CN101236081A - 基于激光图像及对应像素距离度量的位移测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光图像及对应像素距离度量的位移测量装置及方法。它解决了目前工业测距仪成本高，测量精度低，不能满足生产需要等问题，具有结构简单，使用方便，测量精度高等优点。其结构为：它由成像设备、数字图像信号处理设备和位移数据输出接口设备组成；其中成像设备包括光源及相关光路组件和摄像装置组成，摄像装置输出端与数字图像信号处理设备输入端连接，数字图像信号处理设备输出端则与位移数据输出接口设备连接。

Description

基于激光图像及对应像素距离度量的位移测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种位移测量装置，尤其涉及一种基于激光图像及对应像素距离度量的位移测量装置及方法。

背景技术

工业领域中的各行各业，精确的距离测量被大量应用，甚至成为某些领域中必不可少的手段之一，尤其在机械加工领域，微小距离测量的准确性是产品质量最重要的保证之一。因此高精度的测距仪是工业技术领域中关键的测量手段之一。

当前工业生产中常用的测距仪包括接触式和非接触式，对于运动物体的连续在线测量往往采用非接触式的测距仪。常用的测距原理包括电容式、电感式、霍尔式、红外式、超声波式和激光式等原理，构成了非常丰富的适用于各种场合的测距仪。上述原理所设计的测距仪都与被测物体的属性有关系，电感式、霍尔式需要被测物为金属物体，利用光学原理的需要被测物具有很好的光反射性质等等，但现有测距仪在使用中普遍存在读数精度低，成本高的问题，不能满足实际生产的需要。

发明内容

本发明的目的就是为了解决目前工业测距仪成本高，测量精度低，不能满足生产需要等问题，提供一种具有结构简单，使用方便，测量精度高等优点的基于激光图像及对应像素距离度量的位移测量装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于激光图像及对应像素距离度量的位移测量装置，它由成像设备、数字图像信号处理设备和位移数据输出接口设备组成；其中成像设备包括光源及相关光路组件和摄像装置组成，摄像装置输出端与数字图像信号处理设备输入端连接，数字图像信号处理设备输出端则与位移数据输出接口设备连接。

所述光源为激光光源。

所述摄像装置为CCD/CMOS图像传感器。

所述数字图像信号处理设备为DSP芯片。

所述位移数据输出接口设备为复杂可编程逻辑器件CPLD、RS232或者RS485接口中的至少一种。

一种基于激光图像及对应像素距离度量的位移测量装置的测量方法，它的步骤为

1)图像采集

各设备初始化后，当被测物体移动时，利用CCD/CMOS图像传感器得到多帧连续图案序列；

2)图像分析

数字图像信号处理设备对所得图像进行数字图像处理；

3)位移测定

数字图像信号处理设备对数字图像进行比对计算，确定被测物理的位移量，并输出结果。

所述步骤1)中，图像采集时，利用激光光源照射被测物体；将所照射到的被测物体表面成像到CCD/CMOS图像传感器上，当被测物体移动时，CCD/CMOS图像传感器得到多帧连续图案序列。

所述步骤2)中，数字图像处理过程为

CCD/CMOS图像传感器将连续的图像在其坐标空间和性质空间都离散化为数字图像，它是照射物体表面形貌的可视数字化表达；每幅图像可以用一个二维数组f(x，y)来表示，x和y为二维二维空间XY中的一个离散坐标点的位置，而f(x，y)则代表图像在点(x，y)的颜色、亮度等属性；一个二维数字图像是由像素组成的二维矩阵，用M行N列像素矩阵F可表示为：

它表示一幅图像在XY中属性的分布模式，对于单色图像而言，每个像素的亮度用一个数值来表示，通常数值范围在0-255之间，0表示黑、255表示白，其他值表示灰度。

所述步骤3)中，位移量测定过程为，

图像传感器上的每帧图像都离散化为像素点阵列组成的数字图像，通过数字信号处理器DSP对获取的图片进行滤波、增强、恢复等图像预处理后，对前后两幅图片进行图像匹配相关分析，可计算出相邻两幅图像相对移动的像素点个数；

根据已知的象素点间距即可得到相邻图像的运动距离，在确定的光路系统中景物到图像的放大倍数是一定的，图像的位移量与物体的移动量具有一一对应的关系，从而通过精确的图像分析即可以判断计算物体移动的方向以及位移，利用前一幅图像和后一幅图像进行象素特征点对比，从而计算出物体移动的方向和距离。

所述步骤9)中，图像的位移量计算过程为，数字图像信号处理设备分析像素矩阵[Fi]；

当像素矩阵值[Fi]＝[Fi-1]时，返回步骤1)；当像素矩阵值[Fi]≠[Fi-1]时，

数字图像信号处理设备根据[Fi]-[Fi-1]偏差量，计算位移量；

然后将[Fi-1]保存到[Fi]；

输出位移量。

本发明测距仪由三个主要部分组成：成像设备、数字图像信号处理设备和位移数据输出接口设备。

成像设备是测距仪的核心部分，也是决定测试仪性能和精度的主要系统，同时也是测距仪上唯一一个光学系统。整个成像设备包括光源、光路组件和CCD/CMOS图像传感器。在成像设备中的光源采用激光，利用激光作为光源的好处是可以通过更多的表面，因为激光是相干光，几乎是单一的波长，所获得的影像是激光照射在物体表面所产生的干涉条纹而形成的光斑点反射到传感器上获得的，而普通光源是通过照射粗糙的表面所产生的阴影来获得。因此激光能对表面的图像产生更大的反差，从而使得CCD/CMOS图像传感器得到的图像更容易辨别，提高测距仪定位精准性。

数字图像信号处理设备主要完成像元灰度数据的读取、滤波降噪预处理、图像匹配相关分析、图像位移量及方向的计算判断。

位移数据输出接口设备的作用就是将DSP系统生成的位移信号通过不同的传输方式传送出去。测量位移量可以脉冲输出，也可以通过RS232、RS485、SPI等数据总线接口方式传输出去。如第一部分应用背景所述，实现数控机床的闭环控制，将接口系统设计成位移信号反馈接口，输入到数控系统控制单元的信号反馈接口上，实现数控系统的闭环控制。

本发明工作流程为，光源所发光通过光学器件组成的光路照射到被测物，从而生成对比度强烈的待采样影像，影像通过光路组件在CCD/CMOS图像传感器上成像，并且将影像转换为矩阵电信号，该信号传输给信号处理设备(DSP)，利用图像增强、图像特征匹配技术，将此影像与存储在上一周期的影像进行对比分析，将移动数据计算出来发送出去，否则不进行任何处理，继续下一个采样周期。

该测距方法对被测物体材质和纹理结构没有苛刻的要求，只要前后两幅图形有部分重叠即可实现测量，这样大大扩大了测距范围。例如，试验中在镀铬的光亮圆柱导轨上仍可准确测量激光测头的相对位移量。

本发明测距仪可实现测量数控机床工作台的在线测量和信号反馈。数控机床是现在机械加工业最主要的设备。数控机床的控制系统分为开环、半闭环和闭环控制系统。加工精度最高、成本也最高的是闭环控制系统，其位置的测量主要是通过光栅尺完成的，光栅尺价格昂贵，安装要求高，是造成闭环系统的数控机床成本高的原因之一。通过该测距仪能够实现数控机床位移信号的检测，并且安装简便，成本低，从该测距仪上扩展出反馈信号功能，从而能够和数控系统相结合，实现成本低廉的闭环控制系统的数控机床。

本发明测距仪使用方法及其灵活，该测距仪采用非接触式测量，只要将测距仪放置被测物表面并离开一段距离(光学成像系统的物距平面上)，即可连续测量物体移动位移。位置信号输出可通过接口系统扩展。

利用该测距仪进行距离测量，可分为两类：被测物体运动测距仪固定和被测物固定测距仪移动。测量值设为相对增量型，测量位移量可以脉冲输出，也可以通过RS232或者RS485接口与计算机通讯，其他接口形式可通过CPLD自行扩展，以满足不同接口形式的需要，具有很大的灵活性，便于计算机监控。输出结果还可以由数码管显示或者液晶显示。

本发明的有益效果是：

●图形成像，精度高，随着核心部件的技术进步，该测距仪精度也会提升；

●测量长度范围无限制；

●非接触式测量；

●应用范围广，对被测量材质纹理结构无苛刻要求；

●安装简单；

●成本低、市场前景广阔。

附图说明

图1为本发明的测量原理图；

图2为测距计算时前一幅图像[F_i-1]；

图3为测距计算时后一幅图像[F_i]；

图4为测距计算时对比算出[F_i]、[F_i-1]偏移量图；

图5为本发明结构框图；

图6为本发明工作流程图；

图7为位移数据输出接口设备电气原理图。

其中，1.光源，2.摄像装置，3.数字图像信号处理设备，4.位移数据输出接口设备，5.被测物体。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

本发明位移测量原理

如图1所示原理图，光源1通过设计的光路，照射到移动的被测物体5，将所照射到的被测物体5表面成像到摄像装置2CCD/CMOS图像传感器上，当物体移动时，CCD/CMOS图像传感器得到多帧连续图案序列，图像传感器上的每帧图像都离散化为像素点阵列组成的数字图像，通过数字图像信号处理设备3(DSP)对获取的图片进行滤波、增强、恢复等图像预处理后，对前后两幅图片进行图像匹配相关分析，可计算出相邻两幅图像相对移动的像素点个数，再根据已知的象素点间距即可得到相邻图像的运动距离，在确定的光路系统中景物到图像的放大倍数是一定的，图像的位移量与物体的移动量具有一一对应的关系，从而通过精确的图像分析即可以判断计算物体移动的方向以及位移，如图2、图3、图4所示，利用前一幅图像和后一幅图像进行象素特征点对比，从而计算出物体移动的方向和距离。然后通过位移数据输出接口设备4输出位移量，位移数据输出接口设备4可以为复杂可编程逻辑器件CPLD、RS232或者RS485接口中的至少一种，如图7所示。本发明的结构如图5所示。

本发明的测量方法如图6所示：

1)图像采集

各设备初始化后，当被测物体移动时，利用CCD/CMOS图像传感器得到多帧连续图案序列；

2)图像分析

数字图像信号处理设备对所得图像进行数字图像处理；

3)位移测定

数字图像信号处理设备对数字图像进行比对计算，确定被测物理的位移量，并输出结果。

所述步骤1)中，图像采集时，利用激光光源照射被测物体；将所照射到的被测物体表面成像到CCD/CMOS图像传感器上，当被测物体移动时，CCD/CMOS图像传感器得到多帧连续图案序列。

所述步骤2)中，数字图像处理过程为

CCD/CMOS图像传感器将连续的图像在其坐标空间和性质空间都离散化为数字图像，它是照射物体表面形貌的可视数字化表达；每幅图像可以用一个二维数组f(x，y)来表示，x和y为二维二维空间XY中的一个离散坐标点的位置，而f(x，y)则代表图像在点(x，y)的颜色、亮度等属性；一个二维数字图像是由像素组成的二维矩阵，用M行N列像素矩阵F可表示为：

它表示一幅图像在XY中属性的分布模式，对于单色图像而言，每个像素的亮度用一个数值来表示，通常数值范围在0-255之间，0表示黑、255表示白，其他值表示灰度。

所述步骤3)中，位移量测定过程为，

图像传感器上的每帧图像都离散化为像素点阵列组成的数字图像，通过数字信号处理器DSP对获取的图片进行滤波、增强、恢复等图像预处理后，对前后两幅图片进行图像匹配相关分析，可计算出相邻两幅图像相对移动的像素点个数；

根据已知的象素点间距即可得到相邻图像的运动距离，在确定的光路系统中景物到图像的放大倍数是一定的，图像的位移量与物体的移动量具有一一对应的关系，从而通过精确的图像分析即可以判断计算物体移动的方向以及位移，利用前一幅图像和后一幅图像进行象素特征点对比，从而计算出物体移动的方向和距离。

所述步骤9)中，图像的位移量计算过程为，数字图像信号处理设备分析像素矩阵[Fi]；

当像素矩阵值[Fi]＝[Fi-1]时，返回步骤1)；当像素矩阵值[Fi]≠[Fi-1]时，

数字图像信号处理设备根据[Fi]-[Fi-1]偏差量，计算位移量；

然后将[Fi-1]保存到[Fi]；

输出位移量。

Claims (10)

1、一种基于激光图像及对应像素距离度量的位移测量装置，其特征是：它由成像设备、数字图像信号处理设备和位移数据输出接口设备组成；其中成像设备包括光源及相关光路组件和摄像装置组成，摄像装置输出端与数字图像信号处理设备输入端连接，数字图像信号处理设备输出端则与位移数据输出接口设备连接。

2、根据权利要求1所述的基于激光图像及对应像素距离度量的位移测量装置，其特征是：所述光源为激光光源。

3、根据权利要求1所述的基于激光图像及对应像素距离度量的位移测量装置，其特征是：所述摄像装置为CCD/CMOS图像传感器。

4、根据权利要求1所述的基于激光图像及对应像素距离度量的位移测量装置，其特征是：所述数字图像信号处理设备为DSP芯片。

5、根据权利要求1所述的基于激光图像及对应像素距离度量的位移测量装置，其特征是：所述位移数据输出接口设备为复杂可编程逻辑器件CPLD、RS232或者RS485接口中的至少一种。

6、一种权利要求1所述基于激光图像及对应像素距离度量的位移测量装置的测量方法，其特征是：它的步骤为

1)图像采集

各设备初始化后，当被测物体移动时，利用CCD/CMOS图像传感器得到多帧连续图案序列；

2)图像分析

数字图像信号处理设备对所得图像进行数字图像处理；

3)位移测定

数字图像信号处理设备对数字图像进行比对计算，确定被测物理的位移量，并输出结果。

7、根据权利要求6所述的基于激光图像及对应像素距离度量的位移测量方法，其特征是：所述步骤1)中，图像采集时，利用激光光源照射被测物体；将所照射到的被测物体表面成像到CCD/CMOS图像传感器上，当被测物体移动时，CCD/CMOS图像传感器得到多帧连续图案序列。

8、根据权利要求6所述的基于激光图像及对应像素距离度量的位移测量方法，其特征是：所述步骤2)中，数字图像处理过程为

CCD/CMOS图像传感器将连续的图像在其坐标空间和性质空间都离散化为数字图像，它是照射物体表面形貌的可视数字化表达；每幅图像可以用一个二维数组f(x，y)来表示，x和y为二维二维空间XY中的一个离散坐标点的位置，而f(x，y)则代表图像在点(x，y)的颜色、亮度等属性；一个二维数字图像是由像素组成的二维矩阵，用M行N列像素矩阵F可表示为：

它表示一幅图像在XY中属性的分布模式，对于单色图像而言，每个像素的亮度用一个数值来表示，通常数值范围在0-255之间，0表示黑、255表示白，其他值表示灰度。

9、根据权利要求6所述的基于激光图像及对应像素距离度量的位移测量方法，其特征是：所述步骤3)中，位移量测定过程为，

图像传感器上的每帧图像都离散化为像素点阵列组成的数字图像，通过数字信号处理器DSP对获取的图片进行滤波、增强、恢复等图像预处理后，对前后两幅图片进行图像匹配相关分析，可计算出相邻两幅图像相对移动的像素点个数；

根据已知的象素点间距即可得到相邻图像的运动距离，在确定的光路系统中景物到图像的放大倍数是一定的，图像的位移量与物体的移动量具有一一对应的关系，从而通过精确的图像分析即可以判断计算物体移动的方向以及位移，利用前一幅图像和后一幅图像进行象素特征点对比，从而计算出物体移动的方向和距离。

10、根据权利要求6所述的基于激光图像及对应像素距离度量的位移测量方法，其特征是：所述步骤9)中，图像的位移量计算过程为，数字图像信号处理设备分析像素矩阵[Fi]；

当像素矩阵值[Fi]＝[Fi-1]时，返回步骤1)；当像素矩阵值[Fi]≠[Fi-1]时，

数字图像信号处理设备根据[Fi]-[Fi-1]偏差量，计算位移量；

然后将[Fi-1]保存到[Fi]；

输出位移量。

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