一種視覺導航用的crc二維碼的生成方法及識別方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種視覺導航用的CRC二維碼的生成方法及識別方法，該生成方法的步驟為：設(shè)置數(shù)據(jù)區(qū)和ID編號，所述數(shù)據(jù)區(qū)包括ID的二進制位碼區(qū)和對應(yīng)的CRC校驗碼區(qū)，所述ID編號是該二維碼在二維碼數(shù)據(jù)庫中唯一的十進制編號；構(gòu)建CRC二維碼的邊框和設(shè)置邊框頂點：邊框包括具有對比度的內(nèi)邊框和外邊框；頂點包括4個外邊框頂點和4個內(nèi)邊框頂點；生成CRC二維碼圖片。該識別方法是用來識別上述方法所生成的CRC二維碼。本發(fā)明具有原理簡單、易實現(xiàn)和推廣、能夠快速準確的從場景圖像中檢測與識別等優(yōu)點。
【專利說明】
一種視覺導航用的CRC二維碼的生成方法及識別方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明主要涉及到視覺導航領(lǐng)域，特指一種適用于視覺導航的CRC二維碼的生成 方法及識別方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，隨著科學技術(shù)的日益進步，導航已經(jīng)在各行各業(yè)、甚至是普通人的生活當中 得以普及。視覺導航是指依據(jù)視覺圖像，利用圖像處理、計算機視覺、模型識別等相關(guān)技術(shù) 獲取運動體的運動信息和空間位置信息，實現(xiàn)導航。比如無人機自主著落、倉儲智能車導 航、室內(nèi)機器人導航等均需要視覺導航系統(tǒng)同時提供位置和姿態(tài)信息。與此同時，導航技術(shù) 逐漸在根據(jù)實際運用的狀況與其他技術(shù)進行融合，以達到在特定應(yīng)用場合中最佳的導航效 果。
[0003] 二維碼迅速走向市場，被各行各業(yè)的用戶熟識并廣泛使用。在水平和垂直方向的 二維空間存儲信息的條形碼稱為二維條形碼(2-dimensional Barcode)，簡稱二維碼。根據(jù) 二維碼的編碼原理，通?？梢苑譃閮煞N類型:行排式二維條碼和矩陣式二維碼;典型的行排 式二維碼有：〇)(16161(、(：〇(1649、？0?417等。典型的矩陣式二維碼有 ：(：〇(160116、]\^?1(：〇(16、 QRCode、DataMatr ix 等。
[0004] 從已經(jīng)公開的專利和文獻來看，目前還沒有專門針對視覺導航應(yīng)用而設(shè)計的二維 碼。但視覺導航應(yīng)用區(qū)別于其它應(yīng)用而言，對二維碼的性能需求是不同的：第一，視覺導航 應(yīng)用對二維碼的形狀是否美觀以及所含信息是否安全并不關(guān)注，而是要求其易于在大視角 變換以及遠距離的情況下能夠準確的從獲取的圖像中識別；第二，視覺導航應(yīng)用對二維碼 是否能夠從局部區(qū)域中恢復數(shù)據(jù)并不關(guān)注，而是要求能夠準確的從圖像中檢測出盡量多的 頂點，進而根據(jù)成像原理估計出載體的位置和姿態(tài)。
[0005] 由此可見看出，通用二維碼圖像在導航應(yīng)用中的兩大缺點：（1)通用二維碼圖像在 大視角變換條件下難以準確識別；（2)通用二維碼圖像的頂點不易精確提取，一般只適用于 鄰近定位;而本發(fā)明設(shè)計的基于CRC的二維碼具有內(nèi)外一共8個頂點，且在圖像中易于準確 提取，可以根據(jù)成像原理同時估計載體的位置和姿態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于:針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一 種原理簡單、易實現(xiàn)和推廣、能夠快速準確的從場景圖像中檢測與識別的視覺導航用的CRC 二維碼的生成方法及識別方法。進一步利用本發(fā)明的方法設(shè)計一種視覺導航專用的CRC二 維碼圖案，能夠快速準確的從場景圖像中檢測與識別，為視覺導航應(yīng)用提供技術(shù)支撐。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0008] -種視覺導航用的CRC二維碼的生成方法，其步驟為：
[0009] 設(shè)置數(shù)據(jù)區(qū)和ID編號，所述數(shù)據(jù)區(qū)包括ID的二進制位碼區(qū)和對應(yīng)的CRC校驗碼區(qū)， 所述ID編號是該二維碼在二維碼數(shù)據(jù)庫中唯一的十進制編號；
[0010] 構(gòu)建CRC二維碼的邊框和設(shè)置邊框頂點:邊框包括具有對比度的內(nèi)邊框和外邊框； 頂點包括4個外邊框頂點和4個內(nèi)邊框頂點；
[0011] 生成CRC二維碼圖片。
[0012] 作為本發(fā)明生成方法的進一步改進:所述邊框采用連續(xù)邊線組成的對稱結(jié)構(gòu)，所 述內(nèi)邊框和外邊框之間的對比度為顏色的對比度，或亮度的對比度，或者是兩者的組合。
[0013] 作為本發(fā)明生成方法的進一步改進:所述外邊框的寬度為2個碼元寬度，所述內(nèi)邊 框的寬度為1個碼元寬度。
[0014] 作為本發(fā)明生成方法的進一步改進:所述數(shù)據(jù)區(qū)的寬度為5個碼元寬度，所述數(shù)據(jù) 區(qū)包含5 X 5 = 25個b i t的信息;其中前21個b i t用于存放該二維碼ID對應(yīng)的二進制位碼，后4 個bit用于存放二進制位碼的CRC校驗碼。
[0015] 作為本發(fā)明生成方法的進一步改進:利用二進制數(shù)表示二維碼的ID，并用循環(huán)冗 余碼技術(shù)計算ID的校驗碼，將二進制表示的ID與校驗碼組合，構(gòu)成固定長度的位碼。
[0016] 作為本發(fā)明生成方法的進一步改進:所述CRC校驗碼由二進制位碼對應(yīng)的多項式 與生成多項式相除取余得到。
[0017]作為本發(fā)明生成方法的進一步改進:選取那些僅能從0°旋轉(zhuǎn)方向正確讀取的ID， 即對于一個給定的ID編號，將其轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)據(jù)得到位碼，并計算相應(yīng)的CRC校驗碼碼； 然后將位碼和校驗碼填入到數(shù)據(jù)區(qū)，形成5 X 5的編碼矩陣。
[0018] -種基于上述CRC二維碼的識別方法，其步驟為：
[0019] S1:檢測二維碼圖像的邊緣和頂點；即，進行圖像二值化及邊緣檢測，提取可能的 CRC二維碼邊沿和頂點；
[0020] S2:并對提取的二維碼區(qū)域進行單應(yīng)變換，讀取位碼；即，對圖像中的CRC二維碼區(qū) 域進行單應(yīng)變換，根據(jù)像素值讀取位碼和CRC校驗碼；
[0021] S3:利用循環(huán)冗余碼校驗技術(shù)對位碼進行錯誤檢測，識別二維碼的ID。
[0022] 作為本發(fā)明識別方法的進一步改進:所述步驟S1的具體流程為：首先將輸入圖像 轉(zhuǎn)換為二值圖像，提取黑白區(qū)域的邊緣像素點；然后在提取的圖像邊緣中，選取滿足具有4 個頂點的凸閉合邊緣，得到二維碼區(qū)域的候選集。
[0023] 作為本發(fā)明識別方法的進一步改進:所述步驟S2中，對每個二維碼區(qū)域的候選集， 根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的二維碼頂點Pl和場景圖像二維碼頂A Pl'之間的關(guān)系，估計單應(yīng)矩陣H;計算 公式為：
[0024] [pi' X ]Hpi = 0(i = 1,2,3,4)
[0025]其中[Pl'X]表示由齊次坐標仍'形成的反對稱陣;上式是關(guān)于H的線性方程，將4個 頂點的齊次坐標代人上式，用最小二乘估計算法求出H。
[0026] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0027] (1)、本發(fā)明視覺導航用的CRC二維碼具有同時估計相機的位置和姿態(tài)的優(yōu)點；
[0028] (2)、本發(fā)明視覺導航用的CRC二維碼具有大視角圖像變換下實時識別的優(yōu)點；
[0029] (3)、本發(fā)明視覺導航用的CRC二維碼的生成方法及識別方法，有效提高了二維碼 在視覺導航應(yīng)用中的環(huán)境適應(yīng)性和導航精度。
【附圖說明】
[0030] 圖1是本發(fā)明生成方法的流程示意圖。
[0031] 圖2是本發(fā)明在具體應(yīng)用實例中生成的CRC二維碼圖像的示意圖。
[0032] 圖3是本發(fā)明在具體應(yīng)用實例中數(shù)據(jù)區(qū)表示的四種可能的編碼矩陣示意圖。
[0033] 圖4是本發(fā)明識別方法的流程示意圖。
[0034]圖5是本發(fā)明在具體應(yīng)用實例中單應(yīng)矩陣H與數(shù)據(jù)庫中的二維碼頂點和場景圖像 二維碼頂點之間的關(guān)系示意圖。
【具體實施方式】
[0035]以下將結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0036]如圖1所示，本發(fā)明的視覺導航用的CRC二維碼的生成方法，其步驟為：
[0037] 設(shè)置數(shù)據(jù)區(qū)和ID編號，所述數(shù)據(jù)區(qū)包括ID的二進制位碼區(qū)和對應(yīng)的CRC校驗碼區(qū)， 所述ID編號是該二維碼在二維碼數(shù)據(jù)庫中唯一的十進制編號。
[0038] 構(gòu)建CRC二維碼的邊框和設(shè)置邊框頂點：邊框包括具有一定對比度的內(nèi)邊框和外 邊框;頂點包括4個外邊框頂點和4個內(nèi)邊框頂點;具體應(yīng)用時，黑色外邊框和白色內(nèi)邊框的 寬度以碼元寬度為單位，作為優(yōu)選的方案，黑色外邊框的寬度可以為2個碼元寬度，白色內(nèi) 邊框的寬度可以為1個碼元寬度。
[0039] 生成CRC二維碼圖片。
[0040] 在上述方案當中，可以先進行數(shù)據(jù)區(qū)和ID編號的設(shè)置，然后再進行邊框和頂點的 設(shè)置;也可以先進行邊框和頂點的設(shè)置，然后再進行數(shù)據(jù)區(qū)和ID編號的設(shè)置。根據(jù)實際需要 來選擇即可，都應(yīng)在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
[0041] 具體應(yīng)用時，邊框采用連續(xù)邊線組成的對稱結(jié)構(gòu)，內(nèi)邊框和外邊框之間具有一定 的對比度，可以是顏色的對比度，也可以是亮度的對比度，或者是兩者的組合。例如，可以采 用黑色外邊框和白色內(nèi)邊框，但不僅限于這種設(shè)定方式。
[0042] 具體應(yīng)用時，作為優(yōu)選的方案，數(shù)據(jù)區(qū)的寬度可以為5個碼元寬度，則數(shù)據(jù)區(qū)包含5 X 5 = 25個bit的信息。其中，前21個bit用于存放該二維碼ID對應(yīng)的二進制位碼，后4個bit 用于存放二進制位碼的CRC校驗碼。
[0043]具體應(yīng)用時，CRC二維碼的編碼規(guī)則為：利用二進制數(shù)表示二維碼的ID，并用循環(huán) 冗余碼技術(shù)計算ID的校驗碼，將二進制表示的ID與校驗碼組合，構(gòu)成固定長度的位碼。
[0044] 具體應(yīng)用時，CRC校驗碼由二進制位碼對應(yīng)的多項式與生成多項式相除取余得到。 作為優(yōu)選的方案，可以是選取x4+x 2+l為生成多項式。
[0045] 參見圖2,為在一個具體應(yīng)用實例中CRC二維碼的示意圖。黑色外邊框為圖中的黑 色邊框邊長為11個位碼，寬度為2個位碼，白色內(nèi)邊框為圖中的白色邊框?qū)挾葹?個位碼。外 邊框上有4個外頂點，內(nèi)邊框上有4個內(nèi)頂點。數(shù)據(jù)區(qū)的大小為5X5個位碼;數(shù)據(jù)區(qū)的前21個 bit為位碼區(qū)，用于存放ID的二進制表示，最后4個bit為CRC校驗碼區(qū)，用于存放CRC校驗碼。
[0046] 例如：ID70939的二進制表示是：10001010100011011，則加零補齊21位之后位碼區(qū) 的值為000010001010100011011。本實施案例中，CRC生成多項式是x 4+x2+l，該示例中位碼區(qū) 數(shù)據(jù)對應(yīng)的4b i t的CRC校驗碼為11 0 1。所以最終得到的25b i t的數(shù)據(jù)區(qū)的值為： 0000100010101000110111101。
[0047] 在上述步驟的基礎(chǔ)上，還包括：判斷給定二維碼ID是否是有效ID;由于位碼區(qū)為 21bit，所以能夠表示的有效的ID范圍是:0~2097151，那么給定的ID必須在能夠表示的有 效范圍以內(nèi)。對于有效的ID形成的編碼矩陣，分別用黑色和白色來填充對應(yīng)碼元方塊。然后 按照CRC二維碼圖像的結(jié)構(gòu)，添加白色內(nèi)邊框和黑色外邊框。最后在外邊框的右上角添加ID 的十進制數(shù)字，形成一幅完整的CRC二維碼圖片。
[0048] 對于通用的二維碼，比如QR二維碼，其結(jié)構(gòu)的三個頂點處設(shè)置有定位碼，可以通過 這三個定位碼來判斷QR二維碼在圖像中的旋轉(zhuǎn)方向，從而正確的讀取數(shù)據(jù)區(qū)的編碼。對于 本發(fā)明設(shè)計的CRC二維碼，由于需要精確確定邊框的頂點，所以邊框采用連續(xù)邊線組成的對 稱結(jié)構(gòu)。因此無法根據(jù)檢測的邊框確定CRC二維碼在圖像中的旋轉(zhuǎn)方向，這會給CRC二維碼 的識別帶來模糊問題。為了解決本問題，本發(fā)明選取那些僅能從0°旋轉(zhuǎn)方向正確讀取的ID。 即對于一個給定的ID編號（比如70939)，將其轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)據(jù)得到位碼，并計算相應(yīng)的 CRC校驗碼。然后將位碼和校驗碼填入到數(shù)據(jù)區(qū)，形成5X5的編碼矩陣。如圖3所示，將編碼 矩陣分別旋轉(zhuǎn)0°、90°、180°、270°，得到4個編碼矩陣，對應(yīng)的編碼分別是： 0000100010101000110111101,1001101000001110001100101, 1011110110001010100010000,1010011000111000001011001。這以上的四組編碼中，只有第 一組的校驗碼與位碼正確匹配，即只能從0°旋轉(zhuǎn)方向正確讀取。因此70939是一個有效的ID 編號。
[0049] 如圖4所示，本發(fā)明進一步提供一種基于上述CRC二維碼的識別方法，步驟為：
[0050] S1:檢測二維碼圖像的邊緣和頂點；即，進行圖像二值化及邊緣檢測，提取可能的 CRC二維碼邊沿和頂點。
[0051] 二維碼圖像的邊緣檢測包括圖像二值化邊緣提取和凸四邊形校驗。因為本發(fā)明設(shè) 計的二維碼的黑色邊緣是正四邊形，經(jīng)過圖像透視變化后，應(yīng)該保持凸四邊形的特點，所以 對于場景圖像中提取的閉合邊緣，必須滿足凸四邊形的條件，才有可能是二維碼的圖像。 [0052]因此，步驟可以為：
[0053]首先，將輸入圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像，提取黑白區(qū)域的邊緣像素點。然后，在提取的 圖像邊緣中，選取滿足具有4個頂點的凸閉合邊緣，得到二維碼區(qū)域的候選集。
[0054] S2:并對提取的二維碼區(qū)域進行單應(yīng)變換，讀取位碼；即，對圖像中的CRC二維碼區(qū) 域進行單應(yīng)變換，根據(jù)像素值讀取位碼和CRC校驗碼。
[0055] 對每個二維碼區(qū)域的候選集，如圖5所示，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的二維碼頂點pjP場景圖 像二維碼頂點Pl'之間的關(guān)系，估計單應(yīng)矩陣H。計算公式為：
[0056] [pi' X ]Hpi = 0(i = 1,2,3,4)
[0057]其中[Pl'X]表示由齊次坐標仍'形成的反對稱陣。上式是關(guān)于H的線性方程，將4個 頂點的齊次坐標代人上式，用最小二乘估計算法求出H。
[0058] 利用估計的單應(yīng)矩陣H，將數(shù)據(jù)庫中二維碼的數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)每個位碼的中心位置投 影到圖像中，得到像素坐標從而讀取該坐標的位碼b 1: r"cn1 fo if
[0059] ^=\
[1 else
[0060] 其中g(shù)(yi，Vi)是像素坐標(yi，Vi)處的圖像灰度值，gthre5shc)ld是判斷位碼為1或者〇 的灰度值閾值。將數(shù)據(jù)區(qū)域的所有位碼{bj組成二進制串，則可得到編碼。圖5所示的二維 碼圖像中數(shù)據(jù)區(qū)域的編碼為:〇〇〇〇1〇〇〇1〇1〇1〇〇〇11〇1111〇1。
[0061] S3:利用循環(huán)冗余碼校驗(CRC)技術(shù)對位碼進行錯誤檢測，識別二維碼的ID。
[0062]對于本實施案例中提取的二維碼編碼，其前21位為二維碼ID對應(yīng)的二進制數(shù)據(jù)， 后4位是該二進制數(shù)據(jù)的CRC校驗碼。本實例案例中，采用與二維碼生成算法中相同的CRC生 成多項式（即：x4 + x2 + l )。對于圖5所示的二維碼圖像，前21位二進制碼為： 000010001010100011011，對應(yīng)的CRC校驗碼為1101。將由前21位二進制數(shù)據(jù)計算的CRC碼與 提取的編碼后4位相比，如果相同，則該二維碼圖像被正確提取，識別結(jié)構(gòu)有效。如該例中計 算的C R C校驗碼與圖像中檢測的C R C二維碼均為1 1 0 1，說明I D編碼正確， 000010001010100011011 對應(yīng)的 ID 號為 70939。
[0063]以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例， 凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的 普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，應(yīng)視為本發(fā)明的保護 范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種視覺導航用的CRC二維碼的生成方法，其特征在于，步驟為： 設(shè)置數(shù)據(jù)區(qū)和ID編號，所述數(shù)據(jù)區(qū)包括ID的二進制位碼區(qū)和對應(yīng)的CRC校驗碼區(qū)，所述 ID編號是該二維碼在二維碼數(shù)據(jù)庫中唯一的十進制編號； 構(gòu)建CRC二維碼的邊框和設(shè)置邊框頂點:邊框包括具有對比度的內(nèi)邊框和外邊框;頂點 包括4個外邊框頂點和4個內(nèi)邊框頂點； 生成CRC二維碼圖片。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的視覺導航用的CRC二維碼的生成方法，其特征在于，所述邊框 采用連續(xù)邊線組成的對稱結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)邊框和外邊框之間的對比度為顏色的對比度，或亮 度的對比度，或者是兩者的組合。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的視覺導航用的CRC二維碼的生成方法，其特征在于，所述外邊 框的寬度為2個碼元寬度，所述內(nèi)邊框的寬度為1個碼元寬度。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的視覺導航用的CRC二維碼的生成方法，其特征在于，所 述數(shù)據(jù)區(qū)的寬度為5個碼元寬度，所述數(shù)據(jù)區(qū)包含5 X 5 = 25個b i t的信息;其中前21個b i t用 于存放該二維碼ID對應(yīng)的二進制位碼，后4個bit用于存放二進制位碼的CRC校驗碼。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的視覺導航用的CRC二維碼的生成方法，其特征在于，利 用二進制數(shù)表示二維碼的ID，并用循環(huán)冗余碼技術(shù)計算ID的校驗碼，將二進制表示的ID與 校驗碼組合，構(gòu)成固定長度的位碼。6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的視覺導航用的CRC二維碼的生成方法，其特征在于，所 述CRC校驗碼由二進制位碼對應(yīng)的多項式與生成多項式相除取余得到。7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的視覺導航用的CRC二維碼的生成方法，其特征在于，選 取那些僅能從O旋轉(zhuǎn)方向正確讀取的ID，即對于一個給定的ID編號，將其轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)據(jù) 得到位碼，并計算相應(yīng)的CRC校驗碼碼;然后將位碼和校驗碼填入到數(shù)據(jù)區(qū)，形成5 X 5的編 碼矩陣。8. -種基于上述權(quán)利要求1~7中任意一項CRC二維碼的識別方法，其特征在于，步驟 為： Sl:檢測二維碼圖像的邊緣和頂點；即，進行圖像二值化及邊緣檢測，提取可能的CRC二 維碼邊沿和頂點； S2:并對提取的二維碼區(qū)域進行單應(yīng)變換，讀取位碼；即，對圖像中的CRC二維碼區(qū)域進 行單應(yīng)變換，根據(jù)像素值讀取位碼和CRC校驗碼； S3:利用循環(huán)冗余碼校驗技術(shù)對位碼進行錯誤檢測，識別二維碼的ID。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的CRC二維碼的識別方法，其特征在于，所述步驟SI的具體流程 為:首先將輸入圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像，提取黑白區(qū)域的邊緣像素點;然后在提取的圖像邊緣 中，選取滿足具有4個頂點的凸閉合邊緣，得到二維碼區(qū)域的候選集。10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的CRC二維碼的識別方法，其特征在于，所述步驟S2中，對每個 二維碼區(qū)域的候選集，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的二維碼頂點 ？1和場景圖像二維碼頂點？/之間的關(guān) 系，估計單應(yīng)矩陣H;計算公式為： [pi7 X ]Hpi = 0(i = l ,2,3,4) 其中[p/ X ]表示由齊次坐形成的反對稱陣;上式是關(guān)于H的線性方程，將4個頂點 的齊次坐標代人上式，用最小二乘估計算法求出H。
【文檔編號】G06K19/06GK105894069SQ201610186083
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月29日
【發(fā)明人】吳城鳳, 羅兵
【申請人】吳城鳳, 羅兵