编码标记点是什么?关于编码标记点的详细介绍

创闻科学2020-11-23 15:49:59

在视觉测量中,对被测物进行特征识别与匹配是该领域的研究热点之一。但是当目标所在的背景过于复杂时,特征提取与目标匹配的准确度明显不能满足工业要求。编码标记点概念的提出主要是为了区分于传统的非编码标记点,它是具有唯一特征的人工标记点,通过唯一的标记识别,确定人工标记点相对于被测物的绝对位置关系。如果在被测物上粘贴与背景差异大、特征明显的编码标记点,会大大提高特征提取的准确度以及目标匹配的精度。所以,对编码标记点的设计、提取以及准确地解码的研究,具有十分重要的意义。

编码标记点的设计原则

编码标记点主要是用来粘贴在被测物体的表面,具有易于识别的特征,容易识别,同时还要求处理过程要简单高效。要达到以上要求,每个编码标记点就应该具有自己唯一的身份信息,便于识别。文献给出的编码标记点具体的设计原则如下:

(1)不被图形旋转、缩放和偏移等因素影响。在拍摄被测物时,拍摄出的图形会随着相机位置和拍摄角度的变化而变化,在对编码标记点进行解码时,编码标记点受这些因素影响发生形变,导致解码结果的不准确。所以对编码标记点进行设计时,必须要将受旋转及缩放等因素的影响较小考虑进去;

(2)易于定位和检测。能够与复杂的工业背景相区分,使编码标记点易于识别;

(3)定位精度高。编码标记点的定位精度,将直接影响到标记点位置信息的准确与否,影响其在图像中的比例关系,进而影响到测量精度与重建精度;

(4)编码容量大。对于较大的待测物体,通常需要在物体不同表面设置大量的编码标记点,这时就必须保证编码容量大于等于编码点数;

(5)标记点大小合适。由于标记点通常是粘贴与被测物体表面,标记点尺寸过大会容易发生形变,减少可以布置的标记点个数;标记点尺寸过小,会导致像机拍摄时定位提取比较困难;

(6)处理快速。设计的编码标记点在图像处理、检测与定位、解码的处理时间要快,效率要高。

编码标记点的分类

根据编码标记点颜色,形状不同,大致可以分为彩色编码点、方形编码点、点状编码点和环形编码点。

彩色编码点

一种颜色编码点如右图2所示,可以同时利用颜色和形状对标记点进行编码,扩大了编码容量,但是缺点也很明显,容易受到光照影响,不适用于复杂的测量环境。

方形编码点

一种方形编码点如右图3所示。编码容量较大,识别解码简单,但直线特征在测量时受形变影响较大。

点状编码点

点状编码标志点是由一组不同分布的圆点构成的编码。Hattori编码点和GSI编码点是两种常见的点状编码标志点。

Hattori编码标志点由6个圆点组成,编码方案与实例如图 4所示,A、O、B三个圆点确定坐标系,在其余21个圆点中选择3个用于编码,由于21个圆点排列紧密,为了便于提取与识别,用于编码的圆点之间至少应有一行或一列的间隔,可提供420个不同的编码。A、O、B三个坐标圆点的直径大于三个编码圆点的直径,利用面积不同可方便提取与区分坐标圆点和编码圆点。解码时循环计算各点到其他点之间的距离来寻找坐标圆点A、O、B,利用仿射变换恢复坐标系,根据编码圆点的坐标位置。

GSI编码标志点由8个圆点组成,编码方案与实例如图 2 所示 ,O、A、B、C、D是内部坐标系中已知坐标的五个定位点,其中,C为编码标志点的定位点,O、C、D三点共线,A、B垂直于O、C、D所形成的直线并分布于该直线的两侧。O、A、B三点构成了编码标志点的坐标系O-XY,其余20个圆点为编码组。与Hattori编码标志点类似,需要在这20个圆点中选择3个不相邻的圆点构成不同的编码,可提供1208个不同的编码。解码时循环搜索共线的3个点,并根据之间的距离确定O、C、D三点,在剩余5个点中循环搜索符合交比关系的A、B两点,利用5个定位点的已知坐标和图像坐标对编码标志点进行仿射变换,确定3个编码点的位置,得到编码标志点的编码值。

在点状编码标记点中使用圆形图案虽然在图像处理中便于提取和处理,并且编码容量大,但是上面两种点状编码标志点寻找定位点算法复杂。

环形编码点

为了进一步提高解码效率,又有学者提出了环形编码点的设计方案,其中最经典的就是Schneider等人设计的环状编码标志点(CCT),如图6(a)所示。这种环形编码点由中央圆形定位点及与其同心的环状编码带构成,具有仿射不变性、易于提取、识别等优点,是目前使用最广泛的一种编码标记点。但是,CCT也存在一些不足,如在拍摄角度时,容易将单个编码位识别成中心定位圆,编码位较多的编码带易被误识别;因无起始标志,解码时任意编码位均可作为起始位,为保证解码的唯一性取所有可能结果的最小值,从而导致编码的容量小。针对上述不足,众多学者在CCT的基础上对环状编码标志点的设计做了改进。

王超银等设计的编码标志点用实心和空心分别表示不同的编码信息,如图6(b)所示,实心码段表示1、空心码段表示0,不同实心码段和空心码段的组合构成不同的编码,各码段各自独立以避免解码时编码位丢失,提高解码的准确度;解则晓等采用15位编码标志点,设计时每个编码标志点的编码带均为8位白色、7位黑色,虽然满足条件的编码标志点共有429种,但因其可对识别结果进行校验,有利于提高解码结果的可靠性;马扬飚等设计了一种定位位和编码位均由圆形组成的编码标志点,如图6(c)所示,由圆点组成的编码标志点更易于识别;杨剑等将信息论中信道编码的理论应用于编码标志的设计,实现自纠错,在1位编码错误的情况下可以正确解码。上述方法均提高了解码的准确率,但由于各编码位均独立分开且未设置起始位,导致编码数量较少,无法满足大尺寸测量时编码容量的需求。

虽然环形编码标点具有仿射不变性,易于提取、识别,编码解码算法简单等特点,但是编码容量受限,面对复杂的大尺寸物体进行测量时,可能会出现编码标志点数量不足的现象。为了提高编码容量,分别有学者在编码点上加入了定位点(如图6(d)),起始圆(如图6(e))以及双层环带的设计。

CCT编码标记点的识别和解码

每种编码标记点都有自己的编码和解码方法,文献给出一种CCT编码标记点的编码和解码方法。编码圆环的均分份数是由被测物的大小所决定的。本例中的编码圆环被均等分为 12份,即 N 等于 12,每一份即为一个编码带,如图7(a)所示。每个编码带的颜色可黑可白,黑色和白色分别对应二进制数的 0 和 1。

编码原则

(1)设黑色编码带为 0 (或者 1),此时对应的白色编码带为 1 (或 0);

(2)遍历编码带获取编码。设从编码带的最上方开始逆时针遍历整个编码带,此时获取第一个编码:100111010001 ;

(3)按照方向顺时针移动起始点,重复步骤(2)中的方法,对剩下的 11 个编码进行全部遍历获取;

(4)将查找获取的 12 个编码进行转换,从二进制转换为十进制;

(5)根据情况定义唯一编码信息。为了方便选取所有数字中最小数为环形编码标记点的唯一编码信息,上述编码标记点的编码为 413。

解码原则

(1)对图像中圆形进行归一化恢复;

(2)计算编码带上所有白色区域面积(即轮廓区域面积),与单位编码带的面积进行比并取整,求出编码带中“1”的个数;

(3)通过灰度平方加权重心法,求取各个白色编码带的中心,计算各中心点之间连线的夹角;

(4)读取编码带中“0”的个数;

(5)确定编码带唯一编码信息。

编码标记点的应用

数字近景摄影测量中,编码标志点设计、识别与定位是进行同名点匹配和三维重建的基础。在国内,编码标记点在很多问题的解决中都有应用。齐晓娟和董明利结合编码和极线约束的方法,进行了工业摄影测量中的点匹配实验;天津大学的黄桂平利用测量网和编码标记点测量了大型模胎面的检测和网状天线面型的检测;崔晓斐和王秀美则对于一个圆锥体进行颜色的编码 ,设计出一种基于颜色编码的立体编码标志点。随着工业的进步与发展,编码标志点应用也越发的广泛。