一種環(huán)狀編碼標(biāo)記點(diǎn)偏轉(zhuǎn)變形的自矯正方法

劉立彬 張譽(yù) 王鑫

關(guān)鍵詞：環(huán)狀編碼標(biāo)記點(diǎn)；變形矯正；仿射變換

1研究背景

1.1環(huán)狀編碼標(biāo)記點(diǎn)的結(jié)構(gòu)

編碼標(biāo)記點(diǎn)廣泛應(yīng)用于一些光學(xué)攝影測(cè)量技術(shù)，這些測(cè)量方法是通過拍攝被測(cè)物體上布置的標(biāo)記點(diǎn)來提取被測(cè)物體的結(jié)構(gòu)特征，以特定規(guī)則編碼的圖案給標(biāo)記點(diǎn)打上編號(hào)便于識(shí)別和區(qū)分。編碼標(biāo)記點(diǎn)在不同的編碼規(guī)則下有不同的形狀和圖案，常見的如圖1所示。其中，圖案中央圓形或十字形為精確定位點(diǎn)，周圍的圓形、環(huán)形或線段是編碼圖案，通過解碼后得到數(shù)字編號(hào)。

此系統(tǒng)采用圖2所示的環(huán)狀圖案結(jié)構(gòu)的編碼標(biāo)記點(diǎn)，最中間的圓心提供坐標(biāo)，起到定位的作用，外圍圓環(huán)等分為十二份，起到編碼的作用，每段小圓環(huán)的顏色可涂為黑色或白色，黑色段代表數(shù)字0，白色段代表數(shù)字1，十二段小圓環(huán)黑白相間組合在一起，構(gòu)成該編碼標(biāo)記點(diǎn)代表的二進(jìn)制數(shù)字編號(hào)。

1.2環(huán)狀編碼標(biāo)記點(diǎn)的檢測(cè)

進(jìn)行光學(xué)攝影測(cè)量時(shí)，需先準(zhǔn)備被測(cè)物體表面布置編碼標(biāo)記點(diǎn)，然后用相機(jī)照相采集圖像，對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理和提取特征點(diǎn)，隨后匹配特征點(diǎn)并進(jìn)行三維重建模型。本文主要研究提取特征點(diǎn)即檢測(cè)編碼標(biāo)記點(diǎn)過程中的一種矯正算法。

環(huán)狀編碼標(biāo)記點(diǎn)由圓和環(huán)狀編碼帶組成，檢測(cè)編碼標(biāo)記點(diǎn)的原理就是在圖像中找到一些距離相近的組合圖案，然后根據(jù)條件將之判定為圖像中的編碼標(biāo)記點(diǎn)。編碼標(biāo)記點(diǎn)的檢測(cè)是一項(xiàng)復(fù)雜而重要的工作，檢測(cè)失敗會(huì)直接導(dǎo)致立體匹配出錯(cuò)而無法完成三維模型的重建。一般來說，標(biāo)記點(diǎn)檢測(cè)按如下步驟進(jìn)行：（1）圖像預(yù)處理。在檢測(cè)前，對(duì)拍攝的圖像畫面進(jìn)行一定的加工，包括灰度化、高斯濾波等；（2）對(duì)編碼標(biāo)記點(diǎn)定位中心圓的橢圓檢測(cè)。首先對(duì)圖像進(jìn)行二值化，然后抽取輪廓，最后再進(jìn)行橢圓的擬合處理；（3）篩選。檢測(cè)出的橢圓通常有很多錯(cuò)誤，所以需要進(jìn)行篩選，通過設(shè)置長(zhǎng)短軸比例、橢圓大小等條件都可以達(dá)到；（4）編碼標(biāo)記點(diǎn)解碼。編碼標(biāo)記點(diǎn)檢測(cè)完畢后，每個(gè)編碼標(biāo)記點(diǎn)都按規(guī)則進(jìn)行解碼。

以上方法不足之處是對(duì)橢圓形編碼標(biāo)記點(diǎn)直接進(jìn)行解碼，在實(shí)際工程應(yīng)用過程中，若采集的編碼點(diǎn)圖像因拍攝角度等原因發(fā)生了變形，則不僅圓形圖案變成橢圓，圓環(huán)也發(fā)生了位移和縮放，如圖3所示。這使得接下來的解碼很可能不準(zhǔn)確甚至解碼失敗，所以編碼標(biāo)記點(diǎn)圖形需要進(jìn)行修正。

本文研究的矯正方法，通過檢測(cè)得到的橢圓，使橢圓的長(zhǎng)短軸和中心點(diǎn)重新進(jìn)行仿射投影，投影后的橢圓成為正圓，從而達(dá)到矯正的目的，使標(biāo)記點(diǎn)的解碼過程不易出錯(cuò)。

矯正后解碼過程如下：（1）預(yù)處理。選擇編碼標(biāo)記點(diǎn)所在的roi區(qū)域，該區(qū)域中包含編碼的環(huán)形帶信息：（2）將環(huán)形帶均勻切割為360份，計(jì)算每份中的白色像素?cái)?shù)量，從而確定該份是否是白色帶，白色帶用1表示，反之黑色帶用0。得到形如1100000011111100011…的字符串；（3）將360個(gè)字符長(zhǎng)度的字符串合并為15組的編碼串，每組24個(gè)字符。分割的準(zhǔn)則為，每個(gè)編碼串中的字符盡可能一致，最好全為1或全為0，然后根據(jù)字符串的平均值確定該位的具體編碼值；（4）將得到編碼標(biāo)記點(diǎn)的二進(jìn)制碼值轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制碼數(shù)。

2矯正的算法設(shè)計(jì)

在圖像中，可以近似認(rèn)為編碼標(biāo)記點(diǎn)由偏到正是一個(gè)仿射變換。

仿射變換可以用如下公式表示：

只需要估算出這個(gè)仿射變換的參數(shù)，然后就可以計(jì)算出變換之后的像素坐標(biāo)，從而達(dá)到矯正圖像的目的。仿射變換矩陣A包含6個(gè)參數(shù)，因此需要三組點(diǎn)來估算。得到3個(gè)點(diǎn)后，會(huì)得到一系列的線性方程，通過解方程，可以得到仿射變換的參數(shù)。

如圖4所示，在編碼標(biāo)記點(diǎn)圖像的橢圓中，根據(jù)橢圓的長(zhǎng)短軸作一個(gè)平行四邊形，可以知道原來的圖案中間是一個(gè)圓形，偏轉(zhuǎn)后，該圓形退化成一個(gè)橢圓形，內(nèi)接正方形退化為平行四邊形。經(jīng)過修正后，該平行四邊形還原成正方形。該平行四邊形的頂點(diǎn)與正方形的四個(gè)頂點(diǎn)相互對(duì)應(yīng)。這個(gè)對(duì)應(yīng)可以用來估算仿射變換的參數(shù)。

估算出仿射變換矩陣后，可以將原圖所有像素經(jīng)過該矩陣映射到新的圖像中，從而達(dá)到圖像矯正的效果。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1矯正算法總體設(shè)計(jì)

此方案基于opencv算法庫(kù)，其中很多算法已經(jīng)做好了封裝，如高斯模糊，二值化，斑塊檢測(cè)，橢圓擬合，外接矩形計(jì)算，仿射矩陣計(jì)算，仿射變換等。

算法流程如圖5所示。

3.2矯正算法實(shí)施

矯正的效果如圖6所示，第一行為偏轉(zhuǎn)的編碼標(biāo)記點(diǎn)，第二行為矯正后的效果。為了方便比對(duì)，添加了輔助圓圈。

4結(jié)束語

通過試驗(yàn)可以看到，矯正取得了不錯(cuò)的效果，基本恢復(fù)成未偏轉(zhuǎn)變形的原編碼標(biāo)記點(diǎn)，大大提高了識(shí)別的準(zhǔn)確性和成功率，在具體項(xiàng)目中應(yīng)用此方法能使系統(tǒng)的測(cè)量精度和測(cè)量的魯棒性得到較大的提高。