[发明专利]一种平面编码靶标及其位姿测量方法

权利要求书

1.一种平面编码靶标，其特征在于，包括壳体（3），所述壳体（3）上固定连接编码靶标，所述编码靶标上设置编码单元，所述编码单元包括方位点（2）和平行阵列的定位点（1），所述定位点（1）等间距分布，所述编码靶标采用黑色背景和白色圆的玻璃材质；

所述编码单元包括7×7阵列大小相同的定位点（1）和26个相同的方位点（2），在一个定位点（1）的右边设置一个方位点（2）或在其右下方设置一个方位点（2）或者在其附近不设置方位点（2）；

靶标的方位如下：所述编码单元采用如下编码方式：

若方位点（2）设置于定位点（1）的正右方则编码为‘1’；若方位点（2）设置于定位点（1）的右下方则编码为‘2’；若定位点（1）附近不设置方位点（2）则编码为‘0’，生成如下编码：

该编码靶标的最小编码单元为任意相邻构成2*2矩阵的点，任意最小编码单元的编码不重合且具有唯一性，只要采集大于最小编码单元的任意一部分靶标，均可解码获得该部分在原靶标的位置。

2.根据权利要求1所述的一种平面编码靶标，其特征在于，所述黑色背景采用黑色哑光油墨，白色圆采用白色哑光油墨，方便图像采集。

3.一种应用于权利要求1-2任意一项所述的平面编码靶标的位姿测量方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤1：将装有位姿解算软件的计算机（6）通过数据线（5）与CCD相机（4）连接，CCD相机（4）与待测目标（7）活动连接，编码靶标（9）固定在CCD相机（4）视场内，并保证CCD相机（4）最小视场大于2倍编码靶标（9）定位点（1）间距，构建一种平面编码靶标的位姿测量系统；

步骤2：CCD相机（4）采集任意一部分靶标图像；

步骤3：对采集到的图像去除靶点之外所有背景杂物，通过图像处理求取圆点中心坐标；

步骤4：根据定位点和方位点解码，确定采集部分在靶标中的位置，得到定位点的世界坐标；

步骤4.1：计算靶标图像的缩放系数和旋转角度：

由圆点大小区分定位点与方位点，利用靶标图像中的一组4个定位点来计算靶标图像的旋转和缩放参数；根据定位点间距相同的特点，将靶标图像中的一组定位点与靶标模板的任一组定位点建立仿射变化，只改变平移参数，不影响缩放系数和旋转角度；靶标图像和靶标模板之间的仿射变化方程为：

其中为靶标模板特征点，为已知参数；为靶标图像特征点，可利用图像处理得到；tx,ty为平移参数和选取的靶标模板定位点有关；s为缩放系数；为旋转角度；

利用4个靶标图像中的定位点和对应靶标模板中的定位点，则可求解获得仿射变化参数；

靶标模板的特征点构造矩阵Y：

；

靶标图像的特征点构造矩阵X：

；

仿射变化参数为：

；

对仿射变化参数的前2项分解，令

；

则

；

步骤4.2：将靶标图像转换为和靶标模板大小一致，方向相同的靶标图像：

根据步骤4.1计算的缩放系数和旋转角度，将靶标图像中每个像素乘以以下仿射矩阵，即可得到转换后的图像：

其中，s为缩放系数和为旋转角度，为靶标图像的各像素，(nx,xy)为转换后图像的各像素；

经过以上运算，转换后的靶标图像和靶标模板大小一致，定位点方向相同；

再利用靶标中具有的方向特性，利用定位点和方位点的相对位置关系来获得靶标图像360°范围内的旋转角度；

步骤4.3：用归一化互相关算法匹配步骤4.2转换后的靶标图像和靶标模板，定位出靶标图像在靶标模板中的位置，实现解码：

设靶标模板I的像素大小为，靶标图像T的像素大小为，模板I中任意选取一块像素大小为的子图，子图和靶标图像T的归一化互相关值定义为：

；

式中：为像素在靶标图像中的坐标；

子图的像素平均值：

；

靶标图像T的像素平均值：

；

将转换后的靶标图像在靶标模板上依次移动，最大归一化互相关值的位置即为靶标图像在靶标模板中的位置，实现解码；

步骤5：根据定位点的图像坐标和对应的世界坐标得出待测目标的位姿。