專利名稱：以單基色峰谷為特征測量沿光軸方向的位移的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于數字圖像測量技術領域，特別是使用計算機攝像頭測量物體沿其光學 軸方向發生的微小位移的方法及其裝置。
背景技術：
最近提交的發明專利“以三基色峰谷為特征測量沿光軸方向的位移的方法及裝 置”與“以峰谷為特征測量沿光軸方向的位移的方法及裝置”都以圖像對比度所形成的“峰、 谷”作為圖像的特征，通過計數峰和谷的數目來判斷圖像聚焦成像的程度，籍此使用計算機 攝像頭的光電傳感器陣列探測沿光學軸方向發生的微小位移，這兩種測量方法新穎、便利。 但是，前者雖然充分地利用了圖像幀的信息，但是，其分析運算量較大，影響了測量的反應 速度；而后者針對圖像幀的亮度，會受到測量環境中各種波長的照射影響。
發明內容
本發明提供一種以單基色峰谷為特征測量沿光軸方向的位移的方法及裝置，它利 用計算機攝像頭，能夠在照明狀況發生一定的變化的環境中，測量物體沿攝像頭的光軸方 向所發生的微小位移矢量。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是一臺普通的計算機配置一個計算機 攝像頭，該攝像頭被安裝在一個由高精度微位移步進電機為核心組成的軸向位移裝置上， 該步進電機通過步進電機接口電路連接到所述計算機的RS232C接口，所述計算機配置有 攝像頭拍攝以及根據單基色峰谷數據測量軸向位移程序，該程序體現了以圖像幀的一種基 色的峰或谷為特征測量軸向位移的方法，包括步驟一、以位圖(MXN，M，N e正整數)的格式，拍攝一幀被測物體的圖像，作為參 考幀；以該幀像素陣列左上角的第一個像素的位置為原點，以向右的方向為χ軸方向，垂直 向下方向為y軸方向，所取坐標系的單位為一個像素的大小；在所述像素陣列的中央區域 選取一個區域，大小為HitlXrv m0, n0 e正整數，稱之為觀察窗，它距離所述像素陣列的水平 方向和垂直方向的邊緣像素各有h和ν個像素，即有mQ+2h = M,n0+2v = N，h，v e正整數；步驟二、逐像素行、逐像素列導出所述參考幀像素陣列的關于X軸方向和關于Y軸 方向的兩幀邊方向數據Ireferencex (X，y)}和Ireferencey (χ，y)}，其中，下標χ或y分別 表示所沿的坐標軸的方向，符號“ H ”表示沿其中函數下標所標示的坐標軸方向觀察窗內諸 像素(χ，y)處的邊方向數據的一個集合，保存這些數據；步驟三、對于上述兩幀邊方向數據，分別計算所述參考幀里觀察窗內像素陣列的 自關聯匹配系數
權利要求
1.以單基色峰谷為特征測量沿光軸方向的位移的方法及裝置，包括一臺計算機及其 攝像頭、攝像頭軸向位移裝置、一臺步進電機以及步進電機接口電路，該攝像頭被安裝在所 述攝像頭軸向位移裝置上，所述步進電機通過所述步進電機接口電路連接到所述計算機的 RS232C接口，其特征在于，所述計算機配置有攝像頭拍攝以及根據單基色峰谷數據測量軸 向位移程序。
2.根據權利要求1所述的以單基色峰谷為特征測量沿光軸方向的位移的方法及裝置， 其特征在于，所述攝像頭軸向位移裝置包括攝像頭(1)安裝在工作臺(33)上，該工作臺(33)與一根長的螺絲紋旋轉軸(34)以螺 絲紋套接，螺絲紋旋轉軸(34)通過支撐架(31)和(32)安裝在一張大的工作臺(30)上，并 且，螺絲紋旋轉軸(34)與支撐架(31)和(32)都是以轉軸的方式套接，螺絲紋旋轉軸(34) 在與支撐架(31)和(32)的套接處可以轉動但不發生向前或向后的位移；螺絲紋旋轉軸 (34)上有一個固定的齒輪(341)，它與步進電機(40)的轉軸(41)上面的齒輪(42)相互咬 合；步進電機(40)也安裝在工作臺(30)上，它通過步進電機接口電路(43)連接到計算機 系統(5)的 RS232C 接口 (8)。
3.據權利要求1所述的以單基色峰谷為特征測量沿光軸方向的位移的方法及裝置，其 特征在于，所述攝像頭拍攝以及根據單基色峰谷數據測量軸向位移程序包括下述測量物體 沿所述攝像頭的光軸方向發生的微小位移的方法步驟一、以位圖^\隊11力￡正整數)的格式，拍攝一幀被測物體的圖像，作為參考幀； 在其幀像素陣列上選取直角坐標系，其單位為一個像素的大小；并在所述像素陣列的中央 選取一個區域，大小為HitlXrv m0, n0 e正整數，稱之為觀察窗，它距離所述像素陣列的水平 方向和垂直方向的邊緣像素各有h和ν個像素，即有mo+2h = Μ, η0+2ν = N, h, ν e 正整數；步驟二、逐像素行、逐像素列導出所述參考幀像素陣列的關于X軸方向和關于Y軸方向 的兩幀邊方向數據Ireferencex (X，y)}和Ireferencey (x，y)}，其中，下標χ或y分別表示 所沿的坐標軸的方向，符號“ H ”表示沿其中函數下標所標示的坐標軸方向觀察窗內諸像素 (χ，y)處的邊方向數據的一個集合，保存這些數據；步驟三、對于上述兩幀邊方向數據，分別計算所述參考幀里觀察窗內像素陣列的自關 聯匹配系數
4.根據權利要求3所述的以單基色峰谷為特征測量沿光軸方向的位移的方法及裝置， 其特征在于，所述攝像頭拍攝以及根據單基色峰谷數據測量軸向位移程序之步驟中所述邊 方向數據或某種基色的邊方向數據的定義是像素陣列中，沿著X軸或者沿著Y軸方向，如果一個像素的強度值或其所選基色的強 度值比其后面的第二個像素相應的強度值還要小一個誤差容限值error，即如果I (X，Y) < I (X+2, Y) -error 或 I (X，Y) < I (X，Y+2) -error,則定義這兩個像素之間存在一個沿該軸方向的正邊或所選基色沿該軸向的正邊；如果 一個像素的強度值或其所選基色的強度值比其后面的第二個像素相應的強度值還要大一 個誤差容限值error，即如果I (X，Y) > I (X+2, Y) +error 或 I (X，Y) > I (X，Y+2) +error則定義這兩個像素之間存在一個沿該軸方向的負邊或所選基色沿該軸向的負邊；如此 獲得的邊位于該像素之后的第一個像素的位置，也即位于參與比較的兩個像素的中間位置 的那個像素上；如果一個像素的強度值或其所選基色的強度值與其后面的第二個像素相應 的強度值接近，其值相差不超過一個誤差容限值error，即如果 I (X+2, Y) -error 彡 I (X，Y)彡 I (X+2, Y) +error, 或 I (X，Y+2) -error 彡 I (X，Y)彡 I (X，Y+2) +error,則認為這兩個像素之間沿該軸方向不存在對應的“邊”或不存在所選基色沿該軸向的 “邊”，也可以稱之為第三類邊；沿著某一個坐標軸方向，對應的像素行或像素列所有的正邊、負邊以及第三類邊組成 該行或該列沿該坐標軸方向的邊方向數據，或者，對應的像素行或像素列所有的所選基色 的正邊、負邊以及第三類邊組成該行或該列所選基色沿該坐標軸方向的邊方向數據，并以 3bit的二進制數值001，010和100分別表示其中的正邊、負邊以及第三類邊；上列式中的 誤差容限值可以根據具體的光照情況，預置為一個小的數值，例如err0r = 10 ；像素陣列 中的四個邊與角上的像素位置不存在邊方向數據。
5.根據權利要求3所述的以單基色峰谷為特征測量沿光軸方向的位移的方法及裝置， 其特征在于，所述攝像頭拍攝以及根據單基色峰谷數據測量軸向位移程序之步驟四中所述 搜索最佳觀察窗像素陣列的方法包括對于所述像素陣列的觀察窗以及kXk(k e正整數)關聯匹配算子陣列(a，b)，沿某個 坐標軸方向會產生kX k個自關聯匹配系數，按下列不等式比較這些自關聯匹配系數 autocorrelation (a, b) ^ autocorrelation (0,0) X similarity 式中，similarity描述了觀察窗與其鄰近相同規模的像素陣列的相似程度，例如取 similarity = 60%，可以預先設置，也可以根據光照情況以及被測物表面質地進行調試選 擇；如果滿足上述不等式的自關聯系數多于kXkX 1/3個，需要擴大觀察窗的范圍各step 行和st印列令m = mQ+St印，n = %+st印，重新計算新的觀察窗的自關聯系數，并進行上 述比較，直到滿足上述不等式的自關聯匹配系數不多于kXkXl/3個，這時，2h = M-m，2v = N-n，其中，step為步進參數，初始值為1，每次需要擴展觀察窗的規模就增加1 ；如果超出幀 內一個預定的范圍，還沒有找到合適的觀察窗，則認為該物體這部分反射表面的質地不適 于本裝置的測量工作，并給出提示警告；如果滿足上述不等式的自關聯匹配系數不多于kXkX 1/3個，說明被拍攝物體的表 面的結構特征足夠精細，最鄰近像素之間的值可以區分，進一步嘗試縮小觀察窗的范圍各 step行和st印列，以減少計算工作量令m = Hi0-St印，η = nQ-st印，重新計算觀察窗的自 關聯系數，并進行上述比較，遞進參數step每次增加1，直到所選觀察窗區域滿足上述不等 式的自關聯系數的個數不小于kXkX 1/3，這時，認為搜索到了最佳觀察窗像素陣列。
6.根據權利要求3所述的以單基色峰谷為特征測量沿光軸方向的位移的方法及裝置， 其特征在于，所述攝像頭拍攝以及根據單基色峰谷數據測量軸向位移程序之步驟中所述沿 X軸和Y軸方向的三種基色的邊反射狀況，其定義為根據所選觀測行與觀測列的像素的紅色、綠色或藍色的邊方向數據，沿著X軸或沿著 Y軸方向，如果連續的兩個或多于兩個的某種基色的正邊，或連續的兩個或多于兩個的該基色的第三類邊之后跟著一個該基色的負邊，稱之為該基色的第一類邊反射狀況，即認為在 此位置存在一個該基色的峰；如果連續的兩個或多于兩個的某種基色的負邊，或連續的兩 個或多于兩個的該基色的第三類邊之后跟著一個該基色的正邊，稱之為該基色的第二類邊 反射狀況，即認為在此位置存在一個該基色的谷；沿著X軸或沿著Y軸方向，三種基色之一 其所有的峰和谷組成圖像幀該基色沿該坐標軸方向的邊反射狀況。
全文摘要
以單基色峰谷為特征測量沿光軸方向的位移的方法及裝置，由一臺計算機及其攝像頭、一臺步進電機、步進電機接口電路以及攝像頭軸向位移裝置組成，配置有攝像頭拍攝以及根據單基色峰谷數據測量軸向位移程序；步進電機通過步進電機接口電路連接到計算機的RS232C接口，攝像頭安裝在攝像頭軸向位移裝置上。開始，通過計算圖像幀像素亮度的自關聯系數，自動分析并選取最佳觀察區域；測量中，分析并測量圖像幀的所選基色沿兩個坐標軸方向的峰和谷的數目，并通過計算機RS232C接口控制步進電機的旋轉，操作攝像頭前進或后退，以峰和谷的數目之和最多之處作為最佳成像聚焦位置，從而獲得軸向相對位移。本發明既能克服其它波長光照的影響，又提高了測量速度。
文檔編號G01B11/02GK102102983SQ20091025092
公開日2011年6月22日 申請日期2009年12月21日 優先權日2009年12月21日
發明者張海明, 曾藝, 杜鵑 申請人:重慶工商大學