专利名称：以三基色一维对比度为特征测量轴向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，特别是使用计算机摄像头测量物体沿其光学 轴方向发生的微小位移的方法及其装置。
背景技术：
最近提交的发明专利申请“以三基色对比度为特征测量沿光轴方向的位移的方法 及装置”分析了检测沿系统的光轴方向发生的位移的技术，提出了一种新颖的检测轴向位 移的方法及其装置，较充分地利用了摄像头拍摄的图像帧包含的信息，不过，其分析运算量 较大，影响测量速度。
发明内容
本发明提供一种以三基色一维对比度为特征测量轴向位移的方法及装置，它利用 计算机摄像头，能够在照明状况发生一定的变化的环境中，测量物体沿摄像头的光轴方向 所发生的微小位移矢量。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一台普通的计算机配置一个计算机 摄像头，该摄像头被安装在一个由高精度微位移步进电机为核心组成的轴向位移装置上， 该步进电机通过步进电机接口电路连接到所述计算机的RS232C接口，所述计算机配置有 摄像头拍摄以及根据三基色一维对比度测量轴向位移程序，该程序体现了以三基色的一维 对比度为图像帧的特征测量轴向位移的方法，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，以向右的方向为χ轴方向，垂直 向下方向为y轴方向，所取坐标系的单位为一个像素的大小；在所述像素阵列的中央区域 选取一个区域，大小为HitlXrv m0, n0 e正整数，称之为观察窗，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mo+2h = M,n0+2v = N,h,v e正整数；步骤二、对于上述参考帧之像素阵列，逐像素行、逐像素列导出沿X轴方向和Y轴 方向的边方向数据，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，如此构成了对应所述参考帧像素阵列的关于X轴方向和关于Y轴方向的两帧 边方向数据Ireferencex (X，y)}和{reference, (x，y)}，其中，下标χ或y分别表示所沿的 坐标轴的方向，符号“{ } ”表示沿其中函数下标所标示的坐标轴方向观察窗内诸像素(X， y)处的边方向数据的一个集合，保存这些数据；步骤三、对于上述两帧边方向数据，分别计算所述参考帧里观察窗内像素阵列的 自关联匹配系数
权利要求
1.以三基色一维对比度为特征测量轴向位移的方法及装置，包括一台普通的计算机 通过其USB接口连接一个计算机摄像头、一台步进电机及其接口电路，其特征在于，该摄像 头被安装在一个由所述步进电机为核心组成的轴向位移装置上，该步进电机通过所述步进 电机接口电路连接到所述计算机的RS232C接口，所述计算机配置有摄像头拍摄以及根据 三基色一维对比度测量轴向位移程序。
2.根据权利要求1所述的以三基色一维对比度为特征测量轴向位移的方法及装置，其 特征在于，所述摄像头轴向位移装置包括摄像头(1)安装在工作台(33)上，该工作台(33)与一根长的螺丝纹旋转轴(34)以螺 丝纹套接，螺丝纹旋转轴(34)通过支撑架(31)和(32)安装在一张大的工作台(30)上，并 且，螺丝纹旋转轴(34)与支撑架(31)和(3 都是以转轴的方式套接，螺丝纹旋转轴(34) 在与支撑架(31)和(3 的套接处可以转动但不发生向前或向后的位移；螺丝纹旋转轴 (34)上有一个固定的齿轮(341)，它与步进电机00)的转轴上面的齿轮02)相互咬 合；步进电机GO)也安装在工作台(30)上，它通过步进电机接口电路G3)连接到计算机 系统(5)的 RS232C 接口 (8)。
3.据权利要求1所述的以三基色一维对比度为特征测量轴向位移的方法及装置，其特 征在于，所述摄像头拍摄以及根据三基色一维对比度测量轴向位移程序包括下述测量物体 沿所述摄像头的光轴方向发生的微小位移的方法步骤一、以位图(MXN，M，Ne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，以向右的方向为χ轴方向，垂直向下 方向为y轴方向，所取坐标系的单位为一个像素的大小；在所述像素阵列的中央区域选取 一个区域，大小为mQXnQ，m0, n0 e正整数，称之为观察窗，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；步骤二、对于上述参考帧之像素阵列，逐像素行、逐像素列导出沿X轴方向和Y轴方向 的边方向数据，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，如此构成了对应所述参考帧像素阵列的关于X轴方向和关于Y轴方向的两帧边方 向数据Ireferencex (X，y)}和{reference, (x，y)}，其中，下标χ或y分别表示所沿的坐标 轴的方向，符号“ { } ”表示沿其中函数下标所标示的坐标轴方向观察窗内诸像素(X，y)处 的边方向数据的一个集合，保存这些数据；步骤三、对于上述两帧边方向数据，分别计算所述参考帧里观察窗内像素阵列的自关 联匹配系数
4.根据权利要求3所述的以三基色一维对比度为特征测量轴向位移的方法及装置，其 特征在于，所述摄像头拍摄以及根据三基色一维对比度测量轴向位移程序之步骤中所述边 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，如果一个像素的光强值比其后面的第二个像 素相应的光强值还要小一个误差容限值error，即如果I (X，Y) < I (X+2, Y) -error 或 I (X，Y) < I (X，Y+2) -error则定义这两个像素之间存在一个沿该轴方向的正边；如果一个像素的光强值比其后面 的第二个像素相应的光强值还要大一个误差容限值error，即如果 I (X，Y) > I (X+2, Y) +error 或 I (X，Y) > I (X，Y+2) +error则定义这两个像素之间存在一个沿该轴方向的负边；如此获得的边位于该像素之后的 第一个像素的位置，也即位于参与比较的两个像素的中间位置的那个像素上；如果一个像 素的某种光强值与其后面的第二个像素相应的光强值接近，其值相差不超过一个误差容限 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， 则认为这两个像素之间沿该轴方向不存在对应的“边”，或称之为第三类边； 沿着某一个坐标轴方向，对应的像素行或像素列所有的正边、负边以及第三类边组成 该行或该列沿该坐标轴方向的边方向数据；上列式中的误差容限值可以根据具体的光照情 况，预置为一个小的数值，例如err0r = 10 ；像素阵列中的四个边与角上的像素位置不存 在边方向数据。
5.根据权利要求3所述的以三基色一维对比度为特征测量轴向位移的方法及装置，其 特征在于，所述摄像头拍摄以及根据三基色一维对比度测量轴向位移程序之步骤中所述搜 索最佳观察窗像素阵列的方法包括对于所述像素阵列的观察窗以及kXk(k e正整数)关联匹配算子阵列(a，b)，沿某个 坐标轴方向会产生kX k个自关联匹配系数，按下列不等式比较这些自关联匹配系数 autocorrelation (a, b) ^ autocorrelation (0,0) X similarity 式中，similarity描述了观察窗与其邻近相同规模的像素阵列的相似程度，例如取 similarity = 60 %，可以预先设置，也可以根据光照情况以及被测物表面的质地进行调试 和选择；如果满足上述不等式的自关联系数多于kXkX 1/3个，需要扩大观察窗的范围各step 行和st印列令m = m0+step, η = %+st印，重新计算新的观察窗的自关联系数，并进行上 述比较，直到满足上述不等式的自关联匹配系数不多于kXkXl/3个，这时，a! = M-m，2v = N-n，其中，step为步进参数，初始值为1，每次需要扩展观察窗的规模就增加1 ；如果超出帧 内一个预定的范围，还没有找到合适的观察窗，则认为该物体这部分反射表面的质地不适 于本装置的测量工作，并给出提示警告；如果满足上述不等式的自关联匹配系数不多于kXkX 1/3个，说明被拍摄物体的表面 的结构特征足够精细，最邻近像素之间的值可以区分，可以进一步尝试缩小观察窗的范围 各st印行和st印列，以减少计算工作量令m = Hi0-St印，η = nQ-st印，重新计算观察窗的 自关联系数，并进行上述比较，递进参数step每次增加1，直到所选观察窗区域满足上述不 等式的自关联系数的个数不小于kXkX 1/3，这时，认为搜索到了最佳观察窗像素阵列。
6.根据权利要求3所述的以三基色一维对比度为特征测量轴向位移的方法及装置，其 特征在于，所述摄像头拍摄以及根据三基色一维对比度测量轴向位移程序之步骤中所述红 色、绿色或蓝色的边方向数据的定义是根据像素阵列中红色、绿色或蓝色这三种基色之一的分量数据，沿着X轴或者沿着Y轴 方向，如果一个像素的某种三基色分量值比其后面的第二个像素相应的三基色分量值还要小一个误差容限值error，即如果I (X，Y)红< I 红(X+2，Y) -error 或 I (X，Y)红< I (X，Y+2)红-error I (X，Y) a< I 绿(x+2, Y) -error 或 I (X，Y)绿< 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 则定义这两个像素之间存在一个红色的、绿色的或蓝色的正边；如果一个像素的某种 三基色分量值比其后面的第二个像素相应的三基色分量值还要大一个误差容限值error， 即如果1 (X，Y)红> I 红(X+2，Y) +error 或 I (X，Y)红> I (X，Y+2)红+error I (X，Y)绿> I 绿(X+2, Y) +error 或 I (X，Y)绿> 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 则定义这两个像素之间存在一个红色的、绿色的或蓝色的负边；如此获得的边位于该 像素之后的第一个像素的位置，也即位于参与比较的两个像素的中间位置的那个像素上； 如果一个像素的某种三基色分量值与其后面的第二个像素相应的三基色分量值接近，其 RGB分量值相差不超过一个误差容限值error，即如果 I (X+2, Y)红-error ≤ I (X，Y)红 ≤ I (X+2, Y) a +error 或 I (X，Y+2) 红—error ≤ I (X，Y)红 ≤ I (X，Y+2) 红 +error ； I (x+2, Y) s-error ≤ I (X，Y)绿≤ I (X+2, Y) s+error 或 I (X，Y+2) s-error ≤ I (X，Y)绿≤ I (X，Y+2) s+error ； I (X+2, Y) -error ≤ I (X，Y)蓝≤ I (X+2, Y) +error 或 I (X，Y+2) -error ≤ I (X，Y)蓝≤ I (X，Y+2) +error ；则认为这两个像素之间不存在该颜色波长对应的“边”，或称之为第三类该颜色的边； 沿着某一个坐标轴方向，所有的红色的正边和红色的负边以及第三类红色的边组成该方向 红色的边方向数据，所有的绿色的正边和绿色的负边以及第三类绿色的边组成该方向绿色 的边方向数据，所有的蓝色的正边和蓝色的负边以及第三类蓝色的边组成该方向蓝色的边 方向数据；上述式中的误差容限值可以根据具体的光照情况，预置为一个小的数值，例如 error = 10 ；像素阵列中的四个边与角上的像素位置不存在边方向数据。
全文摘要
以三基色一维对比度为特征测量轴向位移的方法及装置，由一台普通的计算机通过其USB接口连接一个计算机摄像头、一台步进电机及其接口电路以及摄像头轴向位移装置组成，摄像头被安装在轴向位移装置上，由步进电机所驱动，步进电机通过步进电机接口电路连接到计算机的RS232C接口，该计算机配置有摄像头拍摄以及根据三基色一维对比度测量轴向位移程序。本发明以像素三基色的一维对比度作为被测物体图像帧的特征，通过计算像素亮度的自关联匹配系数，自动分析并选取最佳观察区域；通过计数该观察窗区域内图像特征的数目，判断物体成像聚焦的程度，进而测量物体在摄像头光学轴方向所发生的微小位移；本测量方法新颖，能够适应某种程度的环境光照变化。
文档编号G01B11/02GK102116605SQ200910251090
公开日2011年7月6日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者唐玉霞, 曾艺, 林睿 申请人:重庆工商大学