一种基于RGB的时域视觉地标的定位方法及解码方法技术

本发明专利技术公开了一种基于RGB的时域视觉地标的定位方法及解码方法，视觉地标包括三个编码块，其中，所述三个编码块分别为红色编码块、绿色编码块和蓝色编码块，所述三个编码块呈正三角形排列，每个所述编码块为亮度不可变的静态常亮编码块，或者，每个所述编码块为具有亮和不亮两种显示状态的动态编码块。本发明专利技术基于该视觉地标能够快速准确地计算出摄像机相对于视觉地标的六维位姿信息，从而实现对摄像机的准确定位，并能够对视觉地标传递的动态消息进行快速解码，从而能够为机器人、机械臂、无人车等的定位和消息传递提供技术支撑，以便更好地对机器人、机械臂、无人车等进行误差纠正。无人车等进行误差纠正。无人车等进行误差纠正。

【技术实现步骤摘要】
一种基于RGB的时域视觉地标的定位方法及解码方法


[0001]本专利技术涉及视觉地标
，尤其涉及一种基于RGB的时域视觉地标的定位方法及解码方法。

技术介绍

[0002]视觉地标是一种人工地标，可用于自动检测和定位。目前，视觉地标通常采用二维码、ARTag、AprilTag等静态地标。二维码、ARTag、AprilTag等视觉地标中，单个编码块只有黑白两色，不考虑自发光，应用范围受限；另外，视觉地标通常有最少49个编码块，对摄像头的分辨率要求较高；并且这些视觉地标对应的标签一旦打印出来使用，所表示的信息就已固定，不能更改。
[0003]二维码(QR)呈正方形，只有黑白两色，由大约268个编码块组成，在正方向的4个角的3个中印有“回”字的定位用图案，通过定位图案，使得使用者不需要对准即可识别，除三个“回”字的定位图案之外的其余地方能够编码数据。二维码最早用于汽车制造厂追踪零件，后广泛用于电子票务、B2B等领域，主要功能是编码信息，通过扫码实现解码和提取信息。ARTag看起来类似于二维码，但编码系统与二维码有很大区别，多用于相机标定、机器人定位、增强现实等场合，主要用于反映相机与标签的位姿关系。AprilTag受ARTag等的启发，降低了编码块数量，由49
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100个编码块组成，提高了低分辨率、长距离场景中的表现。
[0004]以上这些人工地标系统通常通过屏幕显示或打印出来进行使用。这些系统的缺点有：
[0005]1、使用场景受限：打印出来的标签在较暗环境下容易出错，在黑暗环境下不能够使用；通过屏幕显示的标签则不能脱离屏幕，硬件要求较高；
[0006]2、低分辨率相机识别时，准确率受限：从QR到ARTag，再到AprilTag，逐次降低了标签编码块数量以提高对低分辨率相机的适用性，但仍有进步空间；
[0007]3、仅可进行静态使用：一旦生成和打印，标签的信息就已固定。
[0008]因此，采用现有的视觉地标进行摄像机的定位对摄像机的分辨率要求较高，当摄像机的分辨率较低时，其识别准确率受限，从而会导致定位准确度较差。另外，现有的视觉地标因仅可静态使用，无法进行信息传递。
[0009]为此，本专利技术设计了一种基于RGB的时域视觉地标，该视觉地标包括3个编码块，分别为红色、绿色和蓝色，3个编码块呈正三角形排列，且3个编码块均可按照一定规律闪烁。该基于RGB的时域视觉地标有效提高了人工视觉地标的适用范围、降低对相机分辨率的要求，并可采用该基于RGB的时域视觉地标实现精确定位和进行动态消息传递。
[0010]由于本专利技术设计的基于RGB的时域视觉地标中三个编码块的两两之间具有确定的相互距离，且三个编码块组成的视觉地标具有确定的六维位姿信息(包含三维位置信息(x,y,z三个轴向的位置)和三维角度信息(包括绕x轴的横滚角、绕y轴的俯仰角、绕z轴的偏航角))，因此，本专利技术针对该基于RGB的时域视觉地标，提出对地标位姿的定位方法和对地标传递信息的解码方法，以便为机器人、机械臂、无人车等的定位和消息传递提供技术支撑，
更好地对机器人、机械臂、无人车等进行误差纠正。

技术实现思路

[0011]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于RGB的时域视觉地标的定位方法及解码方法，能够为机器人、机械臂、无人车等的定位和消息传递提供技术支撑。
[0012]为了实现本专利技术的上述目的，根据本专利技术的第一个方面，本专利技术提供了一种基于RGB的时域视觉地标的定位方法，所述视觉地标包括三个编码块，其中，所述三个编码块分别为红色编码块、绿色编码块和蓝色编码块，所述三个编码块呈正三角形排列，每个所述编码块为亮度不可变的静态常亮编码块，或者，每个所述编码块为具有亮和不亮两种显示状态的动态编码块；
[0013]所述定位方法包括如下步骤：
[0014]通过摄像机采集所述视觉地标的图像得到视觉地标图像；
[0015]按照预设的图像筛选规则从采集的所述视觉地标图像中筛选合格的视觉地标图像得到合格视觉地标图像；
[0016]对所述合格视觉地标图像进行预处理，得到R通道颜色极值图像、G通道颜色极值图像和B通道颜色极值图像；
[0017]分别对所述R通道颜色极值图像、G通道颜色极值图像和B通道颜色极值图像进行数据提取，得到RGB三个通道对应颜色的像素点个数和RGB三个通道对应颜色编码块的像平面质心坐标；
[0018]根据RGB三个通道对应颜色编码块的像平面质心坐标用透视投影算法解算红色编码块、绿色编码块和蓝色编码块这三个编码块相对于所述摄像机的所有可能的距离信息；
[0019]通过多次图像采集和图像处理得到的RGB三个通道对应颜色的像素点个数和解算得到的三个编码块相对于所述摄像机的所有可能的距离信息确定三个编码块相对于所述摄像机的真实距离信息；
[0020]根据三个编码块相对于所述摄像机的真实距离信息解算红色编码块、绿色编码块和蓝色编码块这三个编码块相对于所述摄像机的三维角度信息。
[0021]优选地，所述视觉地标的每个编码块为具有亮和不亮两种显示状态的动态编码块，在利用所述视觉地标进行定位前对所有编码块的亮与不亮两种显示状态进行组合得到包含多个明暗组合编码，并以设定的编码周期对所述多个明暗组合编码进行周期性编码得到编码序列，其中，一个编码周期开始于三个编码块全亮，一个编码周期内至少一个编码块不亮，以编码块亮起的组合来编码信息，在下一次3个编码块全亮时，结束该编码周期，相应地，所述定位方法还包括：
[0022]设置所述摄像机的图像采集帧率，其中，所述图像采集帧率设置方法如下：
[0023]若三个编码块的每种明暗组合的持续时间为d，一个编码周期的编码序列长度为N，则每个编码周期的长度T为
[0024]T＝(N+1)d
[0025]其中，每个周期包括标志着周期开始的全亮编码，为了检测到每种明暗组合，摄像机的适用于定位的图像采集帧率f应满足如下关系式：
[0026][0027]优选地，所述对所述合格视觉地标图像进行预处理，得到R通道颜色极值图像、G通道颜色极值图像和B通道颜色极值图像包括：
[0028]采用滑动平均值方法对所述合格视觉地标图像的RGB三个通道上的图像进行平滑滤波以减少图像的高频噪声，得到视觉地标滤波图像；
[0029]将所述视觉地标滤波图像进行复制得到三份视觉地标图像；
[0030]利用颜色极值函数分别对三份视觉地标图像进行R通道颜色极值处理、G通道颜色极值处理和B通道颜色极值处理；
[0031]分别对进行颜色极值处理后的三份视觉地标图像进行腐蚀和膨胀处理以清除残余噪声；
[0032]分别对清除残余噪声后的三份视觉地标图像进行连接件分析和掩膜处理，得到包含掩膜区域的R通道颜色极值图像、G通道颜色极值图像和B通道颜色极值图像。
[0033]优选地，所述分别对所述R通道颜色极值图像、G通道颜色极值图像和B通道颜色极值图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于RGB的时域视觉地标的定位方法，其特征在于，所述视觉地标包括三个编码块，其中，所述三个编码块分别为红色编码块、绿色编码块和蓝色编码块，所述三个编码块呈正三角形排列，每个所述编码块为亮度不可变的静态常亮编码块，或者，每个所述编码块为具有亮和不亮两种显示状态的动态编码块；所述定位方法包括如下步骤：通过摄像机采集所述视觉地标的图像得到视觉地标图像；按照预设的图像筛选规则从采集的所述视觉地标图像中筛选合格的视觉地标图像得到合格视觉地标图像；对所述合格视觉地标图像进行预处理，得到R通道颜色极值图像、G通道颜色极值图像和B通道颜色极值图像；分别对所述R通道颜色极值图像、G通道颜色极值图像和B通道颜色极值图像进行数据提取，得到RGB三个通道对应颜色的像素点个数和RGB三个通道对应颜色编码块的像平面质心坐标；根据RGB三个通道对应颜色编码块的像平面质心坐标用透视投影算法解算红色编码块、绿色编码块和蓝色编码块这三个编码块相对于所述摄像机的所有可能的距离信息；通过多次图像采集和图像处理得到的RGB三个通道对应颜色的像素点个数和解算得到的三个编码块相对于所述摄像机的所有可能的距离信息确定三个编码块相对于所述摄像机的真实距离信息；根据三个编码块相对于所述摄像机的真实距离信息解算红色编码块、绿色编码块和蓝色编码块这三个编码块相对于所述摄像机的三维角度信息。2.根据权利要求1所述的基于RGB的时域视觉地标的定位方法，其特征在于，所述视觉地标的每个编码块为具有亮和不亮两种显示状态的动态编码块，在利用所述视觉地标进行定位前对所有编码块的亮与不亮两种显示状态进行组合得到包含多个明暗组合编码，并以设定的编码周期对所述多个明暗组合编码进行周期性编码得到编码序列，其中，一个编码周期开始于三个编码块全亮，一个编码周期内至少一个编码块不亮，以编码块亮起的组合来编码信息，在下一次3个编码块全亮时，结束该编码周期，相应地，所述定位方法还包括：设置所述摄像机的图像采集帧率，其中，所述图像采集帧率设置方法如下：若三个编码块的每种明暗组合的持续时间为d，一个编码周期的编码序列长度为N，则每个编码周期的长度T为T＝(N+1)d其中，每个周期包括标志着周期开始的全亮编码，为了检测到每种明暗组合，摄像机的适用于定位的图像采集帧率f应满足如下关系式：3.根据权利要求1所述的基于RGB的时域视觉地标的定位方法，其特征在于，所述对所述合格视觉地标图像进行预处理，得到R通道颜色极值图像、G通道颜色极值图像和B通道颜色极值图像包括：采用滑动平均值方法对所述合格视觉地标图像的RGB三个通道上的图像进行平滑滤波以减少图像的高频噪声，得到视觉地标滤波图像；
将所述视觉地标滤波图像进行复制得到三份视觉地标图像；利用颜色极值函数分别对三份视觉地标图像进行R通道颜色极值处理、G通道颜色极值处理和B通道颜色极值处理；分别对进行颜色极值处理后的三份视觉地标图像进行腐蚀和膨胀处理以清除残余噪声；分别对清除残余噪声后的三份视觉地标图像进行连接件分析和掩膜处理，得到包含掩膜区域的R通道颜色极值图像、G通道颜色极值图像和B通道颜色极值图像。4.根据权利要求3所述的基于RGB的时域视觉地标的定位方法，其特征在于，所述分别对所述R通道颜色极值图像、G通道颜色极值图像和B通道颜色极值图像进行数据提取，得到RGB三个通道对应颜色的像素点个数和RGB三个通道对应颜色编码块的像平面质心坐标包括：使用梯度算法分别对所述R通道颜色极值图像、G通道颜色极值图像和B通道颜色极值图像进行图像处理得到各图像的掩膜区域包含的编码块的轮廓；对各图像的掩膜区域内的像素进行计算，得到RGB三个通道对应颜色的像素点个数；将各图像对应颜色的像素坐标进行线性组合运算，得到RGB三个通道对应颜色编码块的像平面质心坐标。5.根据权利要求1
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4任一项所述的基于RGB的时域视觉地标的定位方法，其特征在于，通过多次图像采集和图像处理得到的RGB三个通道对应颜色的像素点个数和解算得到的三个编码块相对于所述摄像机的所有可能的距离信息确定三个编码块相对于所述摄像机的真实距离信息包括：方法一：通过多次图像采集和图像处理得到的RGB三个通道对应颜色的像素点个数的多少，判定各编码块距离摄像机的远近，从而在解算得到的三个编码块相对于所述摄像机的所有可能的距离信息中筛选出三个编码块相对于所述摄像机的唯一的真实距离信息；方法二：当采用方法一无法筛选出所述唯一的真实距离信息时，根据相平面图像中三角形角度与正三角形角度之间的关系，判定各编码块距离摄像机的远近，从而在解算得到的三个编码块相对于所述摄像机的所有可能的距离信息中筛选出三个编码块相对于所述摄像机的唯一的真实距离信息；方法三：当采用方法二无法筛选出...

【专利技术属性】
技术研发人员：李方圆，刘艳红，秦家虎，彭金柱，杨磊，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：