雙目立體視覺中靶標(biāo)的設(shè)計(jì)與識(shí)別

0 引言
    雙目立體視覺測(cè)量是基于視差原理，由多幅圖像獲取物體三維幾何信息的方法。在計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)中，雙目立體視覺測(cè)量一般由雙攝像機(jī)從不同的角度同時(shí)獲取周圍景物的兩幅圖像，或有單攝像機(jī)在不同時(shí)刻從不同角度獲取周圍景物的兩幅數(shù)字圖像，并基于視差原理即可恢復(fù)出物體的三維幾何模型，重建周圍景物的三維形狀與位置。
    在雙目立體視覺測(cè)量的許多應(yīng)用中，可以在待測(cè)物體表面分布一些具有明顯特征且易于識(shí)別的元素作為標(biāo)記點(diǎn)，如圓、十字刻畫線等。若給標(biāo)記點(diǎn)加載唯一的身份信息，即對(duì)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行編碼，對(duì)圖像中標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行唯一身份識(shí)別后，可以方便，可靠地實(shí)現(xiàn)多幅圖像間標(biāo)記點(diǎn)的對(duì)應(yīng)匹配。
    基于上述原理，在實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)并聯(lián)機(jī)器人雙目主動(dòng)立體視覺監(jiān)測(cè)平臺(tái)的過程中，需要事先知道兩個(gè)攝像機(jī)的初始位置，由于光柵尺的造價(jià)昂貴及圓形光柵尺的生產(chǎn)加工難度大，我們?cè)O(shè)計(jì)了含有編碼標(biāo)志點(diǎn)的特殊靶標(biāo)。靶標(biāo)的關(guān)鍵部分為編碼標(biāo)志點(diǎn)，本文主要對(duì)實(shí)驗(yàn)中所用編碼標(biāo)志點(diǎn)的設(shè)計(jì)與識(shí)別進(jìn)行研究。

1 靶標(biāo)的設(shè)計(jì)
    本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的靶標(biāo)(其中，中心處的編碼標(biāo)志點(diǎn)是不同的)，利用其已知信息，完成對(duì)攝像機(jī)位置的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)了與圓形光柵尺相同的作用。在圓形導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)均勻設(shè)置了6組(12塊)含有一個(gè)編碼標(biāo)志點(diǎn)和18個(gè)非編碼點(diǎn)的靶標(biāo)(如圖2所示)，其中編碼標(biāo)志點(diǎn)位于靶標(biāo)的中心，其余非編碼點(diǎn)均為正方形，按一定尺寸關(guān)系均勻分布在編碼標(biāo)志點(diǎn)的兩側(cè)。

    根據(jù)實(shí)際需要，本文采用了馬揚(yáng)飚等設(shè)計(jì)的編碼標(biāo)志點(diǎn)。編碼標(biāo)志點(diǎn)由編碼點(diǎn)和標(biāo)志點(diǎn)組成，其中標(biāo)志點(diǎn)提供位置信息，編碼信息被編譯儲(chǔ)存在編碼點(diǎn)的排布中。編碼標(biāo)志點(diǎn)應(yīng)該滿足以下要求：
    ·旋轉(zhuǎn)與改變比例的不變性；
    ·對(duì)可能存在誤差修正的目標(biāo)數(shù)量的強(qiáng)魯棒陛識(shí)別幾率；
    ·制定一個(gè)能精確測(cè)量與物體上一個(gè)控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)的標(biāo)志點(diǎn)的中心的規(guī)則；
    ·在沒有統(tǒng)—對(duì)比度的圖像中，—個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的強(qiáng)檢測(cè)幾率。
    為了滿足這些要求，本文采用的8位編碼標(biāo)志點(diǎn)如圖3所示。其中標(biāo)志點(diǎn)和編碼點(diǎn)全部為圓形，標(biāo)志點(diǎn)位于中央，面積較大，編碼點(diǎn)規(guī)則排布在同一個(gè)圓周上，面積較小，整個(gè)編碼標(biāo)志點(diǎn)的位置信息由中央的標(biāo)志點(diǎn)圓心位置提供，各個(gè)編碼位上編碼點(diǎn)的有無決定了不同的編碼信息。編碼點(diǎn)由8個(gè)圓構(gòu)成，因此可能得到個(gè)編碼，然而由于一個(gè)編碼應(yīng)滿足旋轉(zhuǎn)和改變比例不變的需要，只有34個(gè)(編碼點(diǎn)個(gè)數(shù)為1的丟棄)可以作為編碼。

2 靶標(biāo)的識(shí)別
2．1 編碼標(biāo)志點(diǎn)的識(shí)別
2．1．1 圖像截取
    使用雙目主動(dòng)立體視覺監(jiān)測(cè)平臺(tái)上的任一攝像機(jī)拍攝一幅靶標(biāo)圖像，其中可以含有幾個(gè)靶標(biāo)，使用圖像截取函數(shù)，從圖像中截取出只包含編碼標(biāo)志點(diǎn)的圖像。
2．1．2 圖像二值化
    為了簡化目標(biāo)識(shí)別過程，需要將截取出的彩色圖像轉(zhuǎn)化成灰度圖像，然后再將灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像，通過與閾值比較，圖像二值化按下式執(zhí)行：

   
    其中：f(x，y)初始圖像，b(x，y)為二值圖像，t(x，y)為像素的閾值。由于圖像中對(duì)比度比較統(tǒng)一，應(yīng)用一個(gè)自適應(yīng)的閾值t(x，y)=t0，可以比較精確地將對(duì)象閾值初始化。
2．1．3 圓點(diǎn)質(zhì)心查詢
    為了提取每個(gè)圓點(diǎn)的區(qū)域，使用"標(biāo)簽算法"，執(zhí)行標(biāo)簽算法后，每個(gè)區(qū)域得到一個(gè)唯一的數(shù)字。對(duì)每一個(gè)連通區(qū)域使用"測(cè)量圖像中的對(duì)象屬性"方法，得到各個(gè)區(qū)域的面積和質(zhì)心。對(duì)中央標(biāo)志點(diǎn)圓來說，其質(zhì)心為(x0，y0)，對(duì)于外圍的編碼點(diǎn)圓來說，其質(zhì)心為(xc，yc)。按照參數(shù)讀入的順序?qū)λ袇^(qū)域進(jìn)行編號(hào)，通過比較，找到面積最大的圓，即中心標(biāo)志點(diǎn)，記住其編號(hào)。
2．1．4 質(zhì)心角的求取
    以任意一點(diǎn)為起始點(diǎn)，按照逆時(shí)針的順序?qū)幋a點(diǎn)進(jìn)行排序，然后利用相鄰兩個(gè)編碼點(diǎn)的質(zhì)心信息與中心標(biāo)志點(diǎn)的質(zhì)心信息，求出各個(gè)相鄰編碼點(diǎn)間的質(zhì)心角θn(其中0°≤θn≤180°，2≤n≤8)，并按逆時(shí)針順序存儲(chǔ)。
2．1．5 目標(biāo)編碼讀取
    由于起始編碼點(diǎn)一定存在，故將其環(huán)形碼相應(yīng)位置"1"。對(duì)于8位編碼標(biāo)志點(diǎn)，當(dāng)8個(gè)編碼點(diǎn)都存在時(shí)，各個(gè)相鄰編碼點(diǎn)間的質(zhì)心角均為45°。利用這個(gè)信息，按照存儲(chǔ)順序，將求得的質(zhì)心角θn分別與45°的整數(shù)倍進(jìn)行比較，如果相等，表示在該角度位置存在一個(gè)編碼點(diǎn)。實(shí)際操作中，編碼點(diǎn)質(zhì)心角θn值是根據(jù)圖像處理中求得的編碼點(diǎn)質(zhì)心與中心標(biāo)志點(diǎn)質(zhì)心值計(jì)算所得，由于誤差的存在，質(zhì)心角θn值的實(shí)際值往往與理論取值(m×45°,1≤m≤4)有出入，所以在判斷某個(gè)角度位置是否有編碼點(diǎn)存在時(shí)，可以先設(shè)定一個(gè)誤差允許范圍δ(0≤δ<22．5°)，如果θn的實(shí)際值介于理論值±δ的范圍內(nèi)，就說明該角度位置上存在編碼點(diǎn)，將環(huán)形碼相應(yīng)位置"1"。通過循環(huán)，對(duì)編碼點(diǎn)質(zhì)心角θn的實(shí)際值逐一判斷，看其是否在上述的取值區(qū)間內(nèi)，從而決定將環(huán)形碼相應(yīng)位置"0"或置"1"。
    如前文所示，同一個(gè)編碼標(biāo)志點(diǎn)對(duì)應(yīng)的環(huán)形碼不唯一，將該環(huán)形碼在任意位置處截?cái)嗪螅賹⒑笠蛔有蛄兄糜谇耙蛔有蛄兄?此操作稱為"循環(huán)截?cái)?quot;)，所得到的序列仍然表示該標(biāo)志點(diǎn)，這里稱這些序列為"同胚"序列。因此，預(yù)先將每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的編號(hào)和給定的逆時(shí)針順序下它的最小循環(huán)碼存儲(chǔ)起來。識(shí)別時(shí)只要得到一個(gè)最小環(huán)形碼的"同胚"特征序列，將該序列反復(fù)做循環(huán)截?cái)啵钡剿扔谧钚…h(huán)形碼為止，根據(jù)后者即可取出對(duì)應(yīng)的編號(hào)。
2．2 非編碼標(biāo)志點(diǎn)的識(shí)別
    由于編碼標(biāo)志點(diǎn)的唯一性，通過對(duì)編碼標(biāo)志點(diǎn)的識(shí)別可以確定出靶標(biāo)的編號(hào)，從而得到靶標(biāo)上各靶標(biāo)點(diǎn)的空間位置。靶標(biāo)上的其余非編碼點(diǎn)均為正方形，且和編碼標(biāo)志點(diǎn)有確定的位置關(guān)系，都可以通過角點(diǎn)檢測(cè)等步驟實(shí)現(xiàn)對(duì)其圖像的識(shí)別，從而完成對(duì)整個(gè)靶標(biāo)的識(shí)別。

3 數(shù)值實(shí)驗(yàn)
    在本文的實(shí)驗(yàn)中，只用到其中的12個(gè)編碼標(biāo)志點(diǎn)，我們按其在圓形導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)順時(shí)針排列的順序進(jìn)行重新編號(hào)。為驗(yàn)證所提算法的效果，對(duì)拍攝的多幅圖像進(jìn)行了數(shù)值實(shí)驗(yàn)，其中一幅如圖4(a)所示(由于頁面原因，對(duì)圖像作了裁剪和縮小，但保留了所有有效信息)。圖4(b)為從這幅圖像中按順時(shí)針順序截取出的四個(gè)編碼標(biāo)志點(diǎn)的圖像。表1給出了各幅編碼標(biāo)志點(diǎn)圖像中每個(gè)圓的質(zhì)心坐標(biāo)值。表2給出了實(shí)驗(yàn)中得到的各幅編碼標(biāo)志點(diǎn)圖像中相關(guān)質(zhì)心角的值、環(huán)形碼值及編碼標(biāo)志點(diǎn)的編號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明，該算法對(duì)任意一幅圖像中編碼標(biāo)志點(diǎn)的識(shí)別率接近100％。

4 結(jié)論
    在雙目立體視覺中，靶標(biāo)識(shí)別問題對(duì)于目標(biāo)圖像的重構(gòu)起著關(guān)鍵性的作用。本文提出了基于質(zhì)心角的方法，對(duì)各幅編碼標(biāo)志點(diǎn)圖像進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別。通過大量的數(shù)值試驗(yàn)，驗(yàn)證了此算法的有效性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的基于質(zhì)心角的標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別算法，對(duì)于采用本文所用的特定平臺(tái)等背景不太復(fù)雜的情況具有很高的識(shí)別性和實(shí)用性。通過編碼標(biāo)志點(diǎn)的準(zhǔn)確識(shí)別及相對(duì)確定的位置信息，即可通過對(duì)角點(diǎn)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)靶標(biāo)的準(zhǔn)確識(shí)別。