专利名称：基于数字图像的绝对位移测量装置及方法
技术领域：
本发明属于图像处理与视觉测量领域，主要涉及采用数字图像处理方法实现 平面内绝对^Z移的测量方法，本发明还涉及用此种方法进行测量的装置。具体讲 是一种基于数字图像的绝对位移测量装置和绝对位移测量方法。
背景技术：
平面位移的测量在工业生产和科学研究中有着广泛的应用，如各类仪器工 作台的精确定位。对平面位移的测量，当前常用的方法是在测量的三个分量上分 别放置两个线性位移传感器和一个角位移传感器，其缺点是需要三个位移传感 器，使测量成本增加，仪器尺寸增大，在测量空间受限制时，安装和调试比较困 难，另外这种测量方法由于环节多而使不可靠因素增加。因此，设计专门的平面 位移测量装置是客观需要，也是技术进步的必然要求。
目前平面位移测量装置研究所依据的物理原理主要是电磁感应原理和光学 原理。基于电磁感应原理的专利有US6605939， US6445311， CN2108273等，这类 装置测量范围较小且具有非线性，主要用于测头等微小位移的二维测量。基于光 学原理的平面位移测量主要集中于各类二维光栅，如专利CN02290387， CN03142298， CN02147846, CN200620072508, CN03222148等，这类测量装置虽 然测量范围大，测量精度高，但由于光栅编码栅格制造困难以及动静光栅尺装配 精度要求高等原因，使其测量成本较高，还无法在实际生产中推广普及。
随着计算机图形图像学、计算机视觉等相关技术的发展，数字图像处理技 术逐渐被应用于检测领域，当前在产品分级分类、缺陷检测、形状与尺寸的非接 触测量、产品外表质量检测等领域获得了广泛的应用。近几年来， 一些专利逐渐 将数字图像处理技术用于位移测量。例如CN200420063004利用CMOS数字图像 技术实现X、 Y方向的相对位移测量，CN200710051571利用光学和图像方法实现 滑坡模型试验中相对位移量的测量。这些专利主要用于相对位移的二维测量，由 于没有办法克服测量过程中误差的累积问题，普遍测量精度较低。
本发明项目组长期致力于利用数字图像处理技术实现平面位移的绝对测
量。项目组近期通过互联网以及图书馆现有的资料对国内外专利文献和公开发表 的期刊论文检索，尚未发现与本发明密切相关的和一样的报道或文献。
发明内容
本发明的目的是克服上述技术或仪器存在的缺点，提供一种测量系统简单明 晰，易行，环节少，累积误差小，测量精度高，测量范围较大，测量设备构成成 本低，能够一次性测得结果的基于数字图像的绝对位移测量方法及装置。 下面对本发明进行详细说明
本发明是一种基于数字图像的绝对位移测量装置，其特征在于测量装置 包括有测试平面、标志点、摄像设备、图像采集卡、计算机，测试平面上布设 有多个绝对坐标已知标志点、摄像设备与成像平面组成的成像系统，摄像设备设 置在与测试平面垂直的位置上，摄像设备通过信号线与计算机系统中的图像采集 卡相连，图像采集卡安装在计算机的总线插槽内。
作为基于数字图像的绝对位移测量装置，本发明的实现还在于标志点是 人工标志。
作为基于数字图像的绝对位移测量装置，本发明的实现还在于标志点是 自然标志。
作为基于数字图像的绝对位移测量装置，本发明的实现还在于'摄像设备 或是摄像机或是摄像头或是照相机。
本发明利用光学原理，通过非接触的光学影像设备以及计算机等先进的信 息图像处理设备构建了基于数字图像的绝对位移测量装置，克服了二维光栅由于 光栅编码栅格制造困难以及动静光栅尺装配精度要求高等原因所导致的测量成 本较高的问题，也克服了传统平面位移测量需要多个线性位移测量和角位移测量 叠加所导致的系统复杂的问题。提供了一种测量范围较大，测量精度较髙，能实 现一次性测得范围内的平面绝对位移的测量。
本发明还是一种基于数字图像的绝对位移测量方法，实现垂直于摄像设备 .光轴方向的平面内的绝对位移测暈，首先将摄像设备布设在测试平面垂直位置， 事先标定建立成像系统的非线性模型，使所得到的数字图像对应物理尺寸控制在 精度要求范围内；具体步骤包括有
一.在被测试平面上布设多个标志点，标志点的绝对坐标通过事前标定的
方法获得并存储于计算机中；
二. 在成像系统中所成的图像经摄像设备、图像采集卡转换为数字图像输入 计算机
三. 计算机对输入图像进行预处理、识别图像中任意两个标志点对应的像点 的编码和亚像素位置并根据成像系统的非线性模型与两个标志点的绝对坐标计 算被测对象在被测平面内的绝对位移。
相对于相对测量方式，本发明能够实现绝对测量从而克服误差累积，因此具 有较高的测量精度。
采用基于数字图像的绝对位移测量方法，其标志点或是人工标志或是自然标志。
作为一种基于数字图像的绝对位移测量方法，本发明的实现还在于在此 绝对位移测量方法进行测量所使用的计算方法，其特征在于根据任意两个标志 点对应的像点的编码检索其由事前标定所确定的绝对坐标；由两个标志点对应的 像点的亚像素位置和成像系统非线性模型分别确定摄像设备中心光轴点相对于 两个标志点的位置；根据两个标志点的绝对坐标和摄像设备中心光轴点相对于两 个标志点的位置计算被测对象的绝对直线位移和回转位移，具体步骤是
第一.开始；
第二.数字图像输入；
第三.图像预处理；
第四.识别标志点编码、检索标志点绝对位置； 第五.计算成像系统中心相对于标志点的实际相对位置； 第六.解算被测对象的绝对直线位移和回转位移； 第七.结束。
本发明对摄影得到的数字图片进行图像处理，进而一次性得到较大测量范围 内的平面绝对位移的测量，设计了基于数字图像的绝对位移测量方法，解决了坐 标精确标定，简化复杂程序等一系列技术问题，实现了对垂直于摄像设备光轴方 向的平面内的绝对位移的自动测量。
由于本发明采用光学原理，通过非接触的光学影像，并对摄影得到的数字图
片进行图像处理，进而一次性得到较大测量范围内的平面绝对位移的测量，克服 了传统平面位移测量需要多个线性位移测量和角位移测量叠加所导致的系统复 杂、测量成本高的问题。由于标志点即可以是简单的人工标志，也可以是自然标 志，克服了二维光栅由于光栅编码栅格制造困难以及动静光栅尺装配精度要求高 等原因所导致的测量成本较高的问题，有利于该方法的推广普及。采用绝对位移 测量方式，克服了测量过程中误差的累积问题，提高了测量精度。
综上，本发明减少了繁多的测量环节，减少了累积误差，提高了测量精度； 也降低了测量成本;测量范围大，实现一次性测得范围内的平面绝对位移的测量。
图1是本发明的测量原理与测量方法示意图2是本发明中测量装置的组成示意图，还是实施例9中利用激光干涉仪 对标志点进行标定的示意图3是本发明绝对位移测量方法中图像处理流程图4是实施例8中利用光栅尺对标志点进行标定的示意具体实施例方式
下面结合附图对本发明进行详细说明
实施例l:如图2所示，本发明是一种基于数字图像的绝对位移测量装置， 测量装置包括有测试平面1、标志点2、摄像设备4、图像采集卡、计算机。
测试平面1上布设有3个绝对坐标已知标志点2、摄像设备4与成像平面5组成 的成像系统，摄像设备4设置在与测试平面1垂直的位置上，摄像设备4通过信 号线与计算机系统中的图像采集卡相连，图像采集卡安装在计算机的总线插槽 内。摄像设备4采用摄像机。
摄像设备4的安装采用如下步骤进行摄像设备4设置在与测试平面1垂 直的位置上，根据需拍摄区域的大小调整摄像设备4高度并保证摄像设备4镜头 的光轴垂直于测试平面l。需要时可以在摄像设备4前部设置照明光源。将摄像 '设备4与图像采集卡电相连，调试计算机系统，实现图像采集。调节摄像设备4 与图像采集卡参数，实现测试平面1上标志点2的清晰成像。
对于精度要求比较高的场合，可利用激光干涉仪对标志点2进行标定，参
见图2,图中7、 8分别表示两台激光干涉仪，用于标定标志点2在X方向与Y 方向的位置。
相比二维光栅，本发明不需要制作光栅栅格且安装要求低因而技术复杂度和 成本较低。利用本发明可以实现对平面1内运动的被测对象的各项绝对位移的测量。
实施例2:参见图l，装置总体构成同实施例l，测试平面1上布设有4个
绝对坐标已知的标志点2，标志点2釆用人工标志，人工标志可以采用摄影测量 中使用的各类二维编码标志，如点分布型编码标志、圆环型编码标志等。人工标 志可以采用粘贴或刻蚀等方法制作在测试平面1上。人工标志的大小和对比程度 应保证在所成的数字图像上能够正确识别其编码和位置。人工标志的间距应保证 在成像系统的视野范围内有2个完整的标志的影像。人工标志的数量和编码容量 由测量范围和成像系统的视野范围共同确定。
实施例3:参见图l，装置总体构成同实施例l，测试平面1上布设有5个 绝对坐标已知标志点2，标志点2采用自然标志，自然标志是指直接利用测试平 面1的原始材料上的自然花纹或纹理充当编码标志的方法。充当标志点的自然标 志应具有一定的可区分性。自然标志的大小、对比程度、间距、.数量要求与人工 标志相同。
实施例4:装置总体构成同实施例l一4，摄像设备4采用摄像头。 实施例5:装置总体构成同实施例l一4，摄像设备4采用照相机。
实施例6:本发明还是一种基于数字图像的绝对位移测量方法，在上述装置
上实现需要首先将摄像设备4布设在测试平面1垂直位置，事先标定建立成像系 统的非线性模型，使所得到的数字图像对应物理尺寸控制在精度要，围内；具
体歩骤包括有
一. 在被测试平面1上布设多个标志点2，标志点2的绝对坐标通过事前标 定的方法获得并存储于计算机中；
二. 在成像系统中所成的图像经摄像设备4、图像采集卡转换为数字图像输 入计算机；
三. 计算机对输入图像进行预处理、识别图像中任意两个标志点2对应的像 点6的编码和亚像素位置并根据成像系统的非线性模型与两个标志点2的绝对坐
标计算被测对象在被测平面1内的绝对位移。实现垂直于摄像设备4光轴方向的 平面内的绝对位移测量。
实施例7:参见图3，基于数字图像的绝对位移测量方法进行测量所使用的 计算方法是根据任意两个标志点2对应的像点6的编码检索其由事前标定所确定 的绝对坐标；由两个标志点2对应的像点6的亚像素位置和成像系统非线性模型 分别确定摄像设备4中心光轴点3相对于两个标志点2的位置；根据两个标志点 2的绝对坐标和摄像设备4中心光轴点3相对于两个标志点2的位置计算被测对 象的绝对直线位移和回转位移。 具体步骤是-
第一.开始；
第二.数字图像输入；
第三.图像预处理；
第四.识别标志点编码、检索标志点绝对位置； 第五.计算成像系统中心相对于标志点的实际相对位置； 第六.解算被测对象的绝对直线位移和回转位移； 第七.结束。
实施例8:利用光栅尺对标志点进行标定，
参见图4，将制有多个标志点2的测试平面1放置到安装有光栅尺的XY工 作台上，且保证测试平面1的长边与X轴平行、测试平面1的短边与Y轴平行。 X、 Y轴光栅尺5、 6分别接入计算机以便自动读数。XY工作台连同测试平面1 置于摄像设备正下方。开始标定时，手动或自动移动工作台将编码为O的标志点 移至成像系统视野的正中位置，即标志点中心与图像中心完全重合，将光栅尺位 置清零。然后移动工作台将编码为1的标志点移至成像系统视野的正中位置，即 标志点中心与图像中心完全重合，分别读取X、 Y光栅尺5、 6的读数，将其作为 编码为1的标志点的绝对位置坐标。依照上述同样方法，依次完成测试平面1 上其余标志点的标定并在计算机中记录各标志点的绝对位置坐标。 实施例9:利用激光干涉仪对标志点进行标定
对于精度要求比较高的场合，可利用激光干涉仪对标志点进行标定，参见图2，图2中的7、 8分别表示两台激光干涉仪，用于测量XY工作台在X方向与Y 方向的位移。标定过程与实例3基本类似，但各标志点2的绝对位置坐标由激光 干涉仪7、 8的读数给出，而非光栅尺的读数。
实施例10:
将经过标定的制有多个标志点2的测试平面1连接在待测绝对位移的平台 上，保证所需要的安装精度。按照摄像设备的安装步骤安装摄像设备于编码为0 的标志点的正上方并调试计算机系统，实现图像采集。
对成像系统进行标定。本发明采用摄像机小孔透视模型与镜头非线性畸变模 型共同组成成像系统模型。利用平面网格模板采用两步法实现成像系统参数标 定。标定后的成像系统模型存储于计算机中，以便后续测量使用。
摄像设备4与成像平面5组成的成像系统所成图像经摄像设备、图像采集卡 '转换为数字图像输入计算机；
图像经过预处理、然后识别出图像中任意两个标志点2对应的像点6的编码 和像点6的中心相对于图像中心的亚像素位置；
根据两个标志点2对应的像点6的编码分别检索在标志点标定时存储的标志 点2的绝对位置坐标；
依据像点6的中心相对于图像中心的亚像素位置，根据成像系统模型，分别 计算摄像设备中心光轴点3相对于两个标志点2的实际相对位置。
根据两个标志点2的绝对坐标和摄像设备中心光轴点3相对于两个标志点2 的相对位置分别计算被测对象的绝对直线位移和回转位移。
权利要求
1. 一种基于数字图像的绝对位移测量装置，其特征在于测量装置包括有测试平面(1)、标志点(2)、摄像设备(4)、图像采集卡、计算机，测试平面(1)上布设有多个已知绝对坐标的标志点(2)，摄像设备(4)与成像平面(5)组成的成像系统，摄像设备(4)设置在与测试平面(1)垂直的位置上，摄像设备(4)通过信号线与计算机系统中的图像采集卡相连，图像采集卡安装在计算机的总线插槽内。
2. 根据权利要求1所述的基于数字图像的绝对位移测量装置，其特征在于 所述的标志点(2)是人工标志。
3. 根据权利要求1所述的基于数字图像的绝对位移测量装置，其特征在于 所述的标志点(2)是自然标志。
4. 根据权利要求1或2或3所述的基于数字图像的绝对位移测量装置，其特征在于摄像设备或采用摄像机或采用摄像头或采用照相机。
5. —种基于数字图像的绝对位移测量方法，其特征在于实现垂直于摄像设 备光轴方向的平面内的绝对位移测量，首先将摄像设备(4)布设在测试平面(1)垂直位置，事先标定建立成像系统的非线性模型，使所得到的数字图像对应物理尺寸控制在精度要求范围内；具体歩骤包括有一. 在被测试平面(1)上布设多个标志点(2),标志点(2)的绝对坐标 通过事甜标定的方法获得并存储于计算机中；二. 在成像系统中所成的图像经摄像设备4、图像采集卡转换为数字图像输 入计算机；三. 计算机对输入图像进行预处理、识别图像中任意两个标志点(2)对应 的像点(6)的编码和亚像素位置并根据成像系统的非线性模型与两个标志点(2) 的绝对坐标计算被测对象在被测平面(1)内的绝对位移。
6.依据权利要求1所述的基于数字图像的绝对位移测量方法进行测量所使 用的计算方法，其特征在于根据任意两个标志点(2)对应的像点(6)的编码 检索其由事前标定所确定的绝对坐标；由两个标志点(2)对应的像点(6)的亚 像素位置和成像系统非线性模型分别确定摄像设备中心光轴点(3)相对于两个标志点(2)的位置；根据两个标志点(2)的绝对坐标和摄像设备中心光轴点(3) 相对于两个标志点(2)的位置计算被测对象的绝对直线位移和回转位移，具体 歩骤是第一.开始；第二.数字图像输入；第三.图像预处理；第四.识别标志点编码、检索标志点绝对位置； 第五.计算成像系统中心相对于标志点的实际相对位置； 第六.解算被测对象的绝对直线位移和回转位移； 第七.结束。
全文摘要
本发明公开了一种基于数字图像的绝对位移测量装置及方法，属视觉测量技术领域。在测试平面上布设绝对坐标标志点，将摄像设备安置在测试平面的垂直位置，事先标定建立成像系统的非线性模型，摄取被测图像经图像采集卡送计算机进行处理；计算机对输入图像进行预处理，识别图像中任意两个标志点对应的像点的编码和亚像素位置并根据成像系统非线性模型与两个标志点的绝对坐标计算被测对象在被测平面内的绝对位移量，获得对被测对象的绝对坐标的各项位移量测量。本发明解决了系统复杂，累积误差大等技术问题。系统和环节简要、装置及方法均简单明晰，易行，环节少，累积误差小，测量精度高，测量范围较大，测量设备构成成本低，能够一次性测得结果。
文档编号G01B11/02GK101382418SQ20081023177
公开日2009年3月11日 申请日期2008年10月16日 优先权日2008年10月16日
发明者佳 刘, 波 刘, 张君安, 舟 方, 王建华, 董三峰, 赫东锋 申请人:西安工业大学