專利名稱：確定靶標拓撲關系的方法及可任意擺放的攝像機標定靶標的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于計算機視覺技術，圖像測試技術領域，尤其是涉及確定靶標拓撲關系的方法 及可任意擺放的攝像機標定耙標。
背景技術：
耙標的設計是計算機視覺和圖像測試技術的關鍵技術，決定了系統(tǒng)的測量精度和簡易度。 立體靶標制作復雜、成本高，實際應用中普遍釆用平面靶標組建的虛擬空間靶標，所以平面 靶標的設計也成為這個領域研究的熱點技術。平面靶標的設計關鍵在于攝像機采集的平面圖 像上特征點的位置關系和實際特征點位置關系的對應，經常被稱為拓撲對應問題。
在攝像機的Tsai標定模型中，靶標一般是正對傳感器，所以使用靶標的間距倍數(shù)原則， 即可確定拓撲對應。這種靶標在相對攝像機傾斜角度較大時，因投影變換使像面上的間距產 生了變化，采用間距倍數(shù)原則容易產生錯誤的拓撲關系。而平面靶標在實際使用過程中，經 常會碰到靶面不正對傳感器的情況，例如雙目攝像機系統(tǒng)的標定，兩個攝像機要同時看到耙 面，所以靶標肯定不能正對其中的某個攝像機；在Zhang的不確定視角攝像機標定過程中， 要求靶標在傳感器測量視場內任意擺放若干不同角度的位置；另外，在用平面靶標進行姿態(tài) 測量時，耙面的放置也隨物體的變動隨機變化。所以很有必要設計一套任意擺放位置都能準 確確定拓撲對應關系的靶標。

發(fā)明內容
為克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種確定靶標拓撲關系的方法及可任意 擺放的攝像機標定靶標，以實現(xiàn)任意擺放靶標也能準確提取特征點的拓撲對應關系。本發(fā)明 采用的技術方案是 一種可任意擺放的攝像機標定靶標，包括水平和垂直排列的小圓構成， 在排列的小圓中，設置有排列采用對角放置的4個大圓，三個大圓的圓心位于一條直線，另 一大圓的圓心在該直線以外，圓心在該直線以外的大圓標號為1號圓，距l(xiāng)號圓最近的大圓 標號為2號圓，圓心位于一條直線的三個大圓中間的一個標號為0號圓，圓心位于一條直線 的三個大圓剩余的一個大圓標號為3號圓。
-種確定耙標拓撲關系的方法，通過攝像機采集到權利要求1所說的標定靶標的圖像， 對該圖像進行分析處理，確定耙標拓撲關系，包括下列步驟
(1) 預處理，去除噪聲點，區(qū)分大圓和小圓
對采集得到的圖像，分別進行二值化、輪廓提取首先，設置較小的圓形度閾值CT控制，
用于去除背景非圓形物體的影響；接著，對剩下的輪廓按照面積和周長大小進行分組，根據(jù) 靶標的特征，小圓分組肯定是包含輪廓最多的那個，剩余的輪廓分別計算和小圓分組中每個 輪廓的相似度和，其中和最小的四個輪廓確定為大圓，剔出其余輪廓；
(2) 確定靶標方向
對于四個大圓，任一圓的圓心和其余三個的圓心組成三個矢量，如果它們分別不具共線 性，則判定該任一圓為1號圓，其余三個圓的任兩個圓心連線形成一個矢量，計算它分別與 1號圓和三個圓心連線矢量的夾角，根據(jù)夾角的大小順序可以分別確定出2號圓、0號圓和3
號圓，以0號圓和1號圓連線為X軸，其垂直方向為Y軸，確定坐標系，同時標記0、 1、 2、 3號圓的拓撲坐標值分別為(0,0)、 (2,0) 、 (1,1)、 (-l,-l);
(3) 尋找x^0, x=l, y=0， y =-1四個軸上的小圓
遍歷所有小圓，計算每個圓心和0號圓心的連線與X軸矢量巧的共線性，把共線的小圓 歸類到y(tǒng)《軸上的圓序列中，同時，利用其連線和0號圓與2號圓圓心連線巧的夾角大小判 別是在正/負向上，原則是夾角為銳角(<90°)，則在正向上，反之在負向上；把這個圓序
列按照到0號圓的距離排序，分別分配相應的拓撲坐標值；標記坐標為(l，O)、 (l,-l)和(O,-l)
的小圓分別為4、 5、 6號圓。在y-0軸圓序列上找到標號為4號的小圓，同樣遍歷小圓，計 算小圓圓心與2號圓心連線和4號小圓與2號圓心連線矢量的共線性，確定x=l軸向上的圓 序列；同樣的，找到5、 6號小圓，分別借助3號大圓圓心與5號小圓圓心連線矢量，分別借 助0號大圓圓心與6號小圓圓心連線矢量，確定y=-1和x=0軸向上的圓序列；
(4) 確定四軸之外其他小圓的拓撲坐標 首先把未標示的小圓拓撲坐標設為(O,O)，對于yi軸上的小圓A,搜索y--l軸上對應的
x拓撲坐標值一樣的小圓B，連接兩圓心的矢量冗；同時搜索其余小圓圓心和A圓心連線與 1的共線性，共線的小圓的y拓撲坐標值設成和A的一致，按照這樣的方法遍歷y=0軸上 的圓序列；同理遍歷x=0軸上的圓序列，利用x=l軸上的點，確定其余小圓的x拓撲坐標值；
(5) 修正錯誤的拓撲坐標值
經過第4步的處理，對于橫/豎向軸長短不一致的情況，小圓設定的拓撲坐標值可能會出 現(xiàn)其中一維確定，而另一維沒有被設定的錯誤情況，針對這種情況，進行以下修正對于x 坐標值為0的小圓，可以再次判斷它和0號圓的連線是于Y軸矢量^;共線，若不共線則剔除，
同理，對于y坐標值為O的圓，判斷是否共線于X軸矢量S;
(6) 剔除不可靠圓
由于攝像機投影轉換的影響，其中一些圓可能產生比較大的變形，成為不可靠圓，借助 較高圓形度的閾值，對編號后的全部圓進一步去除；還可以設定合適的相似度閾值，使用其 他圓和0號圓的相似度進一步剔除不可靠圓。
所說的共線性，是使用矢量夾角的正弦值進行判別線段矢量g和5的夾角正弦值可以 表示為
當這個值小于閾值sin^時，可以判定兩個線段共線。
所說的去除噪聲點是利用圓形度的判斷剔出部分復雜背景對靶標的影響，在圖像上，對 于由tV個點{(^，") I K "包圍的封閉輪廓，包圍的面積S可以表示為，
其中/,J'為整數(shù)，輪廓的最小包容圓的半徑為f，則圓形度可以表示為C-")/^2，其值越大說
5
明輪廓越接近圓形，反之亦然。
本發(fā)明具備以下效果由于本發(fā)明釆用了具有方向性的圓形靶標，結合圖像處理算法和 矢量平行的判斷很容易確定任意擺放位置的靶標的拓撲對應關系。拓撲確定的準確度特別高， 并且具有處理完全自動化、使用方便等特點。


圖1為本發(fā)明的新型方向性平面靶標。
圖2為大圓相鄰時二值化導致的錯誤示意圖。
圖3為本發(fā)明的圓標號和坐標系建立示意圖。
圖4為本發(fā)明的使用圓形度和分組法剔除背景噪聲輪廓示意圖。
圖5實際確定的靶標方向圖。
圖6四個軸向上的圓序列圖。
圖7耙標拓撲坐標和錯誤標記示意圖。 . 圖8耙標處理實例.
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例進一步說明本發(fā)明。
本發(fā)明采用一組圓陣列作為靶標元素，其中四個大圓確定平面靶標的方向以及坐標系， 如圖1所示。大圓的排列釆用對角放置，避免了在二值化過程中，因閾值的選擇不當使相鄰
大圓區(qū)域連接，如圖2所示；因而可以選擇直徑較大的圓，從而保證了大圓與小圓直徑的比
值相對較大，易于遠距離的采集和處理。如圖3所示，依次將靶標中的四個圓進行標號，并
規(guī)定按照圖中所示建立空間坐標系，這樣靶標就具有了方向性。因此不管靶標位置如何，只 要保證了四個標號圓完整，就可以按照下面的規(guī)則判斷出靶標的方向，進一步確定正確的拓 撲對應關系。 1.核心算法
(1)確定靶標拓撲關系的核心判別法
攝像機對物體進行了投射變換，但面積、周長比例和共線性是這個變換里的不變量。所 以，要首先說明在下面流程中經常使用的共線性的判別法則，這里提出使用矢量夾角的正弦
值進行判別。例如，在圖3中，矢量巧和巧的夾角正弦值可以表示為-
sin (9 =
__、2
K《
(1)
當這個值小于閾值sin^時，可以判定兩個線段是共線的。在本系統(tǒng)中，攝像機系統(tǒng)的畸變和
輪廓中心的提取偏差會對共線性產生微量影響，所以這里可以設定一個很小的閾值(比如
sin3°)。
(2)去處背景噪聲的核心算法 利用圓形度的判斷可以剔出部分復雜背景對靶標的影響。在圖像上，對于由W個點 ^,，^)IK"^包圍的封閉輪廓，包圍的面積可以表示為，
<formula>formula see original document page 7</formula>
輪廓的最小包容圓的半徑為r，則圓形度可以表示為c-y 2，其值越大說明輪廓越接近圓形， 反之亦然。
相似度判別由Hu距不變量來決定，即圖形經過平移和旋轉后的不變量。假設A， B是兩個 要比較的輪廓，相似度有三個定義，<formula>formula see original document page 7</formula>
其<formula>formula see original document page 7</formula>是A階Hu距。可以使用其
中一個作為判別原則，如果兩個輪廓完全相等，則；;=/2二/3<);越不相似，三個值就越接近l。
2.確定靶標拓撲關系的具體步驟
(1) 預處理，去除噪聲點，區(qū)分大圓和小圓
對采集得到的圖像，分別進行二值化、輪廓提取。首先，設置較小的圓形度閾值CT控制
(例如0.4)，用于去除背景非圓形物體的影響；接著，對剩下的輪廓按照面積和周長大小進 行分組，根據(jù)靶標的特征，小圓分組肯定是包含輪廓最多的那個；剩余的輪廓分別計算和小 圓分組中每個輪廓的相似度和，其中和最小的四個輪廓確定為大圓。處理結果如圖4所示， 未標記中心坐標的輪廓被剔出。
(2) 確定耙標方向
對于四個大圓，任一圓A的圓心和其余三個的圓心組成三個矢量，如果它們分別不具共 線性，則A必為1號圓。其余三個圓的任兩個圓心連線形成一個矢量，計算它分別與l號圓 和三個圓心連線矢量的夾角，根據(jù)夾角的大小順序可以分別確定出2、 0和3號圓。如圖3所 示可以確定坐標系，同時標記0、 1、 2、 3號圓的拓撲坐標值分別為(O，O)、 (2,0) 、 (1,1)、 (-l,-l)。 實際找尋結果如圖5所示。
(3) 尋找x-0， x=l， y=0， y =-1四個軸上的圓
遍歷所有小圓，計算每個圓心和O號圓心的連線與巧的共線性，把共線的小圓歸類到y(tǒng)二0
軸上的圓序列中，同時，利用其連線和刁的夾角大小判別是在正/負向上，原則是夾角為 銳角(〈90")，則在正向上，反之在負向上；把這個圓序列按照到0號圓的距離排序，分別 分配相應的拓撲坐標值。在7=0軸圓序列上找到4號圓，同樣遍歷小圓，計算小圓圓心和2 號圓心連線和^的共線性，確定x=l軸向上的圓序列；同理，可以定位5、 6號圓，分別借 助g和巧，確定7=-1和乂=0軸向上的圓序列。搜尋結果如圖6所示。
(4) 確定四軸之外其他小圓的拓撲坐標 首先把未標示的小圓拓撲坐標設為(0, 0)。對于y=0軸上的圓A，搜索y=-1軸上對應的x
拓撲坐標值一樣的圓B，連接兩圓心的矢量I5 ;同時搜索其余小圓圓心和A圓心連線與Z^的
共線性，共線的圓的y拓撲坐標值設成和A的一致，按照這樣的方法遍歷y-O軸上的圓序列; 同理遍歷^0軸上的圓序列，利用Fl軸上的點，確定其余圓的x拓撲坐標值。圖7是這一
歩處理的示例。
(5) 修正錯誤的拓撲坐標值
經過第4步的處理，對于量橫/豎向軸長短不一致的情況，其余小圓設定的拓撲坐標值可 能會出，其中一維確定，而另一維沒有被設定的錯誤情況，如圖7所示的方框內的輪廓。針 對這種情況，可以進行以下修正對于x坐標值為O的圓，可以再次判斷它和O號圓的連線 是于；共線，若不共線則剔除；同理，對于y坐標值為O的圓，判斷是否共線于；。
(6) 剔除不可靠圓
由于攝像機投射轉換的影響，其中一些圓可能產生比較大的變形，成為不可靠圓。可以借 助圓形度的高閾值(例如0.8以上)，對編號后的全部圓進一步去除。另外，還可以設定合適 的相似度閾值(例如0.08)，使用其他圓和O號圓的相似度進一步剔除不可靠圓。
目前，本發(fā)明已成功地替代了普通平面靶標，應用于Zhang和Tsai的攝像機標定、雙目 攝像機系統(tǒng)標定以及計算靶面姿態(tài)等應用中。本發(fā)明同樣適用于機器視覺和圖像測試技術中 需要平面靶標的其他場合，具有很好的應用價值。
權利要求
1.一種可任意擺放的攝像機標定靶標，包括水平和垂直排列的小圓構成，其特征在于，在排列的小圓中，設置有排列采用對角放置的4個大圓，三個大圓的圓心位于一條直線，另一大圓的圓心在該直線以外，圓心在該直線以外的大圓標號為1號圓，距1號圓最近的大圓標號為2號圓，圓心位于一條直線的三個大圓中間的一個標號為0號圓，圓心位于一條直線的三個大圓剩余的一個大圓標號為3號圓。
2. —種.確定靶標拓撲關系的方法，其特征在于，通過攝像機采集到權利要求1所說的標定靶標的圖像，對該圖像進行分析處理，確定耙標拓撲關系，包括下列步驟(1) 預處理，去除噪聲點，區(qū)分大圓和小圓對采集得到的圖像，分別進行二值化、輪廓提取首先，設置較小的圓形度閾值CT控制，用于去除背景非圓形物體的影響，接著，對剩下的輪廓按照面積和周長大小進行分組，根據(jù) 靶標的特征，小圓分組肯定是包含輪廓最多的那個，剩余的輪廓分別計算和小圓分組中每個 輪廓的相似度和，其中和最小的四個輪廓確定為大圓，剔出其余輪廓；(2) 確定耙標方向對于四個大圓，任一圓的圓心和其余三個的圓心組成三個矢量，如果它們分別不具共線 性，則判定該任一圓為1號圓；其余三個圓的任兩個圓心連線形成一個矢量，計算它分別與 1號圓和三個圓心連線矢量的夾角，根據(jù)夾角的大小順序可以分別確定出2號圓、0號圓和3 號圓，以O號圓和1號圓連線為X軸，其垂直方向為Y軸，確定坐標系，同時標記O、 1、 2、 3號圓的拓撲坐標值分別為(0，0)、 (2,0) 、 (1,1)、 (-l，-l);(3) 尋找xi， x=l， y=0， y =-1四個軸上的小圓遍歷所有小圓，計算每個圓心和O號圓心的連線與X軸矢量巧的共線性，把共線的小圓 歸類到y(tǒng)W軸上的圓序列中，同時，利用其連線和0號圓與2號圓圓心連線^的夾角大小判 別是在正/負向上，原則是夾角為銳角(<90°)，則在正向上，反之在負向上；把這個圓序 列按照到0號圓的距離排序，分別分配相應的拓撲坐標值;標記坐標為(1,0) 、 (1, -1)和(0, -l) 的小圓分別為4、 5、 6號圓。在yi軸圓序列上找到標號為4號的小圓，同樣遍歷小圓，計 算小圓圓心與2號圓心連線和4號小圓與2號圓心連線矢量的共線性，確定x=l軸向上的圓 序列；同樣的，找到5、 6號小圓，分別借助3號大圓圓心與5號小圓圓心連線矢量，分別借 助0號大圓圓心與6號小圓圓心連線矢量，確定y=_l和x=0軸向上的圓序列；(4) 確定四軸之外其他小圓的拓撲坐標 首先把未標示的小圓拓撲坐標設為(O,O)，對于尸O軸上的小圓A，搜索7=-l軸上對應的x拓撲坐標值一樣的小圓B，連接兩圓心的矢量Z^;同時搜索其余小圓圓心和A圓心連線與 的共線性，共線的小圓的y拓撲坐標值設成和A的一致，按照這樣的方法遍歷y=0軸上的圓序列；同理遍歷X^軸上的圓序列，利用Fl軸上的點，確定其余小圓的X拓撲坐標值；(5) 修正錯誤的拓撲坐標值經過第4步的處理，對于橫/豎向軸長短不一致的情況，小圓設定的拓撲坐標值可能會出現(xiàn)其中一維確定，而另一維沒有被設定的錯誤情況，針對這種情況，進行以下修正對于X 坐標值為0的小圓，可以再次判斷它和0號圓的連線是于Y軸矢量^共線，若不共線則剔除，同理，對于y坐標值為O的圓，判斷是否共線于X軸矢量；； (6)剔除不可靠圓由于攝像機投射轉換的影響，其中一些圓可能產生比較大的變形，成為不可靠圓，借助 圓形度的高閾值，對編號后的全部圓進一步去除；還可以設定合適的相似度閾值，使用其他 圓和0號圓的相似度進一步剔除不可靠圓。3.根據(jù)權利要求2所述的一種確定耙標拓撲關系的方法，其特征在于，所說的共線性，使用 矢量夾角的正弦值進行判別，線段矢量巧和丐的夾角正弦值可以表示為當這個值小于閾值sin^時，可以判定兩個線段共線。
全文摘要
本發(fā)明屬于圖像測試技術領域，尤其是涉及確定靶標拓撲關系的方法及可任意擺放的攝像機標定靶標。為提供一種確定靶標拓撲關系的方法及可任意擺放的攝像機標定靶標。本發(fā)明采用的技術方案是可任意擺放的攝像機標定靶標，在排列的小圓中，設置有排列采用對角放置的4個大圓，三個大圓的圓心位于一條直線，另一大圓的圓心在該直線以外，圓心在該直線以外的大圓標號為1號圓，距1號圓最近的大圓標號為3號圓，圓心位于一條直線的三個大圓中間的一個標號為0號圓，圓心位于一條直線的三個大圓剩余的一個大圓標號為2號圓，結合圖像處理算法和矢量平行的判斷很容易確定任意擺放位置的靶標的拓撲對應關系。本發(fā)明主要用于圖像測試。
文檔編號H04N17/00GK101098492SQ20061001448
公開日2008年1月2日 申請日期2006年6月29日 優(yōu)先權日2006年6月29日
發(fā)明者孫長庫, 張效棟, 杉 陳 申請人:天津大學