CN103033148A - 一种基于嵌入式图像信息处理技术的测角装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于嵌入式图像信息处理技术的测角装置和方法，装置的光源发出的光通过平行光管上方的小孔射入平行光管经过分光棱镜，再通过物镜射到需要测量的反射面，反射面反射后的光线经过分光棱镜射到CMOS成像模组，CMOS成像模组将收到的反射光点图像通过外围接口电路传输到的嵌入式中央处理器和光电触摸显示器。方法包括嵌入式中央处理器对采集到的两个检测面的反射光点图像进行预处理，利用光点的强度和形状特征，搜索图像中的光点，并对检测出的目标区域进行锁定，再对光点进行精确定位，根据两帧反射光点图像计算出光点的相对位置关系，得到两个检测面的偏移角度。本发明能够方便、准确、快速地检测面与面之间的相对角度测量。

Description

一种基于嵌入式图像信息处理技术的测角装置和方法

技术领域

本发明涉及精密仪器技术领域，特别是涉及一种基于嵌入式图像信息处理技术的测角装置和方法。

背景技术

自准是一种高精度的角度测量方法，它将光学自准直成像技术和图像处理技术相结合，实现一定范围内平面角度的微量变化的精密测量。在实现小角度的多维、非接触测量中具有独特的优点，被广泛应用于导轨平台的直线度、精密平台的平面度等测量领域，是机械、计量、科学研究等部门必备的常规测量仪器，在精密、超精密测量方面有极为重大的作用。

精密光机工程的发展对测角精度、便捷性和移动性要求越来越高，因此对光电自准直仪准的要求也越来越高。而与此同时，国内、外的相关产品在移动性或精确程度上都有或多或少的不足之处，特别是应用于航空航天、船舶、军工等要求精密度极高、应用环境特殊的行业，例如超精密机械加工工业的质量保证（平直度、平面度、垂直度、平行度等）、计量检定行业中，角度测试标准、棱镜角度定位及监控、光学元件的测试及安装精度控制等等。光学自准直方式直接或利用测微装置或可动分划板从分划板或读数鼓轮上读出角度的分值和秒值。采用这种方式，仪器精度显然难于满足很多应用场合的要求。而光电自准直方式则以光电瞄准对线代替人工瞄准对线，其精度较传统自准直仪有所提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于嵌入式图像信息处理技术的测角装置和方法，实现方便、准确、快速地检测导轨平台的直线度、精密平台的平面度等面与面之间的相对角度测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于嵌入式图像信息处理技术的测角装置，包括光源、平行光管、物镜和分光棱镜，所述光源发出的光通过平行光管上方的小孔射入平行光管经过分光棱镜，再通过物镜射到需要测量的反射面，所述反射面反射后的光线经过分光棱镜射到CMOS成像模组，所述CMOS成像模组将收到的反射光点图像通过外围接口电路传输到的嵌入式中央处理器和光电触摸显示器，所述嵌入式中央处理器对采集到的两个检测面的反射光点图像进行预处理，利用光点的强度和形状特征，搜索图像中的光点，并对检测出的目标区域进行锁定，再对光点进行精确定位，根据两帧反射光点图像计算出光点的相对位置关系，得到两个检测面的偏移角度。

所述嵌入式中央处理器为由cortex-A8架构的嵌入式ARM中央处理器；嵌入式ARM中央处理器采用Android操作系统，应用开发是基于Android操作系统提供的JAVA虚拟机环境，并统一使用应用程序接口实现图像的采集控制、滤波、光点定位、角度计算及显示控制。

所述平行光管放置在多向可调节底座上。

所述嵌入式中央处理器、外围接口电路以及光电触摸显示器安装于一体并成盒体结构。

所述光源为LED白光光源。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于嵌入式图像信息处理技术的测角方法，包括以下步骤：

（1）采集经过标定的反射面所反射的光点图像，以获取高精度测角系统的基准值，并采集一背景图像进行保存；

（2）采集第一检测面的反射光点图像；

（3）对采集到的反射光点图像进行预处理；

（4）利用光点的强度和形状特征，搜索反射光点图像中的光点，并对检测出的目标区域进行锁定；

（5）在确定了光点的目标区域后，实现对光点进行精确定位；

（6）采集另一检测面反射光点图像，并重复步骤（3）-（5），计算光点位置；

（7）根据两帧反射光点图像的计算出光点的相对位置关系，得到两个检测面的偏移角度。

所述步骤（3）中先采用差影方法，将反射光点图像中的背景减去，再采用中值滤波和带阻滤波算法对图像进行去噪处理。

所述步骤（5）中分两步实现对光点进行精确定位，首先采用区域投影算法对光点进行像素级定位，再利用快速的二维高斯拟算法实现对光点进行亚像素级精确定位。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明能将角度测量转换为光点位置的定位，并具有实时性强、测量过程直观，测量精度高及操作、使用方便等特点。采用高精度的CMOS成像模组，能实现高精度的自准直仪，并在其基础上引入嵌入式Android操作系统，可在兼顾精度的基础上大大减少设备体积，脱离计算机的限制、方便地应用各种场合和检测环境。本发明将嵌入式系统引入精密的光学测量方式，提升精密测量角度的科技含量，在最大限度的利用仪器测量精度的同时，减小体积，增加便携程度，使仪器更广泛地适用于各种光学精密测量领域。该发明在生产、科研、教学，医疗等领域也有重要的实际应用价值。

附图说明

图1是基于嵌入式图像信息处理技术的测角准装置示意图；

图2是核心电路板与外设电路板结构示意图；

图3是Android系统开发层次结构图；

图4是光点定位算法流程图；

图5是亚像素位置提取窗的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的涉及一种基于嵌入式图像信息处理技术的平行光管测角装置，基于机器视觉系统和图像处理技术，采用多向可调节的底座承载着平行光管，使一些并非完全水平的平台，通过调节底座，实现水平基准对准，拓展仪器的使用环境。测量部件包括平行光管、多向可调节底座、光学镜头、CMOS成像模组及可控LED光源等构成。选择平行光管作为测量的光学设备，CMOS图像传感器，实现将两反射面之间的角度精确检测体现在光点的位置上检测，采用嵌入式系统设计方法，以cotex-a8架构的ARM处理器作为核心器件，采用Android操作系统，通过对Android系统进行配置和CMOS传感器的驱动开发，实现各个硬件模块的Android上编写应用程序。

如图1所示，一种基于嵌入式图像信息处理技术的测角装置，包括光源1、平行光管、物镜和分光棱镜5，所述光源1发出的光通过平行光管上方的小孔2射入平行光管经过分光棱镜5，再通过物镜3射到需要测量的反射面6，所述反射面6反射后的光线经过分光棱镜射5到CMOS成像模组4，所述CMOS成像模组4将收到的反射光点图像通过外围接口电路9传输到的嵌入式中央处理器10和光电触摸显示器11，所述嵌入式中央处理器10对采集到的两个检测面的反射光点图像进行预处理，利用光点的强度和形状特征，搜索图像中的光点，并对检测出的目标区域进行锁定，再对光点进行精确定位，根据两帧反射光点图像计算出光点的相对位置关系，得到两个检测面的偏移角度。所述平行光管放置在多向可调节底座8上，可以使一些并非完全水平的平台，通过多向可调节底座8实现水平基准对准，拓展仪器的使用环境。

所述嵌入式中央处理器为由cortex-A8架构的嵌入式ARM中央处理器；嵌入式ARM中央处理器采用Android操作系统，应用开发是基于Android操作系统提供的JAVA虚拟机环境，并统一使用应用程序接口实现图像的采集控制、滤波、光点定位、角度计算及显示控制。其中，核心电路板嵌入式ARM中央处理器与外设电路板的结构如图2所示。

所述嵌入式中央处理器、外围接口电路以及光电触摸显示器安装于一体并成盒体结构，可通过触摸屏直接输入控制信息、显示测量结果，实现便携式的控制显示终端。采用光强可调控的LED白光光源，可应对不同的应用环境，检测前，可根据光点在显示器的成像质量对其光强进行调整，以达到最佳的成像质量要求。

本发明的装置包括：光学硬件装置和嵌入式的光电信息处理平台构成。其中，光学硬件由平行光管、多向可调节的底座、可控LED光源及CMOS成像模组等构成。嵌入式的光电信息处理平台包括中央处理器及外围电路、光电触摸显示器。

当一个光源从小孔中射入经过分光棱镜，再通过一个物镜射出镜筒，射到需要测量的反射面上，反射到CMOS成像模组的图像传感器上成为一个小光点。如果镜面为严格垂直法线，则光点位于小孔中心，通常的情况是偏移一个小角度则反射到传感器上的光点则位于偏边缘一点的位置上。通过采集到的图像的光点位置到中心的距离或光点间的距离可以测量到竖直偏移角或两次的夹角。

其角度的计算公式由下式表示：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_x=\frac{d_x}{2f}\\ a_y=\frac{d_y}{2f}\end{array}\right.$

其中，d是图像传感器获得的光点实际偏移距离，f为CMOS成像模组到物镜的距离。仪器设计的优点是射出和反射回的都是平行光，不受待测量反射面距离影响。

在信息处理平台硬件设计上，分为核心板和外设板两块。由一块ARM处理器S5PV210作为核心，配备2块512Mb的DDR2 SDRAM和一个256Mb的NAND Flash，集成了网络和电源管理模块，使核心板具有强大的移植性。外设板配置了CMOS成像模组和触屏显示屏，以及VGA接口以及SD卡管理等模块。其电路板的布局如图2所示。

嵌入式ARM中央处理器采用Android操作系统，应用开发是基于Android操作系统提供的JAVA虚拟机环境，并统一使用谷歌提供的应用程序接口实现图像的采集控制、滤波、光点定位、角度计算及显示控制。Android是运行于Linux之上，内核基本是Linux，但又与一般的Linux操作系统不同，最大的特点是Android修改了Linux kernel，将硬件驱动程序移到userspace，使得硬件驱动与Linux kernel一定程度上分开了。Android系统开发层次结构图如图3所示，本发明需要涉及Android开发中的两个主要层面，驱动移植及应用程序。驱动移植需要在Linux Kernel中进行相关设备的驱动程序开发。操作系统层使用C语言编写，运行于内核空间。底层库和JAVA虚拟机使用C语言编写，运行于用户空间。JAVA框架和JAVA应用程序使用C语言编写，运行于用户空间。实际上，对于Android应用程序的开发者和使用者来说，第三层及第三层以下的内容是不可见的，仅需要考虑系统API即可。

另外，本发明需要开发调试CMOS成像模组驱动，应用程序的开发则在APPLICATION中进行。移植该款OV3640的CMOS若干寄存器和系统摄像头驱动在应用代码层面进行开发和调试。

Android操作系统是以触摸屏作为主要输入和显示设备。在Android下进行触屏驱动的开发实际上是针对Linux内核驱动的调整，显示部分驱动可以从通用驱动中直接移植，触控驱动调试为主要工作内容。触控的各个状态转换主要分为等待按下模式、INT_TC中断（按下）、INT_ADC中断、等待松开模式、INT_TC中断(松开)五个阶段。

本发明还涉及一种基于嵌入式图像信息处理技术的测角方法，包括以下步骤：采集经过标定的反射面所反射的光点图像，以获取高精度测角系统的基准值，并采集一背景图像进行保存；采集第一检测面的反射光点图像；对采集到的反射光点图像进行预处理；利用光点的强度和形状特征，搜索反射光点图像中的光点，并对检测出的目标区域进行锁定；在确定了光点的目标区域后，实现对光点进行精确定位；采集另一检测面反射光点图像，并重复本步骤之前的三个步骤，计算光点位置；根据两帧反射光点图像的计算出光点的相对位置关系，得到两个检测面的偏移角度。

应用程序首先获取CMOS采集到的图像，然后对图像进行处理后精确定位出光点的质心，在根据质心在图片中的亚像素位置和CMOS的像素间距获取实际的偏移距离，最后即可根据上面的公式算得精确的偏移角度。光点定位是否准确是整个测量系统的关键，定位算法的性能直接影响光点的检测精度和整个系统的性能。定位算法主要分两个步骤进行：即：光点区域识别与与锁定和光点中心精确定位。

光点识别与定位算法算法流程图，如图4所示，先将获取的图像进行灰度化以方便处理，然后使用中值和截止频率为5的高通滤波算法对图像进行滤噪声处理，再根据光点的光强信息和形状信息大致确定光点所在区域。最后通过设定阈值的方法，锁定为光点区域。采用区域投影的方法，在像素级精度确定光点的位置，然后再进行亚像素级精确定位。

本发明提出一种快速的高斯曲面拟合的方法实现光点的精确定位（亚像素定位）以实现光点光斑亚像素坐标的提取。由于对点光源进行拍摄所得光点近似符合二维高斯分布，即：

$f(x_i,y_j)=\frac{K}{{2\mathrm{\π\σ}}^2}\exp (-\frac{{(x_i-x_0)}^2+{(y_j-y_0)}^2}{{2\mathrm{\σ}}^2})---\left(1\right)$

其中，（x0,y0）即为光点的中心坐标，将其分解为整像素和亚像素两部分，上式可变为

$f(x_i,y_j)=\frac{K}{{2\mathrm{\π\σ}}^2}\exp (-\frac{{\left(x_i(x_0+\mathrm{dx})\right)}^2+{(y_i-(y_0+\mathrm{dy}))}^2}{{2\mathrm{\σ}}^2})---\left(2\right)$

其中，（x0,y0）为光斑中心的整像素坐标，（dx,dy）为光斑中心坐标的亚像素部分。利用灰度投影法确定（x0,y0）后，关键在于对（dx,dy）的快速精确求解。

首先，我们将已经确定的整像素中心设为坐标原点，得到大小为（2l+1）pixel*(2l+1)pixel的提取窗口，如图5所示。

坐标转换之后的灰度分布为：

$f(i,j)=\frac{K}{{2\mathrm{\π\σ}}^2}\exp (-\frac{{(i-\mathrm{dx})}^2+{(j-\mathrm{dy})}^2}{{2\mathrm{\σ}}^2}),$ i∈(-l，l),j∈(-l，l)（3）

两边同时取对数可得：

$\ln f(i,j)+\frac{{\mathrm{dx}}^2+{\mathrm{dy}}^2}{{2\mathrm{\σ}}^2}-\ln \frac{K}{{2\mathrm{\π\σ}}^2}=-(i^2+j^2)\frac{1}{{2\mathrm{\σ}}^2}+i\frac{\mathrm{dx}}{{\mathrm{\σ}}^2}+j\frac{\mathrm{dy}}{{\mathrm{\σ}}^2}---\left(4\right)$

令：

$a=-\frac{1}{{2\mathrm{\σ}}^2}.$ $b=\frac{\mathrm{dx}}{{\mathrm{\σ}}^2},$ $c=\frac{\mathrm{dy}}{{\mathrm{\σ}}^2},$ $d=\frac{{\mathrm{dx}}^2+{\mathrm{dy}}^y}{{2\mathrm{\σ}}^2}-\ln \frac{K}{{2\mathrm{\π\σ}}^2}$

则上式可表示为：

lnf(i，j)+d=(i²+j²)a+ib+jc         （5）

将提取框内的各像素即i，j=-l,-l+1,…,l-1,l对应的各式进行累加，可消去含b,c的项，得到：

$\underset{i=l}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=l}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\ln f(i,j)+{(2l+1)}^{2}d=\underset{i=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}(i^2+j^2)a---\left(6\right)$

同时由（5）式得：

[lnf(0,0)+d]×(2l+1)²=0            （7）

将（7）式带入（6）式，消去d的项可得：

$\underset{i=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\ln f(i,j)-{(2l+1)}^2\ln f\left(\mathrm{0,0}\right)=\underset{i=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}(i^2+j^2)a---\left(8\right)$

从而解得：

$a=[\ln \underset{i=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Π}}}\underset{j=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Π}}}f(i,j)-\ln f{\left(\mathrm{0,0}\right)}^{{(2l+1)}^2}]/\underset{i=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}(i^2+j^2)---\left(9\right)$

将

代入（9）式可得：

${\mathrm{\σ}}^2=\underset{i=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}(i^2+j^2)/2\ln \frac{f{\left(\mathrm{0,0}\right)}^{{(2l+1)}^2}}{\underset{i=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Π}}}\underset{j=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Π}}}f(i,j)}---\left(10\right)$

将（i，j）、（-i，j）分别代入（5）式可得

lnf(i，j)+d=(i²+j²)a+ib+jc        （11）

lnf(-i，j)+d=(i²+j²)a-ib+jc       （12）

用（11）式减去（12）式即有：

lnf(i，j)-lnf(-i，j)=2ib          （13）

对提取窗口范围内所有关于Y轴对称的所有像素，即i取1,2，…，l，j取-l,-l+1,…，l的像素代入（13）式，并将结果进行累加可得：

$\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\ln f(i,j)-\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\ln f(-i,j)=l(l+1)(2l+1)b---\left(14\right)$

根据对数运算法则，并将代入（14）式可解得：

$\mathrm{dx}=\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{l(l+1)(2l+1)}\ln \frac{\underset{i=-2}{\overset{l}{\mathrm{\Π}}}\underset{j=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Π}}}f(i,j)}{\underset{i=-1}{\overset{l}{\mathrm{\Π}}}\underset{j=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Π}}}f(-i,j)}---\left(15\right)$

同理可得：

$\mathrm{dy}=\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{l(l+1)(2l+1)}\ln \frac{\underset{i=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Π}}}\underset{j=1}{\overset{l}{\mathrm{\Π}}}f(i,j)}{\underset{i=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Π}}}\underset{j=1}{\overset{l}{\mathrm{\Π}}}f(i,-j)}---\left(16\right)$

将式（15）和式（16）与光斑中心像素坐标（x0,y0）相加，（x0+dx,y0+dy）即为光斑中心坐标。

本发明在实施过程中可以采用下列器材：

（1）Cortex-A8处理器及外围处理电路。采用Rreal210型号的开发板，其主要参数为：内核为处理器Cortex-A8的三星蜂鸟处理器S5PV210，主频为1GHz，支持NEON指令，支持3D图形加速（Power VR SGX540）和OpenGL-1.1&2.0、OpenVG1.0，支持JPEG硬件编解码，最大支持8192×8192分辨率，内存为4G bits DDR2。支持RGB 24Bit接口及TVOUT视频输出。

（2）CMOS成像模组：采用的CMOS型号为OV3460，2048*1536像素，成像区域大小为3626μmx2709μm，像素大小为1.75μmx1.75μm，最高速度可达30帧每秒。

（3）光源型号：采用LED点白光源YBD-25-1，电气参数24v/2.5w，光强可控，外形尺寸6mm×4mm×4mm，环境温度为25°C时，以50％白色光源亮度连续可靠工作超过30000小时(衰减量为50％时)，并使用频闪控制时可延长光源的使用寿命。

（4）电容式液晶显示触摸显示屏。显示屏采用型号为EK070TN937的TFT LCD，尺寸大小为7寸，分辨率为800*480，接口信号为Parallel RGB，显示对比度为500:1（Typ）。

在将系统应用于测角检测时，首先需要对系统进行初始化，包括对系统进行标定，测量网络参数生成和设定。然后将装置安放在被检测的对象的检测位置，并使其进入检测状态。通过触摸显示屏发出命令，由Cortex-A8处理器产生控制信号，在LED白光照明条件下，通过CMOS成像系统采集反射光点的图像，并通过外围视频接口电路，将采集的图像分别送入存储器存储。对存储光点的图像，先进行滤波处理，消除成像过程中引入的噪声，再对图像信息进行分析，通过亚像素光点定位检测算法，获取光点精确位置。利用预先建立的计算模型，计算出偏角，并由液晶显示器显示出检测结果。

Claims (8)

1.一种基于嵌入式图像信息处理技术的测角装置，包括光源（1）、平行光管、物镜（3）和分光棱镜（5），所述光源（1）发出的光通过平行光管上方的小孔（2）射入平行光管经过分光棱镜（5），再通过物镜（3）射到需要测量的反射面（6），其特征在于，所述反射面（6）反射后的光线经过分光棱镜（5）射到CMOS成像模组（4），所述CMOS成像模组（4）将收到的反射光点图像通过外围接口电路（9）传输到的嵌入式中央处理器（10）和光电触摸显示器（11），所述嵌入式中央处理器（10）对采集到的两个检测面的反射光点图像进行预处理，利用光点的强度和形状特征，搜索图像中的光点，并对检测出的目标区域进行锁定，再对光点进行精确定位，根据两帧反射光点图像计算出光点的相对位置关系，得到两个检测面的偏移角度。

2.根据权利要求1所述的基于嵌入式图像信息处理技术的测角装置，其特征在于，所述嵌入式中央处理器（10）为由cortex-A8架构的嵌入式ARM中央处理器；嵌入式ARM中央处理器采用Android操作系统，应用开发是基于Android操作系统提供的JAVA虚拟机环境，并统一使用应用程序接口实现图像的采集控制、滤波、光点定位、角度计算及显示控制。

3.根据权利要求1所述的基于嵌入式图像信息处理技术的测角装置，其特征在于，所述平行光管放置在多向可调节底座（8）上。

4.根据权利要求1所述的基于嵌入式图像信息处理技术的测角装置，其特征在于，所述嵌入式中央处理器（10）、外围接口电路（9）以及光电触摸显示器（11）安装于一体并成盒体结构。

5.根据权利要求1所述的基于嵌入式图像信息处理技术的测角装置，其特征在于，所述光源（1）为LED白光光源。

6.一种基于嵌入式图像信息处理技术的测角方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）采集经过标定的反射面所反射的光点图像，以获取高精度测角系统的基准值，并采集一背景图像进行保存；

（2）采集第一检测面的反射光点图像；

（3）对采集到的反射光点图像进行预处理；

（4）利用光点的强度和形状特征，搜索反射光点图像中的光点，并对检测出的目标区域进行锁定；

（5）在确定了光点的目标区域后，实现对光点进行精确定位；

（6）采集另一检测面反射光点图像，并重复步骤（3）-（5），计算光点位置；

（7）根据两帧反射光点图像的计算出光点的相对位置关系，得到两个检测面的偏移角度。

7.根据权利要求6所述的基于嵌入式图像信息处理技术的测角，其特征在于，所述步骤（3）中先采用差影方法，将反射光点图像中的背景减去，再采用中值滤波和带阻滤波算法对图像进行去噪处理。

8.根据权利要求6所述的基于嵌入式图像信息处理技术的测角，其特征在于，所述步骤（5）中分两步实现对光点进行精确定位，首先采用区域投影算法对光点进行像素级定位，再利用快速的二维高斯拟算法实现对光点进行亚像素级精确定位。

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