非接触式物体大小及距离图像测量仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种非接触式物体大小及距离图像测量仪，包括可变焦距镜头、CCD图像传感器、激光光源、DSP图像处理板卡、微型触摸显示器、电源模块、仪器面板和便携式仪器外壳等模块。测量仪首先获取待测量物体的图像，然后对待处理的图像进行去噪增强、插值超分辨处理，再进行光斑检测与像素标定；用户选定测量物体之后，系统对测量物体进行分割，然后计算物体大小和物体相互之间的距离；仪器同时可测量任意两点之间的距离；测量结果最终送显示器标注显示。本发明的测量仪的激光光源配置灵活，像素标定简易、物体大小及距离计算准确；制造难度低、便于携带、测量准确、测量效率高、适用范围广。
【专利说明】非接触式物体大小及距离图像测量仪
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于图像处理技术和激光标定的非接触式物体大小图像测量仪 W及利用该设备进行物体大小及距离测量的方法，属于数字图像处理【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 物体大小与相互之间的距离测量在工业产品检测、电力系统维护、水利工程测量、 文物考古测量、野生动植物保护等诸多领域有着广泛的应用。在工业产品检测领域，需要测 量零件、模具等产品的尺寸大小是否符合标准，剔除不符合标准的次品；在电力系统维护领 域，通过测定导线及周边树竹、各种架空线路、其它建筑物间的净空距离，能够及时了解和 掌握线路运行环境是否有危及线路安全运行的隐患，对全面消除电力系统安全隐患具有重 要意义；在水利工程测量领域，需要进行大量的距离测量、面积测算、纵断面测量、横断面测 量，该些测量对于大巧、桥梁等水利设施的建设和维护具有重要作用；在文物考古测量中， 通过对当前存在的地物、地貌进行实地大小勘测，尽量恢复古代人的生存空间，可W为进一 步的研究古人类曾生活过的地理环境提供重要支持；在野生动植物保护领域中，连续观测 野生动物的生长大小有助于评估野生动物保护和自然保护区工程建设成效，为有效保护和 合理利用野生动物资源提供可靠的决策依据。
[0003] 对物体大小与距离测量，有接触式测量和非接触式测量两种。在工业产品检测中， 目前主要是采用千分尺、游标卡尺对产品尺寸大小进行接触式测量；电力线路距离测量、水 利工程测量、文物考古测量除了采用绳索进行接触式测量，往往还可W由目测、全站仪及激 光测距仪进行非接触式测量。对于野生动物保护，大象等温顺动物的大小可采用接触式测 量，但大型猫科动物如老虎、狮子、豹子等由于其性情凶猛，需要采用非接触式测量，目前尚 缺乏较精确的便于携带和快速布置的非接触式测量仪器。非接触式测量中，目测完全依靠 人的经验，视觉误差在所难免；全站仪是集水平角、垂直角、距离（斜距、平距）、高差测量功 能于一体的测绘仪器系统，测量较为精确，但系统较为复杂，不便随身携带和快速布置，难 W实现随行测量，价格普遍也较为昂贵。
[0004] 激光测距是随着激光技术的出现而发展起来的一种精密测量技术，其原理是利用 脉冲激光器向目标发射单次激光脉冲，测量激光脉冲到目标的往返时间或测量发射和回收 光波的相位差，由此计算出目标距离。因其测程远、测量精确度高、便于携带等特性而广泛 应用于军事和民用领域。近几年来，随着激光测距仪价格不断下调，电力等行业也逐渐开 始使用激光测距仪进行距离测量，例如采用新型的800VR激光测距仪进行斜距测量、高差 测量和俯仰角度的测量（不是水平面内角度的测量）。然而，受到激光测距工作原理的限 审IJ，普通的一维及二维激光测距仪虽然可测量与垂直方向相关的斜距、高差及物体至仪器 的距离，难W测量物体之间的水平距离及物体的面积大小。同时，为尽可能地不漏测，操 作人员需要精屯、设计测量方案并选取记录尽可能多的距离观测点，对工作人员的要求很 高，计算繁琐，相当耗费人力，测量效率低下。采用=维激光测距仪可W解决测量距离的全 覆盖问题，然而，=维激光测距仪（如瑞±妹卡=维建模系统，我国清华大学自主研发的 TH-3DLCS-2001 S维成像扫描仪）价格非常昂贵，难W大规模推广应用。
[0005] 另外，随着数字图像处理技术的逐渐成熟和计算机软硬件的不断进步，基于光学 成像设备和图像处理技术的机器视觉测量得到了应用。计算机硬件的快速低廉和图像处理 软件的先进性使得该方法具有自动化程度高、实时性好、成本较低的优点。机器视觉测量直 接测得的大小或距离是像素数目，为了获取实际的大小或距离，需要进行图像像素的标定。 工业生产中常采用标准量块标定或者标准网格平面标定法，然而，上述标定方法均要求相 机位置及焦距固定，无法适用于电力线路巡检、水利工程测量、野生动物测量等野外移动作 业，需要合适的标定方法。同时，机器视觉测量方法中物体大小和距离的计算需要准确检测 物体的边缘，受到天气、光照等的影响，野外作业采集得到的图像难免存在噪声强、对比度 低等问题，给物体的边缘检测造成困难，进而影响最终测量结果的准确性。
[0006] 综上可知，电力系统维护、水利工程测量、文物考古测量、野生动物保护等领域迫 切需要一种便于野外随行测量的非接触式物体大小及距离图像测量仪，该测量仪应便于携 带和布置，且测量效率较高、测量结果较为准确。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题是；在电力系统维护、水利工程测量、文物考古测量、 野生动植物保护等领域，需要实现对物体大小及距离进行快速、准确测量，提高现有非接触 式测量系统的便捷性和准确性。
[000引为解决上述技术问题，提供了一种非接触式物体大小及距离图像测量仪，其特征 在于；激光光源、可变焦距镜头位于仪器封装外壳的前面板，CCD图像传感器、DSP图像处理 板卡、电源模块固定于仪器封装外壳的内部，微型触摸显示器、控制面板固定于仪器封装外 壳的后面板；可变焦距镜头旋于CCD图像传感器上，CCD图像传感器和用于图像处理的DSP 图像处理板卡的视频输入端子相连，DSP图像处理板卡的视频输出端子和微型触摸显示器 的视频输入端相连，微型触摸显示器的触模输出端和DSP图像处理板卡的输入串口端相 连。
[0009] 前述的非接触式物体大小及距离图像测量仪，其特征在于；激光光源直接与电源 模块相连。
[0010] 前述的非接触式物体大小及距离图像测量仪，其特征在于；由激光光源对采集得 到的图像像素大小进行标定，激光光源可灵活配置为1个或2个。
[0011] 非接触式物体大小及距离图像测量仪的测量方法，其特征在于，包括W下步骤：
[0012] 1)通过控制面板开启设备电源；
[0013] 2)手动旋转可变焦距镜头对准待测目标，按下控制面板的拍摄键，接收到触发信 号的DSP图像处理板卡获取CCD相机当前所拍摄的一帖图像；
[0014] 3)DSP图像处理板卡对获取得到的图像进行去噪增强、插值超分辨处理，再将预处 理后的图像输出到微型显示器上进行显示；
[0015] 4)进行光斑检测与像素标定；
[0016] 5)物体选择、分割与测量；
[0017] 6)任意两点距离测量；
[0018] 7)将测量结果送微型显示器进行标注显示。
[0019] 前述的非接触式物体大小及距离图像测量仪的测量方法，其特征在于，在所述步 骤3)中，为了提高测量精度，对获取得到的图像进行去噪增强、插值超分辨处理的步骤如 下：
[0020] 31)对待处理图像进行快速曲波分解，得到低频子带和各高频子带；
[0021] 32)对低频子带采用同态滤波处理去除照度不均，对各高频子带采用硬阔值去除 噪声.
[0022] 33)对低频子带及各高频子带进行双立方插值W提高像素分辨率；
[0023] 34)对处理后的低频子带及各高频子带进行快速曲波重构，得到高分辨率、清晰的 重建图像。
[0024] 前述的非接触式物体大小及距离图像测量仪的测量方法，其特征在于，在所述步 骤4)中，为得到完整的圆形光斑，避免光斑残缺带来的测量误差，光斑检测包含光斑分割、 圆形度判定、圆形拟合与圆屯、定位处理，步骤如下：
[0025] 411)采用最大类间方差法对预处理后的图像进行阔值分割，得到光斑二值图像； 提取光斑边缘，得到光斑边缘点集合；
[0026] 412)判断光斑连通域个数，对于检测得到的每个光斑，计算光斑二值图像中光斑 部分的像素坐标均值W获取该光斑形屯、点坐标，假设S代表代表检测得到的任一光斑的所 有的点的坐标集合，N代表S中元素个数，（x,，y,)代表该光斑中任意一点的坐标，（Xp，yp)代 表该光斑的形屯、点坐标，计算如下：
[0027]
【权利要求】
1. 一种非接触式物体大小及距离图像测量仪，其特征在于：激光光源、可变焦距镜头 位于仪器封装外壳的前面板，CCD图像传感器、DSP图像处理板卡、电源模块固定于仪器封 装外壳的内部，微型触摸显示器、控制面板固定于仪器封装外壳的后面板；可变焦距镜头旋 于C⑶图像传感器上，C⑶图像传感器和用于图像处理的DSP图像处理板卡的视频输入端 子相连，DSP图像处理板卡的视频输出端子和微型触摸显示器的视频输入端相连，微型触摸 显示器的触模输出端和DSP图像处理板卡的输入串口端相连。
2. 根据权利要求1所述的非接触式物体大小及距离图像测量仪，其特征在于：激光光 源直接与电源模块相连。
3. 根据权利要求1所述的非接触式物体大小及距离图像测量仪，其特征在于：激光光 源配置为1个或2个。
4. 非接触式物体大小及距离图像测量仪的测量方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 通过控制面板开启设备电源； 2) 手动旋转可变焦距镜头对准待测目标，按下控制面板的拍摄键，接收到触发信号的 DSP图像处理板卡获取CCD相机当前所拍摄的一帧图像； 3)DSP图像处理板卡对获取得到的图像进行去噪增强、插值超分辨处理，再将预处理后 的图像输出到微型显示器上进行显示； 4) 进行光斑检测与像素标定； 5) 物体选择、分割与测量； 6) 任意两点距离测量； 7) 将测量结果送微型显示器进行标注显示。
5. 根据权利要求4所述的非接触式物体大小及距离图像测量仪的测量方法，其特征在 于：在所述步骤3)中，对获取得到的图像进行去噪增强、插值超分辨处理，步骤如下： 31) 对待处理图像进行快速曲波分解，得到低频子带和各高频子带； 32) 对低频子带采用同态滤波处理去除照度不均，对各高频子带采用硬阈值去除噪 声； 33) 对低频子带及各高频子带进行双立方插值以提高像素分辨率； 34) 对处理后的低频子带及各高频子带进行快速曲波重构，得到高分辨率、清晰的重建 图像。
6. 根据权利要求4所述的非接触式物体大小及距离图像测量仪的测量方法，其特征在 于，在所述步骤4)中，光斑检测包含光斑分割、圆形度判定、圆形拟合与圆心定位处理，步 骤如下： 411) 采用最大类间方差法对预处理后的图像进行阈值分割，得到光斑二值图像；提取 光斑边缘，得到光斑边缘点集合； 412) 判断光斑连通域个数，对于检测得到的每个光斑，计算光斑二值图像中光斑部分 的像素坐标均值以获取该光斑形心点坐标，假设S代表代表检测得到的任一光斑的所有的 点的坐标集合，N代表S中元素个数，（xs，ys)代表该光斑中任意一点的坐标，（Xp，yp)代表 该光斑的形心点坐标，计算如下：
以形心点为圆心求取光斑的最小内切圆半SRmin和最大外接圆半径Rmax，假设E代表该 光斑的所有边缘点的坐标集合，T代表E中元素个数，（xe，5〇代表其中任意一个光斑边缘 点的坐标，min、max分别代表取集合的最小值和最大值运算，则Rmil^PRmax的计算如下：
计算光斑圆形度P的值，光斑圆形度P为两个半径长度的比值，计算如下：P=H ⑷ 413) 若光斑圆形度P彡0. 9,圆形度好，圆心坐标（X。，y。）和半径大小R的计算如下： (xc,yc) = (xp,yp) (5) R = (Rmin+Rmax) /2 (6) 414) 若光斑圆形度P<0.9,对光斑进行圆形拟合和圆心定位处理，假设E代表检测 得到的该光斑的所有边缘点的坐标集合，T代表E中元素个数，（Xej,yj代表其中任意一个光 斑边缘点的坐标，（Xc;，y。）代表拟合得到的圆形的圆心坐标，R代表拟合得到的圆形的半径 大小，给定任意的非负整数m、n，光斑边缘点坐标的m-n次方均值参数;^T7由下式定义：
7.根据权利要求4所述的非接触式物体大小及距离图像测量仪的测量方法，其特征在 于：在所述步骤4)中，采用单个激光光源时，仪器像素标定算法如下： 421a)计算拟合后得到的圆形光斑区域的像素个数，记为P，像素个数P的计算如下： P= 31R2 (11) 421b)由于光斑实际面积已知，设为\，则单个像素面积As、单个像素距离比的计算如 下：
采用双激光光源时，仪器像素标定算法如下： 422a)记测量步骤4)中光斑检测得到的两个光斑的圆心坐标分别为（Xc;1，yj，（Xc;2，yc2)； 422b)由于两个激光光源中心的距离已知，设为队，则单个像素面积As、单个像素距离 Ds的计算如下：
8. 根据权利要求4所述的非接触式物体大小及距离图像测量仪的测量方法，其特征在 于，在所述步骤5)中，物体大小计算如下： 511) 用户在触摸屏上点出四个点，四个点组成的矩形给出待测量物体的轮廓区域范 围； 512) 在轮廓区域范围的基础上，采用局部阈值分割算法，得到待测量物体的完整分 割； 513) 统计物体轮廓内部的像素总个数，记为M; 514) 由于单个像素面积为As已标定，则物体大小A。的计算如下： A0=MXAs (16) 两物体之间的中心距离计算如下： 521) 分别计算两物体的中心，记为（Xtjl,y。）、（X&，yj，（X&，y。）、（X&，yj分别为两 物体区域内的像素位置的平均值； 522) 由于单个像素距离Ds已标定，则两物体之间的中心距离D。计算如下：
523) 假设EpE2*别代表两个物体各自边缘点的坐标集合，（xel，yj、（xe2，yj分别代 表两物体中任意一个边缘点的坐标，两物体之间的最近距离〇_计算如下：
9. 根据权利要求4所述的非接触式物体大小及距离图像测量仪的测量方法，其特征在 于，在所述步骤6)中，任意两点的距离计算如下： 61) 用户在触摸屏上选定两点，设其坐标分别为（Xl，yi)、（x2，y2); 62) 由于单个像素距离Ds已标定，则任意两点的距离D5计算如下：
【文档编号】G01B11/00GK104501720SQ201410814206
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月24日 优先权日:2014年12月24日
【发明者】霍冠英, 李庆武 申请人:河海大学常州校区