阅读说明：本技术 一种二维码和圆形编码盘相结合的靶标及其识别方法 (Target combining two-dimensional code and circular coding disc and identification method thereof ) 是由 武泰安 张新远 程志伟 邰洋 刘嘉倬 张波 于 2020-11-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种二维码和圆形编码盘相结合的靶标及其识别方法,其特点是：该靶标整体为黑底填充的正方形,靶标内含一个白色荧光粗正方形边框,正方形边框内部四个顶角中的左上、右上、左下三个顶角分别设有一个定位标志,正方形边框内部正中间为圆形编码盘。该识别方法从含有复杂背景图片中找出靶标,根据定位标志得到靶标不同视角的方向、旋转度和扭曲度,对圆形编码盘进行矫正后米字型划分解码出对应的二进制数,结合视角方向和解码出的二进制数准确地确定出二进制字符串。本发明不仅能够准确地从复杂环境中提取出靶标区域,而且能从靶标区域中提取出定位标志和圆形编码盘,最终能够准确的识别出编码值,适用于复杂环境,简单易用,准确度高。(The invention relates to a target combining a two-dimensional code and a circular coding disc and an identification method thereof, which are characterized in that: the whole target is a square filled with black matrixes, a white fluorescent thick square frame is contained in the target, three vertex angles of the upper left vertex angle, the upper right vertex angle and the lower left vertex angle in four vertex angles in the square frame are respectively provided with a positioning mark, and a circular coding disc is arranged in the middle of the inside of the square frame. The identification method finds out a target from a picture containing a complex background, obtains the directions, the rotation degrees and the torsion degrees of different visual angles of the target according to a positioning mark, divides the round coding disc into Chinese characters after correcting to decode corresponding binary numbers, and accurately determines a binary character string by combining the visual angle direction and the decoded binary numbers. The method can accurately extract the target area from the complex environment, can extract the positioning mark and the circular coding disc from the target area, can accurately identify the coding value finally, is suitable for the complex environment, is simple and easy to use, and has high accuracy.)

一种二维码和圆形编码盘相结合的靶标及其识别方法

技术领域

本发明属于人工智能技术领域，尤其是一种二维码和圆形编码盘相结合的靶标及其识别方法。

背景技术

随着社会的发展，矿井、隧道、铁轨、海上等恶劣环境下的作业都在向无人化、智能化方向发展，其中包含对矿井煤机、矿井液压支架挡板、隧道路段标识、铁轨路段标识、海上浮漂、海上标识等定期或实时监测的工作，而环境中包含较多需要监测的目标，如果人工进行这些工作的话，不仅繁琐费力，而且不安全，不符合去无人化、智能化的发展方向。

为了实现无人化、智能化监测多目标，首先需要从多目标中识别出每个目标，然后结合其它设备实现对每个目标的监测。针对目标识别，现在已经有很多技术，如机器学习、图像识别等。机器学习比较复杂，需要事先准备好大量样本，实际操作较难实现。基于图像识别的靶标和识别算法较多，但在实际工作中发现，对于复杂环境无法保证拍照角度和简单背景的情况下，现有的靶标和图像识别算法均不能很好地实现。因此，如何提供适用于复杂环境下的靶标及其识别算法是目前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目地在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、准确度高、使用方便且能够适用于复杂环境的二维码和圆形编码盘相结合的靶标及其识别方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种二维码和圆形编码盘相结合的靶标，包括底板、边框、定位标志、圆形编码盘；所述底板为黑底填充的正方形底板；所述边框为白色荧光粗正方形边框；所述定位标志位于边框内部三个顶角处的同心同形多边形环；所述圆形编码盘由同心圆环呈米字型切割而成，每个切割块间有一定的间隙，该间隙与黑色底板贯通，每个切割块由白色荧光粗边框和内部区域组成，每个切割块都代表二进制的0或1，每个切割块的内部区域为黑色表示二进制的1，每个切割块的内部区域为白色荧光表示二进制的0；所述底板、边框、圆形编码盘共心，所述底板、边框、定位标志同方向，所述定位标志对于靶标中心呈中心对称。

进一步，所述同心同形多边形环的最外圈为白色荧光粗线型多边形框，中间圈为黑色粗线型多边形框，内部为白色荧光填充的多边形区域。

进一步，所述同心同形多边形环中的多边形为三角形、四边形或五边形。

进一步，所述定位标志位于边框内部左上顶角、右上顶角和左下顶角。

进一步，所述圆形编码盘中的同心圆环为任意层同心圆环。

一种二维码和圆形编码盘相结合的靶标的识别方法，包括以下步骤：

步骤1、获取含有二维码和圆形编码盘相结合的靶标的图片；

步骤2、对含有靶标的图片进行灰度化处理；

步骤3、利用图片的背景和前景的差别对灰度图片进行自适应阈值二值化；

步骤4、对二值化图片进行闭操作，消除图片中的小黑点；

步骤5、对闭操作后的图片进行轮廓提取操作，找到所有的轮廓；

步骤6、从所有轮廓中找到位于最外层的轮廓；

步骤7、遍历所有最外层的轮廓，找出所有最顶层的正方形轮廓；

步骤8、遍历所有最顶层的正方形轮廓，找出具备靶标图案特征的靶标轮廓；

步骤9、遍历靶标轮廓的所有子轮廓，找出所有定位标志和圆形编码盘；

步骤10、通过定位标志在图片中的位置，计算靶标不同视角的方向、旋转度和扭曲度；

步骤11、通过圆形编码盘和靶标视角方向、旋转度、扭曲度，计算出靶标的二进制编码值。

进一步，所示步骤8中找出靶标轮廓的方法是：如果正方形轮廓具有十一个子轮廓，且这些子轮廓中有三个是回字型轮廓，则为靶标轮廓；判断一个轮廓为回字型轮廓的方法是：该轮廓本身为正方形，同时其有且仅有一个正方形子轮廓，同时该正方形子轮廓又有且仅有一个正方形子轮廓。

进一步，所述步骤9的具体实现方法为：对靶标轮廓进行处理，找出其含有的三个回字型定位标志和圆形编码盘中的八个编码块，同时得到三个定位标志和八个编码块在图片中的坐标，以及八个编码块分别代表的二进制值，编码块为黑色代表二进制的“1”，编码块为白色荧光代表二进制的“0”。

进一步，所述步骤10的具体实现方法为：通过靶标轮廓得到靶标中心点坐标和靶标顶角的角度值，计算三个定位标志所有的顶点组合方式所形成角度值并与靶标顶角角度值进行比较，找出三个定位标志正确的顶点组合方式，同时计算出靶标外框的上、下、左、右、左上、右上、右下、左下八个点的坐标，此时，靶标的方向、旋转度、扭曲度都可通过刚刚计算出的靶标外框八点坐标进行推算。

进一步，所述步骤11的具体实现方法为：对每个编码块分别进行计算，计算编码块中心点、靶标中心点、靶标外框八点所形成的角度值，判断角度值接近零时，表示该编码块与该靶标外框点同方向，确定其在最终靶标编码二进制字符串中的位置；得到所有编码块在最终靶标编码二进制字符串中的位置后，得到靶标编码，从而识别出了靶标的编码值。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明提供的靶标将二维码和圆形编码盘结合在一起，不仅易于从复杂环境中识别，而且能够判断出视角方向、旋转度和扭曲度，最终能够准确地得到编码值。

2、本发明通过对闭操作后的图片进行轮廓提取操作，找到所有的轮廓；从所有轮廓中找到位于最外层的轮廓；遍历所有最外层轮廓，找出所有最顶层的正方形轮廓；遍历所有最顶层的正方形轮廓，找出具备靶标图案特征的靶标轮廓；遍历靶标轮廓的所有子轮廓，找出所有定位标志和圆形编码盘；通过定位标志在图片中的位置，计算靶标不同视角的方向、旋转度和扭曲度；通过圆形编码盘和靶标视角方向、旋转度、扭曲度，计算出靶标的二进制编码值。不仅能够准确地从复杂环境中提取出靶标区域，而且能从靶标区域中提取出定位标志和圆形编码盘，最终能够准确的识别出编码值，适用于复杂环境，简单易用，准确度高。

附图说明

图1a为本发明给出的二维码和圆形编码盘相结合的靶标图案示意图；

图1b为图1a的识别方法示意图；

图2为本发明的识别方法的流程图；

图3a为本发明提供的靶标图案的第一种情况；图3b为图3a的识别方法示意图；

图4a为本发明提供的靶标图案的第二种情况；图4b为图4a的识别方法示意图；

图5a为本发明提供的靶标图案的第三种情况；图5b为图5a的识别方法示意图；

图6a为本发明提供的靶标图案的第四种情况；图6b为图6a的识别方法示意图；

图7a为本发明提供的靶标图案的第五种情况；图7b为图7a的识别方法示意图；

图8a为本发明提供的靶标图案的第六种情况；图8b为图8a的识别方法示意图；

图9a为本发明提供的靶标图案的第七种情况；图9b为图9a的识别方法示意图；

图10a为本发明提供的靶标图案的第八种情况；图10b为图10a的识别方法示意图；

图11a为本发明提供的靶标图案的第九种情况；图11b为图11a的识别方法示意图；

图12a为本发明提供的靶标图案的第十种情况；图12b为图12a的识别方法示意图；

图13a为本发明提供的靶标图案的第十一种情况；图13b为图13a的识别方法示意图；

图14a为本发明提供的靶标图案的第十二种情况；图14b为图14a的识别方法示意图；

图15a为本发明提供的靶标图案的第十三种情况；图15b为图15a的识别方法示意图；

图16a为本发明提供的靶标图案的第十四种情况；图16b为图16a的识别方法示意图；

图17a为本发明提供的靶标图案的第十五种情况；图17b为图17a的识别方法示意图；

图18a为本发明提供的靶标图案的第十六种情况；图18b为图18a的识别方法示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

一种二维码和圆形编码盘相结合的靶标，如图1a及图3a至图18a所示，包括底板、边框、定位标志和圆形编码盘；所述底板为黑底填充的正方形底板；所述边框为白色荧光粗正方形边框；所述定位标志为位于边框内部左上、右上、左下三个顶角处的同心同形多边形环；所述同心同形多边形环，最外圈为白色荧光粗线型多边形框，中间圈为黑色粗线型多边形框，内部为白色荧光填充的多边形区域；所述同心同形多边形环中的多边形包括所有三角形、四边形、五边形等，不局限于一种；所述圆形编码盘由同心圆环呈米字型切割而成，每个切割块间有一定的间隙，间隙与黑色底板贯通，每个切割块由白色荧光粗边框和内部区域组成，每个切割块都代表二进制的0或1，每个切割块的内部区域为黑色表示二进制的1，每个切割块的内部区域为白色荧光表示二进制的0；所述圆形编码盘中的同心圆环可以为任意层同心圆环，不局限于一层；所述的底板、边框、圆形编码盘共心，所述的底板、边框、定位标志同方向，所述的定位标志对于靶标中心呈中心对称，所述边框、定位标志、圆形编码盘不重叠。

本发明提供的二维码和圆形编码盘相结合的靶标，易于从复杂环境中识别，其根据靶标图案的底板、边框、定位标志和圆形编码盘特征，从含有复杂背景的图片中找出靶标。其根据三个定位标志在图片中位置来确定靶标不同视角的方向、旋转度和扭曲度。其根据圆形编码盘得到正确编码顺序的二进制字符串，即编码值。

本发明通过对靶标的图案识别，准确地从复杂环境中提取出靶标区域，进而从靶标区域中提取出定位标志和圆形编码盘，然后从定位标志在图片中的位置判断出靶标视角方向、旋转度和扭曲度，最终准确地从圆形编码盘中识别出编码值。

基于上述二维码和圆形编码盘相结合的靶标，本发明还提供一种二维码和圆形编码盘相结合的靶标的识别方法，如图2给出的流程图以及图3b至图18b实例进行说明，包括以下步骤：

S1：通过拍照设备从任一方向和角度对靶标进行拍照，得到含有二维码和圆形编码盘相结合的靶标的图片。

S2：调用OpenCV的接口函数对靶标图片进行灰度化处理。

S3：调用OpenCV的接口函数利用图片的背景和前景的差别对灰度图片进行自适应阈值二值化。

S4：调用OpenCV的接口函数对二值化图片进行闭操作，消除图片中的小黑点。

S5：调用OpenCV的接口函数对闭操作后的图片进行轮廓提取操作，找到靶标图片中所有的轮廓。

S6：从所有轮廓中依次找到位于最外层的轮廓；

S7：遍历所有最外层轮廓，找出所有最顶层的正方形轮廓；

其中，判断一个轮廓为正方形的方法是，该轮廓拟合后的形状特点为四条边、四个顶点。

S8：遍历所有最顶层的正方形轮廓，找出具备靶标图案特征的靶标轮廓；

在本步骤中，遍历所有最外层正方形及其子轮廓，找出具备靶标图案特征的正方形轮廓，即靶标轮廓。其中，判断一个正方形轮廓为靶标轮廓的方法是，该正方形轮廓具有十一个子轮廓(不局限于十一个，根据所述圆形编码盘中的同心圆环层数确定)，且这十一个子轮廓中有三个是回字型轮廓(不局限于回字型轮廓，根据所述同心同形多边形环中的多边形形状确定)。其中，判断一个轮廓为回字型轮廓的方法是，该轮廓本身为正方形，同时其有且仅有一个正方形子轮廓，同时该正方形子轮廓又有且仅有一个正方形子轮廓。

S9：遍历靶标轮廓的所有子轮廓，找出所有定位标志和圆形编码盘；

在本步骤中，对靶标轮廓进行处理，找出其含有的三个回字型定位标志(不局限于回字型定位标志，根据所述同心同形多边形环中的多边形形状确定)和圆形编码盘中的八个编码块(不局限于八个编码块，根据所述圆形编码盘中的同心圆环层数确定，每层同心圆环包含八个编码块)。同时可得到三个定位标志和八个编码块在图片中的坐标，以及八个编码块分别代表的二进制值，编码块为黑色代表二进制的“1”，编码块为白色荧光代表二进制的“0”。

S10：通过定位标志在图片中的位置，计算靶标不同视角的方向、旋转度和扭曲度；

在本步骤中，开始计算靶标的方向、旋转度和扭曲度。通过靶标轮廓得到靶标中心点坐标和靶标顶角的角度值，计算三个定位标志所有的顶点组合方式所形成角度值并与靶标顶角角度值进行比较，找出三个定位标志正确的顶点组合方式，同时计算出靶标外框的上、下、左、右、左上、右上、右下、左下八个点的坐标，此时，靶标的方向、旋转度、扭曲度都可通过刚刚计算出的靶标外框八点坐标进行推算。

S11：通过圆形编码盘和靶标视角方向、旋转度、扭曲度，计算出靶标的二进制编码值。

在本步骤中，对每个编码块分别进行计算，计算编码块中心点、靶标中心点、靶标外框八点所形成的角度值，判断角度值接近零时，表示该编码块与该靶标外框点同方向，即可知道其在最终靶标编码二进制字符串中的位置。得到所有编码块在最终靶标编码二进制字符串中的位置后，即可得到靶标编码。到此，准确的识别出了靶标的编码值。

本实施例，通过上述步骤对靶标的图案识别，不仅能够准确地从复杂环境中提取出靶标区域，而且能从靶标区域中提取出定位标志和圆形编码盘，最终能够准确的识别出编码值，适用于复杂环境，简单易用，准确度高。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。