攝影測量中標記點編碼與解碼的方法_圖文

1、第 30卷 第 4期 2009年 7月技 術 與 創(chuàng) 新 管 理TECHNOLOGY AND I N NOVATI O N MANAGE MENTVol . 30 No 14 July 12009【 技術應用與研究 】攝影測量中標記點編碼與解碼的方法 3陳玉萍 1, 蘇 博 2(1. 陜西能源職業(yè)技術學院 電子工程系 , 陜西 咸陽 712000; 2. 西安科技大學 計算機科學與技術學院 , 陜西 西安 710054摘 要 :近景攝影測量中 , 可以在待測物體表面分布一些易于識別的標記點 , 以提高特征識別的準確性和精度 , 保 證多幅圖像間特征點對應匹配的可靠性 。 文中討論了多種標記點的

2、編碼與解碼 , 對各種標記點進行了分析 , 討論 了在不同的情況下使用不同的編碼標記點可以起到準確識別和精確定位 , 提高效率 , 為圖像識別打下良好的基礎 。 關鍵詞 :近景攝影測量 ; 編碼標記點 ; 圖像識別中圖分類號 :J 419. 9 文獻標識碼 :A 文章編號 :1672-7312(2009 04-0516-04Encodi n g M ethod of M easure ment mS U Bo 2ent Engineering, Shaanxi Energy Institute, X ianyang 712000, China Abstract:D points on the

3、object t o be measured is a reliable and common method for achieving op ti m u m target l ocati on and accurate corres pondence a mong multi view i m ages . I n this paper, the encoding and decoding of targets has been discussed, and coded targets has been analyzed . D ifferent coded targets used in

4、 different situati ons can hel p t o a 2 chieve accurate recogniti on, accurate l ocati on and high efficiency, and it is a basis of i m age recogniti on .Key words:cl ose shot phot o 2grammetry , coded target, i m age recogniti on1 研究背景攝影測量系統(tǒng) , 通常是以近景攝影的方式實現(xiàn) 的 , 其優(yōu)點是通過像片提供大量信息 , 施測周期短 , 可在瞬間完成測量全過程

5、 , 可對動態(tài)目標進行測量 , 可以多重攝影 , 有多余觀測值 , 精度可靠 。 在由景物 的二維圖像信息進行三維恢復的過程中 , 關鍵的就 是圖像編碼與解碼問題 , 即對圖形圖像進行有效的 數(shù)字化處理 , 這樣可以使計算機有效地識別圖形圖 像 , 為后面的圖像的匹配處理做好最佳的準備工作 。 攝影測量系統(tǒng)的研究也有明顯的發(fā)展 。 尤其在 標記點匹配上的研究有著長足的進步 。 圖像匹配是 確定同一場景的兩幅來自不同時間 , 不同視點 , 不 同成像幾何或由不同傳感器獲取的圖像在空間上相 對位置的過程 。 圖像匹配在導航 , 目標跟蹤 , 目標 識別 , 打擊評估等領域有廣泛的應用 。圖像匹配算

6、 法目前主要有兩大類 :一類是基于灰度相關的匹配 方法 , 它直接利用圖像的灰度進行匹配 , 方法有最 小距離法 , 交叉相關法 , 相關系數(shù)法等 ; 另一類是 基于特征的匹配方法 , 這種方法需要先對圖像提取 特征 , 比如點 , 線 , 面特征等 , 然后對提取特征后的 圖像進行匹配 。 灰度相關的方法由于沒有提取特征 的過程 , 計算較為簡單 , 在程序設計上要比較簡單 。 難度要小 , 比較通用 。某種程度上比基于特征的方 法復雜度要低 。但傳統(tǒng)的基于灰度的方法 , 往往不能處理多傳 感器的圖像 。 誤差也比較大 。 所以隨著測量科技發(fā) 展 , 傳統(tǒng)方法也隨之改變 。為了處理多傳感器圖

7、像 之間的匹配 , 方法往往會選擇基于特征的方法 。 例如對于大面積物體全場檢測的三維數(shù)據(jù)拼3收稿日期 :2009-01-03作者簡介 :陳玉萍 (1972- , 女 , 山西介休人 , 講師 , 主要從事計算機教學與研究工作 .第 4期 陳玉萍等 :攝影測量中標記點編碼與解碼的方法接 , 為了避免多次拼接的累計誤差 , 數(shù)據(jù)拼接應利 用數(shù)碼相機對物體進行大面積全場拍攝 , 在拼接中 引入編碼標志點 , 通過對物體表面的標志點編碼特 征及空間特征進行檢測 、 匹配 , 獲得全場各拍攝圖 像之間的坐標變換關系 , 從而構造出物體的空間特 征點框架 , 在此基礎上利用小幅三維掃描獲得的點 云數(shù)據(jù)

8、“ 粘貼 ” 到框架上的方法實現(xiàn) 。根據(jù)大面積 三維檢測數(shù)據(jù)拼接的要求 , 對編碼標志點的設計 、 檢測進行了研究 。由于科技的發(fā)展 , 攝影測量越來越用于大型工 業(yè) 。 例如 , 汽車工業(yè) , 機械制造業(yè)等等 。 以往的攝影 測量中標記點數(shù)量與匹配 , 識別的精度就成為難以 逾越的問題 。 所以 , 我們提出本文的攝影測量系統(tǒng) 中標記點的匹配的方法 。此方法運用大量的標記 點 , 對傳統(tǒng)的標記點的匹配問題作了大膽改進 。2 編碼標記點的特點所謂編碼 ,何特性 , 如果圖像分辨率不高或光照不理想 , 編碼信 息可能會由于圖像灰度值的變化而受損 , 影響編碼 識別的正確率 。 本文提出了一種編碼

9、方法及解碼算 法 , 它不受編碼點碼段形變的影響 , 可以直接對其進 行讀碼 , 識別出不同的編碼信息 。以前的圖形圖像的數(shù)字化大都以人工的方法進 行組合與設計 , 重用性和實用性都比較差 , 而且準確 性也不理想 。 近景攝影測量中所用編碼點的外形多 種多樣 , 常見的有圓形 、 方形 、 點陣等 。在設計編碼 點時 , 在考慮其幾何形狀的同時應滿足以下基本要 求 : 編碼點尺寸應適當 。 如尺寸太大 , 粘貼時容易 變形 , 會影響測量精度 ; 如尺寸太小 , 受 CCD 分辨率 的影響 , 在獲取的圖像上編碼難以識別 。 編碼點 應具有唯一性 。 每一個編碼點必須能夠表征唯一的 編碼信息

10、 , 不能重復 。下面介紹四種編碼標記點 , 這四種編碼標記點 都避免了人工標記點匹配效率差 , 實用性差 , 誤差大 的缺點 。2. 1 環(huán)形編碼標記點首先對編碼標記點進行編碼 。 具體的編碼點的 構造如圖 1。此種編碼元如圖 1所示 , 編碼元中心為圓形 “ 目標點 ” 。 “ 目標點 ” 周圍為與其同心的分段環(huán)狀圖 1 編碼點構造圖區(qū)域 , , 稱為“ 編碼帶 ” 。 , 每份 24°, 相當于 。 (白色 或背 , “ 1” 或 “ 0” 。精度對于后續(xù)的相機標定及三維空間點坐標的反求 有著非常重要的意義 。 實驗證明 , 應用此種所提出 的標記點提取準則能夠快速 、 準確地

11、提取圖像中的 標記點目標 , 受投影角度大小 、 噪聲等因素影響小 , 編碼元識別算法具有很高的準確率和精度 , 實用性 強 。但是 , 此種編碼標記點在對其拍攝圖像時 , 由于 拍攝角度發(fā)生變化 , 直接掃描編碼點的碼段會由于 編碼點發(fā)生變形而引起讀碼錯誤 , 形成誤碼 。所以 我們對其進行了設計上稍微的改動 , 重新提出了與 其類似的一種編碼標記點 , 但又能避免上述的環(huán)形 編碼標記點缺點 。2. 2 改進的扇環(huán)編碼標記點根據(jù)傳統(tǒng)的環(huán)形編碼點如圖 1所示 。 我們提出 一種改進的編碼標記點 , 如圖 2 。圖 2 改進的編標標記點本文針對圖 1編 碼 點 進 行 了 改進 , 設計了圖 2

12、所示的編碼點 , 即將編 碼 點 的 外 環(huán) 分為 n 等份 , 每個單元 環(huán) 部 分 對 應 的圓 心 角 為 2/n 。編 碼 點 的 碼 段 用實心和空心分別表示不同的編碼信息 , 實心碼段表 7 1 5示 1, 空心碼段表示 0, 不同實心碼段和空心碼段序 列的組合即可表示不同的編碼點 。本文選取 n =8, 即將外環(huán)平均分為 8等份 , 每份中有實心或空心及對應的間隔部分 , 其中表示編碼信息的碼段部分對 應的弧度為 22. 15度 , 間隔部分對應的弧度為 22. 15度 。第二種提出的改進的編碼方法可以滿足對旋 轉 、 縮放 、 變形的無關性 。 充分避免了環(huán)形編碼標記 點缺點

13、。但編碼容量受到一定限制 。 對于這種 8段等長 的扇環(huán)編碼方法 , 排除重復編碼后 , 編碼容量為 30種 , 編碼標記點數(shù)量有限 。 在近景測量系統(tǒng)中 , 如果 被測物體體積龐大 , 則編碼點數(shù)量有限的弊病就暴 露出來 。 所以 , 上面的兩種標記點的使用要分清適 用的場景 , 揚長避短 , 合理使用 。 圖 3 圓形的編碼標記點2. 3 圓形編碼標記點介紹的 第三 種編 碼標記點是一種圓形 編碼標記點 , 唯一 特 征 的 標 志 編碼標志點的編碼決 定于編碼點的位數(shù)和 排列方式 。根據(jù)待檢測三維物體的尺寸確定編碼點的位數(shù) , 如圖 3所示的編碼標志點 , 其中 標志點和編碼點全部為圓形

14、 , 標志點位于中央 , 面積 較大 , 編碼點規(guī)則的排布在外圍的圓周上 , 面積較 小 , 整個編碼標志點的位置信息由中央的標志點圓 心位置提供 , 各個編碼位上編碼點的有無決定了不 同的編碼信息 。編碼標志點的編碼取決于編碼點的位數(shù)和排列 方式 。 根據(jù)待檢測三維物體的尺寸確定編碼點的位 數(shù) , 尺寸越大的物體需要的編碼標志點越多 , 標志點 周圍的編碼點數(shù)也需要相應地增加 , 需要更多位數(shù) 的編碼標志點 。該方法結構簡單 , 成本低廉 , 數(shù)據(jù)采集快 , 移動 方便 , 檢測范圍大 , 檢測精度高 , 可滿足三維物體特 別是大面積物體空間檢測的需求 。但是由于其位數(shù)和排列方式是由待測三維

15、物體 決定的 , 所以這種標記點在編碼時會比較的復雜 。 如果遇到待測物體比較龐大時 , 編碼標記點會比較 的復雜 , 不利于使用 。 2. 4 立體錐形標記點最后 , 本文再介紹一種編碼標記點 。這種方法與前面的標記點完全不同 , 之前所談到的標記點都 是平面點 , 現(xiàn)在要介紹的是一種立體的標記點 。作為人工標記點 , 必須是容易識別的 。為了達 到自動匹配的目的 , 標記點還必須具有唯一特征 。 另外 , 這里的標志記點并不是通常意義上的一個點 , 因為那樣的話 , 它在照片中根本就不可能被顯示出 來 。 因此 , 它實際上是一個具有一定的形狀的物體 。 在該物體上選取一個特定點 , 來標

16、識該標記點 。其 采用圓錐體作為標記點 , 并且為了使標記點具有唯 一特征 , 在圓錐體上涂上互相平行的水平色帶 。對 標記點上的色帶顏色以及色帶間的間隔比例進行編 碼 , 以便在后續(xù)程序中進行識別和匹配 。該標記點能夠解決標記點由于拍照引起的變形 問題 , , , , 所以比較容易識別 。 , 如果遇到復雜的工業(yè)零件 , 而且又需要大量的 標記點的時候 , 此種方法就不太適合了 。3 編碼標記點的解碼方法3. 1 環(huán)形編碼標記點的解碼第一種編碼標記點的識別首先需要找到編碼點 的定位中心 。 編碼元的圓環(huán)編碼點的中心白色圓點 即可起到對編碼點定位的作用 。在掃描實心和空心碼段之前 , 首先將圖

17、像二值 化 , 然后根據(jù)質心法求出編碼點中白色圓點的中心 , 最后掃描編碼點的碼段信息 。 如果沒有掃描到編碼 段則再以標記點的中心進行掃描 。 在依次掃描一周 后 , 整個編碼點的碼值序列即被全部讀出 。掃描完 畢后 , 則每一個 15段編碼點對應著一個二進制序 列 , 一個二進制序列又與一個十進制整數(shù)相對應 。 編碼點對應的二進制序列為 001110111110011(白 色段代表 1, 黑色段代表 0 , 對應的移位循環(huán)后共 有 15個二進制序列 。例如 :在這二進制序列中 , 對 應的最小十進制數(shù)字 001100111011111=6607。對于不同的編碼點 , 對應的十進制整數(shù)是不同

18、 且唯一的 。 這樣可以更好的實現(xiàn)標記點數(shù)字化的唯 一性 , 更方便 , 更精確 。 3. 2 扇環(huán)形編碼標記點的解碼我們談到的第二種編碼標記點的設計 , 其實是 在第一種環(huán)形編碼標記點的基礎上進行改進 , 從而 在旋轉 、 縮放 、 變形的無關性上有了很大的優(yōu)勢 。 815 技 術 與 創(chuàng) 新 管 理 第 30卷第 4期 陳玉萍等 :攝影測量中標記點編碼與解碼的方法編碼點的識別首先需要找到編碼點的定位中 心 。 改進的編碼點的中心白色圓點即可起到對編碼 點定位的作用 。 在掃描實心和空心碼段之前 , 首先 將圖像二值化 , 然后根據(jù)橢圓擬合法求出編碼點中 白色圓點的中心 , 最后掃描編碼點的

19、碼段信息 , 和環(huán) 形編碼標記點一樣掃描到實心碼段記為 1, 空心碼 段記為 0。 依次掃描一周后 , 整個編碼點的碼值序 列即被全部讀出 。掃描完畢后 , 則每一個 8段編碼 點對應著一個 8bit 的二進制序列 , 一個二進制序列 又與一個十進制整數(shù)相對應 。對于不同的編碼點 , 對應的十進制整數(shù)是不同且唯一的 。扇環(huán)形標記點的設計不僅可以避免旋轉 、 縮放 、 變形 , 而且在解碼上也保持標記點的識別的唯一性 。 缺點就是在大型的工業(yè)制造中 , 在標記點的數(shù)量很 有限 。3. 3圓形編碼標記點的解碼引入 “ 圓形碼 ” , n , 1 , ” 。 由于 n , , 故同一個 編碼標志點對

20、應的圓形碼不唯一 , 最多可能對應 n 個環(huán)形碼 。 給每個環(huán)形碼設置一個標志位 , 標志位 的初始值為 1, 設置一個十進制整數(shù)作為編碼方案 統(tǒng)計數(shù) , 初始值為 0。從最小的 8位非零二進制數(shù) 開始進入循環(huán) , 先進行標志位判斷 :如果該二進制數(shù) 的標志位為 1, 則將編碼方案統(tǒng)計數(shù)加 1, 如果該二 進制數(shù)的標志位為 0, 表示重復的編碼方案 , 不能再 次被統(tǒng)計 ; 然后將原二進制數(shù)對應的所有循環(huán)數(shù)的 標志位置為 0。循環(huán)數(shù)的概念是 :每個 8位二進制 數(shù)自擴展為 16位 , 具體做法是以原 8位數(shù)同時作為 16位數(shù)的低 8位和高 8位 , 如將 00000001擴展 , 結 果為 0

21、000000100000001, 從該 16位數(shù)的最高位始依 次向 低 位 連 續(xù) 取 八 個 8位 數(shù) , 稱 為 循 環(huán) 數(shù) , 如 00000001, 00000010, 00000100, 。原二進制數(shù) 和它的循環(huán)數(shù)之間的一對多關系就是編碼標志點和 其圓形碼的一對多關系 。不難得到 , 每個二進制數(shù) 的循環(huán)數(shù)中必定是最小的循環(huán)數(shù)被統(tǒng)計 , 我們稱這 個最小的循環(huán)數(shù) (圓形碼 為有效循環(huán)數(shù) (有效圓形 碼 , 遇到有效圓形碼時 , 編碼方案統(tǒng)計數(shù) m 自加 1, 并且以此時的 m 值為該圓形碼對應編碼標志點的 編號 。該方法結構簡單 , 成本低廉 , 數(shù)據(jù)采集快 , 檢測 精度高 , 可

22、滿足三維物體特別是大面積物體空間檢 測的需求 。但是由于其位數(shù)和排列方式是由待測三維物體 決定的 , 所以這種標記點在編碼時會比較的復雜 。 如果遇到待測物體比較龐大時 , 編碼標記點會比較 的復雜 , 不利于使用 。3. 4 立體錐形標記點的識別錐形標記點的解碼與前面的區(qū)別很大 。圓錐體的底色帶專用于判別標記點的種類 , 而 不參與編碼 。 允許根據(jù)現(xiàn)場需要選擇合適的顏色 , 例如 , 如果現(xiàn)場比較暗 , 可以選比較亮的顏色 , 而現(xiàn) 場明亮 , 則可選比較深的顏色 。其他色帶選擇醒目 的紅色 、 綠色和藍色 , 容易識別 。 圓錐體上的色帶寬 度可以是基本寬度 (底色帶的寬度 , 也可以是

23、基本 寬度的兩倍 , 因此實際上 ,(6 、 綠 。 2綠 , 10、 11、 01、。 比如對色帶分布為紅 、 綠 、 藍的圓 錐體進行編碼得到 101101, 顏色分布為 2綠 、 藍 、 綠 的圓錐體對應的編碼為 1100111。在計算機輔助近景攝影測量中 , 用到 3類此種 標記點 : 用于繪圖的標記點 , 編號在 100以下 ; 用于立體重建輔助計算的標記點 , 編號在 100至 1 000之間 ; 兩個基準標記點 , 編號為 1001和 1002。 為此要設計三類圓錐體 畫圖圓錐體 、 輔助圓錐 體和兩個基準圓錐體 , 分別作為三類不同的標記點 。 基準圓錐體的底色帶與輔助計算圓錐

24、體的相同 , 編 號為 1001的編碼色帶為紅色 , 編號為 1002的編碼 色帶為綠色 。 畫圖圓錐體上的色帶分布及編碼和輔 助計算圓錐體上的相同 , 但底色帶顏色不同 , 并以此 來區(qū)分兩類標記點 。 可以根據(jù)需要選擇合適的顏色 作為圓錐體的底色帶顏色 。此種錐形的標記點由于是人工標記點 , 所以易 于解碼識別 , 但是由于其本人構造復雜 , 而且在處理 大型工業(yè)零件時并不適合 , 所以局限性很大 。4 小 結本文對多種標記點編碼和解碼進行的簡要地分 析和對比 , 總的來講沒有一種編碼標記點是通用的 。 主要是根據(jù)不同被測物體的大小和環(huán)境的情況而 定 , 不能總是使用同一種編碼標記點 。因

25、情況的不 同選擇適合編碼標記點 , 這樣才能效率更高 , 速度更 快 , 匹配的更精確 。 (下轉第 525頁 9 1 5第 4期 吳 博 :建筑設計中地方風格與追崇主義之間的矛盾關系仿西方設計 , 追求奇特與動感 , 具有廣告性及標志 性 , 建筑類型集中于娛樂 、 商業(yè)及服務業(yè)建筑 , 具有 商業(yè)化表現(xiàn) 。 新西洋建筑開始出現(xiàn) , 運用西洋古典 建筑片段形式作為建筑的造型手段 , 這些局部西洋 古典形式就像商品包裝 , 或是一種商業(yè)標志 , 若去掉 這些附著物 , 完全是一副現(xiàn)代建筑的面目 , 出現(xiàn)這一 設計傾向的社會根源或許在于人們的崇洋心理 。 “ 鄉(xiāng)土設計 ” 指在中國特定的地域文化

26、圈中 , 運用自 然生長的鄉(xiāng)土建筑的形式 、 空間 , 建造滿足現(xiàn)代生活 功能的新建筑 , 這一傾向試圖留住地域文化的根 , 但 在追尋地方性的同時逐漸失去地方性 。 這些特點都 成為中國當代的建筑傾向 。5 結 語倘若進入世界上的任何一個城市 , 假如都會有 種似曾相識的感覺 ; 如果把我們的生活環(huán)境都改變 成像紐約 、 巴黎 , 上海等發(fā)達城市 ,多樣 。 方更能成為世界上獨一無二的城市風景線 。因而 “ 鄉(xiāng)土元素 ” 與“ 地域文化 ” 將會成為人們用之不竭 的設計思維的源泉 。參考文獻 :1 王受之 . 西方設計史 M.廣東 :新世紀出版社 , 1997. 2 李 允 . 華夏意匠 M.天津 :天津大學出版社 , 2005. 3 劉先覺 . 現(xiàn)代建筑理論 M.北京 :