CN104154904A - 一种基于图形拓扑关系的圆形编码标志及其识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于图形拓扑关系的圆形编码标志，由位于中心的大圆和围绕所述大圆均布的编码小圆组成，各编码小圆的圆心位于与大圆同圆心的虚拟圆上，并且大圆半径是编码小圆与所述大圆之间的圆心距的两倍，编码小圆的数量为12个，两相邻编码小圆的圆心与大圆圆心的连线夹角为30°。本发明全部使用圆形作为编码图形，降低了解码计算时的难度，有效地提高了计算速度；编码颜色也仅选择黑白两色，图像可以二值化后再解码，消除了拍摄时各种颜色的干扰，提高了提取率；编码分布简单，有效地降低了解码难度。
Description
技术领域
本发明涉及一种近景摄影测量技术领域，特别是关于基于图形拓扑关系的圆形编码标志及其识别方法。
背景技术
目前，在工业数字摄影测量领域通常会使用人工标志作为特征点。一方面，人工标志的设计可以避免与背景景物重复，降低了提取的难度，提高了提取的准确性；另一方面，人工标志能够比较简单高效的被计算机程序所识别，避免了费时费力的人工手动提取，有效地降低了出错率。
为了实现工业数字摄影测量的自动化处理，人们引入了编码标志。编码标志是一种自身带有一定编码信息的人工标志，并且在同一套编码标志中，每一个编码标志是唯一的。
因为现场粘贴编码标志点时，很难要求操作人员严格按照某些方向粘贴，拍照时也不能保证相机严格按照某一方向进行，所谓图像上的标志点基本上都会有一定程度的旋转，这就要求标志点能够应对不同角度的拍照所产生的标志图像。
如图1所示的同心圆环型编码标志，其外部圆环就是编码，其解码过程相对复杂，在解码过程中圆弧长度误差影响较大，且整套编码个数比较少。
如图2所示的点分布型编码标志，由五个模板点和三个编码点组成，模板点用来还原编码标志点在图像中的畸变，编码点用来解码。此种方法较前一种方法更加可靠，而且编码个数也较多，但是由于其编码方法复杂，增加了解码的难度和计算时间。
如图3所示的彩色编码标志，利用颜色信息进行编码，他的问题在于解码算法需要处理多种图形，且拍摄过程中的各种干扰对颜色的影响较大，错码出现率较高，给计算增加了不小的难度。
如图4所示的简化彩色编码标志，虽然全部使用了圆形，减少了解码的计算量，但是依然使用了颜色编码，抵抗环境干扰仍显不足。
有鉴于此，任何设计一种圆形编码标志点以降低识别错误并提高计算速度是业内人士亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术中，在对顶管机位置姿态测量中，存在测量误差较大这一缺陷，本发明提供了一种动态顶管测量导向装置。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于图形拓扑关系的圆形编码标志，其中，由位于中心的大圆和围绕所述大圆均布的编码小圆组成，各所述编码小圆的圆心位于与所述大圆同圆心的虚拟圆上，并且所述大圆半径是所述编码小圆与所述大圆之间的圆心距的两倍。
优选地，所述编码小圆的数量为12个，两相邻所述编码小圆与所述大圆圆心的连线夹角为30°
优选地，整个图案可按比例缩放。
优选地，是以高反光材料为底，表面覆盖低反射材料形成。
根据本发明的另一个方面，提供了一种基于图形拓扑关系的圆形编码标志的识别方法，其中，包括以下步骤：
(a)将所述圆形编码标志图像二值化，并去除大面积白色；
(b)对经过所述步骤(a)处理的图像进行边缘提取，提取出中间白四周黑的部分；
(c)对所述步骤(b)中的提取出的所述中间白四周黑的部分的边缘进行椭圆拟合，保留下符合限定条件的椭圆；
(d)遍历所述椭圆，根据所述椭圆的长短轴制定搜索范围，在所述搜索范围内寻找符合标志点判定关系的编码椭圆；
(e)对疑似编码标志点的图形划定一个略大于所述编码标志点的范围进行重采样获取准确的编码标志点；
(f)以任意小圆为起点，顺时针方向以30°为间隔依次寻找小圆，找到记做1，未找到记做0；
(g)将得到的12位二进制数进行顺序变换，以得到编码点旋转下的各种情况，变换后的结果与设计的编码库进行比较，最终得到正确的编码标志点。
优选地，所述步骤(c)中包括对所述拟合椭圆的点进行最小二乘评价。
优选地，所述步骤(c)中所述的符合限定条件的椭圆为椭圆拟合点最小二乘中误差小于等于拟合椭圆长半轴1/4的椭圆。
本发明的优点是：
1、编码采用二值化设计，即只有黑白两色，易于识别，避免了因为实际拍照和光照影响所产生的颜色变化所造成的识别错误。
2、编码全部采用圆形图形，降低了由于多种图形而造成的初步提取难度，提高了计算速度。
3、编码中大小圆关系简单，提高了计算的速度。
4、编码以圆形为编码图形，以角度作为主要计算对象，有效地降低了由于物体表面与拍照平面不平行所造成编码点变形的影响。
5、由于设计时考虑了旋转的影响，编码点具有旋转不变性，所以编码在发生任意旋转后都不会产生重复。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了现有技术中同心圆环型编码标志的示意图。
图2示出了现有技术中点分布型编码标志的示意图。
图3示出了现有技术中彩色编码标志的示意图。
图4示出了现有技术中简化彩色编码标志的示意图。
图5示出了依据本发明的一个实施例的基于图形拓扑关系的圆形编码标志的示意图。
图6示出了依据本发明的基于图形拓扑关系的圆形编码标志的实际图片与识别示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图5示出了本发明的一个实施例的基于图形拓扑关系的圆形编码标志的示意图。参照图5，基于图形拓扑关系的圆形编码标志包括：位于中心的大圆和均匀分布在大圆周围的12个编码小圆，设大圆的半径为R，编码小圆的半径为r，设大圆与编码小圆的圆心距为D，则D＝2R，12个编码小圆的圆心位于以大圆的圆心为圆心，以D为半径的虚拟圆上。由大圆和12个编码小圆组成的整个圆形编码标志可按比例缩放。本实施例中，编码小圆的半径r＝R/3，两个相间隔编码小圆的圆心与大圆的圆心的连线夹角为60°，则这个编码标志点的编码为101000000000，经过旋转后可能产生的编码为010100000000，、001010000000等等，但是经过旋转计算，其他编码是不存在的，所以唯一可能的编码为101000000000。
图6示出了依据本发明的基于图形拓扑关系的圆形编码标志的实际图片与识别示意图。参照图6，基于图形拓扑关系的圆形编码标志的识别方法具体步骤如下：
首先，将包含有圆形编码标志的相片图像二值化，生成黑白图像，并去除面积大于二倍可能圆形大小的大面积白色区域(转成黑色区域)。然后，对二值化后形成的图像中剩余的白色区域进行边缘提取，提取出中间白四周黑的部分及其边界。接下来，对提取出的中间白四周黑的部分的边缘进行椭圆拟合，并对拟合椭圆的点进行最小二乘评价，去除椭圆拟合点最小二乘中误差大于拟合椭圆长半轴1/4的椭圆，保留下符合限定条件的椭圆，并且遍历椭圆，根据椭圆的长短轴制定搜索范围，搜索范围为以此椭圆圆心为圆心，以此椭圆长短轴的二倍为长短轴的椭圆，在搜索范围内寻找符合标志点判定关系的编码椭圆，搜索到中心大圆，周围小圆，并且大小圆半径及大小圆圆心距符合设计比例的记做疑似编码标志点。继续对疑似编码标志点的图形划定一个略大于编码标志点的范围进行重采样获取准确的编码标志点，重采样范围参考步骤4中的搜索范围。接着，以疑似编码标志点中的任意一个小圆为起点，顺时针方向以30°为间隔依次寻找小圆，找到记做1，未找到记做0，最终形成一个12位的二进制编码。最后，将得到的12位二进制数进行顺序变换，以得到编码点旋转下的各种情况，变换后的结果与设计的编码库进行比较，最终得到正确的编码标志点及其编码。
本发明的优点是：
1、编码采用二值化设计，即只有黑白两色，易于识别，避免了因为实际拍照和光照影响所产生的颜色变化所造成的识别错误。
2、编码全部采用圆形图形，降低了由于多种图形而造成的初步提取难度，提高了计算速度。
3、编码中大小圆关系简单，提高了计算的速度。
4、编码以圆形为编码图形，以角度作为主要计算对象，有效地降低了由于物体表面与拍照平面不平行所造成编码点变形的影响。
5、由于设计时考虑了旋转的影响，编码点具有旋转不变性，所以编码在发生任意旋转后都不会产生重复。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (6)
1.一种基于图形拓扑关系的圆形编码标志，其特征在于，由位于中心的大圆和围绕所述大圆均布的编码小圆组成，各所述编码小圆的圆心位于与所述大圆同圆心的虚拟圆上，并且所述大圆半径是所述编码小圆与所述大圆之间的圆心距的两倍，所述编码小圆的数量为12个，两相邻所述编码小圆的圆心与所述大圆圆心的连线夹角为30°。
2.如权利要求1所述的基于图形拓扑关系的圆形编码标志，其特征在于，整个图案可按比例缩放。
3.如权利要求1所述的基于图形拓扑关系的圆形编码标志，其特征在于，是以高反光材料为底，表面覆盖低反射材料形成。
4.一种如权利要求1至3任一项所述的基于图形拓扑关系的圆形编码标志的识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)将所述圆形编码标志图像二值化，并去除大面积白色；
(b)对经过所述步骤(a)处理的图像进行边缘提取，提取出中间白四周黑的部分；
(c)对所述步骤(b)中的提取出的所述中间白四周黑的部分的边缘进行椭圆拟合，保留下符合限定条件的椭圆；
(d)遍历所述椭圆，根据所述椭圆的长短轴制定搜索范围，在所述搜索范围内寻找符合标志点判定关系的编码椭圆；
(e)对疑似编码标志点的图形划定一个略大于所述编码标志点的范围进行重采样获取准确的编码标志点；
(f)以任意小圆为起点，顺时针方向以30°为间隔依次寻找小圆，找到记做1，未找到记做0；
(g)将得到的12位二进制数进行顺序变换，以得到编码点旋转下的各种情况，变换后的结果与设计的编码库进行比较，最终得到正确的编码标志点。
5.如权利要求4所述的基于图形拓扑关系的圆形编码标志的识别方法，其特征在于，所述步骤(c)中包括对所述拟合椭圆的点进行最小二乘评价。
6.如权利要求5所述的基于图形拓扑关系的圆形编码标志的识别方法，其特征在于，所述步骤(c)中所述的符合限定条件的椭圆为椭圆拟合点最小二乘中误差小于等于拟合椭圆长半轴1/4的椭圆。
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