專利名稱：使用計(jì)算機(jī)攝像頭測量微小二維位移的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)字圖像測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是采用計(jì)算機(jī)攝像頭測量物體的二維微 小位移的方法及其裝置。
背景技術(shù)：
微電子技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了攝像測量技術(shù)的進(jìn)步。以“攝像”與“測量”為主題詞， 可以檢索到國內(nèi)發(fā)明專利25項(xiàng)，實(shí)用新型專利5項(xiàng)。例如，發(fā)明專利“一種攝像機(jī)空間三維 位置姿態(tài)測量方法”(公開號(hào)=CN 1804541A,申請日=2006. 7. 19，北航大)提出的測量步驟 是1)標(biāo)定階段，設(shè)定合作目標(biāo)；攝像機(jī)視野內(nèi)，自由、非平行移動(dòng)合作目標(biāo)至少5個(gè)位置， 每移動(dòng)一個(gè)位置，拍攝一幅圖像，稱為攝像機(jī)標(biāo)定圖像；合作目標(biāo)上的2個(gè)圓的透視投影圖 像為2個(gè)橢圓，以密集度即面積和周長平方的比值為描述特征，自動(dòng)分割出標(biāo)定圖像中的2 個(gè)橢圓，提取每一個(gè)位置的攝像機(jī)標(biāo)定圖像中2個(gè)橢圓的所有的8個(gè)公切點(diǎn)，求出不同公切 點(diǎn)的連線交點(diǎn)，公切點(diǎn)和連線交點(diǎn)共21點(diǎn)，稱為目標(biāo)特征點(diǎn)；利用所有位置的目標(biāo)特征點(diǎn) 圖像坐標(biāo)及其對應(yīng)的世界坐標(biāo)標(biāo)定攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)，包括有效焦距和主點(diǎn)坐標(biāo)。2)測量階 段固定合作目標(biāo)，移動(dòng)攝像機(jī)，或者移動(dòng)合作目標(biāo)，固定攝像機(jī)，拍攝合作目標(biāo)的圖像，提 取合作目標(biāo)上的21個(gè)目標(biāo)特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)并與其世界坐標(biāo)對應(yīng)；根據(jù)所建立的攝像機(jī) 運(yùn)動(dòng)模型和透視投影模型，利用攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)、目標(biāo)特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)及對應(yīng)的世界坐 標(biāo)，計(jì)算攝像機(jī)的三維空間位置姿態(tài)；連續(xù)測量攝像機(jī)在2個(gè)不同位置的三維位置姿態(tài)，計(jì) 算出移動(dòng)物體的線速度和角速度。由此可見，該發(fā)明的特點(diǎn)是使用攝像機(jī)測量，需要合作 目標(biāo)，測量前需要進(jìn)行一系列的標(biāo)定工作。再如，發(fā)明專利“三維地質(zhì)體結(jié)構(gòu)面信息的數(shù)字?jǐn)z像測量及采集方法”(公開號(hào) CN101029826A，申請日2007. 9. 5，成都理工大)聲稱以數(shù)字視頻流作為測繪對象的信息 載體，摒棄、減少了傳統(tǒng)攝影測量所需的內(nèi)外方位元的解算，在計(jì)算機(jī)上再建的計(jì)算機(jī)立體 視覺環(huán)境中，通過對連續(xù)、動(dòng)態(tài)的視頻流參數(shù)-加載速度和幀位置的控制來實(shí)現(xiàn)物點(diǎn)的三 維空間的位置解算，從而完成各種地質(zhì)坡面上結(jié)構(gòu)面的攝像測量、解譯及編錄工作。顯然， 該項(xiàng)發(fā)明采用視頻攝像機(jī)，為了所需要的解譯精度，需要考慮到視頻流本身的分辨率，拍攝 的視角和放大率等攝像光學(xué)因素。又如，“一種長直軌道幾何參數(shù)的攝像測量方法”(發(fā)明專利公開號(hào)CN 101021417A;申請日2007. 3. 21，國防科技大)是在長直軌道上的線路檢測車車頭固定 合作標(biāo)志，在線路檢測車前方安裝攝像機(jī)，用攝像機(jī)拍攝隨軌道起伏偏轉(zhuǎn)而運(yùn)動(dòng)的合作標(biāo) 志在至少兩個(gè)不同時(shí)刻的圖像，通過圖像處理獲得所述軌道的幾何參數(shù)，包括軌距、超高、 縱偏和正矢中的至少一項(xiàng)。該項(xiàng)發(fā)明還提出，加裝自適應(yīng)光學(xué)設(shè)備，或用軟件算法的形式 作大氣抖動(dòng)修正，但未有進(jìn)一步的說明。與此類似的還有“檢測公路路面平整度的攝像 測量方法”(發(fā)明專利公開號(hào)CN 101126638A，申請日2008. 2. 20，國防科技大)，“替代鉉 線法的軌道幾何參數(shù)攝像測量裝置及方法”(發(fā)明專利公開號(hào)CN 101264766A，申請日 2008. 5. 15，國防科技大)。這三種發(fā)明都使用(數(shù)字信號(hào)模式)攝像機(jī)，需要安裝攝像用的
4合作標(biāo)志；特別的是，雖然都采用了數(shù)字圖像處理技術(shù)，但是均未進(jìn)一步說明所采用的亞像 素定位技術(shù)。近幾年，隨著CXD和CMOS光電成像芯片的發(fā)展，計(jì)算機(jī)攝像頭很快地得到普 及，其核心是光電傳感單元陣列，常見的分辨率有QSIF(160*120)、QCIF(176*144)、 SIF(320*240)、CIF(352*288)和VGA(640*480)等幾種，拍攝的實(shí)際速度分別是30fps (幀 每秒)，30fps, 20-26fps, 20_26fps和lOfps，其視頻信號(hào)屬于數(shù)字信號(hào)方式，以USB接口輸 出，具備了用于攝像測量的物理基礎(chǔ)。相對于攝像機(jī)，計(jì)算機(jī)攝像頭價(jià)格低廉，使用方便，一 般用于網(wǎng)絡(luò)視頻聊天或監(jiān)視拍攝工作；然而，尚未見到它被用于攝像測量方面的報(bào)道。掃描儀與光電鼠標(biāo)也具有一維或二維的光電傳感器陣列芯片，其工作原理，特別 是有關(guān)它們獲取相對運(yùn)動(dòng)矢量的若干美國專利，為使用攝像頭測量位移提供了有益的啟 迪。例 如，"Navigation technique for detecting movement of navigation sensorsrelative to anobject” (US 5，644，139，Jul. 1,1997)討論了四種掃描儀的特點(diǎn)， 即1)鼓式。2)平板(線性陣列傳感器)式，適合掃描大至A4(8. 5inXllin)的圖面，有些達(dá)到 Al的圖面，采用主計(jì)算機(jī)作控制、存儲(chǔ)以及管理圖像。3)2維陣列傳感器式，無機(jī)械編碼，曝光期原始圖不動(dòng)，2D陣列光敏單元轉(zhuǎn)換成像 素陣列，大小為A4的300dpi的圖需要2500X3300 = 8. 25百萬像素。 4)手持移動(dòng)式，采用小些的線性陣列電光傳感器單元，直接與個(gè)人計(jì)算機(jī)相連，并 籍此存儲(chǔ)、處理和使用圖像數(shù)據(jù)。圖像傳感器的數(shù)據(jù)速率限制掃描速率，為此，借助紅、綠發(fā) 光二極管的指示反饋給使用者，以維持合適的掃描速度，達(dá)到所需的圖像分辨率。有些手持 式掃描儀使用電磁剎，掃描速度增加，機(jī)械阻力也增加，防止了拖動(dòng)過快。手持式掃描儀確定像素陣列的位置信息的方法與機(jī)械鼠標(biāo)的工作原理相似。當(dāng) 線性陣列傳感器移動(dòng)的時(shí)候，輪子、球或磙珠與原始圖面接觸的滾動(dòng)被感知，其位置信息根 據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械細(xì)節(jié)被確定。一般地，與原始圖面相接觸的機(jī)械元件的表面具有高的摩擦系 數(shù)，例如是橡膠，以阻止滑動(dòng)和剎車。圓柱形滾筒或用剛性軸連接的兩個(gè)輪子用于加強(qiáng)掃描 過程中運(yùn)動(dòng)保持單一的平動(dòng)自由度，常用直線邊或其它固定物固定相對原始圖面的掃描方 向，并進(jìn)一步加強(qiáng)掃描過程中需要的平動(dòng)約束。缺失這些保持移動(dòng)方向的固定物的時(shí)候，或 者使用者的肘落在某個(gè)平面上的時(shí)候，一維光電傳感器陣列的移動(dòng)軌跡會(huì)發(fā)生某種偏轉(zhuǎn)， 導(dǎo)致掃描得到的電子像發(fā)生扭曲。當(dāng)然，位置編碼的方法常常易于產(chǎn)生滑動(dòng)或跳躍，會(huì)導(dǎo)致 一維的像素?cái)?shù)據(jù)陣列與原始圖像的對位誤差。該專利給出了計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)的方法，并籍此獲得各個(gè)像素的位置信息。為了參考， 繼續(xù)摘要如下先獲取參考幀，它具有某種內(nèi)在結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，例如T形的成像，典型的表面內(nèi)在結(jié)構(gòu) 特征介于10 μ m-40 μ m,參考幀的大小取決于掃描裝置的最大的掃描速度、表面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的 主要的空間頻率和傳感器的分辨率等因素，NXM = 32X64的導(dǎo)航傳感器的參考幀的實(shí)際 大小取為NXM = 24X56的像素陣列。經(jīng)過一段時(shí)間dt后，獲得取樣幀，它表現(xiàn)了同樣的 內(nèi)在結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。該專利強(qiáng)調(diào)取樣前歷時(shí)dt要滿足“微步”條件在掃描儀的平移速度下，相對位移小于導(dǎo)航傳感器的一個(gè)像素的間距；一個(gè)可以接受的取樣時(shí)間間隔是50微妙(掃 描速度0. 45米每秒，600dpi (像素點(diǎn)每英寸)時(shí))。所謂關(guān)聯(lián)用于發(fā)現(xiàn)連續(xù)幀的同一特點(diǎn)所在的位置，以確定來自幀-幀特點(diǎn)的位 移，求和或積累這些位移，校正通過相關(guān)的光學(xué)設(shè)計(jì)引入的刻度因子，確定成像傳感器的位 移，是一個(gè)掃描過程的程序。幀_幀關(guān)聯(lián)對應(yīng)于“微步”，指選擇幀率足夠地高，保證位移不 超過一個(gè)單個(gè)像素的尺寸。過度的采樣能夠提供“亞像素的位移精度”。有若干關(guān)聯(lián)方法可以采用，該專利提出的方法是“差的平方的和”的關(guān)聯(lián)
權(quán)利要求
使用計(jì)算機(jī)攝像頭測量微小二維位移的方法及裝置，由計(jì)算機(jī)攝像頭與一臺(tái)普通的計(jì)算機(jī)組成，所述攝像頭通過其USB接口連接到所述計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)配置有USB接口、內(nèi)存、CPU、硬盤、顯示卡與顯示器、鍵盤和鼠標(biāo)、操作系統(tǒng)以及攝像頭驅(qū)動(dòng)程序，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還配置有攝像頭拍攝及數(shù)字圖像處理程序。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用計(jì)算機(jī)攝像頭測量微小二維位移的方法及裝置，其特征 在于，所述攝像頭拍攝及數(shù)字圖像處理程序提供了一種使用計(jì)算機(jī)攝像頭測量物體微小二 維位移的方法，包括下述程序1)操作計(jì)算機(jī)攝像頭拍攝一幀被測物體的圖像，以位圖的格式保存，作為參考幀；根 據(jù)具體攝像頭的參數(shù)指標(biāo)選擇位圖幀的大小MXN，M, N e正整數(shù)，并盡可能選擇拍攝速度 較快的幀率；為所述位圖對應(yīng)的像素陣列選擇一個(gè)直角坐標(biāo)系；在所述像素陣列的中央?yún)^(qū) 域開辟一個(gè)比較窗，大小取為mXn，m, n G整數(shù)，選取合適的初始值mQXrv所述比較窗與 所述像素陣列的水平方向和垂直方向的邊緣像素分別距離h和v個(gè)像素，即有m+2h = M, n+2v = N，h，v, m，n，M，N G 正整數(shù)；2)計(jì)算所述參考幀里比較窗的像素陣列的自關(guān)聯(lián)系數(shù)
全文摘要
使用計(jì)算機(jī)攝像頭測量微小二維位移的方法及裝置，提出了一種以計(jì)算機(jī)攝像頭作為位移傳感器進(jìn)行無接觸測量位移的方法及其裝置，該裝置以一個(gè)計(jì)算機(jī)攝像頭連接一臺(tái)普通的計(jì)算機(jī)組成，該計(jì)算機(jī)中還配置有攝像頭拍攝及數(shù)字圖像處理程序，能夠在照明條件良好且相對不變的情況下，獲得被測物體在與攝像頭的光軸相垂直的平面上微小的二維位移矢量和速度矢量，其測量精度小于一個(gè)像素單位；本發(fā)明提出的測量位移的方法包括通過對參考幀自關(guān)聯(lián)計(jì)算選取最佳匹配比較窗；通過交叉關(guān)聯(lián)匹配計(jì)算獲得物體即時(shí)的相對位移矢量與總的位移矢量；并據(jù)此測量結(jié)果決定是否更新參考幀及其最佳匹配比較窗，并自動(dòng)調(diào)整進(jìn)行搜索匹配的交叉關(guān)聯(lián)算子陣列的大小。
文檔編號(hào)G01B11/02GK101943566SQ20091010427
公開日2011年1月12日 申請日期2009年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月7日
發(fā)明者唐玉霞, 曾藝, 朱超平, 林睿 申請人:重慶工商大學(xué)