一种平面编码靶标及应用其的图像拼接系统、方法

1.本发明涉及计算机视觉技术领域，尤其涉及一种平面编码靶标及应用其的图像拼接系统、方法。


背景技术：

2.在计算机视觉领域，视觉靶标被广泛应用于视觉标定、物体位姿测量、视觉导航等场合。目前常见的视觉靶标分类有平面靶标和立体靶标：立体靶标多用于三维视觉系统的标定及测量，立体靶标制造要求较高，求解过程较为复杂且很难实现大范围的实时测量；而平面编码靶标能在兼顾测量精度的同时，实现大范围的测量要求。目前编码靶标主要有圆环型编码靶标、点分布型编码靶标、色彩型编码靶标等，圆环型编码靶标在圆环编码带上编码信息，编码信息容量较小；点分布型编码靶标通过一组点之间构成的拓扑关系进行编码，不同组之间的编码规则不同，通用性较差；色彩型编码靶标增加了颜色信息，编码容量增大的同时，也增加了识别的复杂度和算法耗时。上述这些编码靶标不能兼顾大范围、高精度及高可靠性等优点，因此设计一款能实现大范围检测要求、测量精度高且具有高可靠性的编码靶标具有重大意义。
3.而且，传统的图像拼接方法主要有利用傅里叶变换的相位相关法等基于频域的方法及基于特征点描述及匹配等时域方法，利用傅里叶变换的相位相关法是基于傅立叶变换的位移定理：一个平移过的函数的傅立叶变换仅仅是未平移函数的傅立叶变换与一个具有线性相位的指数因子的乘积，即空间域中的平移会造成频域中频谱的相移，从而图像可以看作是离散的二维函数来求解变换参数完成拼接；
4.基于特征点描述及匹配的主要流程有：1)特征点的提取；2)特征点的描述：生成描述子；3)根据拼接图像与待拼接图像中特征点的描述子进行匹配，一般为左右图像中描述子欧式距离最近的一对特征点，作为一对匹配对；
5.4)剔除错误匹配的特征点对：根据配准模型采用随机采用一致性进行迭代，剔除错误点对，提取在一定小误差范围内满足模型的点对；迭代的最佳配准模型的参数作为最终配准参数进行拼接。
6.上述这些方法的拼接精度主要依赖于算法本身，在大范围拼接过程中容易产生误差的累计，导致拼接出现错位等问题。


技术实现要素：

7.本发明的第一个目的在于提出一种平面编码靶标，可实现大面积编码和定位功能，以克服现有技术中的不足之处。
8.本发明的第二个目的在于提出一种应用平面编码靶标的图像拼接系统，能解决因拼接位置识别错误导致的拼接错误和误差累计问题，实现大范围、高精度和耗时短的二维图像拼接。
9.本发明的第三个目的在于提出一种应用平面编码靶标的图像拼接方法，能解决因
拼接位置识别错误导致的拼接错误和误差累计问题，实现大范围、高精度和耗时短的二维图像拼接。
10.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
11.一种平面编码靶标，包括多个呈阵列分布的编码单元，所述编码单元包括一个中心编码点、多个平常编码点和至少一个定位点，以所述中心编码点为圆心和r为构造半径构造所述编码单元的圆形编码区域，各个所述平常编码点位于所述圆形编码区域的内部或边缘；
12.所述中心编码点和其相邻的任意两个平常编码点构成定位区域，相邻的任意三个平常编码点构成编码子区域，所述编码子区域和定位区域为面积相等的等边三角形，所述定位点位于所述定位区域，且每个所述定位区域只允许存在一个所述定位点；当所述编码单元只有一个所述定位点时，所述定位点不能在所述定位区域的重心位置；
13.所述编码单元的编码单元坐标系为以所述中心编码点为原点，向所述中心编码点相邻的其中一个平常编码点的方向为x轴，垂直于所述x轴的方向为y轴；所述中心编码点和所述平常编码点均设有编码点图案，通过在所述中心编码点和所述平常编码点上设置不同的所述编码点图案进行编码，各种所述编码点图案具有互不相同且唯一的编码数值，所述中心编码点和所述平常编码点均具有互不相同且唯一的编码序号；所述定位点的定位点分布样式用于确定所述中心编码点和所述平常编码点在所述编码单元坐标系的坐标；
14.所述编码单元按照所述编码点序号依次获取所述中心编码点和所述平常编码点上的编码点图案的编码数值，生成所述编码单元的编码数值序列，各个所述编码单元编码数值序列互不相同且唯一。
15.优选地，所述的一种平面编码靶标的二维图像拼接系统，包括数据处理装置、第一图像采集装置、第二图像采集装置、采集装置连接支架、第一xy运动平台、所述平面编码靶标、编码靶标固定基座、第二xy运动平台和被测物固定基座；所述第一图像采集装置通过所述采集装置连接支架和第二图像采集装置连接，所述采集装置连接支架和所述第一xy运动平台连接，所述第一xy运动平台驱动所述采集装置连接支架运动，所述第一图像采集装置和第二图像采集装置分别通过数据传输线和所述数据处理装置通信连接；
16.所述平面编码靶标覆盖整个所述编码靶标固定基座的上表面，所述被测物固定基座的上表面用于放置并固定被测物，所述编码靶标固定基座和所述被测物固定基座均固定于所述第二xy运动平台，所述第二xy运动平台驱动所述编码靶标固定基座和所述被测物固定基座同步运动，所述第二xy运动平台位于所述第一xy运动平台的下方；
17.所述第一图像采集装置的光轴方向和所述第二图像采集装置的光轴方向平行，且所述第一图像采集装置的光轴方向垂直指向所述编码靶标固定基座的上表面，所述第二图像采集装置的光轴方向垂直指向所述被测物固定基座的上表面；所述第一xy运动平台的运动平面和所述第一图像采集装置的光轴方向相垂直；所述第二xy运动平台的运动平面、所述第一xy运动平台的运动平面、所述编码靶标固定基座的上表面和所述被测物固定基座的上表面相互平行。
18.优选地，所述一种平面编码靶标的二维图像拼接系统的拼接方法，包括以下步骤：
19.靶标生成步骤，所述数据处理装置根据测量场合的要求，生成对应的所述平面编码靶标并将所述平面编码靶标设置于所述编码靶标固定基座的上表面；
20.坐标系建立步骤，所述数据处理装置分别建立所述第二xy运动平台的第二xy运动平台坐标系o
p-x
pyp
，所述第一xy运动平台的第一xy运动平台坐标系o
′
p-x
′
py′
p
，所述平面编码靶标的平面编码靶标坐标系o
t-x
tyt
，所述第一图像采集装置采集的第一图像的第一图像坐标系o-u
1v1
，所述第二图像采集装置采集的第二图像的第二图像坐标系o-u
2v2
，和储存图像拼接所需的拼接图像坐标系；
21.拼接原点设定步骤，通过所述第一xy运动平台和第二xy运动平台的运动将所述第一图像采集装置的视场移动至所述平面编码靶标的左下角区域，然后同时触发所述第一图像采集装置和所述第二图像采集装置采集图像，采集到的第一张所述第一图像和第一张所述第二图像构成第1次采集图像对，所述第一图像需包含至少一个所述编码单元的图案，然后计算所述第1次采集图像对中的第一图像的图像中心位于所述平面编码靶标坐标系o
t-x
tyt
的坐标(x
′0,y
′0)，并将所述第1次采集图像对中的第二图像置于所述拼接图像坐标系的原点处；
22.拼接步骤，所述第一xy运动平台和第二xy运动平台配合进行步进扫描，同时触发所述第一图像采集装置和所述第二图像采集装置采集图像，获得第i次采集图像对，i》1，且i∈z，然后计算所述第i次采集图像对中的第一图像的图像中心位于所述平面编码靶标坐标系o
t-x
tyt
的坐标(x
′i,y
′i)，将所述坐标(x
′i,y
′i)转换成第i次采集图像对中的第二图像的位于所述拼接图像坐标系的坐标(x
″i,y
″i)，根据所述坐标(x
″i,y
″i)将所述第i次采集图像对中的第二图像拼接至所述拼接图像坐标系的坐标(x
″i,y
″i)处；
23.判断步骤，判断当前已拼接区域是否达到需拼接范围：
24.若是则完成拼接；否则更新i＝i 1，重复执行所述拼接步骤直至当前已拼接区域达到需拼接范围为止。
25.本技术实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
26.所述平面编码靶标由许多编码信息互不相同的编码单元阵列组成。每个编码单元由若干个编码点图案和定位点图案组成。所述编码子区域和定位区域为面积相等的等边三角形，从而互相成60
°
分布，有利于解码，而且只要定位到任意一个编码子区域或定位区域的中心编码点或平常编码点，就可以遍历其他平常编码点；所述定位点位于所述定位区域，可以很好地识别筛选出来。
27.应用所述平面编码靶标的二维图像拼接系统及其方法，利用左右分布的第一图像采集装置和第二图像采集装置，通过第一图像采集装置对所述平面编码靶标的编码图案进行采集，然后解算出所采集的第一图像位于平面编码靶标的具体位置，实现绝对位置测量功能；利用第一图像采集装置的位置测量功能指导第二图像采集装置采集的第二图像进行拼接，该二维图像拼接系统可以利用大范围的平面编码靶标实现大面积拼接；并且，平面编码靶标的编码单元带校验信息，有效解决位置识别错误导致拼接错误的问题；而且，系统耗时主要集中在所述平面编码靶标的编码图案解算位置上且该部分耗时也较短；因此该图像拼接系统及其方法能实现大范围、高精度和耗时短的二维图像拼接。
附图说明
28.图1是本发明其中一个实施例的编码单元结构示意图。
29.图2(a)、2(b)是本发明其中一个实施例的不能并存的两种定位点分布样式示意
图；
30.图3是本发明其中一个实施例的不符合要求的不能作为定位点分布样式的编码单元结构示意图；
31.图4是本发明其中一个实施例的含两个定位点图案的定位点分布样式示意图；
32.图5(a)、5(b)、5(c)是本发明其中一个实施例的含三个定位点图案的定位点分布样式示意图；
33.图6(a)、6(b)是本发明其中一个实施例的含四个定位点图案的定位点分布样式示意图；
34.图7是本发明其中一个实施例的含五个定位点图案的定位点分布样式示意图；
35.图8是本发明其中一个实施例的平面编码靶标一种拓展图案示意图；
36.图9是本发明其中一个实施例的平面编码靶标另一种拓展图案示意图；
37.图10是本发明其中一个实施例的数值序列容器的结构示意图。
38.图11是本发明其中一个实施例的夹角β1和β2的标定示意图。
39.图12是本发明其中一个实施例的应用平面编码靶标的图像拼接系统的结构示意图。
40.图13是本发明其中一个实施例的应用平面编码靶标的图像拼接系统的拼接流程图。
41.图14是本发明其中一个实施例的平面编码靶标的生成流程图。
42.其中：编码单元1；中心编码点11；平常编码点12；定位点13；数值序列容器2；数据处理装置3；第一图像采集装置4；第二图像采集装置5；采集装置连接支架6；第一xy运动平台7；平面编码靶标8；编码靶标固定基座9；第二xy运动平台10；被测物固定基座11；数据传输线12；第一照明装置13；被测物14；底部照明装置15；第一图像41；第二图像51。
具体实施方式
43.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
44.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，用于区别描述特征，无顺序之分，无轻重之分。
45.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
46.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
47.本技术方案提供了一种平面编码靶标8，如图1、图8和图9所示，包括多个呈阵列分
布的编码单元1，所述编码单元1包括一个中心编码点11、多个平常编码点12和至少一个定位点13，以所述中心编码点11为圆心和r为构造半径构造所述编码单元1的圆形编码区域，各个所述平常编码点12位于所述圆形编码区域的内部或边缘；
48.所述中心编码点11和其相邻的任意两个平常编码点12构成定位区域，相邻的任意三个平常编码点12构成编码子区域，所述编码子区域和定位区域为面积相等的等边三角形，所述定位点13位于所述定位区域，且每个所述定位区域只允许存在一个所述定位点13；当所述编码单元1只有一个所述定位点13时，所述定位点13不能在所述定位区域的重心位置；
49.所述编码单元1的编码单元坐标系为以所述中心编码点11为原点，向所述中心编码点11相邻的其中一个平常编码点12的方向为x轴，垂直于所述x轴的方向为y轴；
50.所述中心编码点11和所述平常编码点12均设有编码点图案，通过在所述中心编码点11和所述平常编码点12上设置不同的所述编码点图案进行编码，各种所述编码点图案具有互不相同且唯一的编码数值，所述中心编码点11和所述平常编码点12均具有互不相同且唯一的编码序号；
51.所述定位点13的定位点分布样式用于确定所述中心编码点11和所述平常编码点12在所述编码单元坐标系的坐标；
52.所述编码单元1按照所述编码点序号依次获取所述中心编码点11和所述平常编码点12上的编码点图案的编码数值，生成所述编码单元1的编码数值序列，各个所述编码单元1编码数值序列互不相同且唯一。
53.所述平面编码靶标8由许多编码信息互不相同的编码单元1阵列组成。每个编码单元1由若干个编码点图案和定位点图案组成。
54.每个编码单元1拥有一个中心编码点11；围绕中心编码点11规则分布着其他编码点即平常编码点12；包括中心编码点11在内，任意三个互相相邻的编码点之间呈现等边三角形分布，分别形成所述编码子区域和定位区域，所述等边三角形的边长为l。
55.以中心编码点11为圆心，构造半径为r(r≥l)进行构造编码单元1上的平常编码点12，位于同一个所述圆形编码区域的内部或边缘的中心编码点11和平常编码点12均属于同一个编码单元1。编码单元1设置所述构造半径，使得其编码容量大小可选择，编码比较灵活。
56.所述编码子区域和定位区域为面积相等的等边三角形，从而互相成60
°
分布，有利于解码，而且只要定位到任意一个编码子区域或定位区域的中心编码点11或平常编码点12，就可以遍历其他平常编码点12；所述定位点13位于所述定位区域，可以很好地识别筛选出来。
57.优选地，所述编码单元1按照预设的采样顺序，给所述中心编码点11和每个所述平常编码点12分别标上唯一的编码序号，所述编码序号分别为0～k-1，其中k为所述中心编码点11和所述平常编码点12的数量总和；
58.所述编码点图案的编码数值的取值分别为0、1、
…
、n-2、n-1，n为所述编码点图案的种类数量；
59.所述编码单元1按照所述编码点序号依次获取所述中心编码点11和所述平常编码点12上的编码点图案的编码数值分别为v0、v1、
…
、v
k-2
、v
k-1
，生成所述编码单元1的编码数值
序列［v0,v1,
…
,v
k-2
,v
k-1
］。
60.优选地，所述定位点分布样式设有m种，设置所述定位点分布样式的序号分别为0、1、
…
、m-2、m-1，第m种的定位点分布样式所含的定位点13的个数为k
′m，其中0≤m≤m-1,1≤k
′m≤6,m∈z,k
′m∈z；
61.从所述编码单元坐标系的x轴开始顺时钟给定位点13编号，得到所述定位点13的定位点编号分别为0～k
′
m-1；
62.所述定位点13设有相同的定位点图案或不完全相同的定位点图案；
63.当所述编码单元1的定位点13的定位点图案完全相同时，所述定位点图案用于确定所述中心编码点11和所述编码单元坐标系；
64.当所述编码单元1的定位点13的定位点图案不完全相同时，定义所述定位点13的定位点图案的种类数量为n
′
种，为每种所述定位点图案赋予唯一的图案编号，所述图案编号的取值范围为0、1、
…
、n
′‑
2、n
′‑
1；
65.每个所述定位点13的校验数值为：
[0066][0067]
其中，ck为定位点编号为k的定位点的校验数值，生成所述编码单元1的校验数值序列为vi是所述编码单元1的编码数值序列［v0,v1,
…
,v
k-2
,v
k-1
］中的每一项，％为数学上求余符号,［
·
］为数学上取整符号；
[0068]
且当n
′
＝1时，定位点13只用于定位所述中心编码点11和所述编码单元坐标系；即首先将编码数值序列的数值相加进行混合，将编码数值序列数值混合起来得到一个数值；再除以种类数量的不同次幂，分梯度取余数作为校验数值。
[0069]
所述编码单元1的校验数值序列用于在识别阶段，对采集的所述编码单元1的编码数值序列进行校验。
[0070]
在中心编码点11的周围存在6个所述定位区域。不同的编码单元1的定位点13的个数和分布位置可以采用相同形式，也可以采用不同形式。定位点13相对于中心编码点11的分布样式可以预先设定好；在编码点图案生成过程中，每个编码单元1选取预先设定好的一种定位点分布样式进行该部分图案的生成。
[0071]
不同的定位点分布样式均能利用所含定位点13的分布情况将中心编码点11与该编码单元1的平常编码点12区别开来；可以借助定位点13的分布情况唯一确定编码单元1的中心编码点11及其编码单元坐标系。每个定位点图案可以采用统一的图案，只用于定位中心编码点11及其编码单元坐标系；也可以通过对定位点图案的形状及大小进行编码，作为编码信息(即编码数值序列)的校验数值。通过对编码信息的校验，提高了平面编码靶标8的可靠性，避免了错误识别对测量结果的影响，增加安全性。
[0072]
但当所述编码单元1只有一个所述定位点13时，所述定位点13不能在所述定位区域的重心位置，因为不能将中心编码点11与其相连的另外平常编码点12区分开来。
[0073]
每个编码单元1可以采用定位点分布样式中的某种样式进行定位点13的定位点图案的生成；每种定位点分布样式均能通过定位点13的分布情况唯一确定编码单元1的中心
编码点13及编码单元坐标系；不同种的定位点分布样式有较好的区分性；具体说明如下：
[0074]
1、绕中心编码点11旋转后能重叠的两个定位点分布样式不能并存。因为虽然能定位出中心编码点11，但不能唯一确定编码单元坐标系，如图2(a)、图2(b)所示，在平面编码靶标8旋转后，不能唯一确定编码单元坐标系，即识别阶段不知道对应到哪个定位点分布样式；因此，图2(a)、图2(b)所示的这两种定位点分布样式不能并存于定位点分布样式种类中，只可选择其中一个定位点分布样式。(定位点13均在定位区域重心位置)。
[0075]
2、绕中心编码点11旋转后自身能重叠的定位点分布样式，不能满足唯一确定编码单元坐标系的要求，不能作为定位点分布样式。如图3所示，自身旋转重叠；平面编码靶标8旋转后，不能唯一确定编码单元坐标系，即识别阶段不能唯一确定该编码单元坐标系，从而不能确定平常编码点12的序号以及得到编码数值序列及校验数值序列，因此不符合要求，无法作为定位点分布样式。(定位点13均在定位区域重心位置)。
[0076]
图4至图7所示为定位点分布样式举例，可知定位点分布样式中，每个定位点13都在所在定位区域(呈等边三角形)的重心位置的定位点分布样式。当然定位点13也可以不在所在定位区域(呈等边三角形)的重心位置，只要满足定位点分布样式中定位点13的分布情况能唯一确定编码单元1的中心编码点11及编码单元坐标系，以及满足不同种定位点分布样式之间在平面编码靶标8旋转后也能较好区分开来，这里不再举例。
[0077]
优选地，如图8所示，所述平面编码靶标8的编码图案是以生成的第一个所述编码单元1的编码单元坐标系为基准坐标，通过不断向邻近未编码区域拓展多个所述编码单元1来扩大编码区域的；
[0078]
在所述平面编码靶标8的编码图案中，每个所述编码单元1的编码单元坐标系的x轴朝向相同且相互平行，每个所述编码单元1的编码单元坐标系的y轴朝向相同且相互平行；
[0079]
如图10所示，还包括数值序列容器2，所述数值序列容器2记录拓展的编码单元1在所述基准坐标系上的坐标及其编码数值序列，所述数值序列容器2包含多条记录，每一条所述记录储存一个编码单元1的在所述基准坐标系上的坐标、编码数值序列、定位点分布样式的序号和校验数值序列。
[0080]
平面编码靶标8由许多编码数值序列互不相同的编码单元11阵列组成。编码图案以生成的第一个编码单元1的编码单元坐标系为基准坐标；通过不断向邻近未编码区域拓展多个所述编码单元1来扩大编码区域，同时记录拓展的编码单元1在基准坐标系上的坐标以及编码数值序列，将在所述基准坐标系上的坐标、编码数值序列、定位点分布样式的序号和校验数值序列储存于数值序列容器2中，作为一条记录。每一条记录对应着一个编码单元1的信息，以便于后续的定位和查找。
[0081]
拓展的方式可以使得平面编码靶标8中每个编码单元1的中心编码点11呈现等间距阵列分布，如图8所示，也可以使得编码图案中的所有编码点图案呈现列方向交错的阵列分布形式，如图9所示，使得平面编码靶标8的图案紧凑，不存在较大的未编码区域。
[0082]
优选地，所述编码点图案和定位点图案均为几何形状，各种所述编码点图案之间在至少一个差异属性上存在不同，各种所述定位点图案之间也在至少一个差异属性上存在不同，所述差异属性包括形状、尺寸、颜色和透明度；
[0083]
所述编码子区域的边长和所述定位区域的边长均为l，且所述边长l不大于所述构
造半径r；
[0084]
不同的所述编码单元1的定位点分布样式相同或不同，不同的所述定位点分布样式之间在定位点13相对于中心编码点11的分布位置不同，不同的所述定位点分布样式的定位点13的数量相同或不同。
[0085]
编码点图案形状可以是圆、椭圆、圆环、三角形、四边形等易于识别的几何形状。在编码点图案中，只要在形状、尺寸、颜色、透明度等能够区别差异性的差异属性上有一项不相同就可以看作是不一样的编码点图案。例如，不同尺寸大小的圆、同一尺寸大小不同灰阶的圆、同一尺寸大小不同颜色的圆、同一尺寸大小不同透明度的圆都是不同的编码点图案。
[0086]
优选地，所述一种平面编码靶标8的二维图像拼接系统，如图11所示，包括数据处理装置3、第一图像采集装置4、第二图像采集装置5、采集装置连接支架6、第一xy运动平台7、所述平面编码靶标8、编码靶标固定基座9、第二xy运动平台10和被测物固定基座11；
[0087]
所述第一图像采集装置4通过所述采集装置连接支架6和第二图像采集装置5连接，所述采集装置连接支架6和所述第一xy运动平台7连接，所述第一xy运动平台7驱动所述采集装置连接支架6运动，所述第一图像采集装置4和第二图像采集装置5分别通过数据传输线12和所述数据处理装置3通信连接；
[0088]
所述平面编码靶标8覆盖整个所述编码靶标固定基座9的上表面，所述被测物固定基座11的上表面用于放置并固定被测物14，所述编码靶标固定基座9和所述被测物固定基座11均固定于所述第二xy运动平台10，所述第二xy运动平台10驱动所述编码靶标固定基座9和所述被测物固定基座11同步运动，所述第二xy运动平台10位于所述第一xy运动平台7的下方；
[0089]
所述第一图像采集装置4的光轴方向和所述第二图像采集装置5的光轴方向平行，且所述第一图像采集装置4的光轴方向垂直指向所述编码靶标固定基座9的上表面，所述第二图像采集装置5的光轴方向垂直指向所述被测物固定基座11的上表面；
[0090]
所述第一xy运动平台7的运动平面和所述第一图像采集装置4的光轴方向相垂直；所述第二xy运动平台10的运动平面、所述第一xy运动平台7的运动平面、所述编码靶标固定基座9的上表面和所述被测物固定基座11的上表面相互平行。
[0091]
所述应用所述平面编码靶标8的二维图像拼接系统，利用左右分布的第一图像采集装置4和第二图像采集装置5，通过第一图像采集装置4对所述平面编码靶标8的编码图案进行采集，然后解算出所采集的第一图像41位于平面编码靶标8的具体位置，实现绝对位置测量功能；利用第一图像采集装置4的位置测量功能指导第二图像采集装置5采集的第二图像51进行拼接，该二维图像拼接系统可以利用大范围的平面编码靶标8实现大面积拼接；并且，平面编码靶标8的编码单元1带校验信息，有效解决位置识别错误导致拼接错误的问题；而且，系统耗时主要集中在所述平面编码靶标8的编码图案解算位置上且该部分耗时也较短；因此该图像拼接系统及其方法能实现大范围、高精度和耗时短的二维图像拼接。
[0092]
数据处理装置3一般为具有数据处理功能的微机、计算机等，通过数据传输线12分别与所述第一图像采集装置4和第二图像采集装置5；数据处理装置1发送采集指令控制所述第一图像采集装置4和第二图像采集装置5，并接收两者采集的图像。所述第一图像采集装置4和第二图像采集装置5一般为相机搭配光学镜头构成。
[0093]
所述第二xy运动平台10具有调平装置，所述调平装置用于调平所述编码靶标固定
基座9和所述被测物固定基座11，使所述编码靶标固定基座9的上表面和所述被测物固定基座11的上表面平行于所述第二xy运动平台10。
[0094]
平面编码靶标8可以在不易变形的硬质材质的编码靶标固定基座9上通过激光打标、刻蚀、印刷或粘贴编码图案等方式制成；如：在陶瓷或玻璃材质的编码靶标固定基座9上通过激光打标编码图案。
[0095]
所述二维图像拼接系统可以采用自然光照明、顶部照明及底部照明方式；根据测量环境及被测物不同，可以采用不同的照明方式。自然光不需要额外的光源照明，在照明均匀等良好的光环境下适用；顶部照明需要设置第一照明装置13，第一照明装置13分别沿第一图像采集装置4和第二图像采集装置5的光轴方向对平面编码靶标8或被测物14进行照明，第一照明装置13采用的照明光源可以有环形光源、面光源或同轴光源等；底部照明需要设置底部照明装置15，所述底部照明装置15分别安装于编码靶标固定基座9和被测物固定基座11的底部，所述底部照明装置15可以采用荧光板、背光板等，底部照明方式要求编码靶标固定基座9及被测物固定基座11具有一定的透光性，并且两者的底部留有足够空间安装所述底部照明装置15。
[0096]
优选地，所述的一种平面编码靶标8的二维图像拼接系统的拼接方法，如图13所示，包括以下步骤：靶标生成步骤，所述数据处理装置3根据测量场合的要求，生成对应的所述平面编码靶标8并将所述平面编码靶标8设置于所述编码靶标固定基座9的上表面；
[0097]
坐标系建立步骤，所述数据处理装置3分别建立所述第二xy运动平台10的第二xy运动平台坐标系o
p-x
pyp
，所述第一xy运动平台7的第一xy运动平台坐标系o
′
p-x
′
py′
p
，所述平面编码靶标8的平面编码靶标坐标系o
t-x
tyt
，所述第一图像采集装置4采集的第一图像41的第一图像坐标系o-u
1v1
，所述第二图像采集装置5采集的第二图像51的第二图像坐标系o-u
2v2
，和储存图像拼接所需的拼接图像坐标系；这些二维坐标系平面均互相平行。
[0098]
拼接原点设定步骤，通过所述第一xy运动平台7和第二xy运动平台10的运动将所述第一图像采集装置4的视场移动至所述平面编码靶标8的左下角区域，然后同时触发所述第一图像采集装置4和所述第二图像采集装置5采集图像，采集到的第一张所述第一图像41和第一张所述第二图像51构成第1次采集图像对，所述第一图像41需包含至少一个所述编码单元1的图案，然后计算所述第1次采集图像对中的第一图像41的图像中心位于所述平面编码靶标坐标系o
t-x
tyt
的坐标(x
′0,y
′0)，并将所述第1次采集图像对中的第二图像51置于所述拼接图像坐标系的原点处；
[0099]
第一次采集后，需要确定下来拼接图像的原点；第1次采集图像对中(即i＝0时)，第一图像采集装置4的第一次采集确定了在所述平面编码靶标坐标系o
t-x
tyt
的初始位置，之后减去坐标(x
′0,y
′0)，可得到移动量；第二图像采集装置5利用第一图像采集装置4的信息进行拼接，第二图像采集装置5的第一次采集也需要确定原点，将所述第1次采集图像对中的第二图像51的中心作为拼接的原点，之后的采集图像对计算出的(x
″i,y
″i)是相对于拼接图像坐标系原点的坐标。
[0100]
拼接步骤，所述第一xy运动平台7和第二xy运动平台10配合进行步进扫描，同时触发所述第一图像采集装置4和所述第二图像采集装置5采集图像，获得第i次采集图像对，i》1，且i∈z，然后计算所述第i次采集图像对中的第一图像41的图像中心位于所述平面编码靶标坐标系o
t-x
tyt
的坐标(x
′i,y
′i)，将所述坐标(x
′i,y
′i)转换成第i次采集图像对中的第
二图像51的位于所述拼接图像坐标系的坐标(x
″i,y
″i)，根据所述坐标(x
″i,y
″i)将所述第i次采集图像对中的第二图像51拼接至所述拼接图像坐标系的坐标(x
″i,y
″i)处；
[0101]
判断步骤，判断当前已拼接区域是否达到需拼接范围：若是则完成拼接；
[0102]
否则更新i＝i 1，重复执行所述拼接步骤直至当前已拼接区域达到需拼接范围为止。
[0103]
应用所述平面编码靶标8的二维图像拼接系统的拼接方法中，由于第一图像采集装置4和第二图像采集装置5固定连接，它们之间没有相对的移动；编码靶标固定基座9和被测物固定基座11固定连接在第二xy运动平台10上，也没有相对的移动；因此，第一图像采集装置4观测平面编码靶标8的运动量等同于第一图像采集装置4观测被测物14的移动量。由于采用的平面编码靶标8作为第一图像采集装置4的观测对象，只要第一图像采集装置4的采集区域能覆盖一个编码单元1的图案，就可以实时得到所采集的第一图像41在平面编码靶标坐标系o
t-x
tyt
上的位置。通过同时触发所述第一图像采集装置4和所述第二图像采集装置5采集图像，就可以利用所述第一图像采集装置4的观测信息指导所述第二图像采集装置5进行图像拼接，从而可以利用大范围的平面编码靶标8实现大面积拼接；而且，平面编码靶标8的编码单元1带校验信息，有效解决位置识别错误导致拼接错误的问题，实现大范围、高精度和耗时短的二维图像拼接。所述拼接原点设定步骤中，通过第一xy运动平台7和第二xy运动平台10配合驱动，不仅限于第一xy运动平台7或第二xy运动平台10驱动，也可为第一xy运动平台7和第二xy运动平台10同时驱动，只要能使得所述第一图像采集装置4的视场移动至所述平面编码靶标8的左下角区域即可；同理，所述拼接步骤通过第一xy运动平台7和第二xy运动平台10配合驱动，不仅限于第一xy运动平台7或第二xy运动平台10驱动，也可为第一xy运动平台7和第二xy运动平台10同时驱动，只要能实现步进扫描即可。
[0104]
优选地，所述坐标系建立步骤和所述拼接原点设定步骤之间还包括安装偏差校正步骤：
[0105]
步骤a1，通过所述第一xy运动平台和第二xy运动平台的运动带动所述编码靶标固定基座9移动至所述第一图像采集装置4的视场下，所述第一图像采集装置4采集所述平面编码靶标8的第一图像41作为第一校正图像；通过第一xy运动平台7和第二xy运动平台10配合驱动，不仅限于第一xy运动平台7或第二xy运动平台10驱动，也可为第一xy运动平台7和第二xy运动平台10同时驱动，只要能带动所述编码靶标固定基座9移动至所述第一图像采集装置4的视场下即可。
[0106]
步骤a2，通过所述第二xy运动平台10带动所述编码靶标固定基座9移动至所述第二图像采集装置5的视场下，所述第二图像采集装置5采集所述平面编码靶标8的第二图像51作为第二校正图像；
[0107]
步骤a3，所述数据处理装置3提取所述第一校正图像中某一个编码单元1在数值序列容器2的记录，建立所述第一校正图像的第一校正图像坐标系；和提取所述第二校正图像中某一个编码单元1在数值序列容器2的记录，建立所述第二校正图像的第二校正图像坐标系；
[0108]
步骤a4，所述数据处理装置3计算出所述第一校正图像坐标系和所述平面编码靶标坐标系o
t-x
tyt
之间的夹角β1，和所述第二校正图像坐标系和所述平面编码靶标坐标系o
t-x
tyt
之间的夹角β2；
[0109]
步骤a5，通过采集第一校正图像上的某一个编码单元1的中心编码点11或平常编码点12的像素坐标以及实际的物理坐标对第一图像采集装置4进行标定，获得所述第一图像采集装置4的比例尺ρ1；和通过采集第二校正图像上的某一个编码单元1的中心编码点11或平常编码点12的像素坐标以及实际的物理坐标对第二图像采集装置5进行标定，获得所述第二图像采集装置5的比例尺ρ2。
[0110]
考虑所述二维图像拼接系统在安装过程中的安装偏差，第一图像坐标系o-u
1v1
和第二图像坐标系o-u
2v2
均于平面编码靶标坐标系o
t-x
tyt
存在一定的夹角，如图12所示，分别为β1和β2；通过采集第一校正图像和第二校正图像，提取第一校正图像或第二校正图像中编码单元1的定位点13与中心编码点11的分布情况确定编码单元坐标系，就可以得到所述第一校正图像坐标系和所述平面编码靶标坐标系o
t-x
tyt
之间的夹角β1，和所述第二校正图像坐标系和所述平面编码靶标坐标系o
t-x
tyt
之间的夹角β2。
[0111]
在进行拼接前，标定出夹角β1和β2，和获取第一图像采集装置4和第二图像采集装置5的比例尺分别为ρ1和ρ2，可提高拼接的精准度，避免位置识别错误导致拼接错误的发生。
[0112]
优选地，所述拼接步骤和判断步骤具体为：
[0113]
步骤b1，所述第一xy运动平台7进行步进扫描，需保证第二图像采集装置5运动前后采集的第二图像51相互之间具有一定的重叠度；步进扫描是为了实现大范围拼接，重叠度指的是重叠的占比，考虑到效率，重叠度在10％以下即可。重叠度是为了有重叠区域，可以在接缝处做图像融合，提高拼接效果。
[0114]
步骤b2，同时触发所述第一图像采集装置4和所述第二图像采集装置5采集图像，获得第i次采集图像对，i》1，且i∈z；
[0115]
步骤b3，所述数据处理装置3提取所述第i次采集图像对中的第一图像41中某一个编码单元1的中心编码点11在第一图像坐标系o-u
1v1
的坐标(ui,vi)，和提取该编码单元1在数值序列容器2的记录，得到该编码单元1在平面编码靶标坐标系o
t-x
tyt
的坐标(xi,yi)；由于第一图像采集装置4每次采集均能从平面编码靶标8上采集一个完整的编码单元1的图案，从而可通过在编码过程生成的数值序列容器2中查询可以得到该编码单元1平面编码靶标坐标系o
t-x
tyt
的坐标(xi,yi)。
[0116]
计算所述第i次采集图像对中的第一图像41的图像中心位于所述平面编码靶标坐标系o
t-x
tyt
的坐标(x
′i,y
′i)为：
[0117][0118]
步骤b4，计算第i次采集图像对中的第二图像51的位于所述拼接图像坐标系的坐标(x
″i,y
″i)为：
[0119][0120]
步骤b5，根据所述坐标(x
″i,y
″i)将所述第i次采集图像对中的第二图像51拼接至所述拼接图像坐标系的坐标(x
″i,y
″i)处；由于拼接过程只需要计算第一图像采集装置4采集的第一图像41的位置信息，通过步骤b4的转化就可以得到被测物图像即第二图像51的拼接参数，具有较强的实时性。
[0121]
步骤b6，判断当前已拼接区域是否达到需拼接范围：
[0122]
若是则完成拼接；
[0123]
否则更新i＝i 1，重复执行所述步骤b2至b5直至当前已拼接区域达到需拼接范围为止。
[0124]
需要说明的是，在第一图像41解算其在平面编码靶标坐标系o
t-x
tyt
的坐标(x
′i,y
′i)过程中，在获得编码数值序列后，根据校验数值序列进行校验，判定识别正确性。
[0125]
所述需拼接范围为指定拼接区域，具体为判断xy扫描的行数及列数是否满足要求，该行数和列数的设定能覆盖所述需拼接范围。
[0126]
优选地，如图14所示，所述靶标生成步骤具体包括：
[0127]
步骤c1，确定所述编码子区域和定位区域的边长l、构造半径r、编码点图案的种类、定位点图案的种类和定位点分布样式；
[0128]
步骤c2，根据构造半径r，构造所述中心编码点11和每个所述平常编码点12于所述编码单元1的分布，按照预设的采样顺序，给所述中心编码点11和每个所述平常编码点12分别标上唯一的编码序号；
[0129]
步骤c3，选定定位点分布样式为序号第m0种，生成第一个所述编码单元1，并获取第一个所述编码单元1的编码数值序列[v
0，0
,v
0，1
,
…
,v
0，k-2
,v
0，k-1
]和校验数值序列并将平面编码靶标坐标系o
t-x
tyt
的基准坐标设置于第一个所述编码单元1的编码单元坐标系；
[0130]
步骤c4，所述数值序列容器2记录并储存第一个所述编码单元1的在所述平面编码靶标坐标系o
t-x
tyt
上的坐标(x0,y0)、编码数值序列[v
0，0
,v
0，1
,
…
,v
0，k-2
,v
0，k-1
]、定位点分布样式的序号m0和校验数值序列然后根据选定的编码点图案的种类和定位点图案的种类绘制第一个所述编码单元1的图案；
[0131]
步骤c5，向邻近未编码区域拓展其他编码单元1来扩大编码区域，并选定定位点分布样式为序号第mn种，0≤mn≤m-1；
[0132]
步骤c6，为新拓展的编码单元1的中心编码点11和每个所述平常编码点12分别生成对应的编码数值，形成新拓展的编码单元1的编码数值序列[v
n，0
,v
n，1
,
…
,v
n，k-2
,v
n，k-1
]；
[0133]
步骤c7，检测编码数值序列[v
n，0
,v
n，1
,
…
,v
n，k-2
,v
n，k-1
]在数值序列容器2中是否唯一：
[0134]
是则执行步骤c8，否则重新执行所述步骤c6；
[0135]
步骤c8，计算新拓展的编码单元1的校验数值序列然后所述数值序列容器2记录并储存新拓展的编码单元1的在所述平面编码靶标坐标系o
t-x
tyt
上的坐标(xn,yn)、编码数值序列[v
n，0
,v
n，1
,
…
,v
n，k-2
,v
n，k-1
]、定位点分布样式的序号mn和校验数值序列然后根据选定的编码点图案的种类和定位点图案的种类绘制新拓展的编码单元1的图案；
[0136]
步骤c9，检测当前所有编码单元1的覆盖范围是否达到所述平面编码靶标8的需编
码范围：
[0137]
若不是则更新n＝n 1，并重新执行步骤c5至步骤c8；
[0138]
若是则完成所述靶标生成步骤。
[0139]
所述步骤c9中所述平面编码靶标8的需编码范围一般是指面积；在具体编码时，每个编码单元1有尺寸大小，然后最后确定需要多大范围的平面编码靶标8，针对矩形区域的话，确定需编码范围的面积的长、宽分别是多少即可。
[0140]
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的保护范围之内。