專利名稱：基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種位移傳感器，尤其是基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器。
背景技術(shù)：
目前，市場(chǎng)上主要用于工程中高精度、大量程的位移計(jì)產(chǎn)品有可變式線性差動(dòng)變壓器(LVDT)、容柵式位移計(jì)、光柵位移計(jì)和滑動(dòng)電阻位移計(jì)。上述產(chǎn)品各有自身特點(diǎn)和缺陷，直線位移計(jì)適用于條件惡劣環(huán)境，但線性度不高，時(shí)漂和溫漂都比較大，穩(wěn)定性差；容柵式位移計(jì)精度較高，溫漂小，但耐濕度差；光柵位移計(jì)精度較高，穩(wěn)定性好，但抗干擾沖擊差；滑動(dòng)電阻位移計(jì)存在溫漂和長(zhǎng)期接觸磨損問(wèn)題。另外，所述以上位移計(jì)只允許測(cè)量一個(gè)方向位移，使用場(chǎng)合受到限制。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器。本實(shí)用新型是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一種基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器，包括:收容各部件的殼體；圖像采集系統(tǒng)，接收光線并將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并基于硬件描述語(yǔ)言圖像處理器，采用數(shù)字圖像快速匹配算法，計(jì)算連續(xù)兩張圖像偏移量；光照裝置，設(shè)置在所述圖像采集系統(tǒng)和所述可連續(xù)移動(dòng)的圖像采集界面反射光線的途徑處，發(fā)出光線，經(jīng)光學(xué)鏡頭形成有效的光學(xué)路徑；可連續(xù)移動(dòng)的圖像采集界面，接收所述光照裝置發(fā)射出的光線并反射至所述圖像米集系統(tǒng)；控制處理系統(tǒng)，分別和所述圖像采集系統(tǒng)、光照裝置連接。進(jìn)一步地，上述光照裝置和所述可連續(xù)移動(dòng)的圖像采集界面之間設(shè)置透明固件。進(jìn)一步地，上述圖像采集系統(tǒng)包括圖像處理器和成像系統(tǒng)，上述成像系統(tǒng)接收光線，上述圖像處理器計(jì)算圖像位移偏移量。進(jìn)一步地，上述圖像處理器為實(shí)現(xiàn)圖像位置變換算法的基于硬件描述語(yǔ)言的圖像處理器CPLD或FPGA或ASIC。進(jìn)一步地，上述成像系統(tǒng)包括光/電轉(zhuǎn)換裝置，上述光/電轉(zhuǎn)換裝置接收對(duì)所述可連續(xù)移動(dòng)的圖像采集界面反射光線進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。進(jìn)一步地，上述成像系統(tǒng)包括A/D轉(zhuǎn)換裝置，上述A/D轉(zhuǎn)換裝置將上述光/電轉(zhuǎn)換裝置輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。進(jìn)一步地，上述成像系統(tǒng)包括同步裝置，上述同步裝置可將所述光/電轉(zhuǎn)換裝置、A/D轉(zhuǎn)換裝置、掃描裝置動(dòng)作同步。[0017]進(jìn)一步地，上述成像系統(tǒng)包括掃描裝置，上述掃描裝置可通過(guò)對(duì)整幅圖像的掃描將被采集對(duì)象空間坐標(biāo)離散，并獲得每一個(gè)采樣點(diǎn)的光強(qiáng)度值。進(jìn)一步地，上述光照裝置包括光源和一組光學(xué)鏡頭，若被測(cè)物感光表面材料為一般粗糙紋理，則上述光源使用可見光或紅外光光源；若被測(cè)物感光表面材料為玻璃或金屬等較光滑表面，則上述光源使用激光光源。進(jìn)一步地，上述控制處理系統(tǒng)包括控制器、儲(chǔ)存電路、顯示電路和通信電路，所述控制器通過(guò)接插件和所述圖像采集系統(tǒng)以及光照裝置相連接。本實(shí)用新型的有益效果:利用圖像位置變換原理，可設(shè)計(jì)二維測(cè)量的位移傳感器；本實(shí)用新型對(duì)于被測(cè)對(duì)象照射表面的介質(zhì)要求不高，所以可供選擇加工使用的材料很多；同時(shí)由于采用非接觸式測(cè)量方法，避免了因機(jī)械磨損帶來(lái)的測(cè)量誤差；圖像位置變換處理算法采用基于硬件描述語(yǔ)言的圖像處理器，提高算法處理速度，保證長(zhǎng)時(shí)間工作的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性；而且為滿足測(cè)試精度要求，針對(duì)不同被測(cè)表面選擇可見光、紅外光或激光作為光源，使得光學(xué)感應(yīng)器得到的圖像更容易辨別，提高定位精準(zhǔn)性。
圖1為實(shí)施案例I基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器正視圖；圖2為實(shí)施案例I基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器的剖視圖；圖3為實(shí)施案例I基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器的局部放大剖視圖；圖4為實(shí)施案例I基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器工作原理示意圖；圖5為實(shí)施案例I基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器的圖像成像原理示意圖；圖6為實(shí)施案例2使用基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器的位移測(cè)量方法的流程示意圖；圖7為實(shí)施案例2實(shí)時(shí)圖像相對(duì)參考圖像的四象限位移偏移量說(shuō)明圖；圖8為實(shí)施案例2圖像傳感X軸方向上前后兩幅圖像的位置關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施方式
下面根據(jù)附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施案例1:圖1為實(shí)施案例I基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器的正視圖，圖2為實(shí)施案例I基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器的剖視圖，參照?qǐng)D1、圖2，本實(shí)用新型，基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器，包括:收容各部件的殼體I ;圖像采集系統(tǒng)5，接收光線并將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并基于硬件描述語(yǔ)言圖像處理器53，采用數(shù)字圖像快速匹配算法，計(jì)算前一張數(shù)字圖像和后一張數(shù)字圖像的偏移量;光照裝置51，設(shè)置在所述圖像采集系統(tǒng)5和所述可連續(xù)移動(dòng)的圖像采集界面2反射光線的途徑處，發(fā)出光線，經(jīng)光學(xué)鏡頭形成有效的光學(xué)路徑；[0036]可連續(xù)移動(dòng)的圖像采集界面2，接收所述光照裝置51發(fā)射出的光線并反射至所述圖像采集系統(tǒng)5 ；控制處理系統(tǒng)50，分別和所述圖像采集系統(tǒng)5和光照裝置51連接。圖3為實(shí)施案例I基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器的局部放大剖視圖，參照?qǐng)D3，并結(jié)合圖1、圖2，其中，上述光照裝置51和上述可連續(xù)移動(dòng)的圖像采集界面2之間設(shè)置有透明固件9。透明固件9的設(shè)置使得在相同感光介質(zhì)條件下，保持光照裝置51與可連續(xù)移動(dòng)的圖像采集界面2的有效距離，可以使成像系統(tǒng)分辨率保持恒定，不僅能夠減少激光的散射，減少傳感器測(cè)試精度誤差，集中激光能量，而且能夠保證激光反射光路距離要求，保證圖像清晰度。圖4為實(shí)施案例I基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器工作原理示意圖，參照?qǐng)D4，并結(jié)合圖1、圖2，關(guān)于圖像采集系統(tǒng)5，上述圖像采集系統(tǒng)5包括成像系統(tǒng)52和圖像處理器53。成像系統(tǒng)52接收光線并將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，圖像處理器53采用基于硬件描述語(yǔ)言圖像處理器CPLD或FPGA或ASIC，實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像快速匹配算法，計(jì)算連續(xù)兩張圖像的偏移量。圖像處理器53具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用微處理器。圖5為實(shí)施案例I基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器的圖像成像原理示意圖，參照?qǐng)D5，并結(jié)合圖1、圖2，上述光照裝置51包括激光透鏡41、圖像透鏡42和光源40，上述激光透鏡41設(shè)置在上述光照裝置51發(fā)出至上述可連續(xù)移動(dòng)的圖像采集界面2光線的途徑，上述圖像透鏡42設(shè)置在上述被可連續(xù)移動(dòng)的圖像采集界面2反射至上述成像系統(tǒng)52光線的途徑。若被測(cè)物圖像采集界面2材料為一般粗糙紋理，則上述光源40使用可見光源或紅外光源；若被測(cè)物圖像采集界面2材料為玻璃或金屬等較光滑表面，則上述光源40使用激光光源。當(dāng)測(cè)量位移時(shí)，將移動(dòng)測(cè)桿3與被測(cè)物體接觸，被測(cè)物體移動(dòng)時(shí)，與其接觸的移動(dòng)測(cè)桿3也隨之移動(dòng)，移動(dòng)測(cè)桿3的移動(dòng)帶動(dòng)殼體I內(nèi)的圖像采集界面2，也就是激光照射表面發(fā)生改變。激光經(jīng)過(guò)激光透鏡41照射在圖像采集界面上，然后由該表面反射透過(guò)圖像透鏡42，發(fā)射的光被成像系統(tǒng)52接收形成圖像。隨著照射界面的改變，成像系統(tǒng)52記錄連續(xù)不同的圖像。再參照?qǐng)D4，并結(jié)合圖1、圖2，具體的，成像系統(tǒng)52包括光/電轉(zhuǎn)換裝置88、A/D轉(zhuǎn)換裝置84、同步裝置86和掃描裝置87，所述光/電轉(zhuǎn)換裝置88接收所述可連續(xù)移動(dòng)的圖像采集界面2反射光線進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。成像系統(tǒng)52還包括A/D轉(zhuǎn)換裝置84，上述A/D轉(zhuǎn)換裝置84將上述光/電轉(zhuǎn)換裝置88輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。成像系統(tǒng)52還包括同步裝置86，上述同步裝置86可將上述光/電轉(zhuǎn)換裝置88、A/D轉(zhuǎn)換裝置84、掃描裝置87動(dòng)作同步。并且，成像系統(tǒng)52還包括掃描裝置87，上述掃描裝置87可通過(guò)對(duì)整幅圖像的掃描將被采集對(duì)象空間坐標(biāo)離散，并獲得每一個(gè)采樣點(diǎn)的光強(qiáng)度值。光/電轉(zhuǎn)換裝置88、A/D轉(zhuǎn)換裝置84、同步裝置86和掃描裝置87將接收到的模擬圖像數(shù)字化，即將一幅圖像以數(shù)字信號(hào)的形式表示。同步裝置86提供整個(gè)圖像采集系統(tǒng)5的時(shí)鐘同步信號(hào)，以使系統(tǒng)中的所有部件同步動(dòng)作；掃描裝置87是圖像采集系統(tǒng)5的固有部分，它通過(guò)對(duì)整幅圖像的掃描實(shí)現(xiàn)被采集對(duì)象空間坐標(biāo)的離散化，并獲得每一個(gè)采樣點(diǎn)的光強(qiáng)度值；光/電轉(zhuǎn)換裝置88負(fù)責(zé)把掃描系統(tǒng)輸出的與采樣點(diǎn)屬于對(duì)應(yīng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并提供必要的放大電路處理，以與A/D轉(zhuǎn)換裝置84相匹配。從光/電轉(zhuǎn)換裝置88輸出的電信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換裝置84，經(jīng)過(guò)采樣/保持，A/D轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。A/D轉(zhuǎn)換裝置84包括門電路、延遲電路、采樣/保持電路、A/D轉(zhuǎn)換電路部分(圖中未顯示)。在某一同步時(shí)刻，米樣/保持電路對(duì)光/電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出的電信號(hào)進(jìn)行米樣，獲得瞬時(shí)電壓值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。如果在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，電壓值發(fā)生了變化，則產(chǎn)生的解惑就會(huì)雜亂無(wú)章。因此，采樣/保持電路在一個(gè)采樣間隔內(nèi)保持時(shí)刻獲得的瞬時(shí)電壓不變，A/D轉(zhuǎn)換電路在一個(gè)采樣間隔內(nèi)將這個(gè)電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并輸出。再參照?qǐng)D4，并結(jié)合圖1、圖2，關(guān)于控制處理系統(tǒng)50，控制處理系統(tǒng)50包括控制器82、儲(chǔ)存電路83、通信電路81和顯示電路80，上述所述控制器82通過(guò)接插件和所述圖像采集系統(tǒng)5以及光照裝置51相連接。實(shí)施案例2:圖6為實(shí)施案例2使用基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器的位移測(cè)量方法的流程示意圖，參照?qǐng)D6，使用基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器的位移測(cè)量方法，步驟包括:(I)將控制器初始化；(2)打開光照裝置；(3)讀取圖像處理器存儲(chǔ)單元，獲取當(dāng)前圖像和前一幀圖像相比較的橫向位移偏移量X、縱向位移偏移量y ；(4)判斷X、y是否發(fā)生變化；(5)若否,則放棄記錄本次的X、y ；(6)若是,記錄此時(shí)X和y的值；(7)與上一次儲(chǔ)存器記錄的位移量進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，得到當(dāng)前橫向位移量和縱向位移量。本實(shí)用新型基于數(shù)字圖像快速匹配算法，就是尋求兩幅圖像的相似或相同部分的位移偏移量；互相關(guān)是基本的配準(zhǔn)法，許多算法都采用相關(guān)作為基本的相似性測(cè)度工具。設(shè)F(I^n2)表不一個(gè)MXN的實(shí)際圖像，GOi1, n2)表不一個(gè)MXN的參考圖像。|x|和Iyl表示實(shí)際圖像相對(duì)于參考圖像在X軸和Y軸偏移量，R(x，y)表示相交圖像匹配度量值。(i, j)為實(shí)時(shí)圖像和參考圖像相交圖像像素點(diǎn)坐標(biāo)，實(shí)時(shí)圖像相對(duì)參考圖像的位移分別對(duì)應(yīng)如圖1-4所示的四象限情況，則(i, j)相對(duì)于在實(shí)時(shí)圖像和參考圖像中像素點(diǎn)的表達(dá)方式如下:第一象限:
權(quán)利要求1.一種基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器，其特征在于，包括: 收容各部件的殼體； 圖像采集系統(tǒng)，接收光線并將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并基于硬件描述語(yǔ)言圖像處理器，采用數(shù)字圖像快速匹配算法，計(jì)算連續(xù)兩張圖像偏移量； 光照裝置，設(shè)置在所述圖像采集系統(tǒng)和所述可連續(xù)移動(dòng)的圖像采集界面反射光線的途徑處，發(fā)出光線，經(jīng)光學(xué)鏡頭形成有效的光學(xué)路徑； 可連續(xù)移動(dòng)的圖像采集界面，接收所述光照裝置發(fā)射出的光線并反射至所述圖像采集系統(tǒng)； 控制處理系統(tǒng)，分別和所述圖像采集系統(tǒng)、光照裝置連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器，其特征在于，所述光照裝置和所述可連續(xù)移動(dòng)的圖像采集界面之間設(shè)置透明固件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器，其特征在于，所述圖像采集系統(tǒng)包括圖像處理器和成像系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器，其特征在于，所述圖像處理器為實(shí)現(xiàn)圖像位置變換算法的基于硬件描述語(yǔ)言的圖像處理器CPLD或FPGA或ASIC0
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器，其特征在于，所述成像系統(tǒng)包括光/電轉(zhuǎn)換裝置、A/D轉(zhuǎn)換裝置、同步裝置和掃描裝置，所述光/電轉(zhuǎn)換裝置接收對(duì)所述可連續(xù)移動(dòng)的圖像采集界面反射光線進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，所述A/D轉(zhuǎn)換裝置將上述光/電轉(zhuǎn)換裝置輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，所述同步裝置可將所述光/電轉(zhuǎn)換裝置、A/D轉(zhuǎn)換裝置、掃描·裝置動(dòng)作同步，所述掃描裝置可通過(guò)對(duì)整幅圖像的掃描將被采集對(duì)象空間坐標(biāo)離散，并獲得每一個(gè)采樣點(diǎn)的光強(qiáng)度值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器，其特征在于，所述光照系統(tǒng)由光源和一組光學(xué)鏡頭組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器，其特征在于，若被測(cè)物感光表面材料為一般粗糙紋理，則所述光照裝置使用可見光源或紅外光源；若被測(cè)物感光表面材料為玻璃或金屬等較光滑表面，則所述光照裝置使用激光光源。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器，其特征在于，所述控制處理系統(tǒng)包括控制器、儲(chǔ)存電路、顯示電路和通信電路，所述控制器通過(guò)接插件和所述圖像采集系統(tǒng)以及光照裝置相連接。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于數(shù)字圖像快速匹配算法的位移傳感器，包括收容各部件的殼體；圖像采集系統(tǒng)，接收光線并將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并基于硬件描述語(yǔ)言圖像處理器，采用數(shù)字圖像快速匹配算法，計(jì)算連續(xù)兩張圖像的偏移量；光照裝置，設(shè)置在所述圖像采集系統(tǒng)和所述可連續(xù)移動(dòng)的圖像采集界面反射光線的途徑處，發(fā)出光線，經(jīng)光學(xué)鏡頭形成有效的光學(xué)路徑；可連續(xù)移動(dòng)的圖像采集界面，接收所述光照裝置發(fā)射出的光線并反射至所述圖像采集系統(tǒng)；控制處理系統(tǒng)，分別和所述圖像采集系統(tǒng)、光照裝置連接。本實(shí)用新型的有益效果在于，可實(shí)現(xiàn)二維測(cè)量的位移傳感器，利用圖像位置變換原理實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B11/02GK203163695SQ20132016661
公開日2013年8月28日 申請(qǐng)日期2013年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月7日
發(fā)明者曹光暄, 常月, 廖旭濤, 徐文華, 于鵬 申請(qǐng)人:安徽省城建設(shè)計(jì)研究院