CN111121637A - 一种基于像素编码的光栅位移检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于像素编码的光栅位移检测方法，所述检测方法包括以下步骤：S1.光栅尺特征标记；S2.光栅图像采集；S3.光栅图像分割；S4.光栅特征信息提取及判定；S5.光栅标记像素位置编码；S6.待检索光栅实际位置获取。本发明的检测方法，解决增量式圆光栅尺，高速时易掉脉冲和掉电后需进行回零操作的缺点，解决了绝对式光栅式与增量式光栅尺需同时配合使用的问题，克服光栅尺在高精测量过程中成本高的弊端。本发明于对增量式光栅尺进行特征标记，并对标记内容进行编码。将增量式光栅尺转化为增量绝对式光栅尺，既保留了增量式光栅尺的快速性和稳定性，又避免了增量式光栅尺需要回零的操作。

Description

一种基于像素编码的光栅位移检测方法

技术领域

本申请涉及测量仪器技术领域，尤其涉及一种基于像素编码的光栅位移检测方法。

背景技术

光栅尺经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，可用作直线位移或角位移的检测。光栅检测位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。高分辨率的光栅尺一般造价较贵，且制造困难。为提高系统分辨率，传统采用电子细分方法。当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也会随之上下移动，通过对莫尔条纹个数的测量从而细分得到光栅栅距。

光栅尺可分为绝对式光栅尺和增量式光栅尺。绝对式光栅上将位置信息刻成对应的一系列码道，可通过读数头来获取位置编码，确定实际位置。增量式光栅尺是周期性光栅刻线，位置信息是通过计数自某点开始的增量数实现的。绝对式光栅尺虽能获得实际位置，但其制造成本较高，读取速度较慢，不如增量式光栅尺计数快和稳定。而增量式光栅尺存在不能确定初始位置的问题，在掉电或因故障需重新开机时，增量式光栅尺必须进行回零操作。

像素编码是一种针对数字图像进行编码的方法，数字图像中的每个像素由可视外观的一组值表示，其中至少一部分像素与一向量唯一关联。这个向量由将被编码的数据和将被编码的像素周围至少一个或一些像素的数据给出，并排列在组成图像的整个像素包括的预订的像素子集内。

专利CN105783715A在光栅尺主题上设置多个编码轨道，各所述编码轨道均包括多个均匀地呈周期排列的光栅条纹，且各编码轨道分别具有不同周期，使用图像采集模块用于收集经编码轨道反射或透射的光线并会聚入射到图像图像采集模块上，所述图像采集模块用于采集到达的光信号后获得当前测量位置的测量图像并发送到信号处理模块，所述信号处理模块用于对测量图像进行图像处理后解析获得多个编码轨道的测量值进而计算获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值。

上述发明采用光栅尺与图像采集模块结合的形式，但并未利用较多图像处理技术。传统光栅尺位移测量为光栅尺于读数头相结合的形式。读数头每扫描一个栅距，产生一个正弦波信号周期，此信号经过电子电路进行细分处理，可以达到较高的分辨率。

发明内容

基于现有技术的至少一种缺陷，本发明采用创新性方法，利用CCD/COMS分辨率高、像素均匀的特点，采用面阵相机对光栅刻线的像的移动进行放大，改变了以往对摩尔条纹进行位像细分的方法，直接对像素点进行计数。通过比例放大的形式，结合图像处理技术可以有效地克服传统光栅测量的光栅制造精度的限制(通常20μm)。本发明提出一种基于像素编码的光栅位移检测方法。该编码方法可有效将增量式光栅尺和绝对式光栅尺的有点结合起来。通过对增量式光栅尺上的微观特征进行编码学习，将增量式光栅尺转换为能够获取当前实际位置的绝对式光栅尺，从而避免了增量式光栅尺的回零操作。通过对增量式光栅上增加特定向量进行标记，利用标记区域与其他位置的区分性进行提取，并与像素点相对应，以此达到编码的目的。本发明采用的具体技术方法如下。

一种基于像素编码的光栅位移检测方法，所述检测方法包括以下步骤：

S1.光栅尺特征标记；

S2.光栅图像采集；

S3.光栅图像分割；

S4.光栅特征信息提取及判定；

S5.光栅标记像素位置编码；

S6.待检索光栅实际位置获取。

进一步，所述步骤S1包括以下步骤：

光栅尺特征标记，通过对增量式光栅尺上增添相应的特征向量标记，使之成为光栅上的微观特征，将增量式光栅尺转变为一种增量式绝对光栅尺，保证每条栅纹的唯一性。

进一步，所述步骤S2包括以下步骤：

光栅图像采集，对于载体运动平台上的光栅尺，首先采用摄像对准指针指向光栅尺的第一根光栅，缓慢移动光栅尺，通过摄像头采集多批光栅图像，分别将采集的光栅尺图像按一定顺序编码以此命名并保存。

进一步，所述步骤S3包括以下步骤：

对图像的色彩空间色调饱和分量进行调整，计算边缘位置的光栅像素点与中心位置的像素点，并对所述边缘位置的光栅像素点与所述中心位置的像素点求平均值，从而得到分割效果较好的阈值，重新进行阈值分割，畸变校正。

进一步，所述步骤S4包括以下步骤：

栅纹标记信息提取，将此完整光栅作为模板，将图像上的像素点矩阵和所给的模板图的像素点矩阵进行匹配；

栅纹标记信息判定，进行边缘检测，通过边缘检测获得光栅未被标记区域，得到被标记的区域；被标记区域可近似为一组平行线，拟合时采用一种基于平行向量提取的拟合算法，判断得到的的被标记区域所提取出的一组向量是否为平行向量；若所提取的一组向量为平行向量，则是需要的光栅特征标记信息，否则该特征区域并非我们所要的标记信息。

进一步，所述步骤S4包括以下步骤：

利用以下公式衡量它们的相似性：

其中，m×n个像素的模板T叠放在被搜索图W×H个像素S上平移，模板T与被搜索图重合的一块为子图S^ij(m,n)，i、j为子图最左上角的坐标于被搜索图S上的对丁坐标，通过比较模板T(m,n)与子图S^ij(m,n)的相似性，完成模板匹配过程，上述公式中第一项为子图的能量，第三项为模板的能量，都和模板匹配无关，第二项是模板和子图的互为相关，随(i,j)而改变；

采用标准平方差的方式进行模板匹配：

用T表示模板图像，I表示待匹配图像，x、y为模板左上角位置相对于待匹配图像位置坐标，x'、y'为模板叠放在被搜索图上移动的位置，(x+x'，y+y')为被搜索子图位置；

将图像上的像素点矩阵与所给的模板图的像素点矩阵进行匹配，将所得到的图像矩阵与模板矩阵进行比对，匹配程度越高，相对性越大；在光栅图像的x轴方向上，横向取其后面的m个像素作为特征窗口的宽度，其中m为模板栅纹宽度对应的像素数；利用特征窗口提取同一根栅纹，当前光栅图像中栅纹图像提取完后，读取下一张光栅图像，并按照相同的方法依次提取同一栅纹图像；

通过比对连续两张光栅尺图像中的同一条栅纹，获取相对位移。

进一步，所述步骤S5包括以下步骤：

光栅标记像素位置编码，将采集到的所有光栅根据其标记位置的不同，通过K-means聚类生成字典。

进一步，所述步骤S6包括以下步骤：

待检索光栅实际位置获取，采集新的图像数据，为待检索图像，通过字典对待检索图像编码，计算待检索图像与图像库中相似度匹配，按照匹配值显示检索结果，得到待检索图像的编码，即获得该光栅的实际位置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.通过在增量式圆光栅尺条纹上画标记，使其转变为一种增量绝对光栅尺，一方面解决了增量式光栅尺速度与精度的矛盾(高精度测量时，在高速时候容易丢步，可以得到准确地方的绝对的光栅位置)，另一方面解决了增量式光栅尺掉电或重启时需进行回零操作的问题。

2.采用的图像并未进行的图像处理，光栅背景为实际场景下的光源特征且都包含了环境因素和特征因素，提高了位移测量精度和稳定性。

3.由于光栅制造过程中，不可避免的会产生一定的精度偏差，本方案提出一种对光栅尺停下前后几帧进行精细位移测量的方法。采用模板匹配的方法对图像进行标注，能忽略图像中存在的干扰因素，例如镜头上的污点，模板能较好的匹配到同一根光栅，避免了外界干扰因素的影响。通过计数前后帧图像中同一根光栅之间运动的像素位移，提高了移测的精度。

4.传统的位移测量采用绝对式光栅尺与增量式光栅尺相结合的形式，绝对式光栅尺用于检测初始位置，增量式光栅尺用于快速计数。本方案提出方法，能对增量式光栅尺的实际位置进行输出，对绝对式光栅尺与增量式光栅尺的优点进行整合。从而省去了绝对式光栅尺的使用，节约了成本。

5.通过图像处理，获取光栅尺的实际位置；该方法利用CCD/COMS分辨率高、像素均匀的特点，对光栅刻线的像的移动进行放大，并精确定位和直接数字化，改变了以往对摩尔条纹进行位像细分的方法，通过对直接像素点进行计数，提高了检测精度当对转动较小电机进行圆光栅的位移测量时，由于光栅的位移量较小，采用此方法，能对电机的转动有更为精确的掌控。

附图说明

图1为光栅特征标记示意图。

图2为光栅特征窗口提取示意图。

图3为光栅特征信息提取向量示意图。

图4为光栅标记像素位置编码示意图。

图5为本发明流程示意图。

图6为光栅图像分割流程示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

1.一种基于像素编码的光栅位移检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：

S1.光栅尺特征标记；

S2.光栅图像采集；

S3.光栅图像分割；

S4.光栅特征信息提取及判定；

S5.光栅标记像素位置编码；

S6.待检索光栅实际位置获取。

步骤1，如图1所示，光栅尺特征标记，通过对增量式光栅尺上增添相应的特征向量标记，使之成为光栅上的微观特征，将增量式光栅尺转变为一种增量式绝对光栅尺，保证每条栅纹的唯一性(本发明以增加一定角度的斜线为例)。

步骤2，如图2所示，光栅图像采集，对于载体运动平台上的光栅尺，首先采用摄像对准指针指向光栅尺的第一根光栅，缓慢移动光栅尺，通过摄像头采集多批光栅图像，分别将采集的光栅尺图像按一定顺序编码以此命名并保存。

根据定义，计算光栅位移需要光栅尺有效标记区域等信息，因此光栅位移编码按流程可分为栅纹识别，栅纹标记信息提取，标记向量，像素位置编码四个部分。针对栅纹信息获取的两个关键参数，栅纹位置和标记信息，结合栅纹特征，在融合平行线检测进行目标定位和标记信息拟合。

步骤3，光栅图像分割，因采集到的光栅图像虽基本为黑白相间的图像，但因镜头、光源等干扰因素需要对图像进行初步处理。由于光源的原因，实际图像边缘会出现亮度不均的状况，若直接进行二值化处理，位于边缘位置的光栅像素点会比位于中心位置的光栅像素点更多，即阈值很难划分边缘交接处。因而需要需要对图像的色彩空间色调饱和分量进行调整，削弱光线对检测的影响，消除少量背景干扰，需要计算边缘位置的光栅像素点与中心位置的像素点，并对他们求平均值，从而得到一分割效果较好的阈值，重新进行阈值分割，经畸变校正，完成光栅图像的初步处理。

步骤4，如图3所示，栅纹标记信息提取，因采集图像较多，利用模板匹配的方法，对不同帧图像中同一光栅进行提取。首先，将此完整光栅作为模板，将图像上的像素点矩阵和所给的模板图的像素点矩阵进行匹配，匹配程度越高，相似性越大。通过特征窗口对光栅图像中的每一根完整光栅进行提取并命名保存。

利用以下公式衡量它们的相似性：

其中，m×n个像素的模板T叠放在被搜索图W×H个像素S上平移，模板T与被搜索图重合的一块为子图S^ij(m,n)，i、j为子图最左上角的坐标于被搜索图S上的对丁坐标，通过比较模板T(m,n)与子图S^ij(m,n)的相似性，完成模板匹配过程，上述公式中第一项为子图的能量，第三项为模板的能量，都和模板匹配无关，第二项是模板和子图的互为相关，随(i,j)而改变；

采用标准平方差的方式进行模板匹配：

用T表示模板图像，I表示待匹配图像，x、y为模板左上角位置相对于待匹配图像位置坐标，x'、y'为模板叠放在被搜索图上移动的位置，(x+x'，y+y')为被搜索子图位置；

将图像上的像素点矩阵与所给的模板图的像素点矩阵进行匹配，将所得到的图像矩阵与模板矩阵进行比对，匹配程度越高，相对性越大；在光栅图像的x轴方向上，横向取其后面的m个像素作为特征窗口的宽度，其中m为模板栅纹宽度对应的像素数；利用特征窗口提取同一根栅纹，当前光栅图像中栅纹图像提取完后，读取下一张光栅图像，并按照相同的方法依次提取同一栅纹图像；

通过比对连续两张光栅尺图像中的同一条栅纹，获取相对位移。

光栅特征信息提取及判定。如图3、4所示，采用刻线的方式对该光栅图像进行特征标记。所标记的特征为直线。首先进行边缘检测，通过边缘检测获得光栅未被标记区域，得到被标记的区域。被标记区域可近似为一组平行线，拟合时采用一种基于平行向量提取的拟合算法，判断得到的的被标记区域，所提取出的一组向量是否为平行向量；若所提取的一组向量为平行向量，则是需要的光栅特征标记信息。否则该特征区域可能出现了光栅破损，或背景残留干扰等问题，并非我们所要的标记信息。此信息可能会与同一光栅的但为其他帧数截取的特征图片相冲突，对光栅编码造成干扰。对于不同的标记特征，采用不同的标记向量与之进行匹配判定。

针对上述平行标记向量判断公式如下：

如图3、4所示，设向量a为(x1-x2，y1-y3)，向量b为(x1-x2，y2-y4)。

以提取光栅图像的左下角开始，建立直角坐标系。

若向量a平行于向量b，则：

(x1-x2)·(y2-y4)＝(x1-x2)·(y1-y3)。

步骤5，光栅标记像素位置编码，由上述提取部分可知，输入检索图像，因标记位置不同，因而每道光栅都具有不同的编码，将采集到的所有光栅根据其标记位置的不同，通过K-means聚类生成字典。

步骤6，待检索光栅实际位置获取。采集新的图像数据，为待检索图像，通过字典对待检索图像编码。计算待检索图像与图像库中相似度匹配，按照匹配值显示检索结果，得到待检索图像的编码，即获得该光栅的实际位置。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于像素编码的光栅位移检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：

S1.光栅尺特征标记；

S2.光栅图像采集；

S3.光栅图像分割；

S4.光栅特征信息提取及判定；

S5.光栅标记像素位置编码；

S6.待检索光栅实际位置获取。

2.如权利要求1所述的基于像素编码的光栅位移检测方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

光栅尺特征标记，通过对增量式光栅尺上增添相应的特征向量标记，使之成为光栅上的微观特征，将增量式光栅尺转变为一种增量式绝对光栅尺，保证每条栅纹的唯一性。

3.如权利要求1所述的基于像素编码的光栅位移检测方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

光栅图像采集，对于载体运动平台上的光栅尺，首先采用摄像对准指针指向光栅尺的第一根光栅，缓慢移动光栅尺，通过摄像头采集多批光栅图像，分别将采集的光栅尺图像按一定顺序编码以此命名并保存。

4.如权利要求3所述的基于像素编码的光栅位移检测方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：

对图像的色彩空间色调饱和分量进行调整，计算边缘位置的光栅像素点与中心位置的像素点，并对所述边缘位置的光栅像素点与所述中心位置的像素点求平均值，从而得到分割效果较好的阈值，重新进行阈值分割，畸变校正。

5.如权利要求1所述的基于像素编码的光栅位移检测方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：

栅纹标记信息提取，将此完整光栅作为模板，将图像上的像素点矩阵和所给的模板图的像素点矩阵进行匹配；

栅纹标记信息判定，进行边缘检测，通过边缘检测获得光栅未被标记区域，得到被标记的区域；被标记区域可近似为一组平行线，拟合时采用一种基于平行向量提取的拟合算法，判断得到的的被标记区域所提取出的一组向量是否为平行向量；若所提取的一组向量为平行向量，则是需要的光栅特征标记信息，否则该特征区域并非我们所要的标记信息。

6.如权利要求5所述的基于像素编码的光栅位移检测方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：

利用以下公式衡量它们的相似性：

其中，m×n个像素的模板T叠放在被搜索图W×H个像素S上平移，模板T与被搜索图重合的一块为子图S^ij(m,n)，i、j为子图最左上角的坐标于被搜索图S上的对丁坐标，通过比较模板T(m,n)与子图S^ij(m,n)的相似性，完成模板匹配过程，上述公式中第一项为子图的能量，第三项为模板的能量，都和模板匹配无关，第二项是模板和子图的互为相关，随(i,j)而改变；

采用标准平方差的方式进行模板匹配：

用T表示模板图像，I表示待匹配图像，x、y为模板左上角位置相对于待匹配图像位置坐标，x'、y'为模板叠放在被搜索图上移动的位置，(x+x'，y+y')为被搜索子图位置；

将图像上的像素点矩阵与所给的模板图的像素点矩阵进行匹配，将所得到的图像矩阵与模板矩阵进行比对，匹配程度越高，相对性越大；在光栅图像的x轴方向上，横向取其后面的m个像素作为特征窗口的宽度，其中m为模板栅纹宽度对应的像素数；利用特征窗口提取同一根栅纹，当前光栅图像中栅纹图像提取完后，读取下一张光栅图像，并按照相同的方法依次提取同一栅纹图像；

通过比对连续两张光栅尺图像中的同一条栅纹，获取相对位移。

7.如权利要求1所述的基于像素编码的光栅位移检测方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下步骤：

光栅标记像素位置编码，将采集到的所有光栅根据其标记位置的不同，通过K-means聚类生成字典。

8.如权利要求1所述的基于像素编码的光栅位移检测方法，其特征在于，所述步骤S6包括以下步骤：

待检索光栅实际位置获取，采集新的图像数据，为待检索图像，通过字典对待检索图像编码，计算待检索图像与图像库中相似度匹配，按照匹配值显示检索结果，得到待检索图像的编码，即获得该光栅的实际位置。

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