专利名称：以单基色峰谷为特征测量沿光轴方向的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“以三基色峰谷为特征测量沿光轴方向的位移的方法及装 置”与“以峰谷为特征测量沿光轴方向的位移的方法及装置”都以图像对比度所形成的“峰、 谷”作为图像的特征，通过计数峰和谷的数目来判断图像聚焦成像的程度，籍此使用计算机 摄像头的光电传感器阵列探测沿光学轴方向发生的微小位移，这两种测量方法新颖、便利。 但是，前者虽然充分地利用了图像帧的信息，但是，其分析运算量较大，影响了测量的反应 速度；而后者针对图像帧的亮度，会受到测量环境中各种波长的照射影响。
发明内容
本发明提供一种以单基色峰谷为特征测量沿光轴方向的位移的方法及装置，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单基色峰谷数据测量轴向位移程序，该程序体现了以图像帧的一种基 色的峰或谷为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mQ+2h = M,n0+2v = N，h，v e正整数；步骤二、逐像素行、逐像素列导出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Ireferencey (χ，y)}，其中，下标χ或y分别 表示所沿的坐标轴的方向，符号“ H ”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(χ，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.以单基色峰谷为特征测量沿光轴方向的位移的方法及装置，包括一台计算机及其 摄像头、摄像头轴向位移装置、一台步进电机以及步进电机接口电路，该摄像头被安装在所 述摄像头轴向位移装置上，所述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，其特征在于，所述计算机配置有摄像头拍摄以及根据单基色峰谷数据测量轴 向位移程序。
2.根据权利要求1所述的以单基色峰谷为特征测量沿光轴方向的位移的方法及装置， 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(32)都是以转轴的方式套接，螺丝纹旋转轴(34) 在与支撑架(31)和(32)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(40)的转轴(41)上面的齿轮(42)相互咬 合；步进电机(40)也安装在工作台(30)上，它通过步进电机接口电路(43)连接到计算机 系统(5)的 RS232C 接口 (8)。
3.据权利要求1所述的以单基色峰谷为特征测量沿光轴方向的位移的方法及装置，其 特征在于，所述摄像头拍摄以及根据单基色峰谷数据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^\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； 在其帧像素阵列上选取直角坐标系，其单位为一个像素的大小；并在所述像素阵列的中央 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 = Μ, η0+2ν = N, h, ν e 正整数；步骤二、逐像素行、逐像素列导出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Ireferencey (x，y)}，其中，下标χ或y分别表示 所沿的坐标轴的方向，符号“ H ”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 (χ，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所述的以单基色峰谷为特征测量沿光轴方向的位移的方法及装置， 其特征在于，所述摄像头拍摄以及根据单基色峰谷数据测量轴向位移程序之步骤中所述边 方向数据或某种基色的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，如果一个像素的强度值或其所选基色的强 度值比其后面的第二个像素相应的强度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或所选基色沿该轴向的正边；如果 一个像素的强度值或其所选基色的强度值比其后面的第二个像素相应的强度值还要大一 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或所选基色沿该轴向的负边；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；如果一个像素的强度值或其所选基色的强度值与其后面的第二个像素相应 的强度值接近，其值相差不超过一个误差容限值error，即如果 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”或不存在所选基色沿该轴向的 “边”，也可以称之为第三类边；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，或者，对应的像素行或像素列所有的所选基色 的正边、负边以及第三类边组成该行或该列所选基色沿该坐标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；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所述的以单基色峰谷为特征测量沿光轴方向的位移的方法及装置， 其特征在于，所述摄像头拍摄以及根据单基色峰谷数据测量轴向位移程序之步骤四中所述 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质地进行调试选 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 = mQ+St印，n = %+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，2h = 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，进一步尝试缩小观察窗的范围各 step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所述的以单基色峰谷为特征测量沿光轴方向的位移的方法及装置， 其特征在于，所述摄像头拍摄以及根据单基色峰谷数据测量轴向位移程序之步骤中所述沿 X轴和Y轴方向的三种基色的边反射状况，其定义为根据所选观测行与观测列的像素的红色、绿色或蓝色的边方向数据，沿着X轴或沿着 Y轴方向，如果连续的两个或多于两个的某种基色的正边，或连续的两个或多于两个的该基色的第三类边之后跟着一个该基色的负边，称之为该基色的第一类边反射状况，即认为在 此位置存在一个该基色的峰；如果连续的两个或多于两个的某种基色的负边，或连续的两 个或多于两个的该基色的第三类边之后跟着一个该基色的正边，称之为该基色的第二类边 反射状况，即认为在此位置存在一个该基色的谷；沿着X轴或沿着Y轴方向，三种基色之一 其所有的峰和谷组成图像帧该基色沿该坐标轴方向的边反射状况。
全文摘要
以单基色峰谷为特征测量沿光轴方向的位移的方法及装置，由一台计算机及其摄像头、一台步进电机、步进电机接口电路以及摄像头轴向位移装置组成，配置有摄像头拍摄以及根据单基色峰谷数据测量轴向位移程序；步进电机通过步进电机接口电路连接到计算机的RS232C接口，摄像头安装在摄像头轴向位移装置上。开始，通过计算图像帧像素亮度的自关联系数，自动分析并选取最佳观察区域；测量中，分析并测量图像帧的所选基色沿两个坐标轴方向的峰和谷的数目，并通过计算机RS232C接口控制步进电机的旋转，操作摄像头前进或后退，以峰和谷的数目之和最多之处作为最佳成像聚焦位置，从而获得轴向相对位移。本发明既能克服其它波长光照的影响，又提高了测量速度。
文档编号G01B11/02GK102102983SQ20091025092
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, 曾艺, 杜鹃 申请人:重庆工商大学