CN107588741B - 一种基于莫尔条纹的相机深度变化的测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于莫尔条纹的相机深度变化的测量方法，其包括以下步骤：采集基准光栅图像；改变相机的深度，并采集此时的光栅图像；将所述两光栅图像进行拍频处理，得到合成的莫尔条纹，并采用低通滤波处理，以提取所述莫尔条纹图像的频率；根据所述莫尔条纹图像的频率信息，进而得到相机的深度变化大小。一种基于莫尔条纹的相机深度变化的测量系统，包括：图像采集模块；图像处理模块；深度计算模块。本发明在保证一定精度的前提下实现简单，不确定度低，可实时测量；同时本方案对光源的要求及测量环境要求相对较低，实验环境易于实现，具有很强的适应性，在算法方面，提高了测量效率；可广泛应用于图像处理领域。
Description
技术领域
本发明涉及数字图像处理领域，具体为基于莫尔条纹的相机深度变化的测量方法及系统。
背景技术
相机的空间位姿分别为X方向、Y方向、Z方向、俯仰、偏航、翻滚6个自由度，而相机深度变化在空间位姿的表示方法中通常指相机在Z方向的位置变化。在视觉测量中，针对不同位姿下，选择不同的测量策略，可以提高测量系统的适应性。在目前的深度测量方法中，普遍使用双目视差的原理进行深度测量，但是该方法需要复杂的标定过程，测量精度也随着深度的不同而变化，同时测量范围也有诸多的限制。在单目的测量方法中采用更多的是利用特定图像尺寸的变化来计算相机深度的变化，这种方法精度低，而且同样需要复杂的标定过程，同时对环境要求高，无法满足在不同环境下的精确测量。
综上，该技术有必要进行改进。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种简便、快速、稳定的测量相机深度的方法及系统。
本发明所采用的技术方案是：
本发明提供一种基于莫尔条纹的相机深度变化的测量方法，其包括以下步骤：
采集基准光栅图像；
改变相机的深度，并采集此时的光栅图像；
将两光栅图像进行拍频处理，得到合成的莫尔条纹，并采用低通滤波处理，以提取所述莫尔条纹图像的频率；
根据所述莫尔条纹图像的频率信息，进而得到相机的深度变化大小。
作为该技术方案的改进，所述方法还包括对所述莫尔条纹图像进行傅里叶变换，进而得到所述莫尔条纹图像的频率。
作为该技术方案的改进，所述步骤包括：通过相机采集空间周期为d的光栅图像，得到的基准光栅图像可表达式为：
其中，A为光栅图像的振幅，d1为成像后的光栅周期，
为初始相位。
作为该技术方案的改进，由针孔相机成像规律可得光栅在焦点处垂轴放大率为：
其中，F为所述相机的焦距，L为基准面与相机之间的距离，β
为镜头的垂轴放大倍率。
作为该技术方案的改进，所述基准光栅成像后的光栅周期为：
作为该技术方案的改进，当改变相机的深度后，此时采集的图像的光栅周期为：
进一步地，所述两光栅合成条纹的表达式为：
进一步地，所述方法还包括对所述两光栅图像进行拍频处理后，
采用低通滤波处理，得到所述莫尔条纹低频分量的频率：
进一步地，所述相机的深度变化为：ΔL＝f0Fd。
另一方面，本发明还提供一种基于莫尔条纹的相机深度变化的测量系统，包括：
图像采集模块，用于执行步骤采集基准光栅图像；改变相机的深度，并采集此时的光栅图像；
图像处理模块，用于执行步骤将两光栅图像进行拍频处理，得到合成的莫尔条纹，并采用低通滤波处理，以提取所述莫尔条纹图像的频率；
深度计算模块，用于执行步骤根据所述莫尔条纹图像的频率信息，进而得到相机的深度变化大小。
本发明的有益效果是：本发明提供的基于莫尔条纹的相机深度变化的测量方法及系统，通过利用双光栅间距与双光栅合成莫尔条纹频率成正比的原理，将不同位置上的光栅图像拍频合成莫尔条纹，根据莫尔条纹频率的变化，计算两光栅之间的距离，进而得到相机深度的变化。与现有技术相比，本发明解决了单幅图像测量相机深度变化的问题，提出用莫尔条纹频率变化的方法来计算深度的变化。本发明只需要用一副光栅图像即可完成测量，硬件要求低，便于工业应用。同时本方案对光源的要求及测量环境要求相对较低，实验环境易于实现；在算法方面，提高了测量效率，可以实现实时测量。
同时，为了进一步提高测量精度，本方案在测量频率时采用在数据两段进行补零的操作，提高了计算的分辨率和精度；其降低了机器视觉应用中相机深度变化对测量结果的影响。
本发明在保证一定精度的前提下实现简单，不确定度低，可实时测量；同时，器件和环境要求低，只需要一幅光栅图像即可实现测量，由于在实际的工业环境中光栅靶很可能受到污染或图像传感器、传输信道、解码处理等产生噪声，所以对采集图像加入大量椒盐噪声之后测试算法的抗噪能力，结果表明依然可以保证测量精度，具有很强的适应性，可广泛应用于图像处理领域。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
图1是本发明第一实施例的算法流程图；
图2是本发明第二实施例的光栅图；
图3是本发明利用第二实施例的光栅采集到的基准光栅；
图4是本发明实施例的相机深度移动10厘米的光栅图；
图5是本发明实施例的合成的莫尔条纹示意图；
图6是本发明一实施例的加入椒盐噪声图像示意图；
图7是本发明另一实施例的模块示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参照图1，是本发明第一实施例的算法流程图。本发明提供一种基于莫尔条纹的相机深度变化的测量方法，其包括以下步骤：
采集基准光栅图像；
改变相机的深度，并采集此时的光栅图像；
将所述两光栅图像进行拍频处理，得到合成的莫尔条纹，并提取所述莫尔条纹图像的频率；
根据所述莫尔条纹图像的频率信息，进而得到相机的深度变化大小。
作为该技术方案的改进，所述方法还包括对所述莫尔条纹图像进行傅里叶变换，进而得到所述莫尔条纹图像的频率。
作为该技术方案的改进，所述步骤包括：通过相机采集空间周期为d的光栅图像，得到的基准光栅图像可表达式为：
其中，A为光栅图像的振幅，d1为成像后的光栅周期，
为初始相位。
作为该技术方案的改进，由针孔相机成像规律可得光栅在焦点处垂轴放大率为：
其中，F为所述相机的焦距，L为基准面与相机之间的距离，β为镜头的垂轴放大倍率。
作为该技术方案的改进，所述基准光栅成像后的光栅周期为：
作为该技术方案的改进，当改变相机的深度后，此时采集的图像的光栅周期为：
进一步地，所述两光栅合成条纹的表达式为：
进一步地，所述方法还包括对所述两光栅图像进行拍频处理后，
采用低通滤波处理，得到所述莫尔条纹低频分量的频率：
进一步地，所述相机的深度变化为：ΔL＝f0Fd。
本发明采用的方案是利用双光栅合成的莫尔条纹的频率，计算双光栅之间的间距，进而得到相机深度的变化。作为一实施例，该方法包括以下步骤：
利用被测相机拍摄空间周期为d的光栅图像，经过透镜成像后的光栅表达式为：
其中d1为成像后的光栅周期。
根据针孔相机成像规律计算成像后的光栅周期，在焦点处成像：
其中F为相机焦距，L为基准面与相机之间的距离，β为镜头的垂轴放大倍率。
成像后的光栅周期：
基准面与相机之间深度关系发生变化时，光栅周期为：
其中ΔL为深度变化值。
两光栅合成条纹表达式为：
提取低频分量的频率：
相机的深度变化：ΔL＝f0Fd；ΔL即为所求的深度变化量。
参照图2所示，为空间周期为2厘米的光栅图像。本次实验采用周期为2厘米的光栅；首先得到基准光栅图像，如图3以此作为测量零点：
如图4是相机深度变化10厘米之后拍摄的光栅图像：
将两光栅进行拍频，低通滤波之后计算合成的莫尔条纹如图5所示，合成的莫尔条纹表达式为：
将图像进行2维傅里叶变换，提取一介傅里叶谱，即可得到合成条纹的频率：
提取频率信息即可得到测量值：
ΔL＝f0Fd
ΔL即为所求的深度变化量。
此次测量结果为10.247厘米。通过对图像加入0.2的椒盐噪声之后得到图像如图6所示。计算后发现，0.2的椒盐噪声对本发明提出的方案所得的结果没有任何影响，说明该方法有一定的抗噪能力；如表1所示是加入噪声后的测试数据。
表1
| 图像 | 实际位移(mm) | 测量位移(mm) | 误差(mm) |
| Z0＝230.00mm | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| Z＝231.00mm | 1.00 | 0.854 | 0.146 |
| Z＝232.00mm | 2.00 | 1.708 | 0.292 |
| Z＝233.00mm | 3.00 | 2.561 | 0.439 |
| Z＝234.00mm | 4.00 | 4.270 | -0.270 |
| Z＝235.00mm | 5.00 | 5.124 | -0.124 |
| Z＝236.00mm | 6.00 | 5.977 | 0.023 |
| Z＝237.00mm | 7.00 | 6.832 | 0.168 |
| Z＝238.00mm | 8.00 | 8.539 | -0.539 |
| Z＝239.00mm | 9.00 | 9.394 | -0.394 |
| Z＝240.00mm | 10.00 | 10.248 | -0.248 |
参照图7，另一方面，本发明还提供一种基于莫尔条纹的相机深度变化的测量系统，包括：
图像采集模块，用于执行步骤采集基准光栅图像；改变相机的深度，并采集此时的光栅图像；
图像处理模块，用于执行步骤将所述两光栅图像进行拍频处理，得到合成的莫尔条纹，并提取所述莫尔条纹图像的频率；
深度计算模块，用于执行步骤根据所述莫尔条纹图像的频率信息，进而得到相机的深度变化大小。
如表2所示，是采用本系统进行深度测量的实验结果。采用该系统运行时长0.609s所得的测量数据，从表2可以看出其稳定性较高。
表2
本发明提供的基于莫尔条纹的相机深度变化的测量方法及系统，通过利用双光栅间距与双光栅合成莫尔条纹频率成正比的原理，将不同位置上的光栅图像拍频合成莫尔条纹，根据莫尔条纹频率的变化，计算两光栅之间的距离，进而得到相机深度的变化。与现有技术相比，本发明解决了单幅图像测量相机深度变化的问题，提出用莫尔条纹频率变化的方法来计算深度的变化。本发明只需要用一副光栅图像即可完成测量，硬件要求低，便于工业应用。同时本方案对光源的要求及测量环境要求相对较低，实验环境易于实现；在算法方面，提高了测量效率，可以实现实时测量。
同时，为了进一步提高测量精度，本方案在测量频率时采用在数据两段进行补零的操作，提高了计算的分辨率和精度；其降低了机器视觉应用中相机深度变化对测量结果的影响。
本发明在保证一定精度的前提下实现简单，不确定度低，可实时测量；同时，器件和环境要求低，只需要一幅光栅图像即可实现测量，由于在实际的工业环境中光栅靶很可能受到污染或图像传感器、传输信道、解码处理等产生噪声，所以对采集图像加入大量椒盐噪声之后测试算法的抗噪能力，结果表明依然可以保证测量精度，具有很强的适应性，可广泛应用于图像处理领域。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种基于莫尔条纹的相机深度变化的测量方法，其特征在于，
其包括以下步骤：
采集基准光栅图像；
改变相机的深度，并采集此时的光栅图像；
将两光栅图像进行拍频处理，得到合成的莫尔条纹，并采用低通滤波处理，以提取所述莫尔条纹图像的频率；
根据所述莫尔条纹图像的频率信息，进而得到相机的深度变化大小。
2.根据权利要求1所述的基于莫尔条纹的相机深度变化的测量方法，其特征在于，所述方法还包括对所述莫尔条纹图像进行傅里叶变换，进而得到所述莫尔条纹图像的频率。
3.根据权利要求1或2所述的基于莫尔条纹的相机深度变化的测量方法，其特征在于，所述方法具体还包括：通过相机采集空间周期为d的光栅图像，得到的基准光栅图像可表达式为：
其中，A为光栅图像的振幅，d1为成像后的光栅周期，
为初始相位。
4.根据权利要求3所述的基于莫尔条纹的相机深度变化的测量方法，其特征在于，由针孔相机成像规律可得光栅在焦点处垂轴放大率为：
其中，F为所述相机的焦距，L为基准面与相机之间的距离，β为镜头的垂轴放大倍率。
5.根据权利要求4所述的基于莫尔条纹的相机深度变化的测量方法，其特征在于，所述基准光栅成像后的光栅周期为：
6.根据权利要求5所述的基于莫尔条纹的相机深度变化的测量方法，其特征在于，当改变相机的深度后，此时采集到的光栅图像周期为：
其中ΔL为所述相机的深度变化值。
7.根据权利要求6所述的基于莫尔条纹的相机深度变化的测量方法，其特征在于，所述两光栅合成条纹的表达式为：
8.根据权利要求7所述的基于莫尔条纹的相机深度变化的测量方法，其特征在于，所述方法还包括对所述两光栅图像进行拍频处理后，采用低通滤波处理，得到莫尔条纹低频分量的频率：
9.根据权利要求8所述的基于莫尔条纹的相机深度变化的测量方法，其特征在于，所述相机的深度变化为：ΔL＝f0Fd。
10.一种基于莫尔条纹的相机深度变化的测量系统，其特征在于，包括：
图像采集模块，用于执行步骤采集基准光栅图像；改变相机的深度，并采集此时的光栅图像；
图像处理模块，用于执行步骤将两光栅图像进行拍频处理，得到合成的莫尔条纹，并采用低通滤波处理，以提取所述莫尔条纹图像的频率；
深度计算模块，用于执行步骤根据所述莫尔条纹图像的频率信息，进而得到相机的深度变化大小。
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