[发明专利]一种十字标记的图像识别及对准方法

权利要求书

1.一种十字标记的图像识别及对准方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S110，输入含有十字标记的数字视频信号：通过摄像头获取含有十字标记的彩色图像；

步骤S120，将视频中的图像转换为灰度图像：

读取摄像头拍摄视频中当前的一帧进行处理，将数字彩色图像转化为灰度图像，具体步骤为：取图像中每个像素的RGB颜色分量，利用公式：

Gray＝r*0.3+g*0.59+b*0.11

将彩色图像转化为灰度图像，采用高斯滤波的方法剔除噪声干扰，提高信噪比，采用直方图亮度均衡化方法，增大灰度的变化范围，从而增强图像的亮度和对比度；

步骤S130，将灰度图像转换为二值图像：

采用图像阈值分割技术将灰度图像转换为二值图像，采用最大类间方差算法来实现图像最佳阈值的选取，最佳阈值的计算过程如下：

假设图像有M个灰度值，取值范围在0～M-1，在此范围内选取灰度值t，将图像分成两类G₀和G₁，G₀包含的像素的灰度值在0～t，G₁包含的像素的灰度值在t+1～M-1，用N表示图像像素总数，n_i表示灰度值为i的像素的个数，灰度值i出现的概率为p_i＝n_i/N；G₀和G₁两类像素的个数在整体图像中所占百分比为ω₀，ω₁，两类平均灰度值为u₀,u₁，可得G₀和G₁两类像素出现的概率分别为：

G₀和G₁两类像素的平均灰度值为：

图像总的平均灰度为：

u＝ω₀×u₀+ω₁×u₁ (5)

所以G₀和G₁两类像素的类间方差为：

g(t)＝ω₀(u₀-u)²+ω₁(u₁-u)²＝ω₀ω₁(u₀-u₁)² (6)

将g(t)极大化的过程就是根据图像自动确定阈值T的过程，因此最佳阈值为：

T＝argmax(g(t)) (7)

步骤S140，在二值图像中查找满足误差阈值的四边形轮廓：

利用OpenCV库中cvFindContours函数完成二值图像中的轮廓查找，图像提取轮廓后，采用DP多边形逼近算法对提取的轮廓进行多边形逼近，并设定误差阈值，获得满足此阈值的四边形；DP算法在OpenCV库中的函数实现为cvApproxPoly，将轮廓进行多边形逼近时，若使用DP算法查找到的轮廓上第5个点到四边形的距离在误差阈值以内，则认为前4个点构成的四边形即为所述满足误差阈值的四边形轮廓；

步骤S150，在近似为矩形的四边形轮廓中查找十字标记：

判断四边形轮廓是否近似为矩形，采用的方法是判断四边形的两个角的余弦值的绝对值是否都小于0.1，若是则认为该四边形轮廓近似为矩形，若不是则舍弃；

在近似为矩形的四边形区域中进行横向扫描，四边形中心部分的区域不扫描，记录扫描区域内白色像素点的位置，并判断所记录的白色像素点集合是否构成十字标记的纵线部分；

在近似为矩形的四边形区域中进行纵向扫描，四边形中心部分的区域不扫描，记录扫描区域内白色像素点的位置，并判断所记录的白色像素点集合是否构成十字标记的横线部分；

若扫描到十字标记的横线部分和纵线部分，则说明在所述检测出的矩形轮廓中查找到了十字标记轮廓；

步骤S160，拟合十字标记并计算中心点和中心点上下左右四条纵线、横线的长度：

采用几何中心法提取标靶十字线上所有点坐标，通过对十字横、纵两个方向上的点采用最小二乘法完成两条直线的拟合，最后通过两条直线方程，求出两条直线交点即十字标记的中心点坐标及十字标记中心点上下两条纵线的长度和中心点左右两条横线的长度；

步骤S170，根据中心点和横、纵线的长度信息计算十字标记偏航方向：

步骤S1701，调整位置，使图像上的十字标记中心点上下纵线的长度相等，且中心点位于图像二分之一的水平线上；通过操作调整摄像头与十字标记的相对位置，使二者在同一水平线上；

步骤S1702，根据拟合的十字标记纵线长度计算摄像头所在平面至标记所在平面的距离D：

由于十字标记上纵线的实际长度l_v和图像中拟合的纵线所占像素点个数n_v是已知的，因此可通过前期测量不同的距离D下n_v的大小拟合出成摄像头的成像关系曲线，从而根据n_v的大小计算D；

步骤S1703，根据十字标记中心点坐标计算标记在摄像头视场中偏离中心的角度α：

根据十字中心点的横坐标计算出十字中心点比图像中心偏移的像素数量n_W，并根据拟合公式计算出十字标记与摄像头的水平偏移距离W，此时：

步骤S1704，根据十字标记中心点左右横线的长度计算摄像头平面与标记平面之间的夹角β：

十字标记中心点左右横线的实际长度为s，图像中拟合的十字标记中心点左右横线所占像素数对应的实际长度为l₁和l₂，

根据等比三角形几何关系有：

(9)、(10)两式相除可得：

由于像素点数是可以统计出来的，因此令：

则摄像头平面与标记平面之间的夹角β为：

步骤S180，根据α，β，D绘出十字标记与摄像头的位置关系图，输出偏航方向和视频图像，辅助操作员进行对准操作：

当标记在图像中心以左时α＜0，当标记在图像中心以右时α＞0；十字标记所在平面较摄像头所在平面顺时针旋转的锐角角度β＞0，逆时针旋转的锐角角度β＜0；设标靶位置为(x₀,y₀)，摄像头位置为(x_p,y_p)，则：

γ＝|β|-|α|＝β-α (14)

x_P＝x₀-(D/cosα)sinγ＝x₀-(D/cosα)sin(β-α)

＝x₀-D sinβ+D cosβtanα (15)

y_P＝y₀-(D/cosα)cosγ＝y₀-(D/cosα)cos(β-α)

＝y₀-Dcosβ-D sinβtanα (16)

记待对准物体的长AD＝BC＝a，宽AB＝CD＝b，则ABCD四点的坐标分别为：

连接ABCD四个点，即可绘出十字标记与待对准物体的位置关系图。