專利名稱：使用數(shù)碼攝像頭的非接觸式測距裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字圖像測量技術(shù)，尤其是一種利用微型攝像頭非接觸式測距裝置及測量方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，人們對高精度、使用簡便且價(jià)格低廉的小型化測距裝置的需求不斷提高。目前的測距系統(tǒng)按測量方法可分為接觸式和非接觸式兩種，接觸式測量是較為成熟的測量方法，具有較高的精度同時(shí)易于實(shí)現(xiàn)小型化。但是由于測量方法本身的原因不可避免的對被測物體附近物理?xiàng)l件產(chǎn)生影響，因此，在有些要求較嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)條件下無法使用；而目前非接觸式測量系統(tǒng)多用激光或者超聲波作為測量媒介，雖然克服了接觸式測量的影響被測物體周圍物理環(huán)境的不足，但是由于激光發(fā)生器和超聲波發(fā)生器較 為昂貴以及兩種發(fā)生器的小型化困難限制了其廣泛使用。隨著CXD和CMOS光電成像芯片的發(fā)展，數(shù)碼攝像頭向小型化，高分辨率方向發(fā)展迅速。與激光發(fā)生器和超聲波發(fā)生器相比，數(shù)碼攝像頭體積更小，價(jià)格便宜，且使用方便，對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，因而將其用于非接觸測距系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊。因此，需要一種新的技術(shù)方案以解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有非接觸測距系統(tǒng)價(jià)格昂貴，體積較大的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種使用數(shù)碼攝像頭的非接觸式測距裝置及測量方法，具有測量裝置小，擴(kuò)展性能好，操作簡便，安裝和調(diào)試簡單，成本低的優(yōu)點(diǎn)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明可采用如下技術(shù)方案—種使用數(shù)碼攝像頭的非接觸距離測量裝置，包括數(shù)碼攝像頭與計(jì)算機(jī)，所述數(shù)碼攝像頭與計(jì)算機(jī)內(nèi)的視頻采集卡相連接。使用所述使用數(shù)碼攝像頭的非接觸距離測量裝置的測量方法包括下述步驟I)、在被測物體垂直于數(shù)碼攝像頭光軸的表面標(biāo)記出圓形參考標(biāo)記；2)、操作數(shù)碼攝像頭在已知距離垂直拍攝一幀圓形參考標(biāo)記的圖像，以位圖方式保存，作為參考幀；根據(jù)具體數(shù)碼攝像頭的參數(shù)指標(biāo)選擇位圖幀的大小MXN，其中M、N e正整數(shù)；3)、重復(fù)步驟2)，在攝數(shù)碼像頭與被測物體表面已知距離下拍攝獲得參考幀；根據(jù)已有參考幀中圓形參考標(biāo)記最大直徑所跨過像素個(gè)數(shù)與拍攝距離之間的對應(yīng)關(guān)系，通過最小二乘法擬合出參考幀中圓形參考標(biāo)記所覆蓋的像素個(gè)數(shù)同被測物體的距離之間的關(guān)系公式，完成測量裝置的校準(zhǔn)。4)、實(shí)際測量中，計(jì)算數(shù)碼攝像頭拍攝的位圖幀中圓形參考標(biāo)記所覆蓋的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，代入像素個(gè)數(shù)同被測物體的距離之間的關(guān)系公式，獲得數(shù)碼攝像頭與被測物體間實(shí)際距離。
本發(fā)明的有益效果是，它是一種采用數(shù)碼攝像頭作為傳感器實(shí)現(xiàn)無接觸測量距離的新方法和裝置，充分發(fā)揮了數(shù)碼攝像頭的光電傳感器陣列的功效，具有測量裝置小，擴(kuò)展性能好，操作簡便，安裝和調(diào)試簡單，成本低的優(yōu)點(diǎn)。


圖I是本發(fā)明非接觸式測距裝置的組成圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例中被測量裝置的側(cè)視示意圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例中被測量裝置的俯視示意圖。
具體實(shí)施例方式圖I是本發(fā)明測距裝置組成圖。其中微型數(shù)碼攝像頭3對準(zhǔn)被測量的物體5，兩者的距離處于微型數(shù)碼攝像頭3有效光學(xué)透鏡聚焦成像范圍以內(nèi)。所述微型攝像頭3由光學(xué)透鏡，光電傳感器芯片和視頻采集卡接口組成，通過其配置的接口與多路視頻采集卡2相連，視頻采集卡2同普通計(jì)算機(jī)系統(tǒng)I相連，，該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)I還配置有CPU、內(nèi)存、顯示卡與顯示器、硬盤、鍵盤和鼠標(biāo)、操作系統(tǒng)，采集卡驅(qū)動(dòng)程序以及專門編寫的攝像頭拍攝及數(shù)字圖像處理程序。使用數(shù)碼攝像頭測量距離的步驟包括一、多路視頻采集卡2連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)I和數(shù)碼攝像頭3，運(yùn)行隨采集卡2配售的采集卡驅(qū)動(dòng)程序。二、保持測量工作環(huán)境內(nèi)照明條件良好且變化不影響攝像頭對被測物體5表面圓形參考4的識別。三、攝像頭對準(zhǔn)被測物體，聚焦調(diào)節(jié)好攝像頭，使得成像清晰。四、運(yùn)行攝像頭拍攝及數(shù)字圖像處理程序，校準(zhǔn)系統(tǒng)。所述攝像頭拍攝及數(shù)字圖像處理程序采用的方法逐步敘述如下I )、在微型數(shù)碼攝像頭3與被測物體5之間距離已知的條件下拍攝一幀被測物體5表面圓形參考4的圖像，以位圖的格式保存到計(jì)算機(jī)I的硬盤中。根據(jù)數(shù)碼攝像頭3的具體型號選擇位圖幀的大小MXN，M、N G正整數(shù)，盡可能選擇拍攝速度較快的幀率。2)、由數(shù)字圖像處理軟件確定所拍攝參考位圖幀中圓形參考4所覆蓋像素個(gè)數(shù)，獲得被測物體5距數(shù)碼攝像頭3的距離與圓形參考4在參考位圖中覆蓋像素個(gè)數(shù)之間的一組數(shù)據(jù)。3 )、重復(fù)步驟I)，2 )若干次(重復(fù)次數(shù)>2 )獲得一系列的測量距離與位圖中圓形參考4之間的關(guān)系，通過最小二乘法擬合出測量距離與參考位圖中圓形參考4覆蓋像素個(gè)數(shù)的函數(shù)表達(dá)式,完成標(biāo)定。4)、進(jìn)行測距，由數(shù)碼攝像頭3獲得位圖中圓形參考4的所覆蓋像素個(gè)數(shù)，代入標(biāo)定的函數(shù)表達(dá)式，獲得此時(shí)微型數(shù)碼攝像頭3與被測物體5之間的距離。上述測量方法采用的標(biāo)定方法應(yīng)在允許的條件下，多標(biāo)定幾次，其基本思想是標(biāo)定的距尚應(yīng)包含實(shí)際測量時(shí)可能的最大和最小距尚，并在該范圍內(nèi)盡可能均布，標(biāo)定的精度影響著測量的精度。上述測量方法可以在多路視頻采集卡上連接多個(gè)微型數(shù)碼攝像頭，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)實(shí)時(shí)測量。請參閱圖2及圖3所示，為采用本測量方法對一種裝置進(jìn)行測量的實(shí)施例。該裝置包括管道6與內(nèi)部可變截面的節(jié)流裝置7組成，節(jié)流裝置7的中間部分為橡膠材料制成的變形部8，該變形部8能夠在不同充氣壓力下改變截面面積，該測量裝置使用6個(gè)微型攝像頭9，在變形部8面對攝像頭9的表面事先標(biāo)記圓形參考10。
表I給出了各攝像頭標(biāo)定數(shù)據(jù)；表2給出各攝像頭標(biāo)定公式，其中X表示攝像頭測得圓形參考直徑像素值，y表示攝像頭與圓形參考之間的距離(_)，在實(shí)際測量過程中便可獲得圓形參考10在不同狀態(tài)下的變形量；表3給出了各個(gè)圓形參考10使用本測量方法獲得節(jié)流裝置的變形量。
權(quán)利要求
1.一種使用數(shù)碼攝像頭的非接觸距離測量裝置，其特征在于包括數(shù)碼攝像頭(3)與計(jì)算機(jī)(I)，所述數(shù)碼攝像頭(3 )與計(jì)算機(jī)(I)內(nèi)的視頻采集卡(2 )相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述使用數(shù)碼攝像頭的非接觸距離測量裝置，其特征在于所述計(jì)算機(jī)(I)配有攝像頭拍攝及數(shù)字圖像處理程序。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述使用數(shù)碼攝像頭的非接觸距離測量裝置，其特征在于所述視頻采集卡(2 )同時(shí)連接多組數(shù)碼攝像頭(3 )，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述使用數(shù)碼攝像頭的非接觸距離測量裝置，其特征在于所述數(shù)碼攝像頭(3 )自帶LED光源便于在物體內(nèi)部進(jìn)行測距。
5.使用權(quán)利要求I所述使用數(shù)碼攝像頭的非接觸距離測量裝置的測量方法，其特征在于，包括下述步驟 1)、在被測物體(5)垂直于數(shù)碼攝像頭(3)光軸的表面標(biāo)記出圓形參考標(biāo)記(4)； 2)、操作數(shù)碼攝像頭(3)在已知距離垂直拍攝一幀圓形參考標(biāo)記(4)的圖像，以位圖方式保存，作為參考幀；根據(jù)具體數(shù)碼攝像頭(3)的參數(shù)指標(biāo)選擇位圖幀的大小MXN，其中M、N G正整數(shù)； 3)、重復(fù)步驟2)，在攝數(shù)碼像頭(3)與被測物體表面(5)已知距離下拍攝獲得參考幀；根據(jù)已有參考幀中圓形參考標(biāo)記(4)最大直徑所跨過像素個(gè)數(shù)與拍攝距離之間的對應(yīng)關(guān)系，通過最小二乘法擬合出參考幀中圓形參考標(biāo)記(4)所覆蓋的像素個(gè)數(shù)同被測物體的距離之間的關(guān)系公式，完成測量裝置的校準(zhǔn)； 4)、實(shí)際測量中，計(jì)算數(shù)碼攝像頭(3)拍攝的位圖幀中圓形參考標(biāo)記(4)所覆蓋的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，代入像素個(gè)數(shù)同被測物體的距離之間的關(guān)系公式，獲得數(shù)碼攝像頭(3)與被測物體(5)間實(shí)際距離。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種使用計(jì)算機(jī)及微型數(shù)碼攝像頭的非接觸式小距離測量方法及裝置，該裝置以一個(gè)微型攝像頭及一臺安裝有多路視頻采集卡的計(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，獲得被測物體與攝像頭光軸相垂直的平面與攝像頭之間的距離；該測量系統(tǒng)使用微型數(shù)碼攝像頭具有測量裝置小，被測距離小，便于擴(kuò)展，可進(jìn)行多點(diǎn)同時(shí)測量的特點(diǎn)。
文檔編號G01C3/00GK102721404SQ20121018669
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月7日
發(fā)明者何小明, 孫姝, 張悅, 李光勝, 童悅, 譚慧俊 申請人:南京航空航天大學(xué)