專利名稱：以三基色一維對比度為特征測量軸向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申請“以三基色對比度為特征測量沿光軸方向的位移的方法 及裝置”分析了檢測沿系統的光軸方向發生的位移的技術，提出了一種新穎的檢測軸向位 移的方法及其裝置，較充分地利用了攝像頭拍攝的圖像幀包含的信息，不過，其分析運算量 較大，影響測量速度。
發明內容
本發明提供一種以三基色一維對比度為特征測量軸向位移的方法及裝置，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三基色一維對比度測量軸向位移程序，該程序體現了以三基色的一維 對比度為圖像幀的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mo+2h = M,n0+2v = N,h,v e正整數；步驟二、對于上述參考幀之像素陣列，逐像素行、逐像素列導出沿X軸方向和Y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，如此構成了對應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{reference, (x，y)}，其中，下標χ或y分別表示所沿的 坐標軸的方向，符號“{ } ”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(X， 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.以三基色一維對比度為特征測量軸向位移的方法及裝置，包括一臺普通的計算機 通過其USB接口連接一個計算機攝像頭、一臺步進電機及其接口電路，其特征在于，該攝像 頭被安裝在一個由所述步進電機為核心組成的軸向位移裝置上，該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，所述計算機配置有攝像頭拍攝以及根據 三基色一維對比度測量軸向位移程序。
2.根據權利要求1所述的以三基色一維對比度為特征測量軸向位移的方法及裝置，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(3 都是以轉軸的方式套接，螺絲紋旋轉軸(34) 在與支撐架(31)和(3 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00)的轉軸上面的齒輪02)相互咬 合；步進電機GO)也安裝在工作臺(30)上，它通過步進電機接口電路G3)連接到計算機 系統(5)的 RS232C 接口 (8)。
3.據權利要求1所述的以三基色一維對比度為特征測量軸向位移的方法及裝置，其特 征在于，所述攝像頭拍攝以及根據三基色一維對比度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(MXN，M，Ne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mQXnQ，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 = Μ, η0+2ν = N, h, ν e正整數；步驟二、對于上述參考幀之像素陣列，逐像素行、逐像素列導出沿X軸方向和Y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，如此構成了對應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{reference, (x，y)}，其中，下標χ或y分別表示所沿的坐標 軸的方向，符號“ { } ”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(X，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所述的以三基色一維對比度為特征測量軸向位移的方法及裝置，其 特征在于，所述攝像頭拍攝以及根據三基色一維對比度測量軸向位移程序之步驟中所述邊 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，如果一個像素的光強值比其后面的第二個像 素相應的光強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；如果一個像素的光強值比其后面 的第二個像素相應的光強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；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 素的某種光強值與其后面的第二個像素相應的光強值接近，其值相差不超過一個誤差容限 it error,艮口如果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；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所述的以三基色一維對比度為特征測量軸向位移的方法及裝置，其 特征在于，所述攝像頭拍攝以及根據三基色一維對比度測量軸向位移程序之步驟中所述搜 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的質地進行調試 和選擇；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 = m0+step, η = %+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，a! = 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，可以進一步嘗試縮小觀察窗的范圍 各st印行和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所述的以三基色一維對比度為特征測量軸向位移的方法及裝置，其 特征在于，所述攝像頭拍攝以及根據三基色一維對比度測量軸向位移程序之步驟中所述紅 色、綠色或藍色的邊方向數據的定義是根據像素陣列中紅色、綠色或藍色這三種基色之一的分量數據，沿著X軸或者沿著Y軸 方向，如果一個像素的某種三基色分量值比其后面的第二個像素相應的三基色分量值還要小一個誤差容限值error，即如果I (X，Y)紅< I 紅(X+2，Y) -error 或 I (X，Y)紅< I (X，Y+2)紅-error I (X，Y) a< I 綠(x+2, Y) -error 或 I (X，Y)綠< I (X，Y+2) s-error I (X，Y) ffi< Iffi (X+2, Y) -error 或 I (X，Y) ffi< I (X，Y+2) -error 則定義這兩個像素之間存在一個紅色的、綠色的或藍色的正邊；如果一個像素的某種 三基色分量值比其后面的第二個像素相應的三基色分量值還要大一個誤差容限值error， 即如果1 (X，Y)紅> I 紅(X+2，Y) +error 或 I (X，Y)紅> I (X，Y+2)紅+error I (X，Y)綠> I 綠(X+2, Y) +error 或 I (X，Y)綠> I (X，Y+2) s+error I (X，Y) ffi> Iffi (X+2, Y) +error 或 I (X，Y) ffi> I (X，Y+2) +error 則定義這兩個像素之間存在一個紅色的、綠色的或藍色的負邊；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； 如果一個像素的某種三基色分量值與其后面的第二個像素相應的三基色分量值接近，其 RGB分量值相差不超過一個誤差容限值error，即如果 I (X+2, Y)紅-error ≤ I (X，Y)紅 ≤ I (X+2, Y) a +error 或 I (X，Y+2) 紅—error ≤ I (X，Y)紅 ≤ I (X，Y+2) 紅 +error ； I (x+2, Y) s-error ≤ I (X，Y)綠≤ I (X+2, Y) s+error 或 I (X，Y+2) s-error ≤ I (X，Y)綠≤ I (X，Y+2) s+error ； I (X+2, Y) -error ≤ I (X，Y)藍≤ I (X+2, Y) +error 或 I (X，Y+2) -error ≤ I (X，Y)藍≤ I (X，Y+2) +error ；則認為這兩個像素之間不存在該顏色波長對應的“邊”，或稱之為第三類該顏色的邊； 沿著某一個坐標軸方向，所有的紅色的正邊和紅色的負邊以及第三類紅色的邊組成該方向 紅色的邊方向數據，所有的綠色的正邊和綠色的負邊以及第三類綠色的邊組成該方向綠色 的邊方向數據，所有的藍色的正邊和藍色的負邊以及第三類藍色的邊組成該方向藍色的邊 方向數據；上述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 error = 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。
全文摘要
以三基色一維對比度為特征測量軸向位移的方法及裝置，由一臺普通的計算機通過其USB接口連接一個計算機攝像頭、一臺步進電機及其接口電路以及攝像頭軸向位移裝置組成，攝像頭被安裝在軸向位移裝置上，由步進電機所驅動，步進電機通過步進電機接口電路連接到計算機的RS232C接口，該計算機配置有攝像頭拍攝以及根據三基色一維對比度測量軸向位移程序。本發明以像素三基色的一維對比度作為被測物體圖像幀的特征，通過計算像素亮度的自關聯匹配系數，自動分析并選取最佳觀察區域；通過計數該觀察窗區域內圖像特征的數目，判斷物體成像聚焦的程度，進而測量物體在攝像頭光學軸方向所發生的微小位移；本測量方法新穎，能夠適應某種程度的環境光照變化。
文檔編號G01B11/02GK102116605SQ200910251090
公開日2011年7月6日 申請日期2009年12月30日 優先權日2009年12月30日
發明者唐玉霞, 曾藝, 林睿 申請人:重慶工商大學