左承林， 馬 軍， 岳廷瑞

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 低速空氣動力研究所，四川 綿陽 621000)

基于立體視覺技術(shù)進(jìn)行三維測量時(shí)，需要對不同視角拍攝獲取的圖像進(jìn)行特征提取和立體匹配，以計(jì)算被測物體的三維信息。匹配的精度直接影響著最終的測量精度，因而需要高精度的匹配算法。但是，傳統(tǒng)立體匹配方法計(jì)算復(fù)雜度高，匹配精度也較低，難以適用于高精度測量應(yīng)用中。為此，通常使用編碼標(biāo)記點(diǎn)作為被測物體的特征點(diǎn)，其具有唯一的編碼標(biāo)識信息，便于檢測和識別，可實(shí)現(xiàn)不同視角圖像的高精度匹配。

到目前為止，已有眾多種類的編碼標(biāo)記點(diǎn)被設(shè)計(jì)應(yīng)用于視覺三維測量中[1-7]。具有代表性的編碼標(biāo)記點(diǎn)有：環(huán)狀編碼標(biāo)記點(diǎn)、點(diǎn)狀編碼標(biāo)記點(diǎn)、方形編碼標(biāo)記點(diǎn)、分布式編碼標(biāo)記點(diǎn)、彩色編碼標(biāo)記點(diǎn)、可糾錯(cuò)編碼標(biāo)記點(diǎn)、雙環(huán)象限編碼標(biāo)記點(diǎn)、漢字編碼標(biāo)記點(diǎn)等。其中，環(huán)狀編碼標(biāo)記點(diǎn)具有仿射不變、平移旋轉(zhuǎn)不變、尺度不變等特性，易于檢測識別，因而被廣泛應(yīng)用于視覺三維測量中。

編碼標(biāo)記點(diǎn)檢測識別包括標(biāo)記點(diǎn)中心定位和編碼環(huán)解碼兩個(gè)步驟，其中，中心定位是關(guān)鍵，也是編碼環(huán)解碼的基礎(chǔ)。圍繞著提高解碼精度和速度，國內(nèi)外研究者進(jìn)行了大量的研究。Forbes等[8]采用Canny 算子提取圖像輪廓，然后基于尺寸準(zhǔn)則、形狀準(zhǔn)則提取中心標(biāo)記點(diǎn)擬合橢圓，再根據(jù)灰度準(zhǔn)則讀取編碼帶信息進(jìn)行解碼。Chen等[9]針對像素較小或投影角較大的編碼標(biāo)記點(diǎn)，提出一種利用灰度梯度提取各編碼段中心角的檢測算法，能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位與解碼。宋麗梅等[10]和周玲等[11]基于環(huán)狀編碼標(biāo)記點(diǎn)的仿射不變特性，分別通過坐標(biāo)變化的方式將成像橢圓變換成直線和單位圓，實(shí)現(xiàn)了環(huán)狀編碼標(biāo)記點(diǎn)的解碼識別。楊忞等[12]為提高標(biāo)記點(diǎn)定位精度，利用擬合橢圓外切矩形的幾何性質(zhì)來確定橢圓的長短軸位置和旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)一步構(gòu)造驗(yàn)證參數(shù)，并結(jié)合聚類算法，最終提取有效的標(biāo)記點(diǎn)類。此外，秦大輝等[13]將YOLO v3目標(biāo)檢測網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到了編碼標(biāo)記點(diǎn)檢測定位中，提出了一種基于YOLO v3改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)識別編碼標(biāo)記點(diǎn)，再通過距離判斷確定中心標(biāo)記點(diǎn)的定位方法，最終獲得了較好的檢測識別效果且該方法魯棒性好。

針對視覺測量中環(huán)狀編碼標(biāo)記點(diǎn)的檢測識別問題，本文提出了一種基于編碼環(huán)采樣的解碼識別方法。首先，使用Canny算子對圖像進(jìn)行邊緣檢測，提取圖像的輪廓結(jié)構(gòu)信息；然后，基于尺寸和形狀準(zhǔn)則約束，初步濾除非標(biāo)記點(diǎn)輪廓；使用Otsu算法[14]進(jìn)一步提取標(biāo)記點(diǎn)邊緣環(huán)狀鄰域，通過最小二乘橢圓擬合求解橢圓參數(shù)，并通過橢圓參數(shù)約束，再次進(jìn)行非標(biāo)記點(diǎn)輪廓濾除；最后，通過對編碼環(huán)進(jìn)行360°采樣，解算獲得編碼值，實(shí)現(xiàn)標(biāo)記點(diǎn)的解碼識別。

1 編碼標(biāo)記點(diǎn)設(shè)計(jì)

本文使用的編碼標(biāo)記點(diǎn)為8位環(huán)狀編碼標(biāo)記點(diǎn)，結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，其由中心圓和同心圓環(huán)構(gòu)成，中心圓用于標(biāo)記點(diǎn)定位，同心圓環(huán)則用于標(biāo)記點(diǎn)編碼。編碼環(huán)根據(jù)實(shí)際需求可進(jìn)行不同數(shù)量的等分，等分?jǐn)?shù)量越多，編碼位數(shù)就越多，可產(chǎn)生的編碼標(biāo)記點(diǎn)數(shù)量也就越多，通常使用較多的為8、12、15這3種等分?jǐn)?shù)量的編碼標(biāo)記點(diǎn)。編碼環(huán)編碼原理如圖1(b)所示，編碼環(huán)中每一個(gè)等分區(qū)域根據(jù)顏色的不同對應(yīng)于“0”或“1”，整個(gè)編碼環(huán)對應(yīng)于一個(gè)8位的二進(jìn)制數(shù)。為了確保編碼值的唯一性，按逆時(shí)針方向逐位移動二進(jìn)制數(shù)，其對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)中最小的十進(jìn)制數(shù)即為編碼標(biāo)記點(diǎn)的唯一編碼值。編碼環(huán)不同等分情況下的二進(jìn)制數(shù)和標(biāo)記點(diǎn)數(shù)如表1所示。

圖1 編碼標(biāo)記點(diǎn)

表1 編碼數(shù)、標(biāo)記點(diǎn)數(shù)與二進(jìn)制數(shù)關(guān)系表

2 編碼標(biāo)記點(diǎn)檢測與識別

2.1 檢測定位

由于拍攝角度的影響，編碼標(biāo)記點(diǎn)中心圓成像后通常呈橢圓形狀，對編碼標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行檢測定位即可確定中心圓在圖像平面上成像的橢圓中心。

首先采用Canny算子對圖像進(jìn)行邊緣檢測，提取得到圖像的輪廓信息。然后，計(jì)算各邊緣輪廓的周長L、面積S和形狀因子G，通過設(shè)置合適的閾值，篩除不滿足閾值的輪廓，實(shí)現(xiàn)標(biāo)記點(diǎn)的粗定位。其中，輪廓形狀因子G計(jì)算公式為

(1)

在標(biāo)記點(diǎn)粗定位的基礎(chǔ)上，根據(jù)Otsu算法確定梯度閾值，提取得到標(biāo)記點(diǎn)的邊緣環(huán)狀鄰域。與采用Canny算子得到的標(biāo)記點(diǎn)單像素邊緣相比，標(biāo)記點(diǎn)邊緣環(huán)狀鄰域?qū)υ肼暫筒痪鶆蚬庹諚l件具有更好的魯棒性。

為了得到成像中心圓的橢圓中心，需要對邊緣環(huán)狀鄰域進(jìn)行最小二乘橢圓擬合。對于任意位置的橢圓，其一般方程表示為

f(x,y)=x2+Axy+By2+Cx+Dy+E=0

(2)

對邊緣環(huán)狀鄰域上的點(diǎn)進(jìn)行最小二乘橢圓擬合，則目標(biāo)函數(shù)為

(3)

式中，N為邊緣環(huán)狀鄰域上像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。由極值原理可知，要使F最小，則必有：

(4)

通過式(4)即可解算得到橢圓方程參數(shù)A、B、C、D、E，進(jìn)而可以計(jì)算得到：

(5)

式中，(x0,y0)，a，b，θ分別為標(biāo)記點(diǎn)成像橢圓的中心坐標(biāo)、長軸半徑、短軸半徑和偏角。由于尺寸和形狀約束不一定能完全濾去偽標(biāo)記點(diǎn)，因此，基于擬合得到的橢圓參數(shù)進(jìn)行了二次篩選，約束準(zhǔn)則具體如下。

① 橢圓擬合偏差約束；

② 橢圓長短軸約束；

③ 橢圓長短軸比例約束。

當(dāng)滿足上述約束準(zhǔn)則后，橢圓輪廓即為標(biāo)記點(diǎn)的成像中心圓，基于其橢圓中心坐標(biāo)，即可實(shí)現(xiàn)標(biāo)記點(diǎn)的精確定位。

2.2 解碼識別

由于編碼標(biāo)記點(diǎn)成像符合仿射變換，圖像中心圓與編碼環(huán)仍然具有相同的中心和偏角，大小比例也不會發(fā)生變化。根據(jù)編碼標(biāo)記點(diǎn)的物理尺寸和成像中心圓的橢圓參數(shù)，可計(jì)算得到成像編碼環(huán)的橢圓參數(shù)為

(6)

式中，R1和R2分別為編碼環(huán)的物理內(nèi)環(huán)半徑和物理外環(huán)半徑；r為中心圓的物理半徑。

基于解算得到的成像編碼環(huán)橢圓參數(shù)，對編碼環(huán)進(jìn)行采樣，如圖2所示。

圖2 編碼環(huán)采樣

基于編碼環(huán)采樣的解碼識別具體步驟如下。

① 在編碼環(huán)上以任意位置為起點(diǎn)，按逆時(shí)針方向進(jìn)行采樣，得到采樣序列Si= {si,1,si,2,…,si,j,…,si,k}。其中，i= 1,2,…,n為標(biāo)記點(diǎn)編號；si,j為第i個(gè)標(biāo)記點(diǎn)編碼環(huán)上的第j個(gè)采樣灰度值；k為采樣數(shù)量。

(7)

二值化處理方法如下：

(8)

(9)

式中，INT為取整函數(shù)；N=8為編碼標(biāo)記點(diǎn)編碼環(huán)的等分段數(shù)；e=0.5為固定常數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證所提出的編碼標(biāo)記點(diǎn)檢測識別算法的有效可行性，首先進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，隨后，在直升機(jī)旋翼槳葉視覺測量風(fēng)洞試驗(yàn)中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。

3.1 模擬試驗(yàn)

在室內(nèi)燈光照明條件下拍攝得到的編碼標(biāo)記點(diǎn)圖像如圖3(a)所示，相機(jī)成像傾角約為60°，每個(gè)編碼標(biāo)記點(diǎn)旁邊都標(biāo)注有相應(yīng)的真實(shí)編碼值。從圖3(a)中可以看到，在較大成像傾角情況下，編碼標(biāo)記點(diǎn)發(fā)生了較為明顯的變形，并且，局部區(qū)域還存在高反光情況。使用Canny算子進(jìn)行邊緣檢測得到的圖像輪廓，如圖3(b)所示，基于尺寸準(zhǔn)則、形狀準(zhǔn)則和橢圓參數(shù)準(zhǔn)則篩選后得到的標(biāo)記點(diǎn)成像中心圓輪廓如圖3(c)所示，可以看到，經(jīng)過篩選后，其他偽標(biāo)記點(diǎn)輪廓得到了有效濾除。最終的解碼識別結(jié)果如圖3(d)所示，所有編碼標(biāo)記點(diǎn)都得到了正確解碼識別，這說明本文所提出的算法對于成像變形和光照不均具有較好的魯棒性。

圖3 模擬試驗(yàn)

3.2 直升機(jī)旋翼槳葉視覺測量風(fēng)洞試驗(yàn)

在中國空氣動力研究與發(fā)展中心Φ3.2 m風(fēng)洞開展的Φ2 m直升機(jī)旋翼槳葉視覺測量風(fēng)洞試驗(yàn)如圖4所示，其中一片槳葉下表面上共布置有20個(gè)編碼標(biāo)記點(diǎn)，其沿槳葉展向成對等距分布，每對編碼標(biāo)記點(diǎn)之間的物理距離均為35 mm。測量系統(tǒng)由兩臺高速CCD相機(jī)構(gòu)成，其被安裝固定在旋翼下方的試驗(yàn)平臺上，確保了試驗(yàn)過程中相機(jī)不會因?yàn)樾砀咚傩D(zhuǎn)而發(fā)生振動。兩臺相機(jī)的成像分辨率為1024像素×1024像素，圖像位數(shù)為12-bit，最大幀頻為3.6 kHz。相機(jī)之間的光軸夾角約為30°，距離旋翼約2.5 m，測量視場約為1 m×1 m，可覆蓋旋翼一個(gè)象限的旋轉(zhuǎn)范圍。為了能夠拍攝得到清晰的旋翼槳葉瞬態(tài)圖像，試驗(yàn)采用了高頻激光器進(jìn)行瞬態(tài)照明，其波長為527 nm，能量為2×30 mJ@1 kHz，脈沖寬度為150 ns。試驗(yàn)中，高頻激光器通過激光擴(kuò)束鏡形成體激光，其照明區(qū)域覆蓋相機(jī)測量視場范圍；基于同步控制器、高速CCD相機(jī)和高頻激光器進(jìn)行時(shí)鐘同步，根據(jù)旋翼編碼器信號，同步觸發(fā)高頻激光器和高速CCD相機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)照明成像。該試驗(yàn)對旋翼高速轉(zhuǎn)速下不同槳葉傾角工況的編碼標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行了檢測識別。

圖4 直升機(jī)旋翼槳葉視覺測量風(fēng)洞試驗(yàn)

高速CCD相機(jī)拍攝得到的旋翼槳葉圖像如圖5(a)所示，為了不產(chǎn)生圖像拖影，成像系統(tǒng)采用了強(qiáng)照明、高速曝光的成像方式，因此，高反光特性的編碼標(biāo)記點(diǎn)成像結(jié)構(gòu)清晰，而背景則幾乎看不到，這極大地提高了編碼標(biāo)記點(diǎn)檢測識別的準(zhǔn)確性和魯棒性。圖像邊緣檢測結(jié)果和編碼標(biāo)記點(diǎn)成像中心圓輪廓篩選結(jié)果如圖5(b)和5(c)所示。不同槳葉傾角條件下編碼標(biāo)記點(diǎn)的解碼識別結(jié)果如圖6所示，可以看到，所有編碼標(biāo)記點(diǎn)都得到了正確解碼識別，這說明槳葉傾角變化并不會影響編碼標(biāo)記點(diǎn)檢測識別的準(zhǔn)確性。

圖5 旋翼槳葉編碼標(biāo)記點(diǎn)檢測定位

圖6 旋翼槳葉編碼標(biāo)記點(diǎn)解碼識別

通過編碼標(biāo)記點(diǎn)解碼值進(jìn)行立體匹配解算得到的三維測量結(jié)果如圖7所示?；跍y得的所有工況下編碼標(biāo)記點(diǎn)對之間的三維空間距離，對測量精度和準(zhǔn)度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。表2雖然反映的是整個(gè)系統(tǒng)的測量精度，但也從側(cè)面驗(yàn)證了本文所提出的算法的準(zhǔn)確性。

圖7 旋翼槳葉編碼標(biāo)記點(diǎn)三維測量結(jié)果

表2 不同轉(zhuǎn)速下測量精準(zhǔn)度 單位：mm

4 結(jié)束語

視覺測量中，編碼標(biāo)記點(diǎn)識別的準(zhǔn)確性和魯棒性對后續(xù)的三維重建有著非常重要的意義。本文針對目前廣泛使用的環(huán)形編碼標(biāo)志點(diǎn)，提出了一種基于編碼環(huán)采樣的檢測識別方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的算法受成像角度變化和光照不均等因素影響較小，編碼標(biāo)記點(diǎn)檢測識別具有較高的魯棒性，實(shí)用性強(qiáng)。