专利名称：使用计算机摄像头测量微小二维位移的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于数字图像测量技术领域，特别是采用计算机摄像头测量物体的二维微 小位移的方法及其装置。
背景技术：
微电子技术的发展推动了摄像测量技术的进步。以“摄像”与“测量”为主题词， 可以检索到国内发明专利25项，实用新型专利5项。例如，发明专利“一种摄像机空间三维 位置姿态测量方法”(公开号=CN 1804541A,申请日=2006. 7. 19，北航大)提出的测量步骤 是1)标定阶段，设定合作目标；摄像机视野内，自由、非平行移动合作目标至少5个位置， 每移动一个位置，拍摄一幅图像，称为摄像机标定图像；合作目标上的2个圆的透视投影图 像为2个椭圆，以密集度即面积和周长平方的比值为描述特征，自动分割出标定图像中的2 个椭圆，提取每一个位置的摄像机标定图像中2个椭圆的所有的8个公切点，求出不同公切 点的连线交点，公切点和连线交点共21点，称为目标特征点；利用所有位置的目标特征点 图像坐标及其对应的世界坐标标定摄像机内部参数，包括有效焦距和主点坐标。2)测量阶 段固定合作目标，移动摄像机，或者移动合作目标，固定摄像机，拍摄合作目标的图像，提 取合作目标上的21个目标特征点的图像坐标并与其世界坐标对应；根据所建立的摄像机 运动模型和透视投影模型，利用摄像机内部参数、目标特征点的图像坐标及对应的世界坐 标，计算摄像机的三维空间位置姿态；连续测量摄像机在2个不同位置的三维位置姿态，计 算出移动物体的线速度和角速度。由此可见，该发明的特点是使用摄像机测量，需要合作 目标，测量前需要进行一系列的标定工作。再如，发明专利“三维地质体结构面信息的数字摄像测量及采集方法”(公开号 CN101029826A，申请日2007. 9. 5，成都理工大)声称以数字视频流作为测绘对象的信息 载体，摒弃、减少了传统摄影测量所需的内外方位元的解算，在计算机上再建的计算机立体 视觉环境中，通过对连续、动态的视频流参数-加载速度和帧位置的控制来实现物点的三 维空间的位置解算，从而完成各种地质坡面上结构面的摄像测量、解译及编录工作。显然， 该项发明采用视频摄像机，为了所需要的解译精度，需要考虑到视频流本身的分辨率，拍摄 的视角和放大率等摄像光学因素。又如，“一种长直轨道几何参数的摄像测量方法”(发明专利公开号CN 101021417A;申请日2007. 3. 21，国防科技大)是在长直轨道上的线路检测车车头固定 合作标志，在线路检测车前方安装摄像机，用摄像机拍摄随轨道起伏偏转而运动的合作标 志在至少两个不同时刻的图像，通过图像处理获得所述轨道的几何参数，包括轨距、超高、 纵偏和正矢中的至少一项。该项发明还提出，加装自适应光学设备，或用软件算法的形式 作大气抖动修正，但未有进一步的说明。与此类似的还有“检测公路路面平整度的摄像 测量方法”(发明专利公开号CN 101126638A，申请日2008. 2. 20，国防科技大)，“替代铉 线法的轨道几何参数摄像测量装置及方法”(发明专利公开号CN 101264766A，申请日 2008. 5. 15，国防科技大)。这三种发明都使用(数字信号模式)摄像机，需要安装摄像用的
4合作标志；特别的是，虽然都采用了数字图像处理技术，但是均未进一步说明所采用的亚像 素定位技术。近几年，随着CXD和CMOS光电成像芯片的发展，计算机摄像头很快地得到普 及，其核心是光电传感单元阵列，常见的分辨率有QSIF(160*120)、QCIF(176*144)、 SIF(320*240)、CIF(352*288)和VGA(640*480)等几种，拍摄的实际速度分别是30fps (帧 每秒)，30fps, 20-26fps, 20_26fps和lOfps，其视频信号属于数字信号方式，以USB接口输 出，具备了用于摄像测量的物理基础。相对于摄像机，计算机摄像头价格低廉，使用方便，一 般用于网络视频聊天或监视拍摄工作；然而，尚未见到它被用于摄像测量方面的报道。扫描仪与光电鼠标也具有一维或二维的光电传感器阵列芯片，其工作原理，特别 是有关它们获取相对运动矢量的若干美国专利，为使用摄像头测量位移提供了有益的启 迪。例 如，"Navigation technique for detecting movement of navigation sensorsrelative to anobject” (US 5，644，139，Jul. 1,1997)讨论了四种扫描仪的特点， 即1)鼓式。2)平板(线性阵列传感器)式，适合扫描大至A4(8. 5inXllin)的图面，有些达到 Al的图面，采用主计算机作控制、存储以及管理图像。3)2维阵列传感器式，无机械编码，曝光期原始图不动，2D阵列光敏单元转换成像 素阵列，大小为A4的300dpi的图需要2500X3300 = 8. 25百万像素。 4)手持移动式，采用小些的线性阵列电光传感器单元，直接与个人计算机相连，并 籍此存储、处理和使用图像数据。图像传感器的数据速率限制扫描速率，为此，借助红、绿发 光二极管的指示反馈给使用者，以维持合适的扫描速度，达到所需的图像分辨率。有些手持 式扫描仪使用电磁刹，扫描速度增加，机械阻力也增加，防止了拖动过快。手持式扫描仪确定像素阵列的位置信息的方法与机械鼠标的工作原理相似。当 线性阵列传感器移动的时候，轮子、球或磙珠与原始图面接触的滚动被感知，其位置信息根 据转动的机械细节被确定。一般地，与原始图面相接触的机械元件的表面具有高的摩擦系 数，例如是橡胶，以阻止滑动和刹车。圆柱形滚筒或用刚性轴连接的两个轮子用于加强扫描 过程中运动保持单一的平动自由度，常用直线边或其它固定物固定相对原始图面的扫描方 向，并进一步加强扫描过程中需要的平动约束。缺失这些保持移动方向的固定物的时候，或 者使用者的肘落在某个平面上的时候，一维光电传感器阵列的移动轨迹会发生某种偏转， 导致扫描得到的电子像发生扭曲。当然，位置编码的方法常常易于产生滑动或跳跃，会导致 一维的像素数据阵列与原始图像的对位误差。该专利给出了计算关联系数的方法，并籍此获得各个像素的位置信息。为了参考， 继续摘要如下先获取参考帧，它具有某种内在结构特点，例如T形的成像，典型的表面内在结构 特征介于10 μ m-40 μ m,参考帧的大小取决于扫描装置的最大的扫描速度、表面结构特点的 主要的空间频率和传感器的分辨率等因素，NXM = 32X64的导航传感器的参考帧的实际 大小取为NXM = 24X56的像素阵列。经过一段时间dt后，获得取样帧，它表现了同样的 内在结构特点。该专利强调取样前历时dt要满足“微步”条件在扫描仪的平移速度下，相对位移小于导航传感器的一个像素的间距；一个可以接受的取样时间间隔是50微妙(扫 描速度0. 45米每秒，600dpi (像素点每英寸)时)。所谓关联用于发现连续帧的同一特点所在的位置，以确定来自帧-帧特点的位 移，求和或积累这些位移，校正通过相关的光学设计引入的刻度因子，确定成像传感器的位 移，是一个扫描过程的程序。帧_帧关联对应于“微步”，指选择帧率足够地高，保证位移不 超过一个单个像素的尺寸。过度的采样能够提供“亚像素的位移精度”。有若干关联方法可以采用，该专利提出的方法是“差的平方的和”的关联
权利要求
使用计算机摄像头测量微小二维位移的方法及装置，由计算机摄像头与一台普通的计算机组成，所述摄像头通过其USB接口连接到所述计算机，该计算机配置有USB接口、内存、CPU、硬盘、显示卡与显示器、键盘和鼠标、操作系统以及摄像头驱动程序，其特征在于，所述计算机系统还配置有摄像头拍摄及数字图像处理程序。
2.根据权利要求1所述的使用计算机摄像头测量微小二维位移的方法及装置，其特征 在于，所述摄像头拍摄及数字图像处理程序提供了一种使用计算机摄像头测量物体微小二 维位移的方法，包括下述程序1)操作计算机摄像头拍摄一帧被测物体的图像，以位图的格式保存，作为参考帧；根 据具体摄像头的参数指标选择位图帧的大小MXN，M, N e正整数，并尽可能选择拍摄速度 较快的帧率；为所述位图对应的像素阵列选择一个直角坐标系；在所述像素阵列的中央区 域开辟一个比较窗，大小取为mXn，m, n G整数，选取合适的初始值mQXrv所述比较窗与 所述像素阵列的水平方向和垂直方向的边缘像素分别距离h和v个像素，即有m+2h = M, n+2v = N，h，v, m，n，M，N G 正整数；2)计算所述参考帧里比较窗的像素阵列的自关联系数
全文摘要
使用计算机摄像头测量微小二维位移的方法及装置，提出了一种以计算机摄像头作为位移传感器进行无接触测量位移的方法及其装置，该装置以一个计算机摄像头连接一台普通的计算机组成，该计算机中还配置有摄像头拍摄及数字图像处理程序，能够在照明条件良好且相对不变的情况下，获得被测物体在与摄像头的光轴相垂直的平面上微小的二维位移矢量和速度矢量，其测量精度小于一个像素单位；本发明提出的测量位移的方法包括通过对参考帧自关联计算选取最佳匹配比较窗；通过交叉关联匹配计算获得物体即时的相对位移矢量与总的位移矢量；并据此测量结果决定是否更新参考帧及其最佳匹配比较窗，并自动调整进行搜索匹配的交叉关联算子阵列的大小。
文档编号G01B11/02GK101943566SQ20091010427
公开日2011年1月12日 申请日期2009年7月7日 优先权日2009年7月7日
发明者唐玉霞, 曾艺, 朱超平, 林睿 申请人:重庆工商大学