屯、法進行粗提取，提取標(biāo)記點的形屯、;之后運用整個標(biāo)記點的灰度線性信息，而不 是單一的邊界信息進行楠圓錐擬合，再通過最小二乘法擬合出最優(yōu)的楠圓錐，得到精確的 能量標(biāo)記點的中屯、坐標(biāo);提取方法的具體步驟如下：
[0006]第一步在平面上應(yīng)用能量線性變化圓形標(biāo)記點對稱性的粗提取方法，用灰度重屯、 法求取目標(biāo)標(biāo)記點的公式如下：
[0009] 其中：f(x，y)是坐標(biāo)為(x，y)的像素點的灰度值，S是目標(biāo)區(qū)域集合，反刀是區(qū)域 粗提取中屯、點坐標(biāo)；
[0010] 第二步采用楠圓錐擬合方法對標(biāo)志圖案的灰度信息進行提取
[0011] 首先采用楠圓錐擬合法對標(biāo)志圖案的灰度信息進行提取，當(dāng)標(biāo)志的灰度值z = f (x，y)被提取后，按楠圓錐方程對提取的點進行擬合，其表達如下：
[001 ^
(對
[0013]其中，（x，y,)為樣本點坐標(biāo)，z = f(x，y)為對應(yīng)樣本點的灰度值，a，b，c，d，e，f為楠 圓錐方程參數(shù)；
[0014]第Ξ步通過最小二乘法擬合出最優(yōu)的楠圓錐
[001引首先在第一步提取的區(qū)域粗提取中屯、點坐標(biāo)(;-，；，/(;.刮)附近的S范圍內(nèi)提取一 定數(shù)量的樣本點N;用最小二乘法擬合出最優(yōu)的楠圓錐，求解目標(biāo)函數(shù)的最小值：
[0016]
[0017] 4
，對公式（3)的參數(shù)a，b，c，d，e，f進行求解， 得到楠圓錐頂點坐標(biāo)(d，e，f)，即精確的求出了能量標(biāo)記點的精確提取中屯、點坐標(biāo)(d，e)。
[0018] 本發(fā)明的有益效果是該能量線性變化圓形標(biāo)記點從圓屯、向邊緣的灰度變化呈線 性，運種圓形標(biāo)記點相對于傳統(tǒng)標(biāo)記點含有更多的約束，包含了更多的標(biāo)記點信息，同時在 標(biāo)記點是否變形的情況下，采用兩種提取方法來保證提取精度。所W，本發(fā)明設(shè)計的標(biāo)記點 和擬合方法比傳統(tǒng)標(biāo)記點有更廣泛、精度更高的應(yīng)用，提高了標(biāo)記點提取的精度和魯棒性。
【附圖說明】
[0019]圖1為能量線性變化圓形標(biāo)記點及提取示意圖。其中，1-粗提取中屯、點；2-精確提 取中屯、點；S-樣本點捜索區(qū)域。
[0020]圖2為能量線性變化圓形標(biāo)記點提取方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0021 ] W下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0022] 附圖1為能量線性變化圓形標(biāo)記點及提取示意圖，標(biāo)記點整體呈現(xiàn)圓形，圓屯、到邊 緣的灰度變化呈線性，中屯、點亮度最高，灰度值最大，邊緣亮度最低，灰度值最小。附圖2為 能量標(biāo)記點的提取流程圖。整個提取流程分為中屯、點的粗提取和精確求解標(biāo)記點中屯、。在 標(biāo)記中屯、粗提取階段可W采用灰度重屯、法初步求解中屯、點，在精確求解階段可W根據(jù)楠圓 錐擬合出最優(yōu)解，求得更為準(zhǔn)確的中屯、點坐標(biāo)。實施例采用圖2所示的能量標(biāo)記點提取流 程，對標(biāo)記點進行圖像采集。下面是針對能量標(biāo)記點的具體提取步驟如下：
[0023] 將本發(fā)明的能量標(biāo)記點布置于物體表面，配置相機及其附屬光源等設(shè)備，調(diào)整焦 距視角等使標(biāo)記點清晰可見，對標(biāo)記點進行圖像采集。
[0024] 第一步應(yīng)用能量標(biāo)記點對稱性在對平面上標(biāo)記點中屯、的粗提取
[0025] 本例采用灰度重屯、法粗提取標(biāo)記點中屯、，先對標(biāo)記點進行圖像采集后，對采集到 的圖像使用灰度重屯、法，然后利用圖像中像素的坐標(biāo)值(X，y)和灰度值f (X，y )，應(yīng)用灰度重 屯、法初步求取目標(biāo)標(biāo)記點的中屯、，公式如下：
[00%]其中：f(x，y)是坐標(biāo)為(x，y)的像素點的灰度值，S是目標(biāo)區(qū)域集合。對公式（1)和 (2)求解后得到的胃，；)為初步求取的區(qū)域中屯、坐標(biāo)。計算得出圖1所示的粗提取中屯、點1 (44.12,58.05)。
[0029] 第二步應(yīng)用能量標(biāo)記點的楠圓錐擬合方法
[0030] W第一步得到的粗提取中屯、點1 (44.12，58.05)為捜索中屯、，在S范圍內(nèi)選取個數(shù) 為N的樣本點，取N = 500,得到500組坐標(biāo)值(xi，yi，zi)(i = l，2,3，…，500)，其中zi = f(xi， yi)為(xi，yi)對應(yīng)的灰度值，然后對運500個樣本點采用楠圓錐擬合法。其表達如下：
[0031]
[0032] 其中，（x，y)為樣本點坐標(biāo)，z = f(x，y)為對應(yīng)樣本點灰度值，a，b，c，d，e，f為楠圓 錐方程參數(shù)。
[0033] 第Ξ步通過最小二乘法擬合出最優(yōu)的楠圓錐，求解目標(biāo)函數(shù)
[0034]
[0035] 的最小值，令
求解得到d = 43.68，e = 57.23。 即得出圖1所示的精確提取中屯、點2的坐標(biāo)(43.68，57.23)。
[0036] 本發(fā)明采用兩種提取方法來保證提取精度，采用的圓形標(biāo)記點從圓屯、向邊緣的灰 度變化呈線性，運種能量標(biāo)記點相對于傳統(tǒng)標(biāo)記點含有更多的約束，包含了更多的標(biāo)記點 信息。因此，本發(fā)明的標(biāo)記點和擬合方法比傳統(tǒng)標(biāo)記點有更廣泛、精度更高的應(yīng)用，提高了 標(biāo)記點提取的精度和魯棒性。
【主權(quán)項】
1. 一種能量線性變化圓形標(biāo)記點及提取方法，其特征是，標(biāo)記點整體呈現(xiàn)圓形，從中心 向邊緣灰度呈線性變化，中心處殼度最尚，灰度最大;在標(biāo)記點提取時，先進行標(biāo)記點中心 的粗提取，根據(jù)實際情況，利用整體標(biāo)記點圖形的對稱性，使用灰度重心法進行粗提取，提 取標(biāo)記點的形心；之后運用整個標(biāo)記點的灰度線性信息，而不是單一的邊界信息進行橢圓 錐擬合，再通過最小二乘法擬合出最優(yōu)的橢圓錐，得到精確的能量標(biāo)記點的中心坐標(biāo);提取 方法的具體步驟如下： 第一步在平面上應(yīng)用能量線性變化圓形標(biāo)記點對稱性的粗提取方法，用灰度重心法求 取目標(biāo)標(biāo)記點的公式如下：其中：f(x，y)是坐標(biāo)為(X，y)的像素點的灰度值，S是目標(biāo)區(qū)域集合，??丨是區(qū)域粗提 取中心點坐標(biāo)； 第二步采用橢圓錐擬合方法對標(biāo)志圖案的灰度信息進行提取 首先采用橢圓錐擬合法對標(biāo)志圖案的灰度信息進行提取，當(dāng)標(biāo)志的灰度值z = f(x，y) 被提取后，按橢圓錐方程對提取的點進行擬合，其表達如下：其中，（x，y,)為樣本點坐標(biāo)，z = f (x，y)為對應(yīng)樣本點的灰度值，8，13,〇，(1，6 4為橢圓錐 方程參數(shù)； 第三步通過最小二乘法擬合出最優(yōu)的橢圓錐 首先在第一步提取的區(qū)域粗提取中心點11附近的S范圍內(nèi)提取一定數(shù)量 的樣本點N;用最小二乘法擬合出最優(yōu)的橢圓錐，求解目標(biāo)函數(shù)的最小值：令_對公式(3)的參數(shù)a，b，c，d，e，f進行求解，得到 橢圓錐頂點坐標(biāo)(d，e，f)，即精確的求出了能量標(biāo)記點的精確提取中心點坐標(biāo)(d，e)。
【專利摘要】本發(fā)明一種能量線性變化圓形標(biāo)記點及提取方法屬于計算機視覺測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種關(guān)于能量線性變化標(biāo)記點和準(zhǔn)確穩(wěn)定的標(biāo)記點提取方法。標(biāo)記點整體呈現(xiàn)圓形，從中心向邊緣灰度呈線性變化，中心處亮度最高，灰度最大。在標(biāo)記點提取時，先進行標(biāo)記點中心的粗提取，利用整體標(biāo)記點圖形的對稱性，使用灰度重心法進行粗提取，提取標(biāo)記點的形心。之后運用整個標(biāo)記點的灰度線性信息，而不是單一的邊界信息進行橢圓錐擬合，再通過最小二乘法擬合出最優(yōu)的橢圓錐，得到精確的能量標(biāo)記點的中心坐標(biāo)。本發(fā)明采用兩種提取方法來保證提取精度，能量線性變化圓形標(biāo)記點和擬合方法比傳統(tǒng)標(biāo)記點有更廣泛、精度更高的應(yīng)用，提高了標(biāo)記點提取的精度和魯棒性。
【IPC分類】G06T7/60
【公開號】CN105447893
【申請?zhí)枴緾N201510894743
【發(fā)明人】劉巍, 魯繼文, 馬鑫, 賈振元, 張家昆
【申請人】大連理工大學(xué)
【公開日】2016年3月30日
【申請日】2015年12月8日