專利名稱：以二維單基色對比度為特征幀匹配測量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)：
為了發(fā)揮計(jì)算機(jī)攝像頭的光電傳感器陣列的功能，最近提交的發(fā)明專利“以二 維三基色對比度為特征幀匹配測量位移的方法及裝置”(申請?zhí)?200910191320. 9)分解 圖像幀為三幅基色幀，分別提取它們各自的基色對比度作為其圖像的特征，并應(yīng)用關(guān)聯(lián)匹 配技術(shù)測量物體的微小的位移，取其平均值作為測量結(jié)果，充分地利用光電探測傳感器的 性能。另一份發(fā)明專利“以二維對比度為特征幀匹配測量位移的方法及裝置”(申請?zhí)?200910190925. 6)提取圖像幀的明暗對比度作為圖像的特征，應(yīng)用關(guān)聯(lián)匹配技術(shù)測量物體 微小位移。所述兩份專利的測量方法新穎，但是，前者的分析運(yùn)算量較大，影響測量速度，后 者會受到測量環(huán)境中有關(guān)波長光照及其變化的影響。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述情況，本發(fā)明提供一種以二維單基色對比度為特征幀匹配測量位移的方 法及裝置，它利用計(jì)算機(jī)攝像頭，通過拍攝，測量物體在與攝像頭的光軸相垂直的平面上的 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)方案是一臺計(jì)算機(jī)安裝一個(gè)計(jì)算機(jī)攝像 頭，并配置有攝像頭拍攝及二維單基色邊方向數(shù)據(jù)幀匹配測量位移程序；該程序體現(xiàn)了以 二維單基色對比度為特征通過幀匹配測量位移的方法，包括步驟一、以位圖(MXN，M，N e正整數(shù))的格式，拍攝一幀被測物體的圖像，作為參 考幀；以該幀像素陣列左上角的第一個(gè)像素的位置為原點(diǎn)，向右方向?yàn)棣州S方向，垂直向下 方向?yàn)閥軸方向；在所述像素陣列的中央選取一個(gè)區(qū)域，大小為mQXrv m0, n0 e正整數(shù)，稱 之為比較窗，它距離所述像素陣列的水平方向和垂直方向的邊緣像素各有h和ν個(gè)像素，即 有mQ+2h = Μ, η0+2ν = N, h, ν e正整數(shù)；選取三基色(紅、綠和藍(lán)色)之一為本測量的對象；
步驟二、對于上述參考幀，逐像素行、逐像素列地分別導(dǎo)出沿X軸方向和Y軸方向的 關(guān)于所選取中份'I的邊方向數(shù)據(jù)，共有兩幀，并以3bit的二進(jìn)制數(shù)值001’ 010和100分別表 示其中的正邊、負(fù)邊以及第三類邊； 步驟三、上述拍攝以后，經(jīng)過一段時(shí)間Δ/,拍攝第二幀位圖，作為取樣幀； 逐行、逐列確定該取樣幀中像素沿X軸方向和Y軸方向的關(guān)于所取單基色的邊方向數(shù)據(jù)， 共有兩幀，分別以3bit的二進(jìn)制數(shù)值001, 010和100表示其中的正邊、負(fù)邊以及第三類邊； 步驟四、沿X軸方向和Y軸方向，把所述參考幀內(nèi)比較窗在所述取樣幀范圍里進(jìn)行9x9 交叉關(guān)聯(lián)匹配(a = -4,-3，-2，-l，0，+l，+2，+3，+4, b - -4-3-2-l,0,+l,+2,+3,+4 ),對于所述參考
幀和所述取樣幀各自對應(yīng)的所取單基色的兩幀邊方向數(shù)據(jù)，沿X軸方向和Y軸方向，分別計(jì) 算并得到2x1 = 2組關(guān)于所取單基色幀的交叉關(guān)聯(lián)匹配系數(shù)；
步驟五、對于上述各組交叉關(guān)聯(lián)匹配系數(shù)，分別取其中值最大者，作為所述取樣幀對應(yīng) 的所取單某色幀相對所述參考幀對應(yīng)的所取單基色幀分別沿X軸方向和Y軸方向移動的方向
以及移動的幅度，例如所取笮坫fi為紅.則仏
權(quán)利要求
1.以二維單基色對比度為特征幀匹配測量位移的方法及裝置，由一臺計(jì)算機(jī)及其攝像 頭組成，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)還配置有攝像頭拍攝及二維單基色邊方向數(shù)據(jù)幀匹配測 量位移程序。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以二維單基色對比度為特征幀匹配測量位移的方法及裝置， 其特征在于，所述攝像頭拍攝及二維單基色邊方向數(shù)據(jù)幀匹配測量位移程序提供了一種使 用計(jì)算機(jī)攝像頭以二維單基色對比度為特征實(shí)施幀匹配測量二維位移的方法，包括步驟一、以位圖^\隊(duì)11力￡正整數(shù))的格式，拍攝一幀被測物體的圖像，作為參考幀； 以該幀像素陣列左上角的第一個(gè)像素的位置為原點(diǎn)，向右方向?yàn)棣州S方向，垂直向下方向 為y軸方向，所取坐標(biāo)軸的單位為一個(gè)像素的大?。辉谒鱿袼仃嚵械闹醒脒x取一個(gè)區(qū)域， 大小為mQXrvlvntl e正整數(shù)，稱之為比較窗，它距離所述像素陣列的水平方向和垂直方向 的邊緣像素各有h和ν個(gè)像素，即有mQ+2h = Μ, η0+2ν = N, h, ν e正整數(shù)；選取三種基色 (紅、綠和藍(lán)色)之一作為本測量的對象；步驟二、對于上述參考幀，逐像素行、逐像素列地分別導(dǎo)出沿X軸方向和Y軸方向的關(guān) 于所選取單基色的邊方向數(shù)據(jù)，共有兩幀，并以3bit的二進(jìn)制數(shù)值001，010和100分別表 示其中的正邊、負(fù)邊以及第三類邊；步驟三、上述拍攝以后，經(jīng)過一段時(shí)間At，拍攝第二幀位圖，作為取樣幀； 逐行、逐列確定該取樣幀中沿X軸方向和Y軸方向的關(guān)于所取單基色的邊方向數(shù)據(jù)，共 有兩幀，以二進(jìn)制數(shù)值001，010和100分別表示其中的正邊、負(fù)邊以及第三類邊；步驟四、沿X軸方向和Y軸方向，把所述參考幀內(nèi)比較窗在所述取樣幀范圍里進(jìn)行9X9 交叉關(guān)聯(lián)匹配(a = -4，-3，-2，-1,0, +1，+2，+3，+4，b = -4，-3，-2，-1,0, +1，+2，+3，+4)， 對于所述參考幀和所述取樣幀各自對應(yīng)的所取單基色的兩幀邊方向數(shù)據(jù)，分別計(jì)算并得到 2X1 = 2組關(guān)于所取單基色幀的交叉關(guān)聯(lián)匹配系數(shù)，共產(chǎn)生9 X 9 X 2 = 162個(gè)交叉關(guān)聯(lián)匹 配系數(shù) cross_correlation (a，b)；步驟五、對于上述各組交叉關(guān)聯(lián)匹配系數(shù)，分別取其中值最大者，作為所述取樣幀對應(yīng) 的所取單基色幀相對所述參考幀對應(yīng)的所取單基色幀分別沿X軸方向和Y軸方向移動的方 向以及移動的幅度，例如所取單基色如為紅色，則有Δ 紅 χχ = a1 Δ = b1 Δ 紅 yx = C1, Δ 紅 yy = (I1 ；式中，下標(biāo)x、y分別表示各邊方向數(shù)據(jù)所沿的坐標(biāo)軸方向；本次測量中，沿X軸方向和Y軸方向，所述取樣幀相對所述參考幀移動的方向以及移動的幅度分別是= ^^ = e,Ay(i,j) = 二 /式中，i表示本次測量拍攝的順序計(jì)數(shù)，j表示所取參考幀的順序計(jì)數(shù)；測量過程中，物 體總的相對位移矢量是Δχ0( , j) = Δχ0( -1, j) + Ax(i, j) = Δχ0( -1, j)+e, Ay0(i, j) = Ay0(i-1, j) + Ay(i, j) = Δ y0 (i_l，j)+f 式中，(Δχ0( -1, j), Ay0(i-l,j))表示本次測量之前累積的位移； 步驟六、物體的速度矢量是Δνχ( , j) = Δχ( , j)/At = e/At, AVy(i, j) = Ay(i, j)/At = f / Δ t ； 步驟七、如果 I Δχ0( , j)-Ax0(k, j-1) I 彡 2m/5，或 | Δ y0 (i，j) - Δ y0(k，j_l) | ^ 2n/5,其中，k = max(i) I (j-1)表示在所述參考幀順序計(jì)數(shù)為j_l的情況下最后_次拍攝的順序 計(jì)數(shù)值，即在所述參考幀沒有發(fā)生變化的條件下，其中的比較窗發(fā)生的相對位移之累積已 經(jīng)超出該比較窗的幅度的2/5，這時(shí)，用最新的取樣幀取代所述參考幀，其比較窗重新定位 在新的參考幀的中央部位；如果 I Δχ0( , j)-Δχ0 (k, j-1) I < 2m/5 且 | Δ y0 (i, j) - Δ y0(k, j-1) | < 2n/5，不更新 所述參考幀，而是把所述參考幀里的比較窗發(fā)生相對位移ΔΧ = -e，Ay = -f ； 步驟八、調(diào)整步驟四中所述交叉關(guān)聯(lián)匹配算子陣列的大小如果 |e| ≤ 3且 |f| ≤3，改取7\7化=-3，-2，-1，0，+1，+2，+3力=-3，-2，-1，0， +1, +2, +3，如果 |e| ≤2且 |f| ≤ 2，改取 5X5 :a = _2，_1，0，+1，+2，b = -2，-1，0，+1，+2， 否則，仍然取為9X9關(guān)聯(lián)匹配算子陣列；步驟九、上述拍攝以后，又經(jīng)過一段時(shí)間At，拍攝第三幀位圖，作為新取樣幀； 逐行、逐列分別導(dǎo)出該取樣幀沿X軸方向和Y軸方向的關(guān)于所取單基色的邊方向數(shù)據(jù)， 共有兩幀，以二進(jìn)制數(shù)值001，010和100分別表示其中的正邊、負(fù)邊以及第三類邊；步驟十、按照步驟八中確定的交叉關(guān)聯(lián)匹配算子陣列，對于所述參考幀內(nèi)所取單基色 沿X軸方向和Y軸方向的兩幀邊方向數(shù)據(jù)，把其比較窗里的邊方向數(shù)據(jù)分別在所述新取樣 幀范圍里進(jìn)行對應(yīng)的邊方向數(shù)據(jù)交叉關(guān)聯(lián)匹配計(jì)算，具體算法同步驟四； 步驟十一、跳轉(zhuǎn)到步驟五，繼續(xù)測量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的以二維單基色對比度為特征幀匹配測量位移的方法及裝置， 其特征在于，所述攝像頭拍攝及二維單基色邊方向數(shù)據(jù)幀匹配測量位移程序之步驟二、三 和九所述邊方向數(shù)據(jù)的定義是像素陣列中，沿著X軸或者沿著Y軸方向，如果一個(gè)像素的 亮度值或其三基色之一(紅或綠或藍(lán)色)的亮度值比其后面的第二個(gè)像素相應(yīng)的亮度值還 要小一個(gè)誤差容限值error，即如果
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的以二維單基色對比度為特征幀匹配測量位移的方法及裝置， 其特征在于，所述攝像頭拍攝及二維單基色邊方向數(shù)據(jù)幀匹配測量位移程序之步驟四和步 驟十中所述交叉關(guān)聯(lián)匹配計(jì)算的方法是分別沿X軸方向或者沿Y軸方向，把所述參考幀內(nèi)比較窗對應(yīng)的該坐標(biāo)軸方向的三基 色幀邊方向數(shù)據(jù){reference^，y)}在所述取樣幀范圍里對應(yīng)的該坐標(biāo)軸方向的相應(yīng)基色 的邊方向數(shù)據(jù){comparison(x+a，y+b)}進(jìn)行下述匹配比較運(yùn)算
全文摘要
以二維單基色對比度為特征幀匹配測量位移的方法及裝置，由一臺計(jì)算機(jī)及其攝像頭組成。其測量位移的方法是，選取一種基色，沿x軸和y軸方向，分別提取所取單基色的二維對比度作為圖像幀的特征；選取一幀圖像作為參考幀，對其中選取的比較窗區(qū)域內(nèi)所取單基色的兩幀邊方向數(shù)據(jù)相對后續(xù)取樣幀進(jìn)行交叉關(guān)聯(lián)匹配計(jì)算，取其最佳匹配者的平均值作為本次測量的結(jié)果；據(jù)此位移測量值，決定是否更新參考幀，并調(diào)整比較窗的位置以及交叉關(guān)聯(lián)匹配算子陣列的規(guī)模，以保證下一次測量的精度以及減少計(jì)算量。本發(fā)明既可以比較有效地克服了環(huán)境光照中其它波長對測量的影響，又大大提高了測量速度。
文檔編號G01B11/02GK102102981SQ20091025091
公開日2011年6月22日 申請日期2009年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月21日
發(fā)明者張海明, 徐其明, 曾藝 申請人:重慶工商大學(xué)