一种编码标志的识别定位方法与流程

本发明涉及近景摄影测量技术领域，具体而言，涉及一种编码标志的识别定位方法。

背景技术：

在近景摄影测量应用领域，测量对象结构尺寸大型化、曲面复杂化、测试对象动态化已成为发展趋势。由于像机分辨率限制、视场遮挡、运动引起目标偏移等因素影响，对大视场范围内的大尺寸结构进行动态测量时，结构表面往往缺乏清晰可辨识度高的纹理特征，不便于直接快速、准确地提取结构表面的特征信息，不能满足测试要求。目前，通常采用在被测结构上人工布设合作标志的方式产生目标点，用于识别、追踪，因此，具有唯一编码值的编码标志的设计与应用受到广泛研究与关注。

常见的编码标志主要有三类：点分布型、同心圆环型和没有明显几何特征的一种编码标志。点分布型编码标志是通过引入设计坐标系，根据点在平面上的分布而构成数字编码，属于绝对编码，能够产生较多数量的编码，但是解码识别算法复杂耗时，例如，在点分布型编码标志技术中，申请号为201010201990.7的中国发明专利申请点分布型编码标志识别方法，其设计的编码点位置紧密排列，为保证能准确解码识别，同一编码标志中的编码点不能两两相邻，这样在有限的设计编码点空间中，编码点的排列组合数量受到较大的限制，难以产生丰富数量的唯一编码。同时，该编码标志需要至少6个圆点，在编码标志识别时，需要提取6个以上圆点，每一个圆做判定，从而判定是否存在标记点、定位点、编码点，从而确认是否存在一个完整的标志，计算量很大，解码难度大。

同心圆环型编码标志设计结构整体呈圆环形，由中心定位标志和围绕其周围的带状或者点状编码位组成。该类型编码标志定位精度高，但是编码数量有限，属于相对编码，需要判定起始编码位，动态测量中图像的模糊和环形编码区的畸变易导致识别错误。在同心圆环型编码标志技术中，例如，公开号为cn105303224a的中国发明专利申请公开了一种容量大、鲁棒性强的编码标志点及其解码方法，该解码方法包括以下步骤：s1：对获取的图像进行二值化处理，提取编码标志点；s2：按照编码标志点中的白色连通区域的形状和面积提取圆形标志点；s3：分别计算面积较大的圆形标志点到其他圆形标志点和另一面积较大的圆形标志点的距离，到各圆形标志点距离都相等的面积较大的圆形标志点判为定位标志点，另一面积较大的圆形标志点判为起始标志点，其余圆形标志点都判定为编码点；s4：分别计算从起始标志点起的相邻两个编码点与定位标志点形成的角度，记为α；α除以m减去1得到两个编码点中间间隔的0的个数，从而得到编码标志点对应的唯一编码，其中m＝360°/k，k为编码位的数目。该解码方法一定程度提高了识别的准确性，但是其主要适合环形编码方式，对于点分布型编码方式适用性不强，同时，在进行动态测量和大尺寸结构拼接测量时，特征识别效率和编码解算精度有待提高。

由于点分布型和同心圆环型编码标志一般均是采用同色的圆形标志，在实际应用过程中，由于像片倾角往往比较大，相机自身也存在一定的畸变，会使得编码标志中圆点位置之间的关系不够稳定。为解决编码标志的识别问题，申请号为201310000907.3的中国发明专利申请公开了一种点分布型彩色编码标志的解码方法，该解码方法首先通过对摄影图像中各图形的颜色和形状的识别，初步确定彩色编码标志的标志点，识别出位于编码标志中心的标志点，并以它为中心找出其他5个标志点，根据4个模板点在编码标志中的设定坐标和其在摄影图像中的真实坐标建立仿射变换模型，求出相应的仿射变换参数，并解算出编码点的真实坐标，从而得出该编码标志的编码，简化了解码步骤，提高了对彩色编码标志识别的正确率，但是该方法对硬件要求提高，在进行动态测量和大尺寸结构拼接测量时，仍然存在特征识别效率与编码解算精度不高的问题。

第三类无明显特征的编码标志一般是一些特殊形状或者他们的组合构成，此方法的编码数量有限且图像特征识别步骤繁琐。

因此，针对动态测量和大尺寸结构拼接测量中对编码标志的实际要求，如何提高特征识别效率与编码解算精度，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提出了一种编码标志的识别定位方法，针对动态测量和大尺寸结构拼接测量中对编码标志的实际要求，提高特征识别效率与编码解算精度，至少其中之一。

本发明提出的一种编码标志的识别定位方法，所述编码标志包括位于编码标志设计坐标系下的标记点、定位点和编码点，所述定位点具有区别圆点的预设特征，所述标记点和编码点为圆点，所述识别定位方法包括如下步骤：

s20：获取具有编码标志的图像；

s30：对获取的图像进行预处理，并获取包含边缘特征的二值化图像；

s40：对二值化图像进行特征分割，分离出圆形区域，对非圆形区域进行特征模板匹配，判定是否存在预设特征的形状；若无，则返回步骤s30；

s50：获取具有预设特征形状所在特征区域的骨架；

s60：根据骨架的坐标以及预设特征在编码标志设计坐标系下的设计坐标，求解出图像坐标系至编码标志设计坐标系的仿射变换矩阵；

s70：在预设特征一定邻域范围内搜索圆点，识别出圆点并求解其中心坐标，进行逆仿射变换，将圆点的图像坐标进行逆变换，转换到编码标志设计坐标系下；

s80：找出图像上与设计模板匹配的所有标记点对应的圆点，并对其它圆点进行坐标匹配解码，获得编码点的编码值；

s90：根据编码点所对应的位置，得到编码标志唯一的编码。

上述的编码标志的识别定位方法，优选的，步骤s50包括：

s51：获取特征区域的单像素骨架；

s52：求取单像素骨架上各点的法向方向，并计算法向方向上预设特征的边缘的光学中心，获得边缘的亚像素骨架。

上述的编码标志的识别定位方法，优选的，在步骤s51中，

采用k3m顺序迭代法获取特征区域的单像素骨架。

上述的编码标志的识别定位方法，优选的，在步骤s30中，预处理包括滤波、去噪、增强中的一种或多种。

上述的编码标志的识别定位方法，优选的，在步骤s40中，通过形状参数法分离出圆形区域。

上述的编码标志的识别定位方法，优选的，在步骤s80中，找出图像上与设计模板匹配的所有标记点对应的圆点，并判断仿射矩阵求解正确性，若不正确，则返回步骤s30；然后，通过查表法对其它圆点进行坐标匹配解码，获得编码点的编码值。

上述的编码标志的识别定位方法，优选的，在步骤s90中，还包括，记录定位点的坐标和编码的对应值。

上述的编码标志的识别定位方法，优选的，在步骤s20之前，还包括步骤s10：在被测物体表面粘贴编码标志，并进行图像采集。

上述的编码标志的识别定位方法，优选的，所述标记点包括第一标记点、第二标记点、第三标记点，所述定位点为多条线段的交叉点，所述编码点包括n个点，n为大于等于1的整数，所述第一标记点、第二标记点、第三标记点、交叉点分别位于一个正方形的四个顶角上，第一标记点、交叉点位于正方形的一条对角线上，定义编码标志设计坐标系的原点为交叉点，且编码标志设计坐标系的x轴、y轴平行于矩形相邻两边，编码点交错分布于编码标志设计坐标系内。

上述的编码标志的识别定位方法，优选的，所述预设特征包括十字型。

本发明提出的一种编码标志的识别定位方法，针对动态测量和大尺寸结构拼接测量中对编码标志的实际要求，通过步骤s10-s90，提高了特征识别效率与编码解算精度，同时，在优选的方案中，基于边缘平滑以及曲率变化最小思想提出了一种亚像素骨架提取方法，可进行精确的标志定位。同时，基于仿射变换理论和查表法匹配进行编码标志的解码，该标志点方法编码简单，易于识别，特征定位精度高，解码算法快速稳定。

附图说明

此处所说明的附图仅仅用来提供对本发明的进一步解释，构成被申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例提出的编码标志的识别定位方法的流程图；

图2为本发明具体实施例提出的一种编码标志的设计示意图；

图3为图2中的编码标志选取3个编码点的设计方案。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，本发明中出现的“第一”、“第二”、“第三”仅用于区分标记点，无先后之分，更不作为标记点本身的限定；同时，本发明中的“和/或”，指既可以同时具备，也可以选择其中之一，例如方案a和/或方案b，包括方案a、方案b、方案a且方案b此三种情况。

如图1-3所示，本发明提出的一种编码标志的识别定位方法，编码标志包括位于编码标志设计坐标系下的标记点、定位点和编码点，定位点具有区别圆点的预设特征，比如多条线段的交叉点，比如正方形的中点、菱形的中点等等，只要具有典型的预设特征即可，标记点和编码点为圆点，识别定位方法包括如下步骤：

s20：获取具有编码标志的图像；

该步骤中，获取的图像可以为已有的图像，也可以是重新获得的图像，比如：在步骤s20之前，还包括步骤s10：在被测物体表面粘贴编码标志，并进行图像采集，从而获得具有编码标志的图像。

s30：对获取的图像进行预处理，并获取包含边缘特征的二值化图像；

该步骤中，预处理主要是为了提高图像的质量，具体的，预处理可以包括滤波、去噪、增强中的一种或多种，去噪处理可以通过多种方式实现，如高斯平滑滤波，从而得到平滑的图像，当然也可以采用自适应维纳滤波方法进行滤波去噪处理，滤波和增强也可以采用现有的方式进行。同时，获取二值化图像可以有多种方式，如双峰法、p参数法、迭代法和otsu法等，具体可以参考现有技术。

s40：对二值化图像进行特征分割，分离出圆形区域，对非圆形区域进行特征模板匹配，判定是否存在预设特征的形状；若无，则返回步骤s30；

特征分割可以采用现有的方式，比如otsu双阈值法，优选的，可以通过形状参数法分离出圆形区域，从而得到非圆形区域，从而便于在非圆形区域中分析是否存在具有预设特征的形状，从而进行精准快速定位。特征模板即为具有预设特征的模板，通过将分割出来的非圆形区域进行特征模板匹配，可以判定出是否存在预设特征的形状，同时由于预设特征区别于标记点(圆点)，利用具有预设特征的特征模板匹配可以实现编码标志的快速搜索，且预设特征的坐标求解可以实现高精度定位。

具体地，形状参数法原理如下：形状参数包括面积、周长、圆形度、矩形度和曲率等。在不同对象识别中可以根据需要选择多个参数进行筛选。比如同时采用面积as、边缘像素周长ls、圆形度ρc为判定条件，当取值同时满足阈值的区域即为理想的圆形标记，其余为非圆形标记区域，从而实现特征目标与背景分离，进一步可用预设特征(如十字形态)的模板对非圆形区域进行搜索匹配。公式如下：

s50：获取具有预设特征形状所在特征区域的骨架；

该步骤中，可以采用现有方式获得特征区域的骨架，其骨架可以为像素骨架或其它类型骨架，获取方法可以是中轴变换(medialaxistransform，mat)、迭代替换算法等等，具体可以参考现有技术，像素骨架也可以包括多种形式，如单像素骨架、亚像素骨架等等，优选的，步骤s50包括：

s51：获取特征区域的单像素骨架；

s52：求取单像素骨架上各点的法向方向，并计算法向方向上预设特征的边缘的光学中心，获得边缘的亚像素骨架。

同时，优选的，在步骤s51中，

采用k3m顺序迭代法获取特征区域的单像素骨架。

获得亚像素骨架具体可以通过如下步骤：

1)针对像素骨架上的轮廓点pi(x,y)(f(x,y)为像素点的灰度值)，按sobel算子求取梯度向量g[fx,fy]；

2)记点pi(x,y)处的法线方向夹角为记法线方向为(nx,ny)；

3)获得法线方向后，以pi(x,y)为基点，沿法线方向选取一个像素的邻域范围，对其进行10倍放大插值，可得到一系列的p'i(x',y')，其中x'＝x+l·nx，y'＝y+l·ny，l∈(-0.5,0.5)；

4)在待求点p'i的左邻域取已知的三个骨架点pi-3,pi-2,pi-1，每相邻的三个点求对应曲率得到t1和t2，基于直线边缘平滑思想，使得曲率变化|t2-t1|＜ε，则p'i(x',y')为新找到的骨架点pi；

5)连接所有的pi即可得到亚像素骨架。

比如，针对定位点的预设特征为多条线段的交叉点的情况而言，按顺序读取线段骨架的端点坐标，对四个端点坐标值求和取平均，即可获得定位点的精确定位坐标。

s60：根据像素骨架的坐标以及预设特征在编码标志设计坐标系下的设计坐标，求解出图像坐标系至编码标志设计坐标系的仿射变换矩阵；

图像坐标系即拍摄的或获取的图像所在的坐标系，仿射变换基本原理是：编码标志通过摄影成像，在像片中会产生旋转、平移、尺度缩放、扭曲等仿射变换。二维平面的仿射变换定义可以表达式如下

x′＝ax+b,x∈r²(3)

这里b＝(b1,b2)^t∈r²为平移矩阵且是一非奇异实矩阵，旋转仅是仿射变换的特例。

仿射变换矩阵a的具体定义如下：

其中，k用来表示图像的缩放比例，θ用来表示图像的旋转角度，a和b分别用来表示图像在x,y方向上的倾斜，根据不同的参数组合我们可以得到图像之间的各种仿射变换。摄影测量中，编码标志粘贴在被测物体上，相对于整体对象只是一个很小的平面区域，满足二维平面仿射变换，因此可以求取任意位置下图像坐标系至编码标志设计坐标系的变换矩阵参数。

s70：在预设特征一定邻域范围内搜索圆点，利用椭圆拟合法等方法识别出圆点并求解其中心坐标，进行逆仿射变换，将圆点的图像坐标进行逆变换，转换到编码标志设计坐标系下；

通过该步骤，可以将标记点和编码点的坐标转换到编码标志设计坐标系下，便于下一步的识别定位。

s80：找出图像上与设计模板匹配的所有标记点对应的圆点，并对其它圆点进行坐标匹配解码，获得编码点的编码值；

设计模板即为具有整个编码标志的模板(包含标记点、定位点及编码点，以及各个点的位置关系)，具体地，该步骤中，找出图像上与设计模板匹配的所有标记点对应的圆点，并判断仿射矩阵求解正确性，若不正确，则返回步骤s30；然后，通过查表法对其它圆点进行坐标匹配解码，获得编码点。

s90：根据编码点所对应的位置，得到编码标志唯一的编码，该编码可以为编码点的序号组合，也可以为该序号组合对应的编号，还可以为其它编码。优选的，该步骤还可以包括，记录定位点的坐标和编码的对应值。也就是说，实现了编码标志的定位和识别。

上述的编码标志的识别定位方法，识别定位的编码标志可以选择满足前述要求的编码标志，具体的，如图2所示，标记点包括第一标记点a、第二标记点b、第三标记点c，定位点为多条线段的交叉点o，编码点包括n个点，n为大于等于1的整数，第一标记点a、第二标记点b、第三标记点c、交叉点o分别位于一个正方形的四个顶角上，第一标记点a、交叉点o位于正方形的一条对角线上，定义编码标志设计坐标系的原点为交叉点o，且编码标志设计坐标系的x轴、y轴平行于矩形相邻两边，编码点交错分布于编码标志设计坐标系内，不同位置的编码点对应有唯一的编码数字，各编码点对应的编码数字组合为唯一的编码值。

上述的编码标志的识别定位方法，优选的，预设特征包括十字型，当然还可以为米字型、×型等。

由于该识别定位方法采用了上述的编码标志，通过采用具有预设特征的定位点(多条线段的交叉点)，定位点容易识别，可以通过模板匹配快速判定是否存在定位点，实现快速精准定位，从而知道是否存在一个编码标志，不需要逐个判定圆点(现有技术统一采用圆点)，计算量小。且在理论上，三个标记点和一个编码点(总数量大于等于4)就可以实现编码功能，设计结构更加简单，也减少了标记圆的数量，以及解码过程中各点之间的位置关系判定，大大缩短了解算时间；同时，本发明的定位点在通过亚像素骨架计算时，可以提高定位精度；定位点的线条特征以及选择的设计模板的线段长度，可以方便求解仿射变换矩阵，为解码提供保障。另外，定位点为十字型交叉点，利用十字模板匹配可以实现编码标志的快速搜索，且十字交点的坐标求解可以实现高精度定位。同时由于第一标记点a、第二标记点b、第三标记点c、交叉点o分别位于一个正方形的四个顶角上，第一标记点a、交叉点o位于矩形的一条对角线上，该编码标志对成像畸变有较强的抗干扰能力，保证编码方法的可靠性。

上述的编码标志，编码点个数可以是n＝1,2,3…,编码点的设计位置可以根据需要排列，n越小，编码点排列越稀疏，识别解码准确率越高，但是设计位置就少了，n越大，可以丰富编码的数量，优选的，n大于2，至少两个编码点的连线与x轴平行，或/和，至少两个编码点的连线与y轴平行，需要说明的是，此处的平行并非是绝对的平行，由于制作和编码标志粘贴的误差，只需要大致平行即可。进一步的，各个编码点在编码标志设计坐标系内分行、分列排布。图1中，示意出了29个编码点，包括平行于x轴的3行和平行于y轴的3列，可以理解的是，这只是其中一种设置方式，还可以衍生出更多的方式，比如编码点18个、25个、36个、43个等，包括平行于x轴的5行和平行于y轴的4列等等。在此不再一一列举和图示，只要在本发明的设计框架之下即可。

具体地，参考图2-3所示。定位点选用具有明显图形特征的十字形交叉点，标记点和编码点选择圆点，不同编码点组合对应唯一的编码。根据设计原理可知，编码容量n符合组合学规律，有公式：

其中，n为设计的编码标号总数，m为选取的编码点个数(m≥1，整数)。当n＝29，m＝3时，编码容量达到3654，基本能够满足所有测试需求(图3(a)-(c)为选取3个编码点的设计方案，分别生成组合为01-15-23、06-11-25和01-17-25三个编码标志，当然可以选择更多种编码标志)。十字形的交叉点o点为编码标志设计坐标系的原点，坐标系的x轴、y轴分别平行于ab和ac，那么，根据设计的比例标尺，可以得出每一个标记点和编码点对应指定的坐标。

总体上，本发明的识别定位方法，针对动态测量和大尺寸结构拼接测量中对编码标志的实际要求，通过步骤s10-s90，提高了特征识别效率与编码解算精度，同时，在优选的方案中，基于边缘平滑以及曲率变化最小思想提出了一种亚像素骨架提取方法，可进行精确的标志定位。同时，基于仿射变换理论和查表法匹配进行编码标志的解码，该标志点方法编码简单，易于识别，特征定位精度高，解码算法快速稳定。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。