專利名稱：使用計算機攝像頭三基色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)明涉及一種數(shù)字圖像測量的方法及其裝置，特別是采用計算機攝像頭測量物 體的二維微小位移的方法及其裝置。
背景技術(shù)：
計算機攝像頭本身包含一個光電轉(zhuǎn)換傳感器陣列，它為不接觸地測量目標物體的 位移提供了技術(shù)基礎(chǔ)。最近提交的發(fā)明專利申請“使用計算機攝像頭測量微小二維位移的 方法及裝置”(申請?zhí)?009101042778)分析了國內(nèi)有關(guān)攝像測量的專利，考察了美國關(guān) 于光電探測傳感器陣列器件探測相對運動的六十多件專利，提出了一種利用光強圖案進行 幀-幀匹配、從而測量二維位移的方法及其裝置。然而，該發(fā)明專利針對的是照明均勻、穩(wěn) 定的測量環(huán)境，其適用場合有限。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述情況，本發(fā)明提供一種使用計算機攝像頭三基色測量微小二維位移的方 法及裝置，它以計算機攝像頭為光電轉(zhuǎn)換傳感器，在一定的程度上能夠克服測量環(huán)境所發(fā) 生的某些照明干擾，通過拍攝數(shù)字圖像并進行處理，獲得被測物體在與攝像頭的光軸相垂 直的平面上的微小的二維位移矢量和速度矢量。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是把計算機攝像頭通過USB接口連接 到一臺普通的計算機，該計算機配置USB接口、內(nèi)存、CPU、硬盤、顯示卡與顯示器、鍵盤和鼠 標、操作系統(tǒng)、攝像頭驅(qū)動程序以及專門編寫的攝像頭拍攝及三基色亮度幀匹配程序。使用計算機攝像頭三基色測量物體微小二維位移的步驟包括一、在計算機上運行攝像頭驅(qū)動程序，連接攝像頭到計算機。二、注意測量工作環(huán)境內(nèi)光的照明均勻且基本不發(fā)生變化。三、攝像頭對準被測量的物體，聚焦調(diào)節(jié)好攝像頭，使得成像清晰。四、運行攝像頭拍攝及三基色亮度幀匹配程序。上述攝像頭拍攝及三基色亮度幀匹配程序利用了光電傳感芯片陣列所敏感的彩 色光譜中的三種基色，舍棄從而也就避免了其余各種波長對圖像幀的影響，提高了測量方 法抗干擾的能力，其測量物體微小二維位移的方法包括下列步驟1)根據(jù)具體攝像頭的參數(shù)指標選擇位圖幀的大小(MXN，M，N e正整數(shù))，并盡可 能選擇拍攝速度較快的幀率；操作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；為所拍攝的位圖對應的像素陣列選擇一個直角坐標系；在所述像素陣列的中央 區(qū)域開辟一個比較窗，大小取為mXn，m, η e整數(shù)，并為它們選取合適的初始值=HitlXrv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ν個像素，即有 m+2h = Μ, η+2ν = N, h, ν, m, η, Μ, N e 正整數(shù)；2)計算所述參考幀里比較窗的像素陣列的自關(guān)聯(lián)系數(shù)
權(quán)利要求
1.使用計算機攝像頭三基色測量微小二維位移的方法及裝置，由一臺普通的計算機及 其攝像頭組成，所述攝像頭通過其USB接口連接到所述計算機，該計算機配置有USB接口、 內(nèi)存、CPU、硬盤、顯示卡與顯示器、鍵盤和鼠標、操作系統(tǒng)以及攝像頭驅(qū)動程序，其特征在 于，所述計算機系統(tǒng)還配置有攝像頭拍攝及三基色亮度幀匹配程序。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用計算機攝像頭三基色測量微小二維位移的方法及裝置， 其特征在于，所述攝像頭拍攝及三基色亮度幀匹配程序提供了一種使用計算機攝像頭測量 物體微小二維位移的方法，包括下述步驟1)操作計算機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；為所述位圖對應的像素陣列選擇一個直角坐標系；在所述像素陣列的中央?yún)^(qū) 域開辟一個比較窗，大小取為mXn，m, η e整數(shù)，并為它們選取合適的初始值=HitlXrv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ν個像素，即有 m+2h = Μ, η+2ν = N, h, ν, m, η, Μ, N e 正整數(shù)；2)計算所述參考幀里比較窗的像素陣列的自關(guān)聯(lián)系數(shù)v+l+n0/ +l+m0auto _correlation(a,b) = ^ reference(x,y) - reference(x Jra,y^-b)\y=v+l x=h+\式中，x和y分別是比較窗內(nèi)像素的坐標，reference (X，y)表示參考幀內(nèi)比較窗的各 個像素的值，a = -1,0, l,b = _1，0，1，共產(chǎn)生9個自關(guān)聯(lián)系數(shù)autocorrelation(a，b)；如果這些自關(guān)聯(lián)系數(shù)有半數(shù)以上的近似相等且趨于0，說明被拍攝物體的表面的結(jié)構(gòu) 特征不夠精細，最鄰近像素之間的值區(qū)分不開，不利于今后采用幀-幀匹配比較方法測量 位移，需要擴大用于匹配比較的像素的區(qū)域，令m = m0+step,n = n0+step,步進系數(shù)step e 正整數(shù)，即擴大所述比較窗的范圍各step行和step列，重新計算所述比較窗的自關(guān)聯(lián)系 數(shù)，如此重復進行，直到找到適合該物體表面質(zhì)地特征的匹配用比較窗為止，這時，2h = M-m,2v = N-n ；如果超出幀的一定的范圍，還沒有找到合適的比較窗，則認為該物體的這部 分反射表面不適于本裝置的測量工作，并給出提示警告；如果這些自關(guān)聯(lián)系數(shù)近似相等且趨于0的不到一半的數(shù)目，說明被拍攝物體的表面的 結(jié)構(gòu)特征足夠精細，最鄰近像素之間的值可以區(qū)分，認為找到了在目前的物體表面狀況下 可以用于進行匹配比較的最佳像素陣列m = Hi0-St印，η = n0-step, 2h = M-m, 2v = N-n ；3)經(jīng)過一段時間At后拍攝第二幀位圖，作為取樣幀并保存；4)把所述參考幀內(nèi)比較窗里的像素陣列的值在所述取樣幀范圍里按照9X9關(guān)聯(lián)算子 陣列進行交叉匹配比較，具體算法是vjj+n h+[+mcross-Corrdationi^^l )^ 二 ^ reference紅(x，>0 — comparison舒(x + a,y + b)\y=v+1 x=h+\ v+l+n h+\A-mcross correlation{a,厶)綠二reference緣(χ,y) 一 comparison綠(χ + α，少 + ) | .y=v+\v+l+w h+1+ηιcross — correlationic^bY^ 二 ^ re/erence藍(叉，少)一companion藍(χ + α,少 + 6) |式中，reference (χ, y)表示所述參考幀內(nèi)比較窗的各個像素的三基色亮度值， comparison(x+a, y+b)表示所述取樣幀內(nèi)與所述參考幀比較窗可能發(fā)生的移動情況對應的位置的像素的三基色亮度值，已分別用下標文字標明。對應9X9關(guān)聯(lián)算子陣列a =_4，-3，-2，-1,0, +1，+2，+3，+4 和 b = -4，-3，-2，-1,0, +1，+2，+3，+4，所述參考幀共有 81種可能發(fā)生的移動情況，共產(chǎn)生9X9X3 = 243個交叉關(guān)聯(lián)系數(shù)cross^orrelation (a， b)；5)值最小且趨于0的交叉關(guān)聯(lián)系數(shù)Cr0SS_C0rrelati0n(a，b)表示其幀-幀關(guān)聯(lián)程度 最高，因此，對應每種三基色圖象幀，獲得三個所述取樣幀相對所述參考幀移動的方向以及■動的 Δχ紅=ai'厶又紅=b1 厶叉綠=a2,厶又綠=b2,厶叉藍=a3,厶又藍=b3 ；6)本次取樣周期里物體發(fā)生的相對位移矢量是
全文摘要
使用計算機攝像頭三基色測量微小二維位移的方法及裝置，提出了一種以計算機攝像頭作為位移傳感器進行無接觸測量位移的方法及其裝置，該裝置以一個攝像頭連接一臺普通的計算機組成，配置有攝像頭拍攝及三基色亮度幀匹配程序，通過對參考幀自關(guān)聯(lián)計算選取最佳匹配比較窗；對光電傳感器敏感光譜中的三種基色圖像幀分別進行交叉關(guān)聯(lián)匹配計算，獲得相應的基色圖像幀位移，取其平均值作為物體即時的相對位移矢量，進而得到總的位移矢量及其即時速度，并據(jù)此結(jié)果決定是否更新參考幀及其最佳匹配比較窗，還自動調(diào)整進行搜索匹配的交叉關(guān)聯(lián)算子陣列的大小。本發(fā)明測量精度小于一個像素單位，具有一定的抗環(huán)境光干擾的能力，技術(shù)先進，成本很低。
文檔編號G01B11/02GK102052898SQ20091019131
公開日2011年5月11日 申請日期2009年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月2日
發(fā)明者曾藝 申請人:重慶工商大學