專利名稱：使用計算機攝像頭測量微小二維位移的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于數(shù)字圖像測量技術領域，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：
微電子技術的發(fā)展推動了攝像測量技術的進步。以“攝像”與“測量”為主題詞， 可以檢索到國內發(fā)明專利25項，實用新型專利5項。例如，發(fā)明專利“一種攝像機空間三維 位置姿態(tài)測量方法”(公開號=CN 1804541A,申請日=2006. 7. 19，北航大)提出的測量步驟 是1)標定階段，設定合作目標；攝像機視野內，自由、非平行移動合作目標至少5個位置， 每移動一個位置，拍攝一幅圖像，稱為攝像機標定圖像；合作目標上的2個圓的透視投影圖 像為2個橢圓，以密集度即面積和周長平方的比值為描述特征，自動分割出標定圖像中的2 個橢圓，提取每一個位置的攝像機標定圖像中2個橢圓的所有的8個公切點，求出不同公切 點的連線交點，公切點和連線交點共21點，稱為目標特征點；利用所有位置的目標特征點 圖像坐標及其對應的世界坐標標定攝像機內部參數(shù)，包括有效焦距和主點坐標。2)測量階 段固定合作目標，移動攝像機，或者移動合作目標，固定攝像機，拍攝合作目標的圖像，提 取合作目標上的21個目標特征點的圖像坐標并與其世界坐標對應；根據(jù)所建立的攝像機 運動模型和透視投影模型，利用攝像機內部參數(shù)、目標特征點的圖像坐標及對應的世界坐 標，計算攝像機的三維空間位置姿態(tài)；連續(xù)測量攝像機在2個不同位置的三維位置姿態(tài)，計 算出移動物體的線速度和角速度。由此可見，該發(fā)明的特點是使用攝像機測量，需要合作 目標，測量前需要進行一系列的標定工作。再如，發(fā)明專利“三維地質體結構面信息的數(shù)字攝像測量及采集方法”(公開號 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)攝影測量所需的內外方位元的解算，在計算機上再建的計算機立體 視覺環(huán)境中，通過對連續(xù)、動態(tài)的視頻流參數(shù)-加載速度和幀位置的控制來實現(xiàn)物點的三 維空間的位置解算，從而完成各種地質坡面上結構面的攝像測量、解譯及編錄工作。顯然， 該項發(fā)明采用視頻攝像機，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 合作標志，在線路檢測車前方安裝攝像機，用攝像機拍攝隨軌道起伏偏轉而運動的合作標 志在至少兩個不同時刻的圖像，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。該項發(fā)明還提出，加裝自適應光學設備，或用軟件算法的形式 作大氣抖動修正，但未有進一步的說明。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)字信號模式)攝像機，需要安裝攝像用的
4合作標志；特別的是，雖然都采用了數(shù)字圖像處理技術，但是均未進一步說明所采用的亞像 素定位技術。近幾年，隨著CXD和CMOS光電成像芯片的發(fā)展，計算機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，拍攝的實際速度分別是30fps (幀 每秒)，30fps, 20-26fps, 20_26fps和lOfps，其視頻信號屬于數(shù)字信號方式，以USB接口輸 出，具備了用于攝像測量的物理基礎。相對于攝像機，計算機攝像頭價格低廉，使用方便，一 般用于網(wǎng)絡視頻聊天或監(jiān)視拍攝工作；然而，尚未見到它被用于攝像測量方面的報道。掃描儀與光電鼠標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 是有關它們獲取相對運動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， 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，有些達到 Al的圖面，采用主計算機作控制、存儲以及管理圖像。3)2維陣列傳感器式，無機械編碼，曝光期原始圖不動，2D陣列光敏單元轉換成像 素陣列，大小為A4的300dpi的圖需要2500X3300 = 8. 25百萬像素。 4)手持移動式，采用小些的線性陣列電光傳感器單元，直接與個人計算機相連，并 籍此存儲、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，機械阻力也增加，防止了拖動過快。手持式掃描儀確定像素陣列的位置信息的方法與機械鼠標的工作原理相似。當 線性陣列傳感器移動的時候，輪子、球或磙珠與原始圖面接觸的滾動被感知，其位置信息根 據(jù)轉動的機械細節(jié)被確定。一般地，與原始圖面相接觸的機械元件的表面具有高的摩擦系 數(shù)，例如是橡膠，以阻止滑動和剎車。圓柱形滾筒或用剛性軸連接的兩個輪子用于加強掃描 過程中運動保持單一的平動自由度，常用直線邊或其它固定物固定相對原始圖面的掃描方 向，并進一步加強掃描過程中需要的平動約束。缺失這些保持移動方向的固定物的時候，或 者使用者的肘落在某個平面上的時候，一維光電傳感器陣列的移動軌跡會發(fā)生某種偏轉， 導致掃描得到的電子像發(fā)生扭曲。當然，位置編碼的方法常常易于產(chǎn)生滑動或跳躍，會導致 一維的像素數(shù)據(jù)陣列與原始圖像的對位誤差。該專利給出了計算關聯(lián)系數(shù)的方法，并籍此獲得各個像素的位置信息。為了參考， 繼續(xù)摘要如下先獲取參考幀，它具有某種內在結構特點，例如T形的成像，典型的表面內在結構 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、表面結構特點的 主要的空間頻率和傳感器的分辨率等因素，NXM = 32X64的導航傳感器的參考幀的實際 大小取為NXM = 24X56的像素陣列。經(jīng)過一段時間dt后，獲得取樣幀，它表現(xiàn)了同樣的 內在結構特點。該專利強調取樣前歷時dt要滿足“微步”條件在掃描儀的平移速度下，相對位移小于導航傳感器的一個像素的間距；一個可以接受的取樣時間間隔是50微妙(掃 描速度0. 45米每秒，600dpi (像素點每英寸)時)。所謂關聯(lián)用于發(fā)現(xiàn)連續(xù)幀的同一特點所在的位置，以確定來自幀-幀特點的位 移，求和或積累這些位移，校正通過相關的光學設計引入的刻度因子，確定成像傳感器的位 移，是一個掃描過程的程序。幀_幀關聯(lián)對應于“微步”，指選擇幀率足夠地高，保證位移不 超過一個單個像素的尺寸。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”的關聯(lián)
權利要求
使用計算機攝像頭測量微小二維位移的方法及裝置，由計算機攝像頭與一臺普通的計算機組成，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數(shù)字圖像處理程序。
2.根據(jù)權利要求1所述的使用計算機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算機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, 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個像素，即有m+2h = M, n+2v = N，h，v, m，n，M，N G 正整數(shù)；2)計算所述參考幀里比較窗的像素陣列的自關聯(lián)系數(shù)
全文摘要
使用計算機攝像頭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，該裝置以一個計算機攝像頭連接一臺普通的計算機組成，該計算機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聯(lián)計算選取最佳匹配比較窗；通過交叉關聯(lián)匹配計算獲得物體即時的相對位移矢量與總的位移矢量；并據(jù)此測量結果決定是否更新參考幀及其最佳匹配比較窗，并自動調整進行搜索匹配的交叉關聯(lián)算子陣列的大小。
文檔編號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