(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210799249.8 (22)申请日 2022.07.06 (71)申请人 同济大学 地址 200092 上海市杨 浦区四平路1239号 (72)发明人 童小华　陈鹏　谢欢　叶真　 刘世杰　高仪　 (74)专利代理 机构 上海科盛知识产权代理有限 公司 312 25 专利代理师 应小波 (51)Int.Cl. G06T 7/73(2017.01) G06T 7/80(2017.01) G06K 7/14(2006.01) G06K 19/06(2006.01) G06F 17/16(2006.01) (54)发明名称 一种四角 二维码定向平面靶标装置及其标 定方法 (57)摘要 本发明涉及一种四角 二维码定向平面靶标 装置及其标定方法， 该装置包括四个ArUco二进 制编码以及64个圆点构成的圆点型平面靶 标， 其 中四个ArUco二进制编码位于圆点型平面靶标的 四个角上； 通过四个ArUco二进制编码对拍摄场 景中的圆点型平面靶 标进行定位， 再通过圆点型 平面靶标中面积最大、 次大和最小3个圆点建立 坐标系， 获得圆心三维坐标与二维坐标间的对应 关系。 与现有技术相比， 本发明具有解决了复杂 环境靶标定向困难、 靶 标错检漏检较多导致相机 难以标定的问题等优点。 权利要求书2页 说明书9页 附图3页 CN 115272459 A 2022.11.01 CN 115272459 A 1.一种四角二维码定向平面靶标装置， 其特征在于， 该装置包括四个ArUco二进制编码 以及64个圆点构成的圆点型平面靶标， 其中四个ArUco二进制编码位于圆点型平面靶标的 四个角上； 通过四个ArUco二进制编码对拍摄场景中的圆点型平面靶标进行定位， 再通过圆点型 平面靶标中面积最大、 次大和最小3个圆点建立坐标系， 获得圆心 三维坐标与二维坐标间的 对应关系。 2.根据权利要求1所述的一种四角二维码定向平面靶标装置， 其特征在于， 所述的 ArUco二进制编码的边长为6 0mm。 3.根据权利要求1所述的一种四角二维码定向平面靶标装置， 其特征在于， 所述的圆点 型平面靶标中最大圆直径 45mm， 次大圆直径35m， 最小圆直径15mm， 其他圆直径25mm， 圆心间 距为55mm。 4.根据权利要求1所述的一种四角二维码定向平面靶标装置， 其特征在于， 使用时根据 实际使用需求调整二进制编码大小以及圆的直径大小和间距。 5.一种采用权利要求1所述 四角二维码定向平面靶标装置的标定方法， 其特征在于， 包 括以下步骤： 步骤1)通过四角二维码平面靶标检测过程从影 像中检测出靶标； 步骤2)将平面靶标区域进行仿射变换， 再对变换靶标区域采用最小二乘椭圆圆心拟合 算法进行圆心定位； 步骤3)基于最大、 次大、 最小面积圆建立 坐标系； 步骤4)基于小孔成像模型的相机参数求 解以及采用LM算法优化相机参数。 6.根据权利要求5所述的标定方法， 其特征在于， 所述步骤1)中的四角二维码平面靶标 检测过程具体包括： 101)采用局部自适应阈值方法进行图像分割： 根据像素的邻域块的像素值分布来确定 该像素位置上的二值化阈值， 不同亮度、 对比度、 纹理的局部图像区域将会拥有相对应的局 部二值化阈值； 102)提取轮廓和过滤： 将图像二值化之后， 像素灰度值分别为1和0， 形成1连通域和0连 通域， 若1像素的4或8连通场景有0像素存在， 则认为这个1像素为一个边界点， 从边界点开 始以边界跟踪算法得到一条边界， 从而 可以得到完整的轮廓， 其中4连通指对应像素位置的 上、 下、 左、 右的位置； 8连通指对应 像素位置的上、 下、 左、 右、 左上、 右上、 左下、 右下的位置； 103)标记码提取： 通过分析轮廓的内部区域， 以提取其内部代码； 104)标识和纠错： 需要确定获得的候选标记中哪些实际上属于建立的二进制编码库， 哪些只是环境的一部分； 如果在二进制编码库中匹配到其中任何一个， 则认为该候选标记 是有效的； 如果没有找到匹配的标记， 采取 校正； 105)角点细化： 对于角点的检测， 选择对标记边界像素做最小二乘线性回归来计算它 们的交叉点， 获得亚像素坐标。 7.根据权利要求5所述的标定方法， 其特 征在于， 所述 步骤2)具体为： 201)基于二维码亚像素角点 坐标的仿射变换； 202)目标区域 二值化； 203)闭合图形检测；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115272459 A 2204)提取亚像素轮廓； 205)任意椭圆均可通过圆锥曲线方程的代数形式表示Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F＝0， 进行 最小二乘椭圆拟合计算 亚像素级椭圆中心位置； 其中(x,y)表示椭圆上任意一点， A、 B、 C、 D、 E、 F为方程系数， 进而可求解椭圆中心坐标 (x0,y0)、 长短半轴(a0,b0)以及长轴的转角 θ 。 8.根据权利要求5所述的标定方法， 其特 征在于， 所述 步骤3)具体为： 301)确定坐标轴定位点： 根据面积大小， 以最大、 次大和最小面积圆的圆心分别为X轴、 原点和Y轴的定位 点； 302)查找位于X轴和Y轴的边界点： ①取边界点外的任意一圆点， 计算其与X轴定位点的 夹角并排序； ②选择与X轴定位点夹角最小的6个点和与Y轴定位点夹角最大的6个点， 根据 距离大小排序， 分别归于X轴边界点和Y轴边界点序列； 303)对非边界点排序： 根据302)中排序好的边界点， 计算非边界点与Y轴夹角并排序， 选择7个夹角最大 的圆点， 同时根据距离排序， 将其顺序编入靶标平面坐标序列中， 直到完 成所有点的排序。 9.根据权利要求5所述的标定方法， 其特征在于， 所述步骤4)基于小孔成像模型的相机 参数求解具体为： 1)基于小孔成像模型： 求解出单应性矩阵M， 其中s为一个任意的比例向量， (u,v)为世界坐标系三维物方点 (xw,yw,zw)在图像上对应的二维坐标， dX和dY分别每个像素在图像平面x和y方 向上的物理 尺寸， (u0,v0)为像主点坐标， f为焦距， R为3 ×3正交旋转矩阵， t为三维平移向量， XW为目标 点在世界坐标系的三维坐标(xw,yw,zw)； 2)利用旋转向量点积为0和旋转向量长度相等两个约束条件从单应性矩阵M中分解出 内参和外参。 10.根据权利要求9所述的标定方法， 其特征在于， 引入 畸变矫正模型对图像进行畸变 矫正： 其中(xdistorted,ydistorte d)为实际的具有畸变偏移的坐标， (x,y)为实际的物方三维坐标 在经透视变换后的坐标， r2＝x2+y2， k1、 k2为镜头的径向畸变系数， p1、 p2为镜头的切向畸变 系数。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115272459 A 3