CN114299172B - 一种用于视觉***的平面编码靶标及其实时位姿测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于视觉***的平面编码靶标及其实时位姿测量方法，包括编码基元、编码小块、编码模板、最小识别单元图案和编码图案，设有多种编码基元，每种编码基元具有互不相同且唯一的第一编码数值；所述编码小块包含四个所述编码基元，四个编码基元分布于同一个矩形ABCD中且互不重叠，所述矩形ABCD中两对角线的交点O为所述编码小块的中心，所述编码小块具有第二编码数值，所述第二编码数值和所述编码小块包含的所述编码基元的第一编码数值相关联。平面编码靶标具备高精度、大范围、实时性强等优点，只需采集任意满足识别要求的局部编码图案即可实现实时位姿的测量，解决了现有视觉位姿测量***不能同时兼顾高精度、大范围、实时性强的问题。

Description

一种用于视觉***的平面编码靶标及其实时位姿测量方法

技术领域

本发明涉及计算机视觉技术领域，尤其涉及一种用于视觉***的平面编码靶标及其实时位姿测量方法。

背景技术

在计算机视觉测量技术领域，视觉位姿测量主要有单目视觉位姿测量、双目视觉位姿测量及多目视觉位姿测量。而单目视觉位姿测量具备结构简单、实施容易、实时性强等优点，被广泛应用于物体运动姿态跟踪、机械臂末端引导、汽车制造精度检测等工业领域。典型的单目视觉测量***包括靶标、视觉图像采集装置、计算机等处理装置；其中，常见的靶标有棋盘格、圆阵列靶标、二维码靶标、圆环型编码靶标、点分布型编码靶标、彩色型编码靶标等。棋盘格、圆阵列靶标常用于视觉标定及位姿测量，测量时需要保证整个靶标位于视觉测量视场之内；二维码靶标通过二维码的编码信息不同进行位置的编码，识别实时性较差；圆环型编码靶标编码信息分布于圆环编码带上，编码信息容量较小；点分布型编码靶标通过编码点与点之间的几何位置关系进行编码，每组编码点都有特定的编码规则，较难实现大范围靶标的编码；彩色型编码靶标为每个编码单元赋予颜色信息，增加编码容量，但也增加了提取及识别算法的复杂度。这些编码靶标要求编码图案全部或者大部分位于测量视场内，不能兼顾高精度、大范围、实时性等优点，因此，设计一款具备高精度、大范围、实时性强等优点的编码靶标是迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的一个目的在于提出一种用于视觉***的平面编码靶标，具备高精度、大范围、实时性强等优点，以克服现有技术中的不足之处。

本发明的另一个目的在于提出一种用于视觉***的平面编码靶标的实时位姿测量方法，只需采集任意满足识别要求的局部编码图案即可实现实时位姿的测量，解决了现有视觉位姿测量***不能同时兼顾高精度、大范围、实时性强的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于视觉***的平面编码靶标，包括编码基元、编码小块、编码模板、最小识别单元图案和编码图案，设有多种所述编码基元，每种所述编码基元具有互不相同且唯一的第一编码数值；

所述编码小块包含四个所述编码基元，四个所述编码基元分布于同一个矩形ABCD中且互不重叠，所述矩形ABCD中两对角线的交点O为所述编码小块的中心，所述编码小块具有第二编码数值，所述第二编码数值和所述编码小块包含的所述编码基元的第一编码数值相关联；

所述编码小块分为特殊编码小块和常规编码小块；在所述特殊编码小块中，其中三个所述编码基元的重心分别位于所述矩形ABCD的顶点B、顶点C和顶点D上，剩余一个所述编码基元的重心位于顶点A、顶点B和顶点C围成的三角形区域内并定义其重心位置为点E；

在所述常规编码小块中，四个所述编码基元的重心分别位于所述矩形ABCD的顶点A、顶点B、顶点C和顶点D上；

所述编码模板由至少一个相互位置和排布关系确定的编码小块构成，且所述编码模板包括至少一个所述特殊编码小块，所述编码模板按照预设顺序为所包含的编码小块标上整数序号，从而生成编码小块序号；

所述编码模板的图案为所述最小识别单元图案，并按照所述最小识别单元图案包含的编码模板上的编码小块序号顺序依次得到各个编码小块的编码数值而组合成所述最小识别单元图案的编码数值序列为[V₀，V₁，…，V_K-1]，其中，V₀，V₁，……，V_K-1分别为各个编码小块的第二编码数值，K为所述编码模板中的编码小块的数量；

不同的所述最小识别单元图案对应的编码数值序列互不相同且唯一；

所述编码图案是由所述编码模板通过不断移动拓展生成的，所述编码图案覆盖整个靶标基体的表面，所述编码图案配有对应的编码信息矩阵，所述编码信息矩阵储存着所述编码图案中所有所述编码小块的类型和第二编码数值。

优选地，所述用于视觉***的平面编码靶标的实时位姿测量方法，应用于包括平面编码靶标、图像采集装置和数据处理装置的视觉***，所述图像采集装置拍摄所述平面编码靶标的图像并发送至数据处理装置进行处理，包括以下步骤：

靶标生成步骤，所述数据处理装置根据测量场合的要求，生成对应的所述编码图案并将所述编码图案设置于所述靶标基体的表面，制得所述平面编码靶标；

坐标系建立步骤，所述数据处理装置分别建立所述图像的图像坐标系O-UV、图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c和编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w；

待测物坐标变换步骤，可以由图像坐标系O-UV下的多组坐标(u_i,v_i)与其对应于编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w下的点(x_i,y_i,z_i)，通过N点透视位姿求解算法(即PnP原理，Perspective-N-Point)求解出图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c与编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w之间的变换关系，分别为旋转矩阵R和平移矩阵T，其中旋转矩阵R表示将点从编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w下变换到图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c下的旋转矩阵，平移矩阵T表示将点从编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w下变换到图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c下的平移矩阵；

获得待测物在图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c下和编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w下的坐标变换关系为：P_c＝R·P_w+T,其中，P_c、P_w分别为待测物在图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c下和编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w下的坐标；

和姿态变化测量步骤，在待测物移动过程中，图像采集装置不断拍摄所述平面编码靶标的局部的编码图案，所述数据处理装置实时解算出所述编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w相对所述图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c的待测物姿态变化。

本申请实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

所述用于视觉***的平面编码靶标通过不断移动编码模板位置及为未编码区域生成编码数值的方式拓展编码区域；在编码图案拓展生成过程中，符合编码模板的最小识别单元图案的编码数值序列具有唯一性。从而，可以实现很大范围的编码；相对来说，很大的平面编码靶标的涵盖范围很广，只需要拍摄到很小一部分的最小识别单元图案，就可以知道该部分在平面编码靶标的具***置。

所述用于视觉***的平面编码靶标的实时位姿测量方法，只需采集任意满足识别要求的局部的编码图案即可实现位姿的测量，解决了视觉位姿测量***不能同时兼顾高精度、大范围、实时性强的问题。平面编码靶标可在大范围给不同区域进行编码以确定不同区域的位置，满足大范围均需要高精度位姿测量的需求。

附图说明

图1是本发明其中一个实施例的编码基元的结构示意图。

图2(a)、2(b)、2(c)是本发明其中一个实施例的特殊编码小块内编码基元的分布和结构示意图。

图3(a)、3(b)、3(c)是本发明其中一个实施例的常规编码小块内编码基元的分布和结构示意图。

图4是本发明其中一个实施例的包含1个编码小块的编码模板构成的编码图案结构示意图。

图5是本发明其中一个实施例的包含4个编码小块的编码模板构成的编码图案结构示意图。

图6是本发明其中一个实施例的包含4个编码小块的编码模板分布示意图。

图7是本发明其中一个实施例的包含5个编码小块的编码模板构成的编码图案结构示意图。

图8是本发明其中一个实施例的包含5个编码小块的编码模板分布示意图。

图9是本发明其中一个实施例的视觉***结构图。

图10是本发明其中一个实施例的测量位置1的示意图。

图11是本发明其中一个实施例的测量位置2的示意图。

图12是本发明其中一个实施例的靶标生成流程图。

其中：编码基元11；特殊编码小块12；常规编码小块13；编码模板14；最小识别单元图案15；编码图案16；靶标基体2；图像采集装置3；数据处理装置4。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本技术方案提供了一种用于视觉***的平面编码靶标，如图1至图5所示，包括编码基元11、编码小块、编码模板14、最小识别单元图案15和编码图案16，设有多种所述编码基元11，每种所述编码基元11具有互不相同且唯一的第一编码数值；

所述编码小块包含四个所述编码基元11，四个所述编码基元11分布于同一个矩形ABCD中且互不重叠，所述矩形ABCD中两对角线的交点O为所述编码小块的中心，所述编码小块具有第二编码数值，所述第二编码数值和所述编码小块包含的所述编码基元11的第一编码数值相关联；

所述编码小块分为特殊编码小块12和常规编码小块13；在所述特殊编码小块12中，其中三个所述编码基元11的重心分别位于所述矩形ABCD的顶点B、顶点C和顶点D上，剩余一个所述编码基元11的重心位于顶点A、顶点B和顶点C围成的三角形区域内并定义其重心位置为点E；

在所述常规编码小块13中，四个所述编码基元11的重心分别位于所述矩形ABCD的顶点A、顶点B、顶点C和顶点D上；无论是特殊编码小块12还是常规编码小块13，在形成编码小块图案时，需保证四个编码基元11互相独立、不重叠。

所述编码模板14由至少一个相互位置和排布关系确定的编码小块构成，且所述编码模板14包括至少一个所述特殊编码小块12，所述编码模板14按照预设顺序为所包含的编码小块标上整数序号，从而生成编码小块序号；

所述编码模板14的图案为所述最小识别单元图案15，并按照所述最小识别单元图案15包含的编码模板14上的编码小块序号顺序依次得到各个编码小块的编码数值而组合成所述最小识别单元图案15的编码数值序列为[V₀，V₁，…，V_K-1]，其中，V₀，V₁，……，V_K-1分别为各个编码小块的第二编码数值，K为所述编码模板14中的编码小块的数量；

不同的所述最小识别单元图案15对应的编码数值序列互不相同且唯一；

所述编码图案16是由所述编码模板14通过不断移动拓展生成的，所述编码图案16覆盖整个靶标基体2的表面，所述编码图案16配有对应的编码信息矩阵，所述编码信息矩阵储存着所述编码图案16中所有所述编码小块的类型和第二编码数值。

所述用于视觉***的平面编码靶标，编码基元11为基础几何形状图案，不同的编码基元11赋予不同的编码信息即第一编码数值；由四个编码基元11通过在矩形ABCD上的不同分布方式形成特殊编码小块12和常规编码小块13，特殊编码小块12具有标记方位的作用。编码模板14决定着构成最小识别单元图案15的特殊编码小块12和常规编码小块13的个数及编码小块之间的排布关系，编码模板14至少包含一个特殊编码小块12。通过不断移动编码模板14位置及为未编码区域生成编码数值的方式拓展编码区域；在编码图案拓展生成过程中，符合编码模板14的最小识别单元图案15的编码数值序列具有唯一性。

从而，可以实现很大范围的编码；相对来说，很大的平面编码靶标的涵盖范围很广，只需要拍摄到很小一部分的最小识别单元图案15，就可以知道该部分在平面编码靶标的具***置。为了便于编码图案16的识别及编码信息的储存，可以设计合适的编码模板14及编码模板14的移动拓展方式，使得编码图案16中所有编码小块呈现等间距规则阵列分布。在生成编码图案16过程中，编码信息以编码小块为单位储存到编码信息矩阵中。

优选地，所述编码基元11的第一编码数值的取值分别为0、1、…、N-2、N-1，N为编码基元11的种类数量；

在所述编码小块中，为从位于左上角的所述编码基元11开始，绕所述编码小块中心顺时针获取各个所述编码基元11的第一编码数值，得到所述编码小块的编码数值序列[v_TL，v_TR，v_BR，v_BL],其中，v_TL、v_TR、v_BR、v_BL分别表示位于左上角、右上角、右下角和左下角的编码基元11的第一编码数值；并将所述编码小块的编码数值序列转换为第二编码数值为：

V＝v_TL+N¹*v_TR+N²*v_BR+N³*v_BL；

其中，V为所述编码小块的第二编码数值，所述编码小块的第二编码数值的取值范围为{V|0≤V≤N⁴-1,V∈Z}；Z为数学上的整数的符号，是所有整数的集合；

所述编码模板14上的编码小块序号分别为0～K-1，其中K为所述编码模板14中的编码小块的数量。

需要注意，特殊编码小块12的第一编码数值和常规编码小块13的第一编码数值即使相同，但他们由于属于不同种类的编码小块，他们所代表的信息也是不同的。

根据编码模板14单次生成的图案是视觉测量时的最小识别单元，形成最小识别单元图案15。编码图案16上所有最小识别单元图案15是通过同一个预先确定的编码模板14通过不断移动拓展生成的。在编码模板14上给编码小块顺序标上整数序号，分别为0～K-1(K为编码模板中编码小块的数量)；在具体的最小识别单元图案15上，按照编码模板14上编码小块序号顺序依次得到编码小块的第二编码数值，分别为：V₀，V₁，……，V_K-1；将K个编码数值顺序组合成一串数值序列[V₀，V₁，…，V_K-1]，即可表示为最小识别单元的编码信息。在编码图案16中，不同的最小识别单元图案15对应的编码数值序列互不相同，具有唯一性。因此，只要确定大于最小识别单元图案15的任意一部分图案均可确定该部分图案在整个编码图案16中的位置。

优选地，所述点E为特殊编码位置，所述特殊编码小块12带有旋转方位信息，所述旋转方位信息由所述点E与所述顶点B、顶点C和顶点D之间的相对位置关系确定。

特殊编码小块12有旋转方位的信息，特殊编码小块12的四个图案分别携带第一编码数值，具体为根据四个图案重心分布位置判定方位，主要是通过特殊编码位置的图案与其他三个在矩形ABCD上的图案的重心之间的关系来判定，具体图案携带第一编码数值；编码模板14是为了更好扩充编码容量及编码形式设计。

在特殊编码小块12由四个编码基元11组成，四个编码基元11的分布如图2所示：

在矩形ABCD中，长和宽分别为w和h，也是编码小块的长度和宽度。两对角线AD与BC交于O点，点E为三角形ABC内一点。四个编码基元11的重心分别位于点B、点C、点D和点E上。点O视为特殊编码小块12的中心。点E为特殊编码位置。以O为原点，平行于

和

的方向分别为X和Y轴，建立特殊编码小块12自身坐标系O-XY。根据点E与点B、点C、点D之间的关系，可有效判定特殊编码小块12的旋转方位，进而可以得到整个编码图案16的旋转方位。从而通过特殊编码小块12中编码基元11的分布位置设计，无需增加额外定位图案来区分，也能有效解决旋转方位的问题，简化编码。而且，编码小块的图案携带编码信息，比较直接，不存在用定位图案及定向图案辅助第二编码数值确定位置分布。

优选地，所述编码基元11的图案为几何形状或几何形状的组合体，各种所述编码基元11之间在至少一个差异属性上存在不同，所述差异属性包括形状、尺寸、颜色和透明度；

所述编码模板14中的所有所述特殊编码小块12的构造均相同，所述编码图案16由同一种所述编码模板14生成；

且在所述编码图案16中，所有所述编码小块呈现等间距规则阵列分布，所述编码小块的分布位置和其在所述编码信息矩阵的行列位置一一对应。

编码基元11是组成编码图案16的最小单元；编码基元11的形状可以是圆、椭圆、圆环、三角形、四边形等易于识别的几何形状，也可以是多个简单几何形状的组合体，如图1所示。在编码基元11中，只要在形状、尺寸、颜色、透明度等能够区别差异性的差异属性上有一项不相同就可以看作是不一样的编码基元11。例如，不同尺寸大小的圆、同一尺寸大小不同灰阶的圆、同一尺寸大小不同颜色的圆、同一尺寸大小不同透明度的圆都是不同的编码基元11。

优选地，所述的用于视觉***的平面编码靶标的实时位姿测量方法，应用于包括平面编码靶标、图像采集装置3和数据处理装置4的视觉***，如图9所示，所述图像采集装置3拍摄所述平面编码靶标的图像并发送至数据处理装置4进行处理，包括以下步骤：

靶标生成步骤，所述数据处理装置4根据测量场合的要求，生成对应的所述编码图案16并将所述编码图案16设置于所述靶标基体2的表面，制得所述平面编码靶标；

坐标系建立步骤，所述数据处理装置4分别建立所述图像的图像坐标系O-UV、图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c和编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w；

待测物坐标变换步骤，可以由图像坐标系O-UV下的多组坐标(u_i,v_i)与其对应于编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w下的点(x_i,y_i,z_i)，通过N点透视位姿求解算法(即PnP原理，Perspective-N-Point)求解出图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c与编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w之间的变换关系，分别为旋转矩阵R和平移矩阵T，其中旋转矩阵R表示将点从编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w下变换到图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c下的旋转矩阵，平移矩阵T表示将点从编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w下变换到图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c下的平移矩阵；

获得待测物在图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c下和编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w下的坐标变换关系为：P_c＝R·P_w+T,其中，P_c、P_w分别为待测物在图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c下和编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w下的坐标；

和姿态变化测量步骤，在待测物移动过程中，图像采集装置3不断拍摄所述平面编码靶标的局部的编码图案16，所述数据处理装置4实时解算出所述编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w相对所述图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c的待测物姿态变化。

需要说明的是，靶标基体2为硬度强、膨胀系数小、不易变形等具有良好稳定性的材料制成，例如：陶瓷、微晶玻璃、殷钢等；靶标基体2表面需要良好的平面度，利于编码图案16的有效附着。

编码图案16可通过印制、激光打标、刻蚀、电镀等工艺设置于靶标基体2上，使得编码图案16能有较好的精度和稳定性即可。

图像采集装置3一般为CCD/CMOS相机配备光学镜头组成，图像采集视场要大于编码图案16的最小识别单元图案15的大小，保证每次采集均能采集到一个完整的最小识别单元图案15。如图9所示，平面编码靶标上的虚线框为图像采集视场区域。

数据处理装置4一般为计算机，对采集的数据进行处理，得到测量结果。对于实时性较高的场合，计算机性能也要相应的提升。

所述图像采集装置3通过数据传输线和数据处理装置4通信连接，进行双向数据传输。

视觉***的照明方式可采用自然光照明、前置光源或者后置光源。不同照明方式均要求编码图案16与靶标基体2之间具有较好的区分度，使得采集***能准确区分编码图案16与靶标基体2。前置照明方式光源可以采用点光源、面光源、环形光源或者同轴光源等；后置照明方式光源可以采用点光源、面光源、LED背光板等；后置照明方式要求基体具有一定的透光性，如微晶玻璃。

图9至11为靶标基体2截面，即为平面编码靶标的局部；根据应用场合不同，按照编码规则可以编码得到尺寸不同的平面编码靶标。

所述用于视觉***的平面编码靶标的实时位姿测量方法，只需采集任意满足识别要求的局部的编码图案16即可实现位姿的测量，解决了视觉位姿测量***不能同时兼顾高精度、大范围、实时性强的问题。平面编码靶标可在大范围给不同区域进行编码以确定不同区域的位置，满足大范围均需要高精度位姿测量的需求。

优选地，如图12所示，所述靶标生成步骤具体包括：

步骤A1，根据测量场合的要求，选择所需的编码基元11的种类，然后依次确定编码小块和编码模板14；

步骤A2，所述编码模板14通过不断移动拓展为需编码位置生成编码图案16，并识别出所述编码图案16中的所述编码模板14的各种组合图案，并检测识别出的各种所述组合图案的编码数值序列是否互不相同且唯一：

若是则各种所述组合图案被定义为所述编码图案16包含的各种所述最小识别单元图案15，生成和所述编码图案16对应的编码信息矩阵，并将所述编码图案16中所有所述编码小块的类型和第二编码数值储存于所述编码信息矩阵的对应位置；

若不是则通过合并相邻所述编码模板14的方式重新调整所述组合图案的种类，直至各种所述组合图案的编码数值序列互不相同且唯一为止；

步骤A3，检测当前所述编码图案16的覆盖范围是否达到所述靶标基体2的需编码范围：

若不是则移动所述编码模板14，并重新执行步骤A2；

若是则完成所述靶标生成步骤。

在生成编码图案16前，可预先确定某一种编码模板14；编码模板14包含一定数量互相位置排布关系确定的编码小块。为了有效判定编码图案16的旋转方位，编码模板14至少包含一个特殊编码小块12；可以通过判断特殊编码小块12的旋转方位，进而得到编码图案16的旋转方位。

最简单的编码模板14为只含一个特殊编码小块12；编码模板14可以不包含常规编码小块13。

当编码模板14包含不止一个编码小块时，编码模板14中编码小块之间可以存在不同的排布方式，不同排布方式对应着不同的编码模板14；排布关系应该遵循一定的规则，有利于生成编码图案16、识别编码图案16及储存编码图案16对应的编码信息；每个编码图案16由固定的一种编码模板14生成，编码模板14中编码小块排布规则如下：

编码模板14中，所有编码小块的长和宽均相同，分别为w和h，即矩形ABCD的长和宽；所有编码小块的坐标系O-XY的X轴及Y轴分别朝向相同，不存在绕原点旋转。

编码模板14中，所有特殊编码小块12构造相同，即特殊编码位置点E在特殊编码小块12的位置均相同；

编码模板14中，不存在某一编码小块的中心点O不被其他编码小块的坐标系O-XY的X轴及Y轴经过。

编码模板14中，从任意一个所述编码小块的中心O₁指向其邻近的编码小块的中心O₂所形成的向量

方向与所述编码小块的X轴或Y轴同向或反向。沿着编码小块的坐标系X轴方向相邻的编码小块之间距离为d_col，沿着编码小块坐标系的Y轴方向相邻的编码小块之间距离为d_row。d_col称为编码小块列排布距离，d_row称为编码小块行排布距离。

编码模板14确定了特殊编码小块12和常规编码小块13的数量以及编码小块之间的排布关系；在生成编码图案16时，根据编码模板14，在对应位置放置编码基元11的图案可以生成编码模板14具体的图案；由编码模板14单次生成的图案是视觉测量时的最小识别单元即最小识别单元图案15。通过不断移动编码模板14的位置及为未编码区域的编码小块位置生成具体图案的方式拓展生成整个编码图案16。

在测量时，视觉***需要至少采集到一个完整的最小识别单元图案15，才能解算出该部分图案在整个平面编码靶标中的位置。

因此，凡是满足编码模板14(即编码小块的排布关系)的具体图案为最小识别单元图案15；移动编码模板14的位置，根据编码模板14为未编码区域生成具体图案，如此往复，生成整个编码图案16。

为了便于编码图案16的识别及编码信息的储存，可以设计合适的编码模板14及编码模板14的移动拓展方式，使得编码图案16中所有编码小块呈现等间距规则阵列分布。在生成编码图案16过程中，编码信息以编码小块为单位储存到编码信息矩阵中。

优选地，所述步骤A2的移动拓展过程具体为：

步骤A21，建立所述编码小块的坐标系O-XY，其中，所述编码小块的中心为坐标系O-XY的原点，平行于所述矩形ABCD中向量

的方向为X轴，平行于所述矩形ABCD中向量

的方向为Y轴，在所述编码模板14中，所有所述编码小块的X轴朝向相同，所有所述编码小块的Y轴朝向相同，从任意一个所述编码小块的中心O₁指向其邻近的编码小块的中心O₂所形成的向量

方向与所述编码小块的X轴或Y轴同向或反向；

步骤A22，定义沿着编码小块的坐标系O-XY的X轴方向，任意相邻两个所述编码小块之间的距离为d_col，沿着编码小块的坐标系O-XY的Y轴方向，任意相邻两个所述编码小块之间的距离为d_row，所述距离d_col定义为编码小块列排布距离，所述距离d_row定义为编码小块行排布距离，距离d定义为编码小块之间实际阵列物理距离，设定d＝d_col＝d_row；

步骤A23,所述编码模板14沿着其包含的编码小块的坐标系O-XY的X轴方向及Y轴方向分别以所述距离d的整数倍进行移动，所述编码模板14中的编码小块呈等间距规则阵列分布；

步骤A24，检测步骤A23的所述编码模板14移动过程中是否存在移动后的编码模板14的位置与已经编码好的区域存在部分编码小块重叠的情况：

若存在，则为移动后未存在编码小块的区域进行所述编码基元11的图案的生成，形成所述编码图案16；

若不存在，则移动后的编码模板14完全处于未编码区域，为编码模板14中每个编码小块位置进行所述编码基元11的图案的生成，形成所述编码图案16。

为了使得编码图案16中所有编码小块呈现等间距规则阵列分布，在编码模板14中编码小块列排布距离d_col和行排布距离d_row设为相等数值，即d＝d_col＝d_row。根据编码模板14在某位置生成完图案后，可以通过移动编码模板14到下一处未编码区域，为未编码区域生成编码图案16；以此往复，不断扩大编码图案16的面积。编码模板14可以沿着其内编码小块坐标系的X轴及Y轴方向分别以d的整数倍进行移动，且保证在编码图案16中编码小块呈现等间距规则阵列分布，避免编码模板14移动不会遗漏编码位置，导致阵列的编码小块在某处出现空缺现象的发生。由于编码小块呈现阵列分布状态，编码信息可以以编码小块为单位储存到编码信息矩阵中；可以建立编码图案16中编码小块所在行列与编码信息矩阵行列一一对应的关系。

编码模板14移动后位置可能与已经编码好的区域存在部分编码小块的重叠部分，或者移动后的编码模板14位置完全处于未编码区域，以下进行说明这两种编码模板14移动后生成图案的处理方法；

在编码模板14移动拓展编码图案16过程中，移动后的编码模板14位置可以与已经编码好的区域存在部分编码小块的重叠部分，只需为移动后未存在编码小块的区域进行图案的生成，并确保新生成的最小识别单元图案15的编码数值序列具有唯一性，最后将新生成的编码小块的第二编码数值对应储存到编码信息矩阵所在的行列位置处。

在编码模板14移动拓展编码图案16过程中，移动后的编码模板14位置完全处于未编码区域，为编码模板14中每个编码小块的位置进行图案的生成，并确保新生成的最小识别单元图案15的编码数值序列具有唯一性，最后将新生成的编码小块的第二编码数值对应储存到编码信息矩阵所在的行列位置处。

在相邻的两个或多个由编码模板14生成的图案的部分组合形成的图案也可能满足编码模板14；编码过程不仅需要确保编码模板14移动后新生成的最小识别单元图案15的编码数值序列具有唯一性，而且需要确保满足编码模板14通过组合形成的最小识别单元图案15的编码数值序列也具有唯一性。

总之，在整个编码图案16中，不同的最小识别单元图案15可能拥有共同的部分图案，但在编码图案16中符合编码模板14的不同的最小识别单元图案15拥有唯一的编码数值序列。

在编码图案16生成结束后，得到具体的编码图案16及对应的编码信息矩阵，它们在行列上具有一一对应的关系。具体说明：编码小块在编码图案16中呈现等间距规则阵列分布，可以与编码信息矩阵行列位置相对应起来。编码信息矩阵在具体的某行某列上储存着在编码图案16上该行该列的编码小块的图案的类型及第二编码数值。

编码模板14可以多种多样，进一步扩大容量和多样性，通过移动编码模板14进行很大区域的编码。

如图4所示的编码模板14只含1个特殊编码小块12，编码模板14没有排布关系；如图5和图6所示的编码模板14包含2个特殊编码小块12和2个常规编码小块13，满足排布规则的前提下设计为特殊编码小块12分别分布于左上角和右下角，常规编码小块13分别分布于左下角和右上角。在没有重叠情况下移动编码模板14生成编码图案16时，相邻的四个最小识别单元图案15的局部图案互相组合形成的最小识别单元图案15也满足编码模板14；该类最小识别单元图案15也需要满足编码数值序列的唯一性。如图7和图8所示的编码模板14包含1个特殊编码小块12和4个常规编码小块13，特殊编码小块12分布于中间，常规编码小块13分别分布于特殊编码小块12的上方、下方、左侧和右侧。

在识别过程中，通过在编码信息矩阵中滑动与编码模板14相吻合的模板的方式，查找与采集到的最小识别单元图案15的编码信息相对应的编码信息矩阵位置；再通过编码小块之间实际阵列物理距离d，可以得到所采集的最小识别单元图案15在整个编码图案16中的位置。

优选地，所述坐标系建立步骤具体包括：

步骤B1，当物距远大于焦距时，图像采集装置成像模型可以近似为小孔成像模型。定义所述图像采集装置3拍摄的图像的图像坐标系为O-UV，以图像采集装置3的光心为坐标原点，指向所述靶标基体2的光轴方向为Z轴，平行于所述图像坐标系O-UV中的U、V轴分别为Y轴和X轴，建立所述图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c；

步骤B2，以垂直于平面编码靶标的平面为Z轴，以平面编码靶标的左下角的编码基元11的图案的重心为原点，沿着编码小块的X轴方向和Y轴方向分别设为X轴和Y轴，建立所述编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w。

平面编码靶标是预先设计确定的编码图案16，平面编码靶标上所有点都可以在编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w表示出来，他们的Z轴坐标均为0。如图10和图11所示，P₀、P₁、……、P_n为平面编码靶标上图像采集装置3视场内编码基元11的重心点，I₀、I₁、……、I_n为这些编码基元11重心点对应于图像坐标系O-UV上的像素点。I₀～I_n可以在图像中分别求取编码基元11重心来求得，P₀～P_n可以通过识别图像在平面编码靶标上所在的位置确定下来。

一种应用场景下，所述姿态变化测量步骤具体包括：

步骤C1，所述图像采集装置3固定不动，所述平面编码靶标随所述待测物移动而移动；

步骤C2，设空间中的一点(x,y,z)，在待测物移动过程中，图像采集装置3不断拍摄所述平面编码靶标的局部的编码图案16，通过N点透视位姿求解算法求解出被测物移动前后的变换矩阵分别为：R₁、T₁和R′、T′，其中，R₁为被测物移动前的旋转矩阵，T₁为被测物移动前的平移矩阵，R′为被测物移动后的旋转矩阵，T′为被测物移动后的平移矩阵；

由于在被测物移动前后，空间点(x,y,z)在图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c上为同一点，存在关系有：

从而有：

其中，点(x′,y′,z′)为所述空间点(x,y,z)移动前在编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w上的坐标，点(x″,y″,z″)为所述空间点(x,y,z)移动后在编码靶标坐标系O′_w-X′_wY′_wZ′_w上的坐标，ΔR、ΔT分别为所述平面编码靶标移动前后的变换关系，从而获得被测物的姿态变化情况。

平面编码靶标随着被测物的移动，图像采集装置3可以通过拍摄平面编码靶的编码图案16的局部即可以实时解算出被测物上编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w相对图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c的姿态变化。

另一种应用场景下，所述姿态变化测量步骤具体包括：

步骤D1，所述平面编码靶标固定不动，所述图像采集装置3随所述待测物移动而移动；

步骤D2，设空间中的一点(x,y,z)，在待测物移动过程中，图像采集装置3不断拍摄所述平面编码靶标的局部的编码图案16，通过N点透视位姿求解算法求解出被测物移动前后的变换矩阵分别为：R₁、T₁和R′、T′，其中，R₁为被测物移动前的旋转矩阵，T₁为被测物移动前的平移矩阵，R′为被测物移动后的旋转矩阵，T′为被测物移动后的平移矩阵；

由于在被测物移动前后，空间点(x,y,z)在编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w上为同一点，存在关系有：

从而有：

其中，点(x′,y′,z′)为所述空间点(x,y,z)移动前在编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w上的坐标，点(x″,y″,z″)为所述空间点(x,y,z)移动后在编码靶标坐标系O′_w-X′_wY′_wZ′_w上的坐标，ΔR、ΔT分别为所述平面编码靶标移动前后的变换关系，从而获得被测物的姿态变化情况。

图像采集装置3随着被测物的移动，图像采集装置3可以通过拍摄平面编码靶的编码图案16的局部即可以实时解算出固定的编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w相对移动的图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c的姿态变化。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于视觉***的平面编码靶标的实时位姿测量方法，其特征在于，应用于包括平面编码靶标、图像采集装置和数据处理装置的视觉***，所述图像采集装置拍摄所述平面编码靶标的图像并发送至数据处理装置进行处理；

所述平面编码靶标包括编码基元、编码小块、编码模板、最小识别单元图案和编码图案，设有多种所述编码基元，每种所述编码基元具有互不相同且唯一的第一编码数值；

所述编码小块包含四个所述编码基元，四个所述编码基元分布于同一个矩形ABCD中且互不重叠，所述矩形ABCD中两对角线的交点O为所述编码小块的中心，所述编码小块具有第二编码数值，所述第二编码数值和所述编码小块包含的所述编码基元的第一编码数值相关联；

所述编码小块分为特殊编码小块和常规编码小块；在所述特殊编码小块中，其中三个所述编码基元的重心分别位于所述矩形ABCD的顶点B、顶点C和顶点D上，剩余一个所述编码基元的重心位于顶点A、顶点B和顶点C围成的三角形区域内并定义其重心位置为点E；

在所述常规编码小块中，四个所述编码基元的重心分别位于所述矩形ABCD的顶点A、顶点B、顶点C和顶点D上；

所述编码模板由至少一个相互位置和排布关系确定的编码小块构成，且所述编码模板包括至少一个所述特殊编码小块，所述编码模板按照预设顺序为所包含的编码小块标上整数序号，从而生成编码小块序号；

所述编码模板的图案为所述最小识别单元图案，并按照所述最小识别单元图案包含的编码模板上的编码小块序号顺序依次得到各个编码小块的编码数值而组合成所述最小识别单元图案的编码数值序列为[V₀，V₁，…，V_K-1]，其中，V₀，V₁，……，V_K-1分别为各个编码小块的第二编码数值，K为所述编码模板中的编码小块的数量；

不同的所述最小识别单元图案对应的编码数值序列互不相同且唯一；

所述编码图案是由所述编码模板通过不断移动拓展生成的，所述编码图案覆盖整个靶标基体的表面，所述编码图案配有对应的编码信息矩阵，所述编码信息矩阵储存着所述编码图案中所有所述编码小块的类型和第二编码数值；

所述实时位姿测量方法包括以下步骤：

靶标生成步骤，所述数据处理装置根据测量场合的要求，生成对应的所述编码图案并将所述编码图案设置于所述靶标基体的表面，制得所述平面编码靶标；

坐标系建立步骤，所述数据处理装置分别建立所述图像的图像坐标系O-UV、图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c和编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w；

待测物坐标变换步骤，通过N点透视位姿求解算法求解出图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c与编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w之间的变换关系，分别为旋转矩阵R和平移矩阵T，其中旋转矩阵R表示将点从编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w下变换到图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c下的旋转矩阵，平移矩阵T表示将点从编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w下变换到图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c下的平移矩阵；

获得待测物在图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c下和编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w下的坐标变换关系为：P_c＝R·P_w+T,其中，P_c、P_w分别为待测物在图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c下和编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w下的坐标；

和姿态变化测量步骤，在待测物移动过程中，图像采集装置不断拍摄所述平面编码靶标的局部的编码图案，所述数据处理装置实时解算出所述编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w相对所述图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c的待测物姿态变化。

2.根据权利要求1所述的用于视觉***的平面编码靶标的实时位姿测量方法，其特征在于，所述编码基元的第一编码数值的取值分别为0、1、…、N-2、N-1，N为编码基元的种类数量；

在所述编码小块中，为从位于左上角的所述编码基元开始，绕所述编码小块中心顺时针获取各个所述编码基元的第一编码数值，得到所述编码小块的编码数值序列[v_TL，v_TR，v_BR，v_BL],其中，v_TL、v_TR、v_BR、v_BL分别表示位于左上角、右上角、右下角和左下角的编码基元的第一编码数值；并将所述编码小块的编码数值序列转换为第二编码数值为：

V＝v_TL+N¹*v_TR+N²*v_BR+N³*v_BL；

其中，V为所述编码小块的第二编码数值，所述编码小块的第二编码数值的取值范围为{V|0≤V≤N⁴-1,V∈Z}；

所述编码模板上的编码小块序号分别为0～K-1，其中K为所述编码模板中的编码小块的数量。

3.根据权利要求1所述的用于视觉***的平面编码靶标的实时位姿测量方法，其特征在于，所述点E为特殊编码位置，所述特殊编码小块带有旋转方位信息，所述旋转方位信息由所述点E与所述顶点B、顶点C和顶点D之间的相对位置关系确定。

4.根据权利要求1所述的用于视觉***的平面编码靶标的实时位姿测量方法，其特征在于，所述编码基元的图案为几何形状或几何形状的组合体，各种所述编码基元之间在至少一个差异属性上存在不同，所述差异属性包括形状、尺寸、颜色和透明度；

所述编码模板中的所有所述特殊编码小块的构造均相同，所述编码图案由同一种所述编码模板生成；

且在所述编码图案中，所有所述编码小块呈现等间距规则阵列分布，所述编码小块的分布位置和其在所述编码信息矩阵的行列位置一一对应。

5.根据权利要求1所述的用于视觉***的平面编码靶标的实时位姿测量方法，其特征在于，所述靶标生成步骤具体包括：

步骤A1，根据测量场合的要求，选择所需的编码基元的种类，然后依次确定编码小块和编码模板；

步骤A2，所述编码模板通过不断移动拓展为需编码位置生成编码图案，并识别出所述编码图案中的所述编码模板的各种组合图案，并检测识别出的各种所述组合图案的编码数值序列是否互不相同且唯一：

若是则各种所述组合图案被定义为所述编码图案包含的各种所述最小识别单元图案，生成和所述编码图案对应的编码信息矩阵，并将所述编码图案中所有所述编码小块的类型和第二编码数值储存于所述编码信息矩阵的对应位置；

若不是则通过合并相邻所述编码模板的方式重新调整所述组合图案的种类，直至各种所述组合图案的编码数值序列互不相同且唯一为止；

步骤A3，检测当前所述编码图案的覆盖范围是否达到所述靶标基体的需编码范围：

若不是则移动所述编码模板，并重新执行步骤A2；

若是则完成所述靶标生成步骤。

6.根据权利要求5所述的用于视觉***的平面编码靶标的实时位姿测量方法，其特征在于，所述步骤A2的移动拓展过程具体为：

步骤A21，建立所述编码小块的坐标系O-XY，其中，所述编码小块的中心为坐标系O-XY的原点，平行于所述矩形ABCD中向量

的方向为X轴，平行于所述矩形ABCD中向量

的方向为Y轴，在所述编码模板中，所有所述编码小块的X轴朝向相同，所有所述编码小块的Y轴朝向相同，从任意一个所述编码小块的中心O₁指向其邻近的编码小块的中心O₂所形成的向量

方向与所述编码小块的X轴或Y轴同向或反向；

步骤A22，定义沿着编码小块的坐标系O-XY的X轴方向，任意相邻两个所述编码小块之间的距离为d_col，沿着编码小块的坐标系O-XY的Y轴方向，任意相邻两个所述编码小块之间的距离为d_row，所述距离d_col定义为编码小块列排布距离，所述距离d_row定义为编码小块行排布距离，距离d定义为编码小块之间实际阵列物理距离，设定d＝d_col＝d_row；

步骤A23,所述编码模板沿着其包含的编码小块的坐标系O-XY的X轴方向及Y轴方向分别以所述距离d的整数倍进行移动，所述编码模板中的编码小块呈等间距规则阵列分布；

步骤A24，检测步骤A23的所述编码模板移动过程中是否存在移动后的编码模板的位置与已经编码好的区域存在部分编码小块重叠的情况：

若存在，则为移动后未存在编码小块的区域进行所述编码基元的图案的生成，形成所述编码图案；

若不存在，则移动后的编码模板完全处于未编码区域，为编码模板中每个编码小块位置进行所述编码基元的图案的生成，形成所述编码图案。

7.根据权利要求6所述的用于视觉***的平面编码靶标的实时位姿测量方法，其特征在于，所述坐标系建立步骤具体包括：

步骤B1，定义所述图像采集装置拍摄的图像的图像坐标系为O-UV，以图像采集装置的光心为坐标原点，指向所述靶标基体的光轴方向为Z轴，平行于所述图像坐标系O-UV中的U、V轴分别为Y轴和X轴，建立所述图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c；

步骤B2，以垂直于平面编码靶标的平面为Z轴，以平面编码靶标的左下角的编码基元的图案的重心为原点，沿着编码小块的X轴方向和Y轴方向分别设为X轴和Y轴，建立所述编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w。

8.根据权利要求1所述的用于视觉***的平面编码靶标的实时位姿测量方法，其特征在于，所述姿态变化测量步骤具体包括：

步骤C1，所述图像采集装置固定不动，所述平面编码靶标随所述待测物移动而移动；

步骤C2，设空间中的一点(x,y,z)，在待测物移动过程中，图像采集装置不断拍摄所述平面编码靶标的局部的编码图案，通过N点透视位姿求解算法求解出被测物移动前后的变换矩阵分别为：R₁、T₁和R′、T′，其中，R₁为被测物移动前的旋转矩阵，T₁为被测物移动前的平移矩阵，R′为被测物移动后的旋转矩阵，T′为被测物移动后的平移矩阵；

由于在被测物移动前后，空间点(x,y,z)在图像采集装置坐标系O_c-X_cY_cZ_c上为同一点，存在关系有：

从而有：

其中，点(x′,y′,z′)为所述空间点(x,y,z)移动前在编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w上的坐标，点(x″,y″,z″)为所述空间点(x,y,z)移动后在编码靶标坐标系O′_w-X′_wY′_wZ′_w上的坐标，ΔR、ΔT分别为所述平面编码靶标移动前后的变换关系，从而获得被测物的姿态变化情况。

9.根据权利要求1所述的用于视觉***的平面编码靶标的实时位姿测量方法，其特征在于，所述姿态变化测量步骤具体包括：

步骤D1，所述平面编码靶标固定不动，所述图像采集装置随所述待测物移动而移动；

步骤D2，设空间中的一点(x,y,z)，在待测物移动过程中，图像采集装置不断拍摄所述平面编码靶标的局部的编码图案，通过N点透视位姿求解算法求解出被测物移动前后的变换矩阵分别为：R₁、T₁和R′、T′，其中，R₁为被测物移动前的旋转矩阵，T₁为被测物移动前的平移矩阵，R′为被测物移动后的旋转矩阵，T′为被测物移动后的平移矩阵；

由于在被测物移动前后，空间点(x,y,z)在编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w上为同一点，存在关系有：

从而有：

其中，点(x′,y′,z′)为所述空间点(x,y,z)移动前在编码靶标坐标系O_w-X_wY_wZ_w上的坐标，点(x″,y″,z″)为所述空间点(x,y,z)移动后在编码靶标坐标系O′_w-X′_wY′_wZ′_w上的坐标，ΔR、ΔT分别为所述平面编码靶标移动前后的变换关系，从而获得被测物的姿态变化情况。

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