[发明专利]一种基于图形几何关系的平行四边形编码标志的解码方法

权利要求书

1.一种基于图形几何关系的平行四边形编码标志的解码方法，所述编码标志为正方形的编码方格，所述编码方格的表面设置有平行四边形背景图案和编码图案，所述编码图案位于平行四边形背景图案的内部，所述编码图案包括定位图案、定向图案和编码组合图案，所述定向图案和定位图案用于平行四边形编码标志方向的判断，所述编码组合图案用于平行四边形编码标志各个角点的编码，每个编码组合图案均由一个编码组合定向图案和三个编码组合编码图案组成，其特征在于：利用数字图像处理的方法获得摄像机拍摄的包含N个平行四边形编码标志的图像中每个特征角点的编码序号和亚像素坐标，进而完成平行四边形编码标志解码的步骤如下：

步骤1.1、利用摄像机拍摄空间中放置的N个平行四边形编码标志，获得编码标志图像，所述编码标志图像当中包含N个平行四边形编码标志；

步骤1.2、建立角点的像素坐标系；

步骤2.1、对编码标志图像进行灰度处理，得到编码标志灰度图像P₁；

步骤2.2、对编码标志8位灰度图像P₁进行复制备份，得到编码标志灰度备份图像P₁′；

步骤2.3、对编码标志灰度备份图像P₁′进行二值化处理，得到编码标志二值化图像P₂；

步骤3、设定黑色连通域圆度阈值λ′，像素点个数阈值λ″；

步骤4.1、计算编码标志二值化图像P₂中所有黑色连通域的圆度值λ_n和像素点个数c_n，其中每个黑色连通域的圆度值由式(1)得出，

其中，l_n代表对应黑色连通域轮廓的周长，s_n代表对应黑色连通域的面积，n＝1，2，3，4...；

步骤4.2、选择合适的黑色连通域圆度阈值λ′和像素点个数阈值λ″以在编码标志二值化图像P₂中获得N个平行四边形编码标志中各自所对应的N个定向圆环中心的黑色连通域，并放入圆环黑色连通域集合A′中；

其中，编码标志二值化图像P₂中的各个圆环黑色连通域的圆度值均小于圆度阈值λ′，且各个圆环黑色连通域的像素点个数均大于像素点个数阈值λ″；

步骤4.3、取整数变量i并赋值i＝1；

步骤4.4、计算圆环黑色连通域集合A′中的第i个圆环黑色连通域M_i的质心像素坐标并记为o″_d,i(x″_d,i,y″_d,i)，将得到的第i个圆环黑色连通域M_i的质心像素坐标o″_d,i(x″_d,i,y″_d,i)作为圆环黑色连通域质心集合A的第i元素；

步骤4.5、判断i是否小于N，若i＜N，则将i+1赋值给i，返回步骤4.4顺序执行；否则，即获得了编码标志二值化图像P₂中各个圆环黑色连通域的质心像素坐标o″_d,1(x″_d,1,y″_d,1)、o″_d,2(x″_d,2,y″_d,2)、…、o″_d,N(x″_d,N,y″_d,N)，并依次放入圆环黑色连通域质心集合A中；

步骤5、取整数变量ζ并赋值ζ＝1；

步骤6.1、将编码标志二值化图像P₂进行两次复制备份，分别得到第ζ组第1个备份二值化图像P′_ζ,1和第ζ组第2个备份二值化图像P′_ζ,2；

步骤6.2、利用去除编码标志复杂背景算法对第ζ组第1个备份二值化图像P′_ζ,1进行数字图像处理，得到第ζ个无复杂背景平行四边形二值化图像P″_ζ,1；

步骤7.1、对编码标志灰度图像P₁再次进行复制备份，获得第ζ个备份灰度图像P″′_ζ；

步骤7.2、利用角点检测算法在第ζ个无复杂背景平行四边形二值化图像P″_ζ,1中提取4个角点的亚像素坐标，并记为第ζ个无复杂背景平行四边形二值化图像P″_ζ,1上的4个备选角点C″_ζ,1(x″_ζ,1,y″_ζ,1)、C″_ζ,2(x″_ζ,2,y″_ζ,2)、C″_ζ,3(x″_ζ,3,y″_ζ,3)、C″_ζ,4(x″_ζ,4,y″_ζ,4)；

步骤7.3、在第ζ个无复杂背景平行四边形二值化图像P″_ζ,1中做黑色连通域腐蚀，使得第ζ个无复杂背景平行四边形二值化图像P″_ζ,1中的白色连通域扩大；并将处理所得的图像记为第ζ个运算二值化图像P″_ζ,2；

步骤7.4、将第ζ个运算二值化图像P″_ζ,2中灰度值为255的部分的值置为1，将第ζ个运算二值化图像P″_ζ,2中灰度值为0的部分的值置为0，而后利用第ζ个运算二值化图像P″_ζ,2和第ζ个备份灰度图像P″′_ζ进行乘法运算，将得到的结果图像记为第ζ个覆盖结果图像T_ζ；

步骤7.5、利用角点检测算法在第ζ个覆盖结果图像T_ζ中提取所有角点的亚像素坐标并存入第ζ个初选角点亚像素坐标集合B_ζ中；

步骤7.6、取整数变量i并赋值i＝1；

步骤7.7、在所述第ζ个初选角点亚像素坐标集合B_ζ中寻找距离亚像素坐标值(x″_ζ,i,y″_ζ,i)最近的角点亚像素坐标并记为C′_ζ,i(x′_ζ,i,y′_ζ,i)；

步骤7.8、判断i是否小于4，若i＜4，则将i+1赋值给i并返回执行步骤7.7；否则，此时已经获得了第ζ个覆盖结果图像T_ζ上包含质心像素坐标值(x″_d,ζ,y″_d,ζ)的平行四边形编码标志的4个特征角点的亚像素坐标C′_ζ,1(x′_ζ,1,y′_ζ,1)、C′_ζ,2(x′_ζ,2,y′_ζ,2)、C′_ζ,3(x′_ζ,3,y′_ζ,3)、C′_ζ,4(x′_ζ,4,y′_ζ,4)，且执行步骤8.1；

步骤8.1、在第ζ组第2个备份二值化图像P′_ζ,2上，将包含质心像素坐标值(x″_d,ζ,y″_d,ζ)的平行四边形编码标志记为第ζ个平行四边形编码标志；

步骤8.2、在第ζ组第2个备份二值化图像P′_ζ,2上，选取亚像素坐标值分别为(x′_ζ,1,y′_ζ,1)、(x′_ζ,2,y′_ζ,2)、(x′_ζ,3,y′_ζ,3)、(x′_ζ,4,y′_ζ,4)的4个像素点作为第ζ个平行四边形编码标志的角点四边形S_ζ的4个顶点，将4个顶点相连进而获得第ζ个平行四边形编码标志的角点四边形S_ζ；

步骤9、在第ζ组第2个备份二值化图像P′_ζ,2上，寻找距离质心像素坐标值(x″_d,ζ,y″_d,ζ)最近的白色连通域，并将此白色连通域的灰度值赋值为0；

步骤10、在第ζ组第2个备份二值化图像P′_ζ,2上，第ζ个平行四边形编码标志的角点四边形S_ζ内部的所有像素点的灰度值保持不变，将第ζ个平行四边形编码标志的角点四边形S_ζ以外的所有像素点的灰度值赋值为255；

步骤11.1、在第ζ组第2个备份二值化图像P′_ζ,2上，提取第ζ个平行四边形编码标志的角点四边形S_ζ中所有的内、外轮廓，记为第ζ个平行四边形编码标志内的轮廓集合D_ζ；

步骤11.2、统计第ζ个平行四边形编码标志内的轮廓集合D_ζ内每个轮廓包含的像素点数，将包含像素点数第二多的轮廓记为第ζ组第2个备份二值化图像P′_ζ,2上第ζ个平行四边形编码标志内的定位圆轮廓G_ζ，计算其质心像素坐标并记为第ζ组第2个备份二值化图像P′_ζ,2上第ζ个平行四边形编码标志内的定位圆质心像素坐标o′_l,ζ(x′_l,ζ,y′_l,ζ)；

步骤12、将第ζ个平行四边形编码标志内的轮廓集合D_ζ中4个包含像素点数最少的轮廓记为编码组合定向图案轮廓Z_ζ,1、编码组合定向图案轮廓Z_ζ,2、编码组合定向图案轮廓Z_ζ,3、编码组合定向图案轮廓Z_ζ,4，并分别计算其质心

步骤13.1、根据第ζ个平行四边形编码标志内的轮廓集合D_ζ中，除去包含像素点数最多的两个轮廓以及包含像素点数最少的4个轮廓，判断剩余轮廓个数κ_ζ的大小，分为如下情况：若κ_ζ＝＝0，则执行步骤14.1；否则这κ_ζ个轮廓即为第ζ个平行四边形编码标志内编码组合编码图案的轮廓，分别记为编码组合图案编码组合图案…、编码组合图案

步骤14.1、给整数变量i并赋予初值i＝1；

步骤14.2、在第ζ组第2个备份二值化图像P′_ζ,2上，计算编码组合图案的质心将i+1重新赋值给i后继续执行此步骤，直到i＞κ_ζ结束；由此可以得到对应编码组合图案编码组合图案…、编码组合图案的质心像素坐标

步骤15.1、在第ζ组第2个备份二值化图像P′_ζ,2上，记在第ζ个平行四边形编码标志中位于第1编码区域、第2编码区域、第3编码区域和第4编码区域的特征角点的亚像素坐标分别为C_ζ,1(x_ζ,1,y_ζ,1)、C_ζ,2(x_ζ,2,y_ζ,2)、C_ζ,3(x_ζ,3,y_ζ,3)、C_ζ,4(x_ζ,4,y_ζ,4)；并在第ζ组第2个备份二值化图像P′_ζ,2上，将像素坐标值为的(x″_d,ζ,y″_d,ζ)的像素点记为第ζ组第2个备份二值化图像P′_ζ,2上第ζ个平行四边形编码标志的定向圆环质心o′_d,ζ(x′_d,ζ,y′_d,ζ)，并将亚像素坐标值为(x′_ζ,1,y′_ζ,1)、(x′_ζ,2,y′_ζ,2)、(x′_ζ,3,y′_ζ,3)、(x′_ζ,4,y′_ζ,4)的4个像素点分别记为C″′_ζ,1(x″′_ζ,1,y″′_ζ,1)、C″′_ζ,2(x″′_ζ,2,y″′_ζ,2)、C″′_ζ,3(x″′_ζ,3,y″′_ζ,3)、C″′_ζ,4(x″′_ζ,4,y″′_ζ,4)；

步骤15.2在第ζ组第2个备份二值化图像P′_ζ,2上，第ζ个平行四边形编码标志中的方向向量由公式(2)得出，

步骤16、在第ζ组第2个备份二值化图像P′_ζ,2上，找出4个像素点C″′_ζ,1(x″′_ζ,1,y″′_ζ,1)、C″′_ζ,2(x″′_ζ,2,y″′_ζ,2)、C″′_ζ,3(x″′_ζ,3,y″′_ζ,3)、C″′_ζ,4(x″′_ζ,4,y″′_ζ,4)中距离定位圆质心的像素坐标o′_l,ζ(x′_l,ζ,y′_l,ζ)最近的2个像素点，分别记为C_ζ,1min(x_ζ,1min,y_ζ,1min)和C_ζ,2min(x_ζ,2min,y_ζ,2min)；

在4个像素点中找到第ζ个平行四边形编码标志中第2编码区域和第3编码区域的特征角点的亚像素坐标值并分别赋值给C_ζ,2(x_ζ,2,y_ζ,2)和C_ζ,3(x_ζ,3,y_ζ,3)；

通过公式(3)和(4)计算出在第ζ个平行四边形编码标志中的第1判断向量和第2判断向量并通过式(5)和式(6)计算出第1区域划分正弦值sinα_ζ和第2区域划分正弦值sinβ_ζ；

步骤17、在第ζ组第2个备份二值化图像P′_ζ,2上，将余下的2个像素点的亚像素坐标值分别赋值给第ζ个平行四边形编码标志的临时坐标值1，记为C′_ζ,5(x′_ζ,5,y′_ζ,5)，以及临时坐标值2，记为C′_ζ,6(x′_ζ,6,y′_ζ,6)；

根据公式(7)和(8)求出在第ζ个平行四边形编码标志中的第3判断向量和第4判断向量

步骤18、在第ζ组第2个备份二值化图像P′_ζ,2上，根据第3判断向量和第4判断向量通过式(9)和式(10)得出第3区域划分正弦值sinω_ζ和第4区域划分正弦值sinξ_ζ；

根据sinω_ζ和sinξ_ζ的取值情况，将C′_ζ,5(x′_ζ,5,y′_ζ,5)或C′_ζ,6(x′_ζ,6,y′_ζ,6)的亚像素坐标值赋值给C_ζ,4(x_ζ,4,y_ζ,4)或C_ζ,1(x_ζ,1,y_ζ,1)；

步骤19、在第ζ组第2个备份二值化图像P′_ζ,2上将由特征角点C_ζ,1(x_ζ,1,y_ζ,1)指向特征角点C_ζ,4(x_ζ,4,y_ζ,4)的向量记为向量且由公式(11)得出：

取整数变量i并赋值i＝1；

步骤20、在第ζ组第2个备份二值化图像P′_ζ,2上，根据编码组合定向图案质心向量和方向向量通过公式(12)、(13)和(14)计算出第i编码组合判断向量编码组合判断余弦值和的取值情况：

判断i是否满足i＜4，若i＜4，则将i+1赋值给i，返回执行步骤20；否则，即得到了第ζ个平行四边形编码标志中第1编码区域的编码组合定向图案质心第2编码区域的编码组合定向图案质心第3编码区域的编码组合定向图案质心和第4编码区域的编码组合定向图案质心并继续执行步骤21；

步骤21、重新给整数变量i赋值i＝1；

步骤22、定义4个二维浮点型数组并初始化这4个二维数组中的所有元素，且赋值为-1；另外取4个整数变量初始化

步骤23、在第ζ组第2个备份二值化图像P′_ζ,2上，计算第ζ个平行四边形编码标志中编码组合编码图案标志圆轮廓的质心像素坐标与定位圆中心o′_l,ζ所形成的第ζ组第i区别向量

通过式(16)、式(17)计算

步骤24.1、重新给整数变量i赋值i＝1；

步骤24.2、根据的取值情况，取整数变量和并赋值；

若i＜4，将i+1赋值给i并返回执行步骤24.2；否则继续执行步骤25；

步骤25、通过公式(21)得出第ζ个平行四边形编码标志的编号W_ζ：

W_ζ＝V_ζ^T·U (21)

其中，列向量U＝(2⁰,2¹,2²,...2¹¹)^T，列向量

步骤26、记第ζ个平行四边形编码标志中属于第σ编码区域的特征角点的编码号为其中W_ζ为标定角点所属编码方格的编号，σ的取值代表标定角点所属的第σ编码区域，其中σ＝1，2，3，4；

至此获得了第ζ个平行四边形编码标志中4个特征角点各自的编码号与其相应的亚像素坐标值：

编码号为的特征角点的亚像素坐标值为(x_ζ,1,y_ζ,1)；

编码号为的特征角点的亚像素坐标值为(x_ζ,2,y_ζ,2)；

编码号为的特征角点的亚像素坐标值为(x_ζ,3,y_ζ,3)；

编码号为的特征角点的亚像素坐标值为(x_ζ,4,y_ζ,4)；

步骤27、判断ζ是否小于N，若满足，则将ζ+1重新赋值给ζ，并返回步骤6.1顺序执行；若不满足，则已经找到每个平行四边形编码标志上4个特征角点的亚像素坐标值和对应的编码号。