本發(fā)明屬于機(jī)器視覺測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)以及自動(dòng)快速準(zhǔn)確的標(biāo)記點(diǎn)提取方法。

背景技術(shù)：

標(biāo)記點(diǎn)設(shè)計(jì)及其提取方法在機(jī)器視覺中有著十分重要的地位，在很多情況下，標(biāo)記點(diǎn)是圖像采集的主要對(duì)象，而標(biāo)記點(diǎn)提取也是圖像處理的主要步驟。隨著現(xiàn)代科技技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，這使得標(biāo)記點(diǎn)的設(shè)計(jì)以及提取方法必須滿足更寬泛的需求，在提取速度以及準(zhǔn)確性上都提出了比較苛刻的要求。標(biāo)記點(diǎn)越來越多地布置在一些形狀不規(guī)則的具有復(fù)雜曲面的物體表面，在這種復(fù)雜曲面上的標(biāo)記點(diǎn)的形變將會(huì)對(duì)圖像提取精度帶來很大的影響，如若采用棋盤格標(biāo)記點(diǎn)準(zhǔn)確定位中心這必然使得算法自動(dòng)化水平降低、計(jì)算時(shí)間過長而不能滿足要求。特別在快速標(biāo)定技術(shù)中，要求標(biāo)記點(diǎn)提取在滿足高精度的同時(shí)可以自動(dòng)快速地進(jìn)行。在目前情況下，如何合理設(shè)計(jì)標(biāo)記點(diǎn)并快速準(zhǔn)確的提取標(biāo)記點(diǎn)是目前的主要難題和研究的主要方向。

大連理工大學(xué)劉巍等人申請(qǐng)的發(fā)明專利公開號(hào)為CN103632384A,“組合式標(biāo)記點(diǎn)及標(biāo)記點(diǎn)中心的快速提取方法”中提出的利用圓形標(biāo)記點(diǎn)環(huán)繞對(duì)稱黑白棋盤格標(biāo)記且保證兩者的聯(lián)通的組合方式，通過圓環(huán)的粗提取和中心部分黑白棋盤格標(biāo)記精提取完成標(biāo)記點(diǎn)的提取，但在復(fù)雜曲面上圓環(huán)以及棋盤格標(biāo)記的變形不能保證其準(zhǔn)確性，且組合標(biāo)記點(diǎn)計(jì)算過程復(fù)雜。張正友等人2000年在IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence第22期發(fā)表的《A Flexible New Technique for Camera Calibration》使用棋盤格標(biāo)定靶標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，這種方式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(diǎn)范圍，然后計(jì)算機(jī)進(jìn)行角點(diǎn)搜索，操作較為復(fù)雜，智能化低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是在機(jī)器視覺中標(biāo)記點(diǎn)在不規(guī)則復(fù)雜表面的自動(dòng)準(zhǔn)確提取，發(fā)明了一種投影儀投射的扇形旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)與其旋轉(zhuǎn)中心的快速提取方法。標(biāo)記點(diǎn)采用扇形形狀，通過投影儀投射在被測物表面，繞扇形頂點(diǎn)做勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在標(biāo)記點(diǎn)提取時(shí)，采用兩步法進(jìn)行提取，第一步是旋轉(zhuǎn)扇形標(biāo)記點(diǎn)旋轉(zhuǎn)中心的粗提取，利用圖像疊加后扇形標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)近似形成一個(gè)橢圓軌跡，利用灰度重心法，求取橢圓的中心點(diǎn)即為旋轉(zhuǎn)扇形標(biāo)記點(diǎn)旋轉(zhuǎn)中心的粗提取。第二步在粗提取得到的中心點(diǎn)附近利用旋轉(zhuǎn)中心灰度值不變的原理提取旋轉(zhuǎn)扇形標(biāo)記點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)中心。通過圓形軌跡的粗提取和旋轉(zhuǎn)中心的精提取保證了標(biāo)記點(diǎn)提取精度。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)及其旋轉(zhuǎn)中心提取方法，其特征是，該方法采用旋轉(zhuǎn)扇形標(biāo)記點(diǎn)，將扇形標(biāo)記點(diǎn)通過投影儀投射在被測物表面，再繞扇形頂點(diǎn)做勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)圖像采集與疊加；然后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)扇形標(biāo)記點(diǎn)旋轉(zhuǎn)中心的粗提取，最后進(jìn)行基于旋轉(zhuǎn)中心灰度值不變的旋轉(zhuǎn)扇形標(biāo)記點(diǎn)旋轉(zhuǎn)中心精提?。辉摲椒ǖ木唧w步驟如下：

第一步、旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)圖像采集與疊加

事先制作一個(gè)視頻，視頻中設(shè)計(jì)扇形旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)在以ω的角速度勻速順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，將視頻用投影儀投影于待測物體表面，架好高速攝像機(jī)，使高速攝像機(jī)鏡頭對(duì)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)的扇形標(biāo)記點(diǎn)，控制高速攝像機(jī)對(duì)旋轉(zhuǎn)的扇形標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)的圖像采集，獲取扇形標(biāo)記點(diǎn)旋轉(zhuǎn)視頻。

因視頻是由多幅圖像組成，所以可以對(duì)視頻中的圖像進(jìn)行獲取，間隔一定的時(shí)間獲取那一時(shí)刻旋轉(zhuǎn)扇形標(biāo)記點(diǎn)的圖像，其中選取的時(shí)間間隔為正好使扇形旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)其中心角度的時(shí)間，所以選取相鄰時(shí)刻的時(shí)間間隔公式如下：

其中，為任意時(shí)刻時(shí)間t_j，t_j+1為下一時(shí)刻的時(shí)間，α為扇形旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)的圓心角，圓心角角度用弧度制表示，ω為扇形旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)勻速順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角速度，在制作視頻時(shí)已知，n為圖像疊加的張數(shù)。

圖像疊加的具體張數(shù)滿足使扇形旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度等于2π，公式為：

通過公式(1)和公式(2)將每相鄰固定時(shí)間間隔時(shí)刻的圖像依次按旋轉(zhuǎn)順序進(jìn)行圖形疊加，最終得到的圖像疊加結(jié)果的形狀近似為一個(gè)橢圓。

第二步、旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)特征粗提取

通過圖像疊加可得到旋轉(zhuǎn)扇形標(biāo)記點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)形成的圖像，扇形標(biāo)記點(diǎn)旋轉(zhuǎn)得到的形狀近似為一個(gè)橢圓。采用灰度重心法求取橢圓的灰度重心作為旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)的初始特征提取。通過對(duì)疊加圖像中橢圓區(qū)域內(nèi)每一個(gè)像素點(diǎn)的灰度值作為加權(quán)平均時(shí)的權(quán)值，對(duì)橢圓區(qū)域內(nèi)每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)平均，最終得到橢圓區(qū)域內(nèi)的平均像素點(diǎn)坐標(biāo)即為所求區(qū)域內(nèi)的灰度重心坐標(biāo)，應(yīng)用灰度重心法求取疊加圖像中橢圓的灰度重心點(diǎn)的公式如下：

其中：f(u,v)是疊加圖像中坐標(biāo)為(u,v)的像素點(diǎn)的灰度值，通過對(duì)疊加圖像的圖像處理過程求得，Ω是目標(biāo)區(qū)域集合，即疊加圖像中扇形標(biāo)記點(diǎn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成的橢圓區(qū)域的集合，是橢圓區(qū)域的中心坐標(biāo)，即為下一步精提取旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)旋轉(zhuǎn)中心提供搜索范圍的中心點(diǎn)。由于被測物體表面可能是復(fù)雜曲面，所以獲取的圖像中的橢圓會(huì)有誤差，再加上灰度重心方法的誤差，會(huì)使最終的中心點(diǎn)提取誤差過大，精度不高。所以需通過第三步的精提取過程對(duì)粗提取結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，提高標(biāo)記點(diǎn)的提取精度。

第三步、旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)特征精提取

通過第二步的旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)重心粗提取，通過灰度重心法已經(jīng)得到一個(gè)中心點(diǎn)，此中心點(diǎn)已經(jīng)是扇形旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)的近似旋轉(zhuǎn)中心。為提高提取精度的同時(shí)盡量減少計(jì)算過程，以第二步灰度重心法得到的初始中心點(diǎn)F(x_i,y_i)為圓心，以經(jīng)驗(yàn)值k為半徑，設(shè)定該圓形區(qū)域即為扇形旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)旋轉(zhuǎn)中心的搜索范圍。第三步的精提取將在此范圍內(nèi)進(jìn)行提取，大大減少了不必要的計(jì)算過程，提高標(biāo)記點(diǎn)提取效率，進(jìn)而會(huì)提高整個(gè)測量過程的效率，有助于保證在線測量。

扇形旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)特征精提取的過程利用旋轉(zhuǎn)的扇形標(biāo)記點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)中心灰度值不變的原理進(jìn)行標(biāo)記點(diǎn)的中心提取，將圖像中每一時(shí)刻t_j下的扇形標(biāo)記點(diǎn)在搜索范圍內(nèi)的每一點(diǎn)的灰度值與下一時(shí)刻t_j+1下的該點(diǎn)的灰度值進(jìn)行對(duì)比求差值，然后將整個(gè)時(shí)間段中每相鄰時(shí)刻的該點(diǎn)的灰度對(duì)比值進(jìn)行疊加，求取使其最小的點(diǎn)即為所要求的在扇形標(biāo)記點(diǎn)旋轉(zhuǎn)過程中灰度值近似不變的點(diǎn)，其具體求取公式如下：

其中，設(shè)圖像疊加n次，即橢圓中包括n個(gè)扇形，每次圖像采集的時(shí)間點(diǎn)為t_j(j＝1～n)，下一時(shí)刻圖像采集時(shí)間為t_j+1，其中的時(shí)間間隔取其可以保證扇形標(biāo)記點(diǎn)正好轉(zhuǎn)過一個(gè)圓心角α，為t_j時(shí)刻圖像中搜索區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)的灰度值，為下一時(shí)刻圖像中搜索區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)的灰度值，求解圖像中每一點(diǎn)在每相鄰時(shí)刻的灰度值的差，其總和的最小值限定在經(jīng)驗(yàn)值m以內(nèi)，即得到旋轉(zhuǎn)過程中灰度值不變的旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)中心M(x_i,y_i)。

本發(fā)明的有益效果是方法中這種扇形標(biāo)記點(diǎn)相對(duì)于原始標(biāo)記點(diǎn)能夠更好的適用于復(fù)雜曲面或者轉(zhuǎn)動(dòng)平面上表面特征點(diǎn)的自動(dòng)準(zhǔn)確提取，標(biāo)記點(diǎn)提取精度高，提取算法適用性強(qiáng)，在標(biāo)記點(diǎn)圖像存在形變的情況下也可以快速自動(dòng)準(zhǔn)確的提取標(biāo)志點(diǎn)。

附圖說明

圖1為旋轉(zhuǎn)扇形標(biāo)記點(diǎn)圖像疊加示意圖。圖中，扇形旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)的圓心角α＝0°～90°，l為半徑，t₁、t₂…t_n沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向依次為第一時(shí)刻、第二時(shí)刻、…..第n時(shí)刻旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)位置時(shí)的時(shí)刻標(biāo)記點(diǎn)圖像，M(x_i,y_i)為旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)中心。

圖2為標(biāo)記點(diǎn)提取過程的流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

附圖1為旋轉(zhuǎn)扇形標(biāo)記點(diǎn)圖像疊加示意圖，附圖2為標(biāo)記點(diǎn)提取過程的流程圖。整個(gè)提取過程分為利用橢圓擬合的標(biāo)記點(diǎn)的中心粗提取和基于旋轉(zhuǎn)中心灰度值不變的中心精提取兩個(gè)步驟，具體步驟如下：

第一步、旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)圖像采集與疊加

本實(shí)施例制作的扇形旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)的圓心角α＝60°，半徑l＝5cm。先制作本標(biāo)記點(diǎn)旋轉(zhuǎn)視頻，扇形標(biāo)記點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角速度為ω＝2.6rad/s，使用投影儀將視頻投射到物體表面，配置高速攝像機(jī)及其附屬光源等設(shè)備，調(diào)整焦距視角等使標(biāo)記點(diǎn)清晰可見后，高速相機(jī)對(duì)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行視頻采集。視頻采集完成后進(jìn)行圖像疊加，首先提取需要的時(shí)刻的旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)圖像，提取時(shí)間間隔為可以使扇形標(biāo)記點(diǎn)旋轉(zhuǎn)整數(shù)個(gè)圓心角的時(shí)間，將已知條件帶入公式(1)中可求得本例所需的圖像疊加時(shí)間間隔Δt＝0.2s，然后提取每一時(shí)刻下旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)的圖像，扇形標(biāo)記點(diǎn)圓心角已知，帶入公式(2)中即可獲得圖像疊加過程中圖像提取個(gè)數(shù)為n＝6個(gè)，最終形成疊加圖像，如附圖1所示。

第二步、旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)特征粗提取

通過第一步可以得到旋轉(zhuǎn)扇形標(biāo)記點(diǎn)的疊加圖像，對(duì)疊加圖像進(jìn)行圖像處理，可以獲得疊加圖像中每一個(gè)像素點(diǎn)的像素坐標(biāo)(u,v)以及其點(diǎn)像素值f(u,v)，將其帶入灰度重心法公式(3)和(4)，可以求得疊加圖像中橢圓的灰度重心為F(378.32,512.12)。此坐標(biāo)也就是扇形旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)的粗提取中心點(diǎn)坐標(biāo)。但是由于被測物體表面復(fù)雜，疊加圖像中橢圓的準(zhǔn)確度不高存在誤差，所以利用灰度重心法提取的中心點(diǎn)坐標(biāo)精度不高，需要再進(jìn)行精提取。

第三步、旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)特征精提取，提取過程利用其它的約束來對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，提高提取精度。

通過第二步的旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)重心粗提取，利用灰度重心法已經(jīng)得到了其中心點(diǎn)坐標(biāo)F(378.32,512.12)，此中心點(diǎn)已經(jīng)是扇形旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)的近似旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)。但為提高提取精度的同時(shí)盡量減少計(jì)算過程，以第二步灰度重心法得到的初始中心點(diǎn)F(378.32,512.12)為圓心，k＝5cm為半徑，設(shè)定該圓形區(qū)域即為扇形旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)旋轉(zhuǎn)中心的搜索圓。在此圓范圍內(nèi)進(jìn)行精提取。利用扇形旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)特征精提取的過程利用旋轉(zhuǎn)的扇形標(biāo)記點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)中心灰度值不變的原理進(jìn)行標(biāo)記點(diǎn)的中心提取，其中m的經(jīng)驗(yàn)值為5～10,本實(shí)驗(yàn)m＝8，每時(shí)刻搜索圓內(nèi)的點(diǎn)的坐標(biāo)以及每個(gè)像素點(diǎn)的像素值都可以由圖像處理過程獲得，由于數(shù)據(jù)量過大不在此列出，圖像疊加次數(shù)n＝6，將以上所有已知參數(shù)帶入扇形旋轉(zhuǎn)標(biāo)記點(diǎn)精提取公式(5)中進(jìn)行求解，最終通過計(jì)算得到滿足優(yōu)化目標(biāo)最小值的最終精提取點(diǎn)坐標(biāo)為M(380,511)。

本發(fā)明的扇形標(biāo)記點(diǎn)相對(duì)于傳統(tǒng)標(biāo)記點(diǎn)更適用于快速高精度的自動(dòng)提取過程，同時(shí)在被測物體表面存在變形的情況下依然可以保證標(biāo)記點(diǎn)的提取精度。這種方法同時(shí)滿足處于灰度重心以及旋轉(zhuǎn)中心灰度值不變的原理，大大提高標(biāo)記點(diǎn)的提取精度。通過灰度重心法提取的粗坐標(biāo)還可以起到縮小搜索范圍的作用，極大地降低了精提取計(jì)算過程的復(fù)雜程度以及計(jì)算量，提高標(biāo)記點(diǎn)的提取速度，進(jìn)而可以提高測量的效率。