[发明专利]相机检校控制场人工标志像点坐标自动识别定位方法

权利要求书

1.一种相机检校控制场人工标志像点坐标自动识别定位方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、控制标志（1）和彩色编码标志（2）布设：在相机检校三维控制场内布设多个控制标志（1）和多个编码各不相同的彩色编码标志（2）；其中，所述控制标志（1）包括控制标志白色底板（1-1）和设置在控制标志白色底板（1-1）上的黑色外圆（1-2），所述黑色外圆（1-2）的中心位置处设置有与黑色外圆（1-2）同心的白色中心圆（1-3），所述白色中心圆（1-3）的两侧设置有白色且相互对称的第一扇形（1-4）和第二扇形（1-5），所述第一扇形（1-4）的边沿和第二扇形（1-5）的边沿在所述黑色外圆（1-2）内构成了两条相互垂直的直线；所述彩色编码标志（2）包括彩色编码标志白色底板（2-1）和设置在彩色编码标志白色底板（2-1）上的红色定位圆（2-2），所述彩色编码标志白色底板（2-1）上位于所述定位圆（2-2）的外围设置有缺口圆环状的黑色编码圆环（2-3），所述编码圆环（2-3）均匀分割成八个编码区域，相应所述编码圆环（2-3）的编码由八位二进制数构成，所述编码圆环（2-3）的缺口位置占据任意一个或多个编码区域，缺口位置处的编码为0，其余位置处的编码为1，位于所述定位圆（2-2）与编码圆环（2-3）之间的彩色编码标志白色底板（2-1）上设置有用于对编码圆环（2-3）的编码起始位置进行方向定位的黑色方向圆（2-4）；

步骤二、初始化参数设置：采用数据处理器的数据输入装置往数据处理器中输入初始化参数，所述初始化参数包括步骤一中布设的各个控制标志（1）的物方坐标和各个彩色编码标志（2）的物方坐标，各个控制标志（1）的编号，各个彩色编码标志（2）的编号和编码，以及像素标志指数阈值M₀、方向圆（2-4）的标准方位角θ、编码区域黑色像元数目阈值s、控制标志（1）边界椭圆的平均轴长与参考点椭圆的平均轴长的差值阈值Δa₀和控制标志（1）边界椭圆的平均轴长与参考点椭圆的平均轴长的差值阈值Δρ₀；所述彩色编码标志（2）的编码为该彩色编码标志（2）中编码圆环（2-3）的编码；

步骤三、采用待检校相机对相机检校三维控制场内布设的控制标志（1）和彩色编码标志（2）进行图像拍摄，并将拍摄到的图像传输给数据处理器；

步骤四、采用数据处理器进行彩色编码标志（2）的提取与识别，其过程如下：

步骤401、图像二值化：所述数据处理器根据公式计算出图像中每个像素的标志指数M_i，并将计算得到的各个像素的标志指数M_i与像素标志指数阈值M₀相比对，当M_i>M₀时，将该像素标记为1，当M_i≤M₀时，将该像素标记为0，对图像进行二值化处理，得到呈黑色的定位圆（2-2）和呈白色的背景；其中，R_i为像素中红色通道的量化值，G_i为像素中绿色通道的量化值，B_i为像素中蓝色通道的量化值；

步骤402、彩色编码标志（2）中定位圆（2-2）的识别：首先，对步骤401中得到的定位圆（2-2）进行边界提取，提取得到定位圆（2-2）边界并对提取出的定位圆（2-2）边界像素坐标进行椭圆拟合，并对定位圆（2-2）边界像素坐标的椭圆拟合结果进行错误剔除，得到定位圆边界椭圆的中心坐标、长半轴长度、短半轴长度和长半轴方向；接着，采用重心法确定出所述定位圆（2-2）的中心坐标；然后，以所述定位圆（2-2）的中心坐标为中心作边长为L的矩形，提取出位于矩形框内的彩色编码标志子图像；

步骤403、在提取出来的彩色编码标志子图像上进行彩色编码标志（2）的编码识别，其具体过程如下：

步骤4031、彩色编码标志子图像预处理：首先，对彩色编码标志子图像进行噪声消除；接着，对彩色编码标志子图像进行平滑处理；然后，对彩色编码标志子图像进行二值化，得到呈黑色的编码圆环（2-3）、定位圆（2-2）和方向圆（2-4），以及呈白色的背景；

步骤4032、方向圆（2-4）和编码圆环（2-3）识别：首先，根据彩色编码标志（2）中定位圆（2-2）和方向圆（2-4）两者之间的位置关系，在定位圆（2-2）周围一定范围内进行边界提取，提取得到方向圆（2-4）边界并对提取出的方向圆（2-4）边界像素坐标进行椭圆拟合，并对方向圆（2-4）边界像素坐标的椭圆拟合结果进行错误剔除，得到方向圆边界椭圆的中心坐标、长半轴长度、短半轴长度和长半轴方向；然后，根据彩色编码标志（2）中定位圆（2-2）和编码圆环（2-3）两者之间的位置关系，在定位圆（2-2）周围一定范围内进行边界提取，提取得到编码圆环（2-3）边界并对提取出的编码圆环（2-3）边界像素坐标进行椭圆拟合，并对编码圆环（2-3）边界像素坐标的椭圆拟合结果进行错误剔除，得到编码圆环边界椭圆的中心坐标、长半轴长度、短半轴长度和长半轴方向；

步骤4033、编码圆环（2-3）起始方向的确定以及编码识别，其具体过程如下：

步骤40331、根据拟合后方向圆边界椭圆的中心坐标与定位圆（2-2）的中心坐标，计算出方向圆（2-4）的方位角；

步骤40332、将计算出的方向圆（2-4）的方位角与方向圆（2-4）的标准方位角θ进行比对，当计算出的方向圆（2-4）的方位角与方向圆（2-4）的标准方位角θ相等时，执行步骤40333；否则，当计算出的方向圆（2-4）的方位角与方向圆（2-4）的标准方位角θ不相等时，首先，旋转子图像并使得旋转后的图像中方向圆（2-4）的方位角与方向圆（2-4）的标准方位角θ相等，然后再执行步骤40333；

步骤40333、首先，分别在八个编码区域搜索编码圆环（2-3），统计八个编码区域中黑色像元的数目，并将统计得到的各个区域中黑色像元的数目与编码区域黑色像元数目阈值s相比对，当统计得到的黑色像元数目大于编码区域黑色像元数目阈值s时，编码为1；否则，当统计得到的黑色像元数目小于编码区域黑色像元数目阈值s时，编码为0；然后，将与所述方向圆（2-4）相邻且位于所述方向圆（2-4）左侧的编码区域定义为起始编码区域，从起始编码区域逆时针旋转，记录所述编码圆环（2-3）的编码；

步骤404、获得彩色编码标志（2）的物方坐标：根据步骤40333中得到的编码圆环（2-3）的编码，对应找到彩色编码标志（2）的编号，再对应找到彩色编码标志（2）的物方坐标（X,Y,Z）；

步骤五、采用数据处理器对控制标志（1）像点坐标进行自动定位，其过程如下：

步骤501、选取至少6个不在同一平面上的彩色编码标志（2），并将其像点坐标（x,y）和物方坐标（X,Y,Z）代入直接线性变换公式：

x+l1X+l2Y+l3Z+l4l9X+l10Y+l11Z+1=0]]>

y+l5X+l6Y+l7Z+l8l9X+l10Y+l11Z+1=0]]>

计算得到线性变换公式中的11个变换参数l_i（i=1,2,3,...,11）；其中，彩色编码标志（2）的像点坐标（x,y）为步骤402中得到的定位圆（2-2）的中心坐标；

步骤502、将控制标志（1）的物方坐标（X′,Y′,Z′）和线性变换公式中的11个变换参数l_i（i=1,2,3,...,11）代入直接线性变换公式：

x+l1X′+l2Y′+l3Z′+l4l9X′+l10Y′+l11Z′+1=0]]>

y+l5X′+l6Y′+l7Z′+l8l9X′+l10Y′+l11Z′+1=0]]>

计算得到控制标志（1）的像点坐标的初始位置（x′,y′）；

步骤503、采用自适应窗口法在所述控制标志（1）的像点坐标的初始位置周围开辟一个窗口，该窗口内的图像即为包含控制标志（1）的控制标志子图像；

步骤六、采用数据处理器对控制标志（1）像点坐标进行高精度量测，其过程如下：

步骤601、控制标志子图像预处理：首先，对控制标志子图像进行噪声消除；接着，对控制标志子图像进行二值化，得到控制标志（1）的二值化图像；然后，采用Canny算子对所述控制标志（1）的二值化图像进行边缘检测，提取得到控制标志（1）的轮廓图；

步骤602、对控制标志（1）的轮廓图进行椭圆拟合：对控制标志（1）的轮廓图进行椭圆拟合，得到控制标志（1）边界椭圆的中心坐标、长半轴长度、短半轴长度和长半轴方向；

步骤603、错误剔除：首先，根据控制标志（1）的物方坐标，在控制标志（1）的周围均匀选择多个参考点，并将多个参考点的坐标（X₀,Y₀,Z₀）和线性变换公式中的11个变换参数l_i（i=1,2,3,...,11）分别代入直接线性变换公式：

x0+l1X0+l2Y0+l3Z0+l4l9X0+l10Y0+l11Z0+1=0]]>

y0+l5X0+l6Y0+l7Z0+l8l9X0+l10Y0+l11Z0+1=0]]>

计算得到参考点的像点坐标（x₀,y₀）；接着，对多个参考点进行椭圆拟合，得到参考点椭圆的中心坐标、长半轴长度、短半轴长度和长半轴方向；然后，对步骤602中控制标志（1）边界椭圆的长半轴长度和短半轴长度求平均值，得到控制标志（1）边界椭圆的平均轴长a₀，对参考点椭圆的长半轴长度和短半轴长度求平均值，得到参考点椭圆的平均轴长a₁；并计算控制标志（1）边界椭圆的扁率ρ₁和参考点椭圆的扁率ρ₂；最后，计算控制标志（1）边界椭圆的平均轴长a₀与参考点椭圆的平均轴长a₁之间的差值Δa=|a₀-a₁|，将Δa与Δa₀相比对；并计算控制标志（1）边界椭圆的扁率ρ₁与参考点椭圆的扁率ρ₂之间的差值Δρ₁=|ρ₁-ρ₂|，当Δa>Δa₀或Δρ₁>Δρ₀时，将该控制标志（1）边界椭圆删除，得到了错误剔除后的控制标志（1）边界椭圆；

步骤604、高精度量测：在错误剔除后的控制标志（1）边界椭圆内部进行直线拟合，得到两条相互垂直的直线的参数，计算得到这两条直线的交点坐标，就得到了高精度量测的控制标志（1）的像点坐标。