自動目標(biāo)識別的全站儀的工作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種全站儀是一種基于CMOS影像傳感器的自動目標(biāo)識別的全站儀工 作方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 全站儀的出現(xiàn)使大地測量全站儀從光學(xué)時代進(jìn)入了電子時代，隨著全站儀的成本 不斷降低，大面積的普及，人們在追求更高的要求：目前的全站儀在實際使用時仍然需要2 人及2人以上來完成，在人工成本日益高漲的今天，研究一種可以實現(xiàn)單人操作自動識別 目標(biāo)的伺服全站儀有其重要的實際意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種可靠性和精度較高的自動目標(biāo)識別的全站 儀的工作方法。
[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的全站儀的工作方法，包括：計算機(jī)通過驅(qū)動器控制 激光器產(chǎn)生激光，并通過發(fā)射光纖、準(zhǔn)直透鏡，將激光壓縮成一束準(zhǔn)直光，通過反射元件，物 鏡形成一道平行光，發(fā)射出去，遇到目標(biāo)棱鏡反射回來經(jīng)物鏡，分光棱鏡后回到圖像傳感器 上，再經(jīng)過CMOS影像傳感器拍下一張含有反射光的目標(biāo)影像，并傳送至計算機(jī)；計算機(jī)通 過驅(qū)動器關(guān)閉激光器，計算機(jī)通過CMOS影像傳感器獲得一張不含反射光的背景影像，即無 目標(biāo)的背景影像；期間，通過伺服電機(jī)控制全站儀繞其中心軸順時針旋轉(zhuǎn)。
[0005] 先基于灰度期望值算法設(shè)置一個閾值，用無目標(biāo)的背景影像減去目標(biāo)影像，對減 過的圖像進(jìn)行二值化，能提取圖中偏移噪聲，并獲取偏移噪聲的位置、大小，根據(jù)全站儀旋 轉(zhuǎn)方向，在目標(biāo)影像中估計并標(biāo)識出實際噪聲區(qū)域，該實際噪聲區(qū)域處于所述偏移噪聲右 側(cè)相鄰處，且面積是偏移噪聲的1-3倍；
[0006] 然后在目標(biāo)影像中減去所述實際噪聲區(qū)域，獲得無噪聲的目標(biāo)影像，并確定提取 目標(biāo)棱鏡A在目標(biāo)影像中的位置。
[0007] 若目標(biāo)影像中出現(xiàn)多個目標(biāo)棱鏡，且多個目標(biāo)棱鏡彼此分開；將目標(biāo)影像中的各 目標(biāo)棱鏡的位置，分成相應(yīng)數(shù)量的區(qū)域；區(qū)域一中，第一行第一個像素用T(i)b表不，第一 行最后一個像素用T(i)e表示，其中i代表在CMOS拍攝圖像的行數(shù)；第二行第一個像素用 T(i+1)b表示，第二行最后一個像素用T(i+1)e表示；以此類推；
[0008] 然后對各行像素進(jìn)行掃描，將首次遇到的目標(biāo)像素T(i)b作為第一個目標(biāo)區(qū)域標(biāo) 識，記錄當(dāng)前第一個目標(biāo)區(qū)域首行的起始位置T(i)b和結(jié)束位置T(i)e后繼續(xù)掃描；記錄 下一行的起始位置T(i+l)b和結(jié)束位置T(i+l)e，若下一行的起始位置小于等于上一行的 結(jié)束位置，即T(i+l)b〈 =T(i)e，且結(jié)束位置大于等于上一行的起始位置，即T(i+l)e> = T(i)b，將在此行出現(xiàn)的首尾范圍內(nèi)的像素與上一行像素融合，統(tǒng)一融合歸類為區(qū)域一；
[0009] 若掃描某行過程中，發(fā)現(xiàn)一定間隔后又出現(xiàn)新的像素起始位置S(i+l)b和結(jié)束位 置S(i+1)e，且不滿足上述比較條件，將此像素區(qū)域標(biāo)識為區(qū)域二，分配新的區(qū)域標(biāo)號，繼續(xù) 掃描；直到一幀圖像掃描完畢。
[0010] 進(jìn)一步，將區(qū)域一表示其中一個連通域T，r表示其中的行程段，i表示r的行號， b和e分別表示r的起始和結(jié)束列號，L表示r的長度，那么T的0至2階矩可按以下公式 計算：
[0017] 其中x對應(yīng)列坐標(biāo)，y對應(yīng)行坐標(biāo)，那么0階矩M。⑴就是連通域T的面積A;連通 域T的形心位置（x。，y。）及其擬合橢圓的兩軸長a，b和主軸方向0計算如下：
[0025] 根據(jù)上述公式，計算出連通域T的形狀，大小，形心信息。
[0026] 若掃描某行過程中，出現(xiàn)中空的兩個或多個像素，若均滿足上述比較條件，默認(rèn)將 中空左右區(qū)域融合到同一個區(qū)域，并填充空洞，也即將空洞也融合到該區(qū)域。
[0027] 若發(fā)現(xiàn)面積小于其余區(qū)域均值的一半的區(qū)域，將區(qū)域視為噪聲，自動除噪。
[0028] 本發(fā)明具有的技術(shù)效果：（1)本發(fā)明的可自動識別目標(biāo)的全站儀工作時，通過 CMOS影像傳感器，對目標(biāo)進(jìn)行識別和跟蹤，能代替人進(jìn)行自動搜索、識別、跟蹤和精確照準(zhǔn) 目標(biāo)，并獲取角度、影像等信息。能通過激光掃描完成目標(biāo)棱鏡的小范圍搜索，準(zhǔn)確找到目 標(biāo)棱鏡位置。（2)本發(fā)明能精確瞄準(zhǔn)目標(biāo)棱鏡，能從激光影像數(shù)據(jù)中挖掘與目標(biāo)相關(guān)的特征 信息，能區(qū)分多個目標(biāo)，排除干擾目標(biāo)，精確照準(zhǔn)目標(biāo)中心。（3)本發(fā)明能精確鎖定目標(biāo)棱 鏡，可以提供被監(jiān)視目標(biāo)的運動軌跡，為進(jìn)行場景中運動目標(biāo)的運動分析提供了可靠的數(shù) 據(jù)來源。本發(fā)明把聚焦在CMOS傳感器上的目標(biāo)影像和背景影像，在FPGA中進(jìn)行圖像運算 處理，排除如汽車車身等在強(qiáng)日光照射下形成的反光噪聲，區(qū)分多目標(biāo)及鎖定目標(biāo)得到目 標(biāo)棱鏡的實像，計算目標(biāo)棱鏡在望遠(yuǎn)鏡視場的精確定位。本發(fā)明的技術(shù)難點在于，目標(biāo)的運 動會因為人為或外界環(huán)境因素而伴隨各種形變，遮擋，干擾，甚至丟失；CMOS影像傳感器在 拍攝的過程中，由于目標(biāo)的快速移動，目標(biāo)影像和背景影像之間會產(chǎn)生時間差，簡單的幀互 差并不能完全排除外界強(qiáng)反射光物體因為移動而帶來的噪聲；同時視場內(nèi)會出現(xiàn)多目標(biāo)棱 鏡，而簡單的幀互差并不能解決這些問題。本發(fā)明算法結(jié)合多次相鄰幀互差，連通域標(biāo)識及 圖像特征提取算法，并結(jié)合自動控制調(diào)節(jié)CMOS傳感器曝光值等方法，解決定位和鎖定目標(biāo) 棱鏡的問題。
【附圖說明】
[0029] 為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)具體實施例并結(jié)合附圖，對 本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，其中
[0030] 圖1為激光發(fā)射和CMOS影像傳感器圖像接收系統(tǒng)示意圖；
[0031] 圖2為通過全站儀的望眼鏡窗口中目標(biāo)棱鏡所在的指示位置；
[0032] 圖3a為本發(fā)明實施中CMOS影像傳感器拍攝的目標(biāo)影像；
[0033] 圖3b為所述背景影像示意圖；
[0034] 圖4為本發(fā)明實施中經(jīng)過幀互差算法后提取真實目標(biāo)后的影像示意圖；
[0035] 圖5為本發(fā)明實施中遇到多目標(biāo)時的成像示意圖；
[0036] 圖6為本發(fā)明實施中多目標(biāo)分割和區(qū)分算法示意圖； 圖7為本發(fā)明實施中精確照準(zhǔn)目標(biāo)棱鏡A的中心后的成像示意圖。
【具體實施方式】
[0037] 下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明：
[0038] 實施例：
[0039] 本發(fā)明針對目標(biāo)識別的技術(shù)難點，分別給出相應(yīng)的算法。
[0040] 開啟CMOS傳感器拍攝模式，在伺服電機(jī)配合下，能在一定范圍內(nèi)搜索目標(biāo)，發(fā)現(xiàn) 當(dāng)前范圍內(nèi)的目標(biāo)棱鏡。
[0041] 如圖1，計算機(jī)11發(fā)出指令打開驅(qū)動器12后驅(qū)動激光器13產(chǎn)生激光，并通過發(fā) 射光纖14,準(zhǔn)直透鏡15,將激光壓縮成一束準(zhǔn)直光，通過反射元件6,物鏡7形成一道平行 光，發(fā)射出去，遇到目標(biāo)棱鏡100反射回來經(jīng)物鏡7，分光棱鏡8后回到圖像傳感器9上，再 經(jīng)過CMOS影像傳感器10拍下一張含有反射光的目標(biāo)影像，并傳送至計算機(jī)。
[0042] 計算機(jī)1發(fā)出指令至驅(qū)動器2,關(guān)閉激光器3 ;計算機(jī)1通過CMOS影像傳感器獲得 一張不含反射光的背景影像，即無目標(biāo)的背景影像；在獲得目標(biāo)影像、無目標(biāo)的背景影像期 間，通過伺服電機(jī)控制全站儀繞其中心軸順時針旋轉(zhuǎn)。
[0043] 如圖2,為通過全站儀的望眼鏡窗口中目標(biāo)棱鏡所在的指示位置，目標(biāo)水平方向偏 移量為H，垂直方向偏移量為V。
[0044] 圖3a為CMOS影像傳感器所拍攝到的目標(biāo)影像。圖3b為CMOS影像傳感器所拍攝 到的背景影像。
[0045] 在沒有任何外界因素干擾的情況下，通過圖3a、b的兩幀圖像的幀互差，可以很容 易提取目標(biāo)棱鏡A。而實際情況并非如此。若目標(biāo)影像中存在實際噪聲B，該實際噪聲B并 不是像目標(biāo)棱鏡一樣的反射體，該實際噪聲B在關(guān)掉激光后拍攝的背景圖像中依然存在， 理想情況下背景影像中實際噪聲B的位置應(yīng)該與目標(biāo)影像中實際噪聲B的位置一致，可通 過幀互差直接濾除。而實際情況中，由于配合本全站儀的電機(jī)并不可能在靜止情況下連續(xù) 拍攝，即移動過程中的拍攝會將實際噪聲B作為移動噪聲帶入，導(dǎo)致拍攝背景影像時該實 際噪聲B從目標(biāo)影像中的原位置偏移到偏移噪聲B'。此時，當(dāng)用目標(biāo)影像減去無目標(biāo)的背 景影像時仍然會殘留部分實際噪聲B。
[0046] 本發(fā)明采用的算法，先基于灰度期望值算法設(shè)置一個閾值，用無目標(biāo)的背景影像 減去目標(biāo)影像，對減過的圖像進(jìn)行二值化，能提取圖中偏移噪聲B'，并獲取偏移噪聲B'的 位置、大小，根據(jù)全站儀旋轉(zhuǎn)方向，在目標(biāo)影像中估計并標(biāo)識出實際噪聲區(qū)域B，該實際噪聲 B區(qū)域處于所述偏移噪聲B'右側(cè)相鄰處，且面積是偏移噪聲B'的1-3倍；然后在目標(biāo)影像 中減去所述實際噪聲區(qū)域B，獲得無噪聲的目標(biāo)影像，如圖4,并確定提取目標(biāo)棱鏡A在目標(biāo) 影像中的位置。
[0047] 如圖5,為視場中同時出現(xiàn)多個目標(biāo)棱鏡的圖像示意圖，本發(fā)明能區(qū)分出視場內(nèi) 棱鏡的總個數(shù)，及每個棱鏡的大小，位置等信息。
[0048] 如圖6,為多個目標(biāo)棱鏡情況下CMOS成像的像素點示意圖，假定目標(biāo)影像內(nèi)同時 出現(xiàn)三個目標(biāo)棱鏡，圖中三塊標(biāo)示1、2、3的陰影區(qū)域分別表示三個目標(biāo)棱鏡的成像像素點 分布情況，圖中標(biāo)識4、5的陰影區(qū)域分別表示兩處雜散噪聲點分布。<