專利名稱：一種基于雙目線掃描攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)距離測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及距離測量系統(tǒng)，尤其涉及一種基于雙目線掃描攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)距離測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中，很多情況下需要得到兩物體間的相對(duì)距離，但是若被測目標(biāo)數(shù)量繁多，那么逐個(gè)的測量就會(huì)有諸多不方便，尤其是鐵路沿線的一些設(shè)備，由于設(shè)備繁多并且鐵路沿線較長，逐個(gè)測量起來就會(huì)耗時(shí)耗力，增加鐵路檢測工人的負(fù)擔(dān)，這時(shí)就需要一種區(qū)別于傳統(tǒng)方法的非接觸式的動(dòng)態(tài)距離測量系統(tǒng)。立體視覺的開創(chuàng)性工作是從上世紀(jì)60年代中期開始的，上世紀(jì)70年代末，Marr創(chuàng)立的視覺計(jì)算理論對(duì)立體視覺的發(fā)展產(chǎn)生了巨大影響，現(xiàn)已形成了從圖像獲取到最終的景物可視表面重建的完整體系，在整個(gè)計(jì)算機(jī)視覺中已占有越來越重要的地位。計(jì)算機(jī)立體視覺的主要研究內(nèi)容是由多幅二維的平面圖像恢復(fù)出被拍攝物體的三維坐標(biāo)，而其中基于兩幅圖像的雙目視覺技術(shù)則是一個(gè)研究熱點(diǎn)。雙目立體視覺的基本原理是模仿人眼與人類視覺的立體感知過程，從兩個(gè)視點(diǎn)觀察同一景物，以獲取不同視角下的感知圖像，通過三角測量遠(yuǎn)離計(jì)算圖像像素間的位置偏差，以獲取景物的三維信息。為了避免接觸式測量的缺點(diǎn)，以運(yùn)用光學(xué)原理進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取的非接觸式測量成為目前應(yīng)用最廣泛的測量方法，具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，測量精度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)和自動(dòng)化程度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種投資費(fèi)用少、測量速度快、精度高的基于雙目線掃描攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)距離測量系統(tǒng)，能夠方便地進(jìn)行動(dòng)態(tài)的距離測量。本發(fā)明的基本原理是通過兩個(gè)線掃描攝像機(jī)從不同視角采集被測目標(biāo)的平面圖像，通過Visual Studio 2008所編寫的圖像采集及處理軟件來控制兩線掃描攝像機(jī)同步采集圖像，對(duì)兩線掃描攝像機(jī)所拍攝的圖像進(jìn)行處理，識(shí)別圓形被測目標(biāo)，得出圓心在圖像中的位置參數(shù)，再根據(jù)兩個(gè)攝像機(jī)之間的位置關(guān)系、成像關(guān)系以及各參數(shù)間的關(guān)系，計(jì)算出被測目標(biāo)在相機(jī)坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案一種基于雙目線掃描攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)距離測量系統(tǒng)，其特征在于，包括圖像采集裝置、計(jì)算機(jī)以及信號(hào)發(fā)生器；其中所述圖像采集裝置含有攝像機(jī)支架、底座和一個(gè)可移動(dòng)的載物臺(tái)，攝像機(jī)支架上對(duì)稱安裝有兩個(gè)線掃描攝像機(jī)，兩個(gè)線掃描攝像機(jī)俯角相同；可移動(dòng)載物臺(tái)用于以一恒定速度移動(dòng)穿過兩個(gè)線掃描攝像機(jī)的視場范圍內(nèi)；所述的計(jì)算機(jī)中裝入兩個(gè)Camera Link圖像采集卡，用于分別控制兩個(gè)線掃描攝像機(jī)采集被測目標(biāo)的圖像；所述的信號(hào)發(fā)生器用于給兩個(gè)Camera Link圖像采集卡同時(shí)發(fā)出TTL電平信號(hào)， 觸發(fā)兩個(gè)線掃描攝像機(jī)拍攝；計(jì)算機(jī)根據(jù)兩個(gè)線掃描攝像機(jī)所建立的相機(jī)坐標(biāo)系中的相互位置關(guān)系與成像位置，計(jì)算出被測目標(biāo)在相機(jī)坐標(biāo)系中的位置。所述的線掃描攝像機(jī)采用尼康D型AF NIKKOR 50/1. 8D。所述的Camera Link 圖像米集卡米用 Matrox Solios XCL。所述的信號(hào)發(fā)生器采用盛普SP-F40 DDS數(shù)字合成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。上述雙目線掃描攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)距離測量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)距離測量方法，其特征在于， 包括以下步驟米集標(biāo)定圖像首先制作標(biāo)定板，在標(biāo)定板上設(shè)直標(biāo)定圖像，兩個(gè)相機(jī)冋步拍攝標(biāo)定板，多次變換標(biāo)定板與相機(jī)的距離并采集圖像，得到標(biāo)定圖像在兩個(gè)相機(jī)所采集到圖像中的像素位置參數(shù)與成像關(guān)系；反算對(duì)應(yīng)關(guān)系反算出系統(tǒng)中輸入變量與輸出變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系；圖像采集將被測目標(biāo)圓置于可移動(dòng)載物臺(tái)上，計(jì)算機(jī)控制兩個(gè)線掃描攝像機(jī)對(duì)被測目標(biāo)進(jìn)行拍攝拍攝，采集圖像輸入計(jì)算機(jī)；圖像預(yù)處理采用圖像增強(qiáng)以及圖像平滑等方法對(duì)所采集的圖像進(jìn)行處理，去除圖像中大部分的干擾以及無用信息；提取被測目標(biāo)圓的圓心采用二值化的方法對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，提取出被測目標(biāo)圓的邊緣輪廓，運(yùn)用直接邊緣圓擬合的辦法定位出圓心在圖像中的像素坐標(biāo)；計(jì)算距離根據(jù)鏡頭光學(xué)成像的原理以及反算出的輸入變量與輸出變量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系和被測目標(biāo)圓的圓心在圖像中的像素坐標(biāo)值，計(jì)算出圓心在相機(jī)坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)。本發(fā)明的雙目線掃描攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)距離測量系統(tǒng)，可用于動(dòng)態(tài)距離測量，只需在一定時(shí)間間隔內(nèi)重復(fù)上述3-6個(gè)步驟就可以實(shí)現(xiàn)多次距離測量。本發(fā)明的雙目線掃描攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)距離測量系統(tǒng)，主要部件采用線掃描攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)多種外環(huán)境；其距離測量方法主要由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，操作簡單，使用方便，而且測量結(jié)果直觀、可靠；由于測量結(jié)果可以精確到1mm，因此，測量精度非常高。 可以廣泛應(yīng)用于鐵路、醫(yī)藥、化工、食品、建筑等行業(yè)的運(yùn)動(dòng)物體的瞬時(shí)空間位置等領(lǐng)域。


圖I為本發(fā)明的雙目線掃描攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)距離測量系統(tǒng)中的圖像采集裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明雙目線掃描攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)距離測量系統(tǒng)中的兩個(gè)線掃描攝像機(jī)安裝示意圖。圖3為距離測量方法的流程圖。圖4為雙目線掃描攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)距離測量系統(tǒng)中的線掃描相機(jī)的標(biāo)定板示意圖。圖5為本發(fā)明的雙目線掃描攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)距離測量系統(tǒng)中的定常系統(tǒng)的變量對(duì)應(yīng)關(guān)系不意圖。
圖6為距離測量方法光路原理7為雙目線掃描攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)距離測量系統(tǒng)中圖像采集設(shè)備連接圖。圖8為雙目線掃描攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)距離測量系統(tǒng)中是兩相機(jī)交匯視場的范圍。其中的攝像參數(shù)是光圈f/l. 8,焦距°°。以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，本實(shí)施例的基于雙目線掃描攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)距離測量系統(tǒng)，包括圖像采集裝置、計(jì)算機(jī)以及信號(hào)發(fā)生器；其中圖像采集裝置包括攝像機(jī)支架、底座和一個(gè)可移動(dòng)的載物臺(tái)，攝像機(jī)支架上對(duì)稱安裝在兩個(gè)線掃描攝像機(jī)(A、B)，鏡頭方向水平且與其光軸平行，相距1000mm，并進(jìn)行固定，再調(diào)節(jié)攝像機(jī)支架底座的4個(gè)可調(diào)節(jié)支撐腳，要求兩個(gè)線掃描攝像機(jī)(A、B)的視場范圍 (靶面)重合并與水平面垂直。本實(shí)施例中，線掃描攝像機(jī)采用兩個(gè)尼康D型AF NIKKOR 50/1. 8D攝像機(jī)，分辨率均為4096*500，如圖2，相距1000mm，將兩個(gè)線掃描攝像機(jī)(A、B)分別連接至兩個(gè)Camera Link圖像采集卡，計(jì)算機(jī)控制兩個(gè)線掃描攝像機(jī)(A、B)同時(shí)采集標(biāo)定板的圖像，反算出該圖像采集系統(tǒng)中的輸入變量與輸出變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，再根據(jù)信號(hào)發(fā)生器給Camera Link圖像采集卡輸入的TTL電平信號(hào)控制兩個(gè)線掃描攝像機(jī)(A、B)對(duì)被測目標(biāo)進(jìn)行圖像的采集， 對(duì)采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理、識(shí)別等操作后得到被測目標(biāo)圓的圓心在圖像中的像素位置坐標(biāo)，再利用光學(xué)原理、成像關(guān)系以及兩個(gè)線掃描相機(jī)的相互位置關(guān)系，計(jì)算出被測目標(biāo)圓的圓心在相機(jī)坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)。在進(jìn)行距離測量時(shí)，要求圖像是在同一時(shí)刻對(duì)被測目標(biāo)采集得到的，即兩個(gè)線掃描攝像機(jī)(A、B)的拍攝幀數(shù)是同步的，圖像采集及處理軟件根據(jù)信號(hào)發(fā)生器給Camera Link圖像采集卡輸入的觸發(fā)信號(hào)控制兩個(gè)線掃描攝像機(jī)的拍攝速度，要求信號(hào)發(fā)生器輸出的信號(hào)為5V的TTL電平信號(hào)，波形為方波。采集速度一般設(shè)置為30幀/每秒，通過調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)，能夠使攝像機(jī)的采集速度在每秒10-50幀的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在圖像采集的過程中，要求有一個(gè)與采集速度相匹配的可移動(dòng)載物臺(tái)，該可移動(dòng)載物臺(tái)用于以一恒定速度移動(dòng)穿過兩個(gè)線掃描攝像機(jī)的視場范圍內(nèi)；以便拍攝到的圖像沒有拉伸或者壓縮變形，保證后期的圖像處理部分能夠有高質(zhì)量的原始圖像。參照?qǐng)D3，以上述基于雙目線掃描攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)距離測量系統(tǒng)，進(jìn)行距離測量方法包括以下步驟采集標(biāo)定圖像首先制作標(biāo)定板，標(biāo)定板上設(shè)置標(biāo)定圖像，標(biāo)定板如圖4所示，變換標(biāo)定板位置， 兩個(gè)線掃描攝像機(jī)分別拍攝標(biāo)定板，采集圖像。在變換標(biāo)定板位置的時(shí)候，要求在兩個(gè)線掃描攝像機(jī)的視場范圍(靶面)內(nèi)，沿相機(jī)光軸方向變換標(biāo)定板位置，并且標(biāo)定板的平面垂直于光軸，設(shè)相機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)O為兩個(gè)線掃描攝像機(jī)鏡頭中心連線的中點(diǎn)位置，在相機(jī)坐標(biāo)系中多個(gè)已知坐標(biāo)的位置放置標(biāo)定板分別采集并處理，得到標(biāo)定板在線陣圖像中成像的位置。反算對(duì)應(yīng)關(guān)系
5
反算的目的是要得到該系統(tǒng)中輸入變量與輸出變量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，參照?qǐng)D5，輸入變量為被測目標(biāo)分別在線掃描攝像機(jī)A、B中的成像位置，系統(tǒng)常量為光心位置、焦距、放大系數(shù)以及傾角等，輸出變量為被測目標(biāo)在相機(jī)坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)。參照?qǐng)D6，被測目標(biāo)在兩個(gè)線陣CXD上的成像位置相對(duì)于圖像成像中心(光軸成
像位置、線陣圖像中心)Ea、Eb的偏差分別為A1和A2，其中目標(biāo)的成像位置扎、Hb實(shí)際是
直線La和Lb分別與兩個(gè)線陣CXD的交點(diǎn)，記成像點(diǎn)Pp P2的坐標(biāo)分別為Ha(mA，nA)、Hb (mB,
nB)，而被測目標(biāo)在線陣CXD上的成像位置相對(duì)于光軸成像位置的偏差與在采集到的圖像中
的像素坐標(biāo)位置相對(duì)于圖像中心的偏差成正比，設(shè)被測目標(biāo)在兩個(gè)線掃描攝像機(jī)圖像中的
像素坐標(biāo)分別為&1、&2，則偏差分別為(2048- )和(2048- )。設(shè)直線La和Lb的斜率分別
權(quán)利要求
1.一種基于雙目線掃描攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)距離測量系統(tǒng)，其特征在于，包括圖像采集裝置、 計(jì)算機(jī)以及信號(hào)發(fā)生器；其中所述圖像采集裝置含有攝像機(jī)支架、底座和一個(gè)可移動(dòng)的載物臺(tái)，攝像機(jī)支架上對(duì)稱安裝有兩個(gè)線掃描攝像機(jī)，兩個(gè)線掃描攝像機(jī)俯角相同，可移動(dòng)載物臺(tái)用于以一恒定速度移動(dòng)穿過兩個(gè)線掃描攝像機(jī)的視場范圍內(nèi)；所述的計(jì)算機(jī)中裝入兩個(gè)Camera Link圖像采集卡分別控制兩個(gè)線掃描攝像機(jī)采集被測目標(biāo)的圖像；所述的信號(hào)發(fā)生器用于給兩個(gè)Camera Link圖像采集卡同時(shí)發(fā)出TTL電平信號(hào)觸發(fā)兩個(gè)線掃描攝像機(jī)拍攝；計(jì)算機(jī)根據(jù)兩個(gè)線掃描攝像機(jī)所建立的相機(jī)坐標(biāo)系中的相互位置關(guān)系與成像位置，計(jì)算出被測目標(biāo)在相機(jī)坐標(biāo)系中的位置。
2.如權(quán)利要求I所述的基于雙目線掃描攝像機(jī)動(dòng)態(tài)的距離測量系統(tǒng)，其特征在于，所述的線掃描攝像機(jī)采用尼康D型AF NIKKOR 50/1. 8D。
3.如權(quán)利要求I所述的基于雙目線掃描攝像機(jī)動(dòng)態(tài)的距離測量系統(tǒng)，其特征在于，所述的Camera Link圖像米集卡米用Matrox Solios XCL。
4.如權(quán)利要求I所述的基于雙目線掃描攝像機(jī)動(dòng)態(tài)的距離測量系統(tǒng)，其特征在于，所述的信號(hào)發(fā)生器采用盛普SP-F40 DDS數(shù)字合成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。
5.權(quán)利要求I所述的基于雙目線掃描攝像機(jī)動(dòng)態(tài)的距離測量系統(tǒng)的距離測量方法，其特征在于，包括以下步驟采集標(biāo)定圖像首先制作標(biāo)定板，在標(biāo)定板上設(shè)置標(biāo)定圖像，兩個(gè)相機(jī)同步拍攝標(biāo)定板，多次變換標(biāo)定板與相機(jī)的距離并采集圖像，得到標(biāo)定圖像在兩個(gè)相機(jī)所采集到圖像中的像素位置參數(shù)與成像關(guān)系；反算對(duì)應(yīng)關(guān)系反算出系統(tǒng)中輸入變量與輸出變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系；圖像采集將被測目標(biāo)圓置于可移動(dòng)載物臺(tái)上，計(jì)算機(jī)控制兩個(gè)線掃描攝像機(jī)對(duì)被測目標(biāo)進(jìn)行拍攝拍攝，采集圖像輸入計(jì)算機(jī)；圖像預(yù)處理采用圖像增強(qiáng)以及圖像平滑等方法對(duì)所采集的圖像進(jìn)行處理，去除圖像中大部分的干擾以及無用信息；提取被測目標(biāo)圓的圓心采用二值化的方法對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，提取出被測目標(biāo)圓的邊緣輪廓，運(yùn)用直接邊緣圓擬合的辦法定位出圓心在圖像中的像素坐標(biāo)；計(jì)算距離根據(jù)鏡頭光學(xué)成像的原理以及反算出的輸入變量與輸出變量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系和被測目標(biāo)圓的圓心在圖像中的像素坐標(biāo)值,計(jì)算出圓心在相機(jī)坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于雙目線掃描攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)距離測量系統(tǒng)及其測量方法。系統(tǒng)包括圖像采集裝置、計(jì)算機(jī)以及信號(hào)發(fā)生器，所述圖像采集裝置含有攝像機(jī)支架及其底座和一個(gè)可移動(dòng)的載物臺(tái)，攝像機(jī)支架上對(duì)稱有兩個(gè)線掃描攝像機(jī)；其測量方法包括采集標(biāo)定圖像、反算對(duì)應(yīng)關(guān)系、圖像采集、圖像預(yù)處理、提取被測目標(biāo)圓的圓心，最后通過對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算出被測目標(biāo)圓的實(shí)際距離。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于鐵路、醫(yī)藥、化工、食品、建筑等行業(yè)的運(yùn)動(dòng)物體的瞬時(shí)空間位置等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01C3/00GK102589516SQ20121005166
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月1日
發(fā)明者丁磊, 李健, 王金洋, 謝昊原, 韓毅 申請(qǐng)人:長安大學(xué)