用于单目视觉定位的非镜像对称二维码标志图形校验及布局方法技术

用于单目视觉定位的非镜像对称二维码标志图形校验及布局方法，本发明专利技术涉及非镜像对称二维码标志图形校验及布局方法。本发明专利技术为了解决现有技术存在数据位过多摄像头精度低时无法识别、无法人工进行数据的检查与校验以及二维码在镜像条件下形成错误的二维码导致定位错误的问题。与其它方式获得的二维码标识图形相比，本发明专利技术方法布局简单、易于实现，数据码与校验码分离，方便人工检查和校验；同时，增大了数据码的位数，极大的扩增了系统中可用编码的总数。通过本发明专利技术方法产生的二维码标识图形具有非镜像对称性，适用于存在大面积镜面反射条件的环境。本发明专利技术用于单目相机视觉定位领域。

【技术实现步骤摘要】
用于单目视觉定位的非镜像对称二维码标志图形校验及布局方法
本专利技术涉及单目相机视觉定位领域，具体涉及非镜像对称二维码标志图形校验及布局方法。
技术介绍
目前，单目相机视觉定位主要应用在增强现实(AugmentedReality，AR)和虚拟现实(VirtualReality，VR)系统中。在AR或VR系统中，通过对标识物的位置与姿态进行估计，将虚拟的3D影像经过相应的变换后与拍摄的图像进行融合，以实现增强现实或虚拟现实的目标。ARToolKit是一个在过去十年间被广泛应用的开源AR软件，其使用的标识图形是一个尺寸已知的方形框中放置自定义的辨识模型(IdentifiablePatterns)，辨识模型可以是文字或图片，然后利用模板匹配(TemplateMatching)的方式对所拍摄图像中的标识图形进行识别。由于识别算法中使用的是模板匹配，故而在标识物图形相对相机姿态较大时，识别精度不高，此外，虽然可以使用自定义的文字或图像作为辨识模型，从而在一个定位系统中创建相当多的可用标识物，但正是由于这种自由性，也使得系统在应用时需要消耗大量的时间进行模型的创建和校验等工作，复用性差。VisualCode使用了由11×11共121个码元聚合构成的二维码图形作为标识物，其特征是通过在二维码的右下部使用一长一短的两个导航条(GuideBars)来确定标识物的取向，在其余三个角点使用黑色方块获得畸变参数，并包含83位数据码，可以在同一个系统中获得大量可用编码，如图1所示。由于使用编码来构建标识物，与ARToolKit相比，系统复用性得到极大的提高，但是由于编码位数过多，为了可靠的获得全部数据，单目相机所拍摄的图像中，标识物需要占很大的面积，这使得其仅适用于短距离、小角度的位置和姿态估计。reacTIVision使用了遗传算法(GeneticAlgorithm)来得到经过优化的标识物，一个典型的标识图形如图2所示。与VisualCode相比，其可应用的定位距离更远，但标识物的产生方法过于复杂，重用性降低，且识别算法的难度也很大。此外，其对于人来说不够直观，不方便人工进行数据的检查与校验。ArUco是现阶段使用意义最大的增强现实系统之一，其使用的标识物是在一个大小已知的矩形框中放置N×N(N通常等于5)的经过Hamming(7,4)编码的数据，一个典型的标识物如图3所示，该标识物中含10位数据码，15位校验码，即每两位数据经过补零变成4位后再通过Hamming(7,4)编码获取3位校验码。故而ArUco系统中的标识物与其它系统相比，产生算法简单，易于复用；同一系统中可用编码总量较大，如图3所示的系统中可用编码总数达1024个；数据码数量适中，可用于较远距离的单目视觉导航。但ArUco中的标识物也存在一个明显的问题，那就是其采用的编码方式具有镜像对称性，即某一编号所对应的标识物，其镜像与另一编号所对应的标识物相同，这使得其无法应用在存在大量镜面反射条件的环境中。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术存在数据位过多摄像头精度低时无法识别、无法人工进行数据的检查与校验以及二维码在镜像条件下形成错误的(即符合编码规则但与预设编码值不同的)二维码导致定位错误的问题，而提出用于单目视觉定位的非镜像对称二维码标志图形校验及布局方法。用于单目视觉定位的非镜像对称二维码标志图形校验及布局方法包括以下步骤：步骤一：将二维码标志图形分成7×7个矩形码元，即将二维码标志图形分成7行7列，共49个矩形码元，每个矩形码元用(i，j)表示，i表示行号，j表示列号，将i＝1、i＝7、j＝1和j＝7的矩形码元组成的矩形环称为矩形辨识环；除矩形辨识环外的码元构成编码域；编码域由25个矩形码元构成，即为25个编码位；每个编码位有0或1两种状态，每个状态填充一种颜色(所有状态为0的颜色相同，所有状态为1的颜色相同，0和1的颜色不同)；步骤二：对矩形辨识环进行纯色填充；步骤三：将位于(2，2)、(2，6)、(6，6)和(6，2)的码元称为锚位，将位于(2，3)、(2，4)、(2，5)、(3，6)、(4，6)、(5，6)、(6，5)、(6，4)、(6，3)、(5，2)、(4，2)和(3，2)的码元称为数据位，将位于(3，3)、(3，4)、(3，5)、(4，5)、(5，5)、(5，4)、(5，3)和(4，3)的码元称为校验位，将位于(4，4)的码元称为冗余位；步骤四：位于(2，2)、(2，6)和(6，6)的码元设置为相同状态，位于(2，2)、(2，6)和(6，6)的码元与位于(6，2)的码元设置为不同状态；步骤五：每个数据位有2种状态，12个数据位共有4096种状态，即4096种编码，选择一种编码按照(2，3)、(2，4)、(2，5)、(3，6)、(4，6)、(5，6)、(6，5)、(6，4)、(6，3)、(5，2)、(4，2)、(3，2)顺序依次填充颜色；步骤六：按照步骤五中选择的编码，计算校验位，填充校验位颜色；步骤七：冗余位作为第九个校验位、填充文字、填充图形、不参与校验计算的第十三个数据位或者不使用。本专利技术的有益效果为：在单目视觉定位领域中，针对现存的一些二维码标志图形(又称标识图形)的校验和布局方式存在镜像对称的问题，本专利技术提出了一种新的二维码标志图形校验及布局方法。与其它方式获得的二维码标识图形相比，该方法布局简单、易于实现，数据码与校验码分离，方便人工检查和校验；同时，增大了数据码的位数，从而极大的扩增了系统中可用编码的总数；最重要的是，通过该方法产生的二维码标识图形具有非镜像对称性，从而适用于存在大面积镜面反射条件的环境。对于图1中所示的二维码标志图像，假设利用分辨率为640像素*480像素的相机进行拍摄，拍摄得到的二维码标识图像变换为正视图后尺寸为100像素*100像素，则每个数据位的图像尺寸约为9像素*9像素。对于本专利技术的二维码标志图，相同条件下，每个数据位的图象尺寸为14像素*14像素，明显大于图1中所示二维码标志图像，即解决其因为数据位过多或摄像头精度不高时，每个数据位因为图像尺寸太小导致识别错误(即“无法识别”)的问题。与其它方式获得的二维码标识图形相比，通过本专利技术中所述方法得到的二维码标识图像，具备以下4个优点。(1)布局方式简单直观、编码手段易于实现；(2)数据码与校验码分离，方便进行人工数据检查和校验；(3)与部分其它手段相比，增大了数据码的位数，从而极大的扩增了系统中可用编码的总数，本专利技术中在不使用冗余位的情况下，单一系统(补充码已知，后同)可用编码总数达到了4096个，若通过其它手段能辅助获得补充码的信息，则编码总数可达4194304个；(4)依据本专利技术所述方法获得的二维码标识图形，在单一系统中，具备非镜像对称性的编码达到总编码数的99.6％，共计4080个，与其它二维码标识物相比，更适用于具有大面积镜面反射条件的环境。附图说明图1为典型VisualCode标识物示例图；图2为典型reacTIVision标识物示例图；图3为典型ArUco标识物示例图；图4为二维码标志图形布局方法图；图5为镜像映射图；图6为二维码标志码元定义图；图7为利用本
技术实现思路
制作的编号为2710的二维码标志图像。具体实施方式具体实施方式一：用于本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于单目视觉定位的非镜像对称二维码标志图形校验及布局方法，其特征在于：所述非镜像对称二维码标志图形校验及布局方法包括以下步骤：步骤一：将二维码标志图形分成7×7个矩形码元，即将二维码标志图形分成7行7列，共49个矩形码元，每个矩形码元用(i，j)表示，i表示行号，j表示列号，将i＝1、i＝7、j＝1和j＝7的矩形码元组成的矩形环称为矩形辨识环；除矩形辨识环外的码元构成编码域；编码域由25个矩形码元构成，即为25个编码位；每个编码位有0或1两种状态，每个状态填充一种颜色；步骤二：对矩形辨识环进行纯色填充；步骤三：将位于(2，2)、(2，6)、(6，6)和(6，2)的码元称为锚位，将位于(2，3)、(2，4)、(2，5)、(3，6)、(4，6)、(5，6)、(6，5)、(6，4)、(6，3)、(5，2)、(4，2)和(3，2)的码元称为数据位，将位于(3，3)、(3，4)、(3，5)、(4，5)、(5，5)、(5，4)、(5，3)和(4，3)的码元称为校验位，将位于(4，4)的码元称为冗余位；步骤四：位于(2，2)、(2，6)和(6，6)的码元设置为相同状态，位于(2，2)、(2，6)和(6，6)的码元与位于(6，2)的码元设置为不同状态；步骤五：每个数据位有2种状态，12个数据位共有4096种状态，即4096种编码，选择一种编码按照(2，3)、(2，4)、(2，5)、(3，6)、(4，6)、(5，6)、(6，5)、(6，4)、(6，3)、(5，2)、(4，2)、(3，2)顺序依次填充颜色；步骤六：按照步骤五中选择的编码，计算校验位，填充校验位颜色；步骤七：冗余位作为第九个校验位、填充文字、填充图形、不参与校验计算的第十三个数据位或者不使用。...

【技术特征摘要】
1.用于单目视觉定位的非镜像对称二维码标志图形校验及布局方法，其特征在于：所述非镜像对称二维码标志图形校验及布局方法包括以下步骤：步骤一：将二维码标志图形分成7×7个矩形码元，即将二维码标志图形分成7行7列，共49个矩形码元，每个矩形码元用(i，j)表示，i表示行号，j表示列号，将i＝1、i＝7、j＝1和j＝7的矩形码元组成的矩形环称为矩形辨识环；除矩形辨识环外的码元构成编码域；编码域由25个矩形码元构成，即为25个编码位；每个编码位有0或1两种状态，每个状态填充一种颜色；步骤二：对矩形辨识环进行纯色填充；步骤三：将位于(2，2)、(2，6)、(6，6)和(6，2)的码元称为锚位，将位于(2，3)、(2，4)、(2，5)、(3，6)、(4，6)、(5，6)、(6，5)、(6，4)、(6，3)、(5，2)、(4，2)和(3，2)的码元称为数据位，将位于(3，3)、(3，4)、(3，5)、(4，5)、(5，5)、(5，4)、(5，3)和(4，3)的码元称为校验位，将位于(4，4)的码元称为冗余位；步骤四：位于(2，2)、(2，6)和(6，6)的码元设置为相同状态，位于(2，2)、(2，6)和(6，6)的码元与位于(6，2)的码元设置为不同状态；步骤五：每个数据位有2种状态，12个数据位共有4096种状态，即4096种编码，选择一种编码按照(2，3)、(2，4)、(2，5)、(3，6)、(4，6)、(5，6)、(6，5)、(6，4)、(6，3)、(5，2)、(4，2)、(3，2)顺序依次填充颜色；步骤六：按照步骤五中选择的编码，计算校验位，填充校验位颜色；步骤七：冗余位作为第九个校验位、填充文字、填充图形、不参与校验计算的第十三个数据位或者不使用。2.根据权利要求1所述的用于单目视觉定位的非镜像对称二维码标志图形校验及布局方法，其特征在于：所述步骤四中位于(2，2)、(2，6)和(6，6)的码元与位于(6，2)的码元状态不同具体为：若将位于(2，2)、(2，6)和(6，6)的码元状态设置为1，则位于(6，2)的码元状态则为0；若将位于(2，2)、(2，6)和(6，6)的码元状态设置为0，则位于(6，2)的码元状态则为1；即位于(2，2)、(2，6)和(6，6)的码元填充的颜色与位于(6，2)的码元的颜色不同。3.根据权利要求2所述的用于单目视觉定位的非镜像对称二维码标志图形校验及布局方法，其特征在于：所述步骤六中按照步骤五中选择的编码，计算校验位，填充校验位颜色的具体过程为：步骤六一：将步骤五选择的编码分为两组，(2，3)、(2，4)、(2，5)、(3，6)、(4，6)和(5，6)为第一组，(6，5)、(6，4)、(6，3)、(5，2)、(4，2)和(3，2)为第二组；步骤六二：向第一组和第二组编码中任意插入5位二进制补充码，将长度各扩增为11位；判断两组扩增为11位的编码是否是镜像对称码，若不是镜像对称码，执行步骤六三，若是镜像对称码，则返回步骤五从4096种编码中重新选择一种；所述镜像对称码的定义为：一个任意长度大于1位的二进制编码集合中的编码，在经过镜像映射后，其码序会被改变，得到新的编码，若新编码仍属于原集合，则称原编码具备镜像对称性，新编码为其镜像对称...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏振楠，伊国兴，徐泽远，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23