专利名称：以二维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：
为了发挥计算机摄像头的光电传感器阵列的功能，“使用计算机摄像头测量微 小二维位移的方法及装置”(发明专利申请号2009101042778)提出了一种使用计算机 摄像头应用关联匹配技术测量物体微小位移的方法及装置；该发明申请适合于照明情况 以及物体反射面的光学图像相对稳定的情形，因为它针对的是光强图案。最新提交的发 明申请“以对比度为特征帧匹配测量二维位移的方法及装置”，以图案明暗对比度作为 被测物体表面的反射特征，能够有效地克服环境光照之变化对测量带来的负面影响，扩 展了应用场合。但是，该技术方案只是考虑了图像特征的一维性质。
发明内容
本发明提供一种以二维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，能够在照明状况发生一定的变化的环境中，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普通的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边方向数据帧匹配测量位移程序；该程序体现了 以二维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，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，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区域选取一个区域，大小为 m0Xn0, m0, nQe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；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{referencex(x，y)}和{referencey(x，y)}，其中，下标χ或y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比较窗内诸像 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比较窗的像素阵列 的自关联匹配系数
\'+\+n h+\ + m卯to一Correlationx(α,办)=Σ Σ[refer^ncex{x,y) · referencex{x + a,y + 6)]
r=v+l .v=/ +l
权利要求
1.以二维对比度为特征帧匹配测量位移的方法及装置，由一台普通的计算机与一个 计算机摄像头组成，其特征在于，所述计算机系统还配置有摄像头拍摄及二维边方向数 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(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，向右方向为x轴方向， 垂直向下方向为y轴方向；在所述像素阵列的中央区域选取一个区域，大小为moXrv m0, nQe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v个像素，即有mo+2h = M，n0+2v = N, h，v G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{reference、(x，y) }和{referencey (x，y) }，其中，下标x或y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比较窗内诸像素 (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比较窗的像素阵列的自 关联匹配系数v+l+rt h+\+mauto — correlationx (a, = ^ ^ [referencex (x, y) referencex (x + a, y + b)]v=v+l a:=/j+1v+l+n h+\+mauto _ correlation y(a,b) = ^ ^ [reference y (x’ y) reference v(x-\-a,y-\- 6)]y=v+l x=h+l式中，运算符号 表示二进制逻辑与运算，其运算结果或为逻辑o或为逻辑1， 运算符号“[]”表示取其中的逻辑运算函数所对应的数值，或为数值0，或为数值1， 参数变量a，b的组合决定了关联匹配算子阵列的规模，如果取3X3关联匹配算子a =-1，0，1，b = _l，0，1，因此，沿每个坐标轴方向各自会产生9个自关联系数auto_ correlationx (a, b)禾口 auto_correlationy(a，b)；步骤四、根据上述两帧边方向数据对应的自关联匹配系数，分别搜索在目前的物体 表面状况以及照明状况下可以进行匹配比较的最佳比较窗像素阵列 mx = m0_step，nx = n0_step，2h = M_mx, 2v = N-nx 禾口 my = m0-step, ny = n0_step，2h = M_my, 2v = N~ny,式中，下标x、y分别表示其值对应着沿X轴方向和Y轴方向；取此两组值中大者为 比较窗阵列的规模mXn;步骤五、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像素沿X轴方向和Y轴方向的边方向数据，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，如此获得取样帧的 两帧边方向数据{comparisonx(x, y) }和{comparisony (x, y) },保存这些数据；步骤六、步骤六、沿X轴方向和Y轴方向，对应所述参考帧和所述取样帧各自的两帧边方向数据，分别把所述参考帧内比较窗里的像素阵列在所述取样帧范围里按照9X9 关联匹配阵列进行交叉关联匹配计算a = -4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，b =-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4 ；步骤七、取上述交叉关联匹配系数最大者，作为所述取样帧相对所述参考帧移动的 方向以及移动的幅度AxX = Cj, A xy = dj ； AyX = C2, A yy = d2 ;式中，下标x、y分别表示所沿的坐标轴方向；本次测量中，所述取样帧相对所述参考帧移动的方向以及移动的幅度是
3.根据权利要求2所述的以二维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边方向数据帧匹配测量位移程序之步骤二、步骤五和步骤 十一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 差容限值error，即如果I (X+2，Y) -error < I (X，Y) < I (X+2，Y) +error 或 I (X，Y+2) -error < I (X，Y) < 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。
4.根据权利要求2所述的以二维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边方向数据帧匹配测量位移程序之步骤四中所述最佳比较 窗像素阵列的搜索方法包括对于kXk(kG正整数)关联匹配算子阵列(a，b)，沿某个坐标轴方向会产生kXk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) >auto_correlation (0, 0) X similarity式中，similarity描述了比较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，需要扩大比较窗的范围各step 行和step列令mzr^+step，n = n0+step,重新计算新的比较窗的自关联系数，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kXkX 1/3个，这时，2h = M-m，2v = N-n,其中，step为步进参数，初始值为1，每次需要扩展比较窗的规模就增 加1;如果超出帧内一个预定的范围，还没有找到合适的比较窗，则认为该物体这部分 反射表面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比较窗的范围各step行和step列，以减少计算工作量令m = m0_step，n = n0_step，重新计算比较窗的自关联系数，并进行上述比较，递进参数step每次增加1，直到所选比较窗区域满 足上述不等式的自关联系数的个数等于kXkX 1/3，认为这时搜索到了最佳比较窗像素阵 列；
5.根据权利要求2所述的以二维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边方向数据帧匹配测量位移程序之步骤六和步骤十二中所 述交叉关联匹配计算的方法是对应沿X轴方向或者沿Y轴方向的一帧边方向数据，分别把所述参考帧内比较窗里 的像素阵列在所述取样帧范围里进行下述运算v+1+/7 h+\+mcross 一 correlation(a,办)二 Z ^ [reference(x, y) comparison(x + a，y + b)]少= iM* 丨.r=//+l式中，reference(x，y)表示所述参考帧内比较窗中各个像素位置的边方向数据的3bit 二进制值，comparison(x+a，y+b)表示所述取样帧内像素的边方向数据的3bit二进制值， 运算符号 表示二进制逻辑与运算，其运算结果或为逻辑0或为逻辑1，运算符号“[]” 表示取其中的逻辑运算函数所对应的数值，或为数值0，或为数值1，参数变量a，b的组 合决定了关联匹配算子阵列的规模以及所产生的交叉关联系数croSS_C0rrelati0n(a，b)的 个数。
全文摘要
以二维对比度为特征帧匹配测量位移的方法及装置，由一个计算机摄像头与一台普通的计算机组成；先在参考帧内提取x轴和y轴方向的边方向数据，作为被测物体反射图像的二维特征；对于各个轴方向，分别计算边方向数据的自关联系数，得到各自适合被测物反射面的最佳比较窗像素阵列，取其大者作为比较窗像素阵列；再分别沿各个坐标轴方向，把比较窗与取样帧进行边方向数据的交叉关联匹配计算，取其交叉关联系数值最大者作为最佳匹配者，籍此获得各个轴向的二维位移，取其平均值作为本次测量的位移；据此，调整比较窗的位置或更新参考帧，调整交叉关联匹配算子阵列的规模，以减少计算量，提高测量精度；本发明进一步克服了环境光照变化对测量的影响。
文档编号G06T7/00GK102022982SQ20091019092
公开日2011年4月20日 申请日期2009年9月22日 优先权日2009年9月22日
发明者曾艺 申请人:重庆工商大学