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一种基于方向搜索的离散激光条纹中心点跟踪方法

更新时间:2024-07-01
一种基于方向搜索的离散激光条纹中心点跟踪方法 专利申请类型:发明专利;
地区:江苏-南京;
源自:南京高价值专利检索信息库;

专利名称:一种基于方向搜索的离散激光条纹中心点跟踪方法

专利类型:发明专利

专利申请号:CN202110920760.4

专利申请(专利权)人:宁锐慧创信息科技南京有限公司
权利人地址:江苏省南京市江北新区星火路9号软件大厦B座3楼305室

专利发明(设计)人:刘华,陈远

专利摘要:本发明涉及一种激光中心点跟踪方法,尤其是一种基于方向搜索的离散激光条纹中心点跟踪方法,包括以下步骤:S10、选取起始点,首先沿自上而下、自左向右的顺序逐行搜索图像,将首先找到的激光点作为该激光条纹的起始点;S20、以激光条纹方向计算搜索区域,下一个点的搜索区域根据当前点所属激光条纹在图像中的方向而定;S30、采用两行局部区域的搜索策略进行搜索;S40、更新起始点,直到搜索结束。该方法将激光条纹的方向性引入到搜索过程中,增强了搜索的鲁棒性,提高搜索的完整性,适用于各种形式的激光条纹中心点的跟踪,不止局限于单线激光条纹和多线激光条纹,即本发明适用于各种发光设备发出的呈长条状的激光条纹中心点的跟踪和搜索。

主权利要求:
1.一种基于方向搜索的离散激光条纹中心点跟踪方法,其特征在于,包括以下步骤:S10、选取起始点,首先沿自上而下、自左向右的顺序逐行搜索图像,将首先找到的激光点作为该激光条纹的起始点;
S20、以激光条纹方向计算搜索区域,下一个点的搜索区域根据当前点所属激光条纹在图像中的方向而定;
S30、采用两行局部区域的搜索策略进行搜索;
S40、更新起始点,直到搜索结束;
所述步骤S30中搜索策略包括以下步骤:
S301、将每行的搜索区域定义为3个像素;
S302、连续两行搜索,对于第i个激光点在第i+1行的3个像素区域内搜索,如果搜索到了一个新的激光点将其归类为同一条激光条纹;如果未搜索到则跳到i+2行的3个像素区域内继续搜索;
根据图像像素是一种离散化整型的表示形式,定义搜索区域如下:由方向向量V的x,y方向分量 导出 取绝对值;
具体步骤如下:
如果 ,定义第一搜索区域,第一搜索区域中(i,j)位置的点的下一个搜索区域是(i+1,j‑1),(i+1,j),(i+1,j+1),(i+2,j‑1),(i+2,j),(i+2,j+1);
如果 ,或 ,定义第二搜索区域和第三搜索区域,第二搜索区域中(i,j)位置的点的下一个搜索区域是(i+1,j),(i+1,j+1),(i+1,j+2),(i+2,j+1),(i+2,j+2),(i+2,j+3);第三搜索区域中(i,j)位置的点的下一个搜索区域是(i+1,j),(i+1,j‑1),(i+1,j‑2),(i+2,j‑1),(i+2,j‑2),(i+2,j‑3);
如果 ,定义第四搜索区域和第五搜索区域,第四搜索区域中(i,j)位置的点的下一个点的搜索区域是(i+1,j+1),(i+1,j+2),(i+1,j+3),(i+2,j+2),(i+2,j+3),(i+2,j+
4);第五搜索区域中(i,j)位置的点的下一个搜索区域是(i+1,j‑1),(i+1,j‑2),(i+1,j‑
3),(i+2,j‑2),(i+2,j‑3),(i+2,j‑4)。
2.根据权利要求1所述的一种基于方向搜索的离散激光条纹中心点跟踪方法,其特征在于,所述步骤S20中计算搜索区域时,通过多尺度的结构张量矩阵来计算激光中心点所在激光条纹的方向向量。
3.根据权利要求2所述的一种基于方向搜索的离散激光条纹中心点跟踪方法,其特征在于,所述多尺度的结构张量矩阵J:

其中 是尺度为 的高斯函数,符号 表示卷积操作;
J是实对称矩阵,对J分解计算它的两个特征值 和 及特征值对应的特征向量 。
4.根据权利要求3所述的一种基于方向搜索的离散激光条纹中心点跟踪方法,其特征在于,选择最大响应所对应的尺度,该尺度下的特征向量即为激光条纹的方向向量。
5.根据权利要求4所述的一种基于方向搜索的离散激光条纹中心点跟踪方法,其特征在于,所述多尺度响应定义为 :;
最大响应对应的尺度为:

在该尺度σ*下,特征值λ1对应的特征向量V1即为激光条纹的方向向量V,V的具体定义为:。 说明书 : 一种基于方向搜索的离散激光条纹中心点跟踪方法技术领域[0001] 本发明涉及一种激光中心点跟踪方法,尤其是一种基于方向搜索的离散激光条纹中心点跟踪方法。背景技术[0002] 随着我国工业的快速发展,激光轮廓仪在工业自动化智能制造的应用越来越广泛,对于例如机加工件轮廓测量,曲面造型加工件质量检测等方面具有重要意义。激光轮廓仪的基本原理是将激光产生一个光平面投影到被测物体表面,受到物体表面高度的调制,在二维图像平面上呈现出变形的激光条纹图像,根据激光条纹图像中心点的坐标,以及激光平面与相机传感器平面的三角关系,计算出激光条纹映射在物体表面的三维信息,而激光条纹中心点往往是离散的,有必要对其进行跟踪从而确定它的连续性。因此,如何对激光中心点的连续性做有效地搜索是一个重要研究课题。[0003] 目前对激光中心点提取方法的研究较多,但对提取的离散中心点连续性跟踪(搜索)的研究较少,一般都是在中心点附近的4领域或8领域范围内进行搜索,但在一些时候,例如:[0004] (i)受到噪声影响有部分激光中心点漏检测;[0005] (ii)激光条纹在图像中的角度较大;[0006] 都会使下一个激光中心点位置已经不在上一个点的4领域或8领域范围内,导致搜索过早终止而未能完整跟踪到所有激光条纹的中心点。[0007] 如图7中的例子描述了上述情况:激光中心点i与i+1属于同一条激光条纹,但受到噪音干扰等因素影响,i与i+1之间缺失了一个点,而且i+1不在i的8领域范围内,使得普通的4领域或8领域搜索在点i处即停止了。发明内容[0008] 为解决上述问题,本发明提供一种将激光条纹的方向性引入到搜索过程中,增强了搜索的鲁棒性,提高搜索的完整性。具体技术方案为:[0009] 一种基于方向搜索的离散激光条纹中心点跟踪方法,包括以下步骤:[0010] S10、选取起始点,首先沿自上而下、自左向右的顺序逐行搜索图像,将首先找到的激光点作为该激光条纹的起始点;[0011] S20、以激光条纹方向计算搜索区域,下一个点的搜索区域根据当前点所属激光条纹在图像中的方向而定;[0012] S30、采用两行局部区域的搜索策略进行搜索;[0013] S40、更新起始点,直到搜索结束。[0014] 优选的,所述步骤S20中计算搜索区域时,通过多尺度的结构张量矩阵来计算激光中心点所在激光条纹的方向向量。[0015] 进一步的,所述多尺度的结构张量矩阵J:[0016][0017] 其中Gσ是尺度为σ∈[σmin,σmax]的高斯函数,符号*表示卷积操作;[0018] J是实对称矩阵,对J分解计算它的两个特征值λ1和λ2(|λ1|≤|λ2|)及特征值对应的特征向量V1和V2。[0019] 优选的,选择最大响应所对应的尺度,该尺度下的特征向量即为激光条纹的方向向量。[0020] 其中,所述多尺度响应定义为Rσ:[0021][0022] 最大响应对应的尺度为:[0023][0024] 在该尺度σ*下,较小特征值λ1对应的特征向量V1即为激光条纹的方向向量V,V的具体定义为:[0025][0026] 优选的,所述步骤S30中搜索策略包括以下步骤:[0027] S301、将每行的搜索区域定义为3个像素;[0028] S302、连续两行搜索。[0029] 优选的,所述步骤S302中,对于第i个激光点在第i+1行的3个像素区域内搜索,如果搜索到了一个新的激光点将其归类为同一条激光条纹;如果未搜索到则跳到i+2行的3个像素区域内继续搜索。[0030] 进一步的,根据图像像素是一种离散化整型的表示形式,定义搜索区域如下:[0031] 由方向向量V的x,y方向分量(Vx,Vy)导出 Vy取绝对值;[0032] 具体步骤如下:[0033] 如果a∈(‑0.5,0.5),定义第一搜索区域,第一搜索区域中(i,j)位置的点的下一个搜索区域是(i+1,j‑1),(i+1,j),(i+1,j+1),(i+2,j‑1),(i+2,j),(i+2,j+1);[0034] 如果a∈[0.5,1.5),或a∈(‑1.5,‑0.5],定义第二搜索区域和第三搜索区域,第二搜索区域中(i,j)位置的点的下一个搜索区域是(i+1,j),(i+1,j+1),(i+1,j+2),(i+2,j+1),(i+2,j+2),(i+2,j+3);第三搜索区域中(i,j)位置的点的下一个搜索区域是(i+1,j),(i+1,j‑1),(i+1,j‑2),(i+2,j‑1),(i+2,j‑2),(i+2,j‑3);[0035] 如果a>1.5,定义第四搜索区域和第五搜索区域,第四搜索区域中(i,j)位置的点的下一个点的搜索区域是(i+1,j+1),(i+1,j+2),(i+1,j+3),(i+2,j+2),(i+2,j+3),(i+2,j+4);第五搜索区域中(i,j)位置的点的下一个搜索区域是(i+1,j‑1),(i+1,j‑2),(i+1,j‑3),(i+2,j‑2),(i+2,j‑3),(i+2,j‑4)。[0036] 与现有技术相比本发明具有以下有益效果:[0037] 本发明提供的一种基于方向搜索的离散激光条纹中心点跟踪方法将激光条纹的方向性引入到搜索过程中,增强了搜索的鲁棒性,提高搜索的完整性,适用于各种形式的激光条纹中心点的跟踪,不止局限于单线激光条纹和多线激光条纹,即本发明适用于各种发光设备发出的呈长条状的激光条纹中心点的跟踪和搜索。附图说明[0038] 图1是一种基于方向搜索的离散激光条纹中心点跟踪方法的流程图;[0039] 图2是第一搜索区域的示意图;[0040] 图3是第二搜索区域的示意图;[0041] 图4是第三搜索区域的示意图;[0042] 图5是第四搜索区域的示意图;[0043] 图6是第五搜索区域的示意图;[0044] 图7是现有技术中搜索方法的示意图。具体实施方式[0045] 现结合附图对本发明作进一步说明。[0046] 本发明提出一种新的离散激光条纹中心点的搜索策略,将激光条纹的方向性引入到搜索过程中,增强了搜索的鲁棒性,提高搜索的完整性。[0047] 本发明设计的搜索策略包括两点:[0048] 1、设计了方向计算确定局部搜索区域的策略。[0049] 局部搜索区域由当前点所在的激光条纹呈现的方向确定。[0050] 2、采用了连续查找两行局部区域的搜索方式。[0051] 在当前点的下面两行的局部区域内进行搜索。[0052] 如图1至图6所示,一种基于方向搜索的离散激光条纹中心点跟踪方法,包括以下步骤:[0053] S10、选取起始点,首先沿自上而下、自左向右的顺序逐行搜索图像,将首先找到的激光点作为该激光条纹的起始点;[0054] S20、以激光条纹方向计算搜索区域,下一个点的搜索区域根据当前点所属激光条纹在图像中的方向而定;[0055] S30、采用两行局部区域的搜索策略进行搜索;[0056] S40、更新起始点,直到搜索结束。[0057] 步骤S20中计算搜索区域时,通过多尺度的结构张量矩阵来计算激光中心点所在激光条纹的方向向量。[0058] 以激光条纹方向确定搜索区域:多数情况下,由于受到被测物体表面高度的调制,激光条纹在二维图像平面上呈现大角度的形变条纹,因此下一个点的搜索区域应该根据当前点所属激光条纹在图像中的方向而定。进一步考虑到图像上的激光条纹有粗细不同的特征,为了有效地计算激光中心点所在激光条纹的方向向量,定义一个多尺度的结构张量矩阵J:[0059][0060] 其中Gσ是尺度为σ∈[σmin,σmax]的高斯函数,符号*表示卷积操作;[0061] J是实对称矩阵,对J分解计算它的两个特征值λ1和λ2(|λ1|≤|λ2|)及特征值对应的特征向量V1和V2。[0062] 其物理意义是:位于激光线内的中心点,其绝对值较小的特征值λ1对应的特征向量V1表示在尺度σ的邻域内,曲面曲率变化最小的方向,即沿激光线方向。[0063] 对于多尺度响应,需要从多尺度对应的多个响应Rσ中选择最大的响应;其中响应Rσ定义为:[0064][0065] 定义最大响应对应的尺度为:[0066][0067] 在该尺度σ*下,较小特征值λ1对应的特征向量V1即为激光条纹的方向向量V,V的具体定义为:[0068][0069] 步骤S30中搜索策略包括以下步骤:[0070] S301、将每行的搜索区域定义为3个像素;;[0071] S302、连续两行搜索,对于第i个激光点在第i+1行的3个像素区域内搜索,如果搜索到了一个新的激光点将其归类为同一条激光条纹;如果未搜索到则跳到i+2行的3个像素区域内继续搜索。[0072] 考虑到图像像素是一种离散化整型的表示形式,方向向量V的指向往往是连续浮点型,因此定义搜索区域如下:由方向向量V的x,y方向分量(Vx,Vy)导出 Vy取绝对值;[0073] 具体步骤如下:[0074] 如果a∈(‑0.5,0.5),定义第一搜索区域,如图2所示,第一搜索区域中(i,j)位置的点的下一个搜索区域是(i+1,j‑1),(i+1,j),(i+1,j+1),(i+2,j‑1),(i+2,j),(i+2,j+1);[0075] 如果a∈[0.5,1.5),或a∈(‑1.5,‑0.5],定义第二搜索区域和第三搜索区域,如图3和图4所示,第二搜索区域中(i,j)位置的点的下一个搜索区域是(i+1,j),(i+1,j+1),(i+1,j+2),(i+2,j+1),(i+2,j+2),(i+2,j+3);第三搜索区域中(i,j)位置的点的下一个搜索区域是(i+1,j),(i+1,j‑1),(i+1,j‑2),(i+2,j‑1),(i+2,j‑2),(i+2,j‑3);[0076] 如果a>1.5,定义第四搜索区域和第五搜索区域,如图5和图6所示,第四搜索区域中(i,j)位置的点的下一个点的搜索区域是(i+1,j+1),(i+1,j+2),(i+1,j+3),(i+2,j+2),(i+2,j+3),(i+2,j+4);第五搜索区域中(i,j)位置的点的下一个搜索区域是(i+1,j‑1),(i+1,j‑2),(i+1,j‑3),(i+2,j‑2),(i+2,j‑3),(i+2,j‑4)。[0077] 本发明提出的利用激光条纹方向确定搜索区域的策略,其优势在于,不容易搜索到不属于该激光条纹的其他点,例如其他激光条纹的点或噪声点。[0078] 本发明提出的连续查找两行局部区域的搜索方式,其优势在于,能够克服实际环境中受噪声干扰,部分中心点被漏检测的情况,提高搜索的鲁棒性。[0079] 本发明方法适用于各种形式的激光条纹中心点的跟踪,不止局限于单线激光条纹和多线激光条纹,即本发明适用于各种发光设备发出的呈长条状的激光条纹中心点的跟踪和搜索。[0080] 以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理,而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释,本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式,这些方式都将落入本发明权利要求的保护范围之内。

专利地区:江苏

专利申请日期:2021-08-11

专利公开日期:2024-06-18

专利公告号:CN113643178B

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