专利名称：以二维单基色对比度为特征帧匹配测量位移的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及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：
为了发挥计算机摄像头的光电传感器阵列的功能，最近提交的发明专利“以二 维三基色对比度为特征帧匹配测量位移的方法及装置”(申请号=200910191320. 9)分解 图像帧为三幅基色帧，分别提取它们各自的基色对比度作为其图像的特征，并应用关联匹 配技术测量物体的微小的位移，取其平均值作为测量结果，充分地利用光电探测传感器的 性能。另一份发明专利“以二维对比度为特征帧匹配测量位移的方法及装置”(申请号 200910190925. 6)提取图像帧的明暗对比度作为图像的特征，应用关联匹配技术测量物体 微小位移。所述两份专利的测量方法新颖，但是，前者的分析运算量较大，影响测量速度，后 者会受到测量环境中有关波长光照及其变化的影响。
发明内容
鉴于上述情况，本发明提供一种以二维单基色对比度为特征帧匹配测量位移的方 法及装置，它利用计算机摄像头，通过拍摄，测量物体在与摄像头的光轴相垂直的平面上的 二维位移矢量和速度矢量。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一台计算机安装一个计算机摄像 头，并配置有摄像头拍摄及二维单基色边方向数据帧匹配测量位移程序；该程序体现了以 二维单基色对比度为特征通过帧匹配测量位移的方法，包括步骤一、以位图(MXN，M，N e正整数)的格式，拍摄一帧被测物体的图像，作为参 考帧；以该帧像素阵列左上角的第一个像素的位置为原点，向右方向为χ轴方向，垂直向下 方向为y轴方向；在所述像素阵列的中央选取一个区域，大小为mQXrv m0, n0 e正整数，称 之为比较窗，它距离所述像素阵列的水平方向和垂直方向的边缘像素各有h和ν个像素，即 有mQ+2h = Μ, η0+2ν = N, h, ν e正整数；选取三基色(红、绿和蓝色)之一为本测量的对象；
步骤二、对于上述参考帧，逐像素行、逐像素列地分别导出沿X轴方向和Y轴方向的 关于所选取中份'I的边方向数据，共有两帧，并以3bit的二进制数值001’ 010和100分别表 示其中的正边、负边以及第三类边； 步骤三、上述拍摄以后，经过一段时间Δ/,拍摄第二帧位图，作为取样帧； 逐行、逐列确定该取样帧中像素沿X轴方向和Y轴方向的关于所取单基色的边方向数据， 共有两帧，分别以3bit的二进制数值001, 010和100表示其中的正边、负边以及第三类边； 步骤四、沿X轴方向和Y轴方向，把所述参考帧内比较窗在所述取样帧范围里进行9x9 交叉关联匹配(a = -4,-3，-2，-l，0，+l，+2，+3，+4, b - -4-3-2-l,0,+l,+2,+3,+4 ),对于所述参考
帧和所述取样帧各自对应的所取单基色的两帧边方向数据，沿X轴方向和Y轴方向，分别计 算并得到2x1 = 2组关于所取单基色帧的交叉关联匹配系数；
步骤五、对于上述各组交叉关联匹配系数，分别取其中值最大者，作为所述取样帧对应 的所取单某色帧相对所述参考帧对应的所取单基色帧分别沿X轴方向和Y轴方向移动的方向
以及移动的幅度，例如所取笮坫fi为红.则仏
权利要求
1.以二维单基色对比度为特征帧匹配测量位移的方法及装置，由一台计算机及其摄像 头组成，其特征在于，所述计算机还配置有摄像头拍摄及二维单基色边方向数据帧匹配测 量位移程序。
2.根据权利要求1所述的以二维单基色对比度为特征帧匹配测量位移的方法及装置， 其特征在于，所述摄像头拍摄及二维单基色边方向数据帧匹配测量位移程序提供了一种使 用计算机摄像头以二维单基色对比度为特征实施帧匹配测量二维位移的方法，包括步骤一、以位图^\队11力￡正整数)的格式，拍摄一帧被测物体的图像，作为参考帧； 以该帧像素阵列左上角的第一个像素的位置为原点，向右方向为χ轴方向，垂直向下方向 为y轴方向，所取坐标轴的单位为一个像素的大小；在所述像素阵列的中央选取一个区域， 大小为mQXrvlvntl e正整数，称之为比较窗，它距离所述像素阵列的水平方向和垂直方向 的边缘像素各有h和ν个像素，即有mQ+2h = Μ, η0+2ν = N, h, ν e正整数；选取三种基色 (红、绿和蓝色)之一作为本测量的对象；步骤二、对于上述参考帧，逐像素行、逐像素列地分别导出沿X轴方向和Y轴方向的关 于所选取单基色的边方向数据，共有两帧，并以3bit的二进制数值001，010和100分别表 示其中的正边、负边以及第三类边；步骤三、上述拍摄以后，经过一段时间At，拍摄第二帧位图，作为取样帧； 逐行、逐列确定该取样帧中沿X轴方向和Y轴方向的关于所取单基色的边方向数据，共 有两帧，以二进制数值001，010和100分别表示其中的正边、负边以及第三类边；步骤四、沿X轴方向和Y轴方向，把所述参考帧内比较窗在所述取样帧范围里进行9X9 交叉关联匹配(a = -4，-3，-2，-1,0, +1，+2，+3，+4，b = -4，-3，-2，-1,0, +1，+2，+3，+4)， 对于所述参考帧和所述取样帧各自对应的所取单基色的两帧边方向数据，分别计算并得到 2X1 = 2组关于所取单基色帧的交叉关联匹配系数，共产生9 X 9 X 2 = 162个交叉关联匹 配系数 cross_correlation (a，b)；步骤五、对于上述各组交叉关联匹配系数，分别取其中值最大者，作为所述取样帧对应 的所取单基色帧相对所述参考帧对应的所取单基色帧分别沿X轴方向和Y轴方向移动的方 向以及移动的幅度，例如所取单基色如为红色，则有Δ 红 χχ = a1 Δ = b1 Δ 红 yx = C1, Δ 红 yy = (I1 ；式中，下标x、y分别表示各边方向数据所沿的坐标轴方向；本次测量中，沿X轴方向和Y轴方向，所述取样帧相对所述参考帧移动的方向以及移动的幅度分别是= ^^ = e,Ay(i,j) = 二 /式中，i表示本次测量拍摄的顺序计数，j表示所取参考帧的顺序计数；测量过程中，物 体总的相对位移矢量是Δχ0( , j) = Δχ0( -1, j) + Ax(i, j) = Δχ0( -1, j)+e, Ay0(i, j) = Ay0(i-1, j) + Ay(i, j) = Δ y0 (i_l，j)+f 式中，(Δχ0( -1, j), Ay0(i-l,j))表示本次测量之前累积的位移； 步骤六、物体的速度矢量是Δνχ( , j) = Δχ( , j)/At = e/At, AVy(i, j) = Ay(i, j)/At = f / Δ t ； 步骤七、如果 I Δχ0( , j)-Ax0(k, j-1) I 彡 2m/5，或 | Δ y0 (i，j) - Δ y0(k，j_l) | ^ 2n/5,其中，k = max(i) I (j-1)表示在所述参考帧顺序计数为j_l的情况下最后_次拍摄的顺序 计数值，即在所述参考帧没有发生变化的条件下，其中的比较窗发生的相对位移之累积已 经超出该比较窗的幅度的2/5，这时，用最新的取样帧取代所述参考帧，其比较窗重新定位 在新的参考帧的中央部位；如果 I Δχ0( , j)-Δχ0 (k, j-1) I < 2m/5 且 | Δ y0 (i, j) - Δ y0(k, j-1) | < 2n/5，不更新 所述参考帧，而是把所述参考帧里的比较窗发生相对位移ΔΧ = -e，Ay = -f ； 步骤八、调整步骤四中所述交叉关联匹配算子阵列的大小如果 |e| ≤ 3且 |f| ≤3，改取7\7化=-3，-2，-1，0，+1，+2，+3力=-3，-2，-1，0， +1, +2, +3，如果 |e| ≤2且 |f| ≤ 2，改取 5X5 :a = _2，_1，0，+1，+2，b = -2，-1，0，+1，+2， 否则，仍然取为9X9关联匹配算子阵列；步骤九、上述拍摄以后，又经过一段时间At，拍摄第三帧位图，作为新取样帧； 逐行、逐列分别导出该取样帧沿X轴方向和Y轴方向的关于所取单基色的边方向数据， 共有两帧，以二进制数值001，010和100分别表示其中的正边、负边以及第三类边；步骤十、按照步骤八中确定的交叉关联匹配算子阵列，对于所述参考帧内所取单基色 沿X轴方向和Y轴方向的两帧边方向数据，把其比较窗里的边方向数据分别在所述新取样 帧范围里进行对应的边方向数据交叉关联匹配计算，具体算法同步骤四； 步骤十一、跳转到步骤五，继续测量。
3.根据权利要求2所述的以二维单基色对比度为特征帧匹配测量位移的方法及装置， 其特征在于，所述摄像头拍摄及二维单基色边方向数据帧匹配测量位移程序之步骤二、三 和九所述边方向数据的定义是像素阵列中，沿着X轴或者沿着Y轴方向，如果一个像素的 亮度值或其三基色之一(红或绿或蓝色)的亮度值比其后面的第二个像素相应的亮度值还 要小一个误差容限值error，即如果
4.根据权利要求2所述的以二维单基色对比度为特征帧匹配测量位移的方法及装置， 其特征在于，所述摄像头拍摄及二维单基色边方向数据帧匹配测量位移程序之步骤四和步 骤十中所述交叉关联匹配计算的方法是分别沿X轴方向或者沿Y轴方向，把所述参考帧内比较窗对应的该坐标轴方向的三基 色帧边方向数据{reference^，y)}在所述取样帧范围里对应的该坐标轴方向的相应基色 的边方向数据{comparison(x+a，y+b)}进行下述匹配比较运算
全文摘要
以二维单基色对比度为特征帧匹配测量位移的方法及装置，由一台计算机及其摄像头组成。其测量位移的方法是，选取一种基色，沿x轴和y轴方向，分别提取所取单基色的二维对比度作为图像帧的特征；选取一帧图像作为参考帧，对其中选取的比较窗区域内所取单基色的两帧边方向数据相对后续取样帧进行交叉关联匹配计算，取其最佳匹配者的平均值作为本次测量的结果；据此位移测量值，决定是否更新参考帧，并调整比较窗的位置以及交叉关联匹配算子阵列的规模，以保证下一次测量的精度以及减少计算量。本发明既可以比较有效地克服了环境光照中其它波长对测量的影响，又大大提高了测量速度。
文档编号G01B11/02GK102102981SQ20091025091
公开日2011年6月22日 申请日期2009年12月21日 优先权日2009年12月21日
发明者张海明, 徐其明, 曾艺 申请人:重庆工商大学