(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 108763996 A(43)申请公布日 2018.11.06
(21)申请号 201810244403.9(22)申请日 2018.03.23
(71)申请人 南京航空航天大学
地址 210016 江苏省南京市秦淮区御道街
29号(72)发明人 徐志伟 李雅格 徐庆 (74)专利代理机构 江苏圣典律师事务所 32237
代理人 贺翔(51)Int.Cl.
G06K 7/14(2006.01)G06K 19/06(2006.01)
权利要求书2页 说明书5页 附图5页
(54)发明名称
一种基于二维码的平面定位坐标与方向角测量方法(57)摘要
本发明公开一种基于二维码的平面定位坐标与方向角测量方法，步骤如下：S1，在指定位置铺设用户自行设计的二维码；S2，工控器件位于站点时，利用摄像头采样二维码图像；S3，对采集的二维码图像灰度化和二值化处理；S4，提取二值图像中各图案的轮廓；S5，从图案轮廓图像中筛选类正方形轮廓；S6，提取二维码的三个位置探测图形7×7模块的外轮廓，并计算轮廓的中心坐标；S7，检验S6中提取的位置探测图形轮廓是否合理有效，若有效则继续S8，否则调整S3中二值化阈值重复后续操作，直至重复次数达到上限而停止；S8，计算二维码的中心坐标和参考旋转轴坐标，并以此计算出成像设备光点相对于二维码的平面定位坐标和方向角。
CN 108763996 ACN 108763996 A
权 利 要 求 书
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1.一种基于二维码的平面定位坐标与方向角测量方法，其特征在于：步骤如下：步骤S1，在工控器件需要进行站点定位采样的位置铺设二维码，其中二维码为符合二维码国家标准的普通二维码即可，其编码内容可根据用户的实际需要进行编码设计；
步骤S2，当工控器件位于站点位置时，通过安装在器件上的摄像头对二维码图像进行采样；
步骤S3，对采样所得的二维码图像先进行灰度处理，再按照指定的阈值进行二值化处理；
步骤S4，提取二值化后的二维码图像中各个图案的轮廓；步骤S5，从提取图案轮廓所得图像中初步筛选出近似正方形的轮廓；步骤S6，筛选并保留位置探测图形7×7模块的外轮廓，并计算轮廓的中心坐标；步骤S7，检验步骤S6中提取的位置探测图形轮廓是否合理有效，若有效则继续步骤S8，否则调整步骤S3中二值化处理的阈值重复后续操作，直至重复次数达到上限次数而停止；
步骤S8，计算二维码的中心坐标和参考旋转轴坐标，并以此计算出成像设备光点相对于二维码的平面定位坐标和方向角。
2.如权利要求1基于二维码的平面定位坐标与方向角测量方法，其特征在于：正方形ο1、οο其边长为7，三角形o1o2o3为等腰直角2、3为二维码三个位置探测区的正方形模块外轮廓，三角形，原点o为二维码的中心点，并记向量
为参考旋转轴向量，在视觉图像处理领域，
每个规则图形的图案轮廓中心坐标可用图案的一阶中心矩表示，因此οοο1、2、3的坐标值可通过公式(1)计算得到：
其中，m，n表示各像素点坐标的下标；m00为图像的零阶空间矩；m10、m01表示图像在x,y方向上的一阶空间矩；value(m,n)表示图像各点的像素值；表示图像在x轴方向上的一阶中心矩；表示图像在y轴方向上的一阶中心矩。
3.如权利要求2基于二维码的平面定位坐标与方向角测量方法，其特征在于：根据等腰直角三角形的图形特性确定三角形直角边和斜边，以此判断参考旋转轴
的坐标值和方
向，二维码中心坐标o取οο计算成像设备相对于二维码的平面定位坐标时，1与2的中点坐标，通过公式(2)计算得到：
其中：Δx和Δy分别表示横、纵向位置误差；实际采集二维码的中心坐标为o(ox,oy)；成
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像设备的分辨率为(2X)×(2Y)；Sx表示二维码的位置探测图形像素面积；S0表示二维码的实际面积；D为探测图形外轮廓的实际尺寸，实验中使用的二维码D＝12.8mm，计算成像设备相对于二维码的方向角θ时，值域为[-180°,+180°]，以逆时针旋转为正，若标准参考旋转轴为向量
实际旋转轴为向量
则可通过公式(3)计算得到方向角θ：
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说 明 书
一种基于二维码的平面定位坐标与方向角测量方法
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技术领域：
[0001]本发明涉及一种基于二维码的平面定位坐标与方向角测量方法，属于图像处理技术领域。
背景技术：
[0002]二维码是一类由深浅色的小正方形模块构成的矩阵式图案，深色模块表示二进制1，浅色模块表示二进制0，并记小正方形边长为1，其符号由功能图形和编码区域组成，功能图形包括位置探测图形及其分隔符、定位图形、校正图形，编码区域包括格式信息、版本信息、数据和纠错码，如图1所示。每个二维码都有三个完全相同的位置探测图形，分别位于符号的左上角、右上角和左下角，如图2所示。每个位置探测图形可以看作是由3个重叠的同心正方形组成，分别是边长为7、5、3的深色、浅色、深色正方形。由于二维码符号的其余位置出现位置探测图形的图案可能性极小，因此二维码可以在视场中被迅速地识别，并准确地确定视场中符号的位置和方向。此外相比于条形码，二维码还具有信息容量大、可靠性高、保密性好等突出优点。
[0003]在工业生产领域，为了保证产品的质量和生产活动有序进行，各类工控器件通常被要求具有高精度的定位功能。为此本发明提供了一种基于二维码的平面定位坐标与方向角测量方法，实现工控器件的高精度站点定位功能，包括二维平面上的横、纵坐标和方向角的测量。选择二维码作为标识图像原因在于：(1)目前二维码已应用于各行各业，具备良好的行业背景；(2)二维码图案特征明显，易于图像处理；(3)二维码具有信息容量大、可靠性高、保密性好等突出优点。发明内容：
[0004]本申请提供了一种基于二维码的平面定位坐标与方向角测量方法，能够实现工控器件的二维平面定位和方向角精确测量，二维平面定位信息包括二维平面上的横、纵向位置坐标。
[0005]本发明所采用的技术方案有：一种基于二维码的平面定位坐标与方向角测量方法，步骤如下：[0006]步骤S1，在工控器件需要进行站点定位采样的位置铺设二维码，其中二维码为符合二维码国家标准的普通二维码即可，其编码内容根据用户的实际需要进行编码设计；[0007]步骤S2，当工控器件位于站点位置时，通过安装在器件上的摄像头对二维码图像进行采样；
[0008]步骤S3，对采样所得的二维码图像先进行灰度处理，再按照指定的阈值进行二值化处理；
[0009]步骤S4，提取二值化后的二维码图像中各个图案的轮廓；[0010]步骤S5，从提取图案轮廓所得图像中初步筛选出近似正方形的轮廓；[0011]步骤S6，筛选并保留位置探测图形7×7模块的外轮廓，并计算轮廓的中心坐标；
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步骤S7，检验步骤S6中提取的位置探测图形轮廓是否合理有效，若有效则继续步
骤S8，否则调整步骤S3中二值化处理的阈值重复后续操作，直至重复次数达到上限次数而停止；
[0013]步骤S8，计算二维码的中心坐标和参考旋转轴坐标，并以此计算出成像设备光点相对于二维码的平面定位坐标和方向角。[0014]进一步地，正方形οοο1、2、3为二维码的三个位置探测图形的边长为7的深色正方形模块的外轮廓，三角形o1o2o3为等腰直角三角形，原点o为二维码的中心点，并记向量
为
参考旋转轴向量，在视觉图像处理领域，每个规则图形的图案轮廓中心坐标可用图案的一阶中心矩表示，因此οοο1、2、3的坐标值可通过公式(1)计算得到：
[0015]
[0016]
其中，m，n表示各像素点坐标的下标；m00为图像的零阶空间矩；m10、m01表示图像在x,y方向上的一阶空间矩；value(m,n)表示图像各点的像素值；表示图像在x轴方向上的一
进一步地，根据等腰直角三角形的图形特性确定三角形直角边和斜边，以此判断
的坐标值和方向，二维码中心坐标o取οο计算成像设备相对1与2的中点坐标，
阶中心矩；表示图像在y轴方向上的一阶中心矩。
[0017]
参考旋转轴
于二维码的平面定位坐标时，通过公式(2)计算得到：
[0018]
其中：Δx和Δy分别表示横、纵向位置误差；实际采集二维码的中心坐标为o(ox,oy)；成像设备的分辨率为(2X)×(2Y)；Sx表示二维码的位置探测图形像素面积；S0表示二维码的实际面积；D为探测图形外轮廓的实际尺寸，实验中使用的二维码D＝12.8mm，计算成像设备相对于二维码的方向角θ时，值域为[-180°,+180°]，以逆时针旋转为正，若标准参考旋转轴为向量
[0020]
[0019]
实际旋转轴为向量则可通过公式(3)计算得到方向角θ：
本发明具有如下有益效果：[0022](1)本发明的一种基于二维码的平面定位坐标与方向角测量方法，由于二维码符号的其他位置出现位置探测图形的可能性极小，因此可以通过提取每个二维码的位置探测图形，并进行视觉图像处理，从而精确提取所需要的二维平面定位坐标和方向角信息；
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[0021]
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(2)在本发明的一种基于二维码的平面定位坐标与方向角测量方法中，使用的二
维码为普通二维码，不需要进行特殊处理，使用简单方便，易于维护；对摄像头采集的初始图像先进行灰度处理和二值化处理，提高了视觉图像数据解算效率，确保快速有效的得到工控器件当前的平面定位和方向角信息；对图像处理所得的测量数据添加验证环节，最大程度上保证了方法的有效性，避免了出现错误测量的情况；当实验条件为摄像头与二维码间距在17.5mm，摄像头分辨率设定为320×280，二维码位置探测图形尺寸为12.8mm×12.8mm，光照采用自然光照明时，平面定位测量误差在±0.2cm以内，方向角误差在±0.001°以内。附图说明：
[0024]图1为二维码版本7符号结构图。[0025]图2为二维码位置探测图形结构图。[0026]图3为二维码图像解算结果示意图。[0027]图4为二维码图像解算流程图。[0028]图5为二维码初始采样图。[0029]图6为二值化的灰度图像。
[0030]图7为灰度图像中提取的图案轮廓图。[0031]图8为所有近似正方形图案的轮廓图。
[0032]图9为二维码采样图的位置探测图形外轮廓。
具体实施方式：
[0033]下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0034]本发明一种基于二维码的平面定位坐标与方向角测量方法主要包括以下内容：[0035](1)成像设备所采集的二维码图像需要进行灰度化和二值化处理，将原始采样图从RGB图转换为灰度图。原因在于RGB图像虽具有视觉直观性但并不能反映图像的形态特征，而灰度图像不仅能够有效的表征图像的形态特征，而且从整体和局部色彩、亮度等级分布特征这两个核心点对图像进行描述时与RGB图像的描述基本一致，从数据量角度描述时数据规模远小于RGB图像。因此对原始采样图进行灰度处理和二值化处理，能够有效的提高算法的解算效率，同时能够尽可能的降低外界光线的干扰提高解算的成功率。[0036](2)提取二维码灰度图像中各个图案的轮廓，同时根据各轮廓的周长、面积、大小等属性参数(以像素值为单位)筛选出二维码的三个位置探测图形轮廓，并计算各位置探测图形轮廓的中心坐标。[0037](3)根据三个位置探测图形轮廓的中心坐标先计算出二维码的中心坐标和参考旋转轴，再计算出成像设备光点二维平面坐标，以二维码中心为坐标原点时，和成像设备相对于二维码的方向角。
[0038]图3为解算结果示意图，图中正方形οοο1、2、3为二维码的三个位置探测图形的边长为7的深色正方形模块的外轮廓，三角形o1o2o3为等腰直角三角形，原点o为二维码的中心点，并记向量
为参考旋转轴向量。在视觉图像处理领域，每个规则图形的图案轮廓中心
坐标可用图案的一阶中心矩表示，因此οοο1、2、3的坐标值可通过公式(1)计算得到：
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[0039]
其中，m，n表示各像素点坐标的下标；m00为图像的零阶空间矩；m10、m01表示图像在
x,y方向上的一阶空间矩；value(m,n)表示图像各点的像素值；表示图像在x轴方向上的一阶中心矩；表示图像在y轴方向上的一阶中心矩。[0041]在实际图像数据解算时，οοο需要根据等腰直角三1、2、3的排列顺序通常是乱序的，角形的图形特性确定三角形直角边和斜边，再以此判断参考旋转轴
的坐标值和方向。二
维码中心坐标o取οο1与2的中点坐标。
[0042]计算成像设备相对于二维码的平面定位坐标时，可通过公式(2)计算得到：
[0040]
[0043]
其中：Δx和Δy分别表示横、纵向位置误差；实际采集二维码的中心坐标为o(ox,oy)；成像设备的分辨率为(2X)×(2Y)；Sx表示二维码的位置探测图形像素面积；S0表示二维码的实际面积；D为图3中位置探测图形外轮廓的实际尺寸，实验中使用的二维码D＝12.8mm。
[0045]计算成像设备相对于二维码的方向角θ时，值域为[-180°,+180°]，以逆时针旋转为正。若标准参考旋转轴为向量向角θ：
[0046]
[0044]
实际旋转轴为向量则可通过公式(3)计算得到方
此外，为了保证筛选出的轮廓一定是位置探测图形的外轮廓，图像解算时需要判断提取的位置探测图形外轮廓是否合理有效，判断依据可参考以下两点：[0048]1)计算筛选出轮廓周长的比率(最大比最小)是否率大于1；
[0049][0050]
[0047]
2)计算向量内积是否接近于0；
若上述条件均基本吻合，则表示图像解算所得数据合理有效。
[0051]本发明一种基于二维码的平面定位坐标与方向角测量方法，算法流程如图4所示，其包括步骤：步骤S1，在工控器件需要进行站点定位采样的位置铺设二维码，其中二维码为符合二维码国家标准的普通二维码即可，其编码内容可根据用户的实际需要进行编码设计，不作严格要求；步骤S2，当工控器件位于站点位置时，通过安装在器件上的摄像头对二维码图像进行采样，如图5所示；步骤S3，对采样所得的二维码图像先进行灰度处理，再按照
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指定的阈值进行二值化处理，如图6所示；步骤S4，提取二值化后的二维码图像中各个图案的轮廓，如图7所示；步骤S5，从提取图案轮廓所得图像中初步筛选出近似正方形的轮廓，如图8所示；步骤S6，筛选并保留位置探测图形7×7模块的外轮廓，并计算轮廓的中心坐标，如图9所示；步骤S7，检验步骤S6中提取的位置探测图形轮廓是否合理有效，若有效则继续步骤S8，否则调整步骤S3中二值化处理的阈值重复后续操作，直至重复次数达到上限次数而停止；步骤S8，计算二维码的中心坐标和参考旋转轴坐标，并以此计算出成像设备光点相对于二维码的平面定位坐标和方向角。
[0052]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
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