[发明专利]一种基于视觉的高精度旋转角度测量方法

权利要求书

1.一种基于视觉的高精度旋转角度测量方法，其特征在于：所述测量方法包括以下步骤，

S1：采用一种由四个面积相等圆形包络矩形的特征标志，该特征标志紧固于转台的旋转面，其与旋转面具有相同的旋转角度；摄像机采集旋转特征标志的序列图像，读入采集到的图像，基于圆形模板匹配方法，识别特征标志中的四个圆形区域，确定以四个圆心为顶点的感兴趣区域ROI，以消除图像背景相似边缘对特征标志中矩形边缘检测干扰；

S2：基于Zernike矩的亚像素边缘检测方法实现特征标志ROI内矩形长边的高精度提取，得到矩形两条长边缘的亚像素坐标；

S3：基于最小二乘拟合法对两条亚像素坐标长边缘进行直线拟合，计算这两条拟合边缘直线斜率的均值，分别求取基准位置矩形长边缘斜率均值及旋转位置处矩形长边缘斜率均值，利用两斜率均值的反正切三角函数解算旋转位置相对于基准位置的旋转角度；

对所述的序列图像中矩形长边缘旋转角度计算，用最小二乘拟合法拟合由Zernike矩方法得到的矩形长边的亚像素边缘坐标，得到对应的拟合边缘直线l₁和l₂，计算拟合长边缘斜率k和k'，计算长边缘斜率均值选取旋转面回零位置的特征标志矩形长边缘位置为基准位置，为基准位置矩形长边缘斜率的均值，为旋转位置矩形长边缘斜率的均值，计算基准位置与旋转位置矩形长边缘的夹角：

其中θ为特征边缘所夹锐角弧度值；

旋转角度大小的确定，是以图像中心为圆心，基准位置矩形长边缘方向为坐标系纵轴正向，建立平面直角坐标系，将图像区域划分为四个象限A1,A2,A3,A4,判断测量图像中标志特征边缘位于哪个象限来确定实际旋转角度大小：

2.根据权利要求1所述的一种基于视觉的高精度旋转角度测量方法，其特征在于：

基于模板匹配确定图像的感兴趣区域(ROI)，具体包括：

(1)圆形模板匹配方法

采用圆形模板匹配方法准确识别特征标志中的四个圆形区域；选取一系列大小不同的圆形模板图像{T_j}匹配圆形区域，其中j＝1,2,3...S,S为圆形模板个数；通过式(1)计算大小不同圆形模板与圆形区域匹配的相关系数

其中，R_j(x,y)是圆形模板匹配的相关系数，表示圆形模板与圆形区域的相似程度，F(x,y)是采集的图像中坐标为(x,y)像素的灰度值，T_j(u,v)是一系列圆形模板图像中坐标为(u,v)像素的灰度值，表示采集到的图像平均灰度值，表示圆形模板的平均灰度值，P(x+u,y+v)与Q(u,v)为中间变量，M和N是第j个模板图像像素的行数与列数；

选取使模板匹配的相关系数R_j(x,y)最大时的(x,y)坐标值，即为特征标志中圆形区域位置；这种模板匹配方法具有尺度和旋转不变性；

(2)感兴趣区域提取

模板匹配得到特征标志中四个圆形区域位置，检测每个圆形的边缘并对检测边缘进行圆拟合得到圆心位置，确定以四个圆心为顶点的ROI；在ROI内检测特征标志中矩形长边缘，消除图像背景相似边缘对矩形长边缘检测的干扰。

3.根据权利要求1所述的一种基于视觉的高精度旋转角度测量方法，其特征在于：

对于采集的旋转特征标志序列图像T_i(x,y)，其中i＝1,2,…,N，N为采集到的旋转序列图像数；利用三灰度边缘模型的Zernike矩方法实现特征边缘提取：并消除Zernike矩模板的放大效应，Canny算子检测特征边缘点像素级坐标(x₀,y₀)，边缘的亚像素坐标为：

其中，(x_sub,y_sub)为像素点(x₀,y₀)的亚像素坐标，K为所使用的Zernike矩模板，d₁与d₂及φ为计算的距离及旋转角度边缘参数，由T_i(x,y)与Zernike矩模板卷积计算获得。

4.根据权利要求1所述旋转角度测量方法的测量装置，其特征在于：

该装置包括：旋转振动发生装置(1)、由四个圆形包络的矩形特征标志(2)、照明设备(3)、摄像机固定装置(4)、摄像机(5)、图像传输设备(6)、处理与显示设备(7)；矩形特征标志(2)安装在旋转振动发生装置(1)的旋转面的中间，旋转振动发生装置(1)、处理与显示设备(7)、图像传输设备(6)和摄像机(4)通过通讯线连接，摄像机(5)安装在摄像机固定装置(4)的底部中间，摄像机(5)正对矩形特征标志(2)；

旋转振动发生装置(1)用于提供旋转角激励；由四个圆形包络的矩形特征标志(2)紧固于旋转振动发生装置(1)的旋转台面并靠近旋转台面的圆心；照明设备(3)为摄像机(5)提供照明；摄像机固定装置(4)用于固定摄像机(5)，使其垂直于旋转振动发生装置(1)的旋转台面；摄像机(5)用于采集旋转的特征标志序列图像；图像传输设备(6)传输序列图像；处理与显示设备(7)用于处理图像、保存与显示测量结果。