CN111649679B - 非接触式光学计米方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子、计算机技术领域，具体涉及一种非接触式光学计米方法及装置，其中非接触式光学计米方法，包括：照射被测物体表面，通过显微成像方式连续获取被测物体表面的图像细节；计算相邻两张图像之间的位移；根据相邻两张图像之间的位移，获取被测物体在标准单位下的长度；以及获取被测物体实时速度，与被测物体无接触，不受压力、摩擦力影响，测量精度高；无须对光滑程度不同的被测物体反复校准，使用简单；没有机械损耗，寿命长；可以长期保持高精度。

Description

非接触式光学计米方法及装置
技术领域
本发明属于电子、计算机技术领域，具体涉及一种非接触式光学计米方法及装置。
背景技术
我国是纺织品出口大国，但是纺织品长度计量却是一个很麻烦且容易出错的事情。这是由于纺织品种类繁多，有的表面光滑有的不光滑，有的厚有的薄，生产速度快慢不同。传统的压轮式计米由于打滑问题、计米轮磨损问题导致实际生产中很难得到一匹布的准确米数信息。实际生产时为了克服上述问题需要对计米器反复校准，但是仍然无法做到十分准确，该问题导致工厂每年都损失很多成本，甚至因为缺斤短两而对出口信誉产生不良影响。
传统计米方式通过橡胶或塑料轮压在布匹表面，压轮主轴通过齿轮传动带动内部机械齿轮推动数字表盘显示被测物长度。先进一些的使用计米轮带动旋转编码器产生脉冲信号，再通过电子电路测量脉冲个数，通过一个比例换算得到米数信息。传统计量方法存在以下问题：
压轮压在布面上压力不同的情况下，计长结果存在1-2％偏差；
压轮表面容易沾灰尘和杂质，使计米不准确；
使用一段时间后，压轮不断磨损直径变小，计量误差增大；
计米器与布匹接触，存在使用损耗；计米器寿命比较短；
通过图像计算得到被测物体位移和速度已经在某些场合得到应用，例如公路上抓拍车辆速度，判断其是否超速，铁路上通过拍摄枕木图像计算列车速度。但上述已知方法都是拍摄宏观被测物体，而布面经纱纬纱有规则出现，两帧图像之间没有差异，因此用已知的方法无法计算布面和纸张运行速度和位移。
通过图像计算布面准确位移目前只有光电鼠标的算法可以实现。其采用超高速小分辨率CMOS，每秒3000-6000次扫描鼠标垫表面，将获得的表面纹理细节送到专用DSP芯片，逐帧比较两帧的相对移动方向和距离，然后统计得到鼠标瞬时移动距离和方向。该方法采用互相关性图像配准原理，其特点是可以得到准确的位移信息和方向信息，但是缺陷也很明显，主要缺点是计算量大，因为需要计算两幅图像的卷积，即使用快速傅里叶变换方法，如果用普通工业相机实现，结合因特尔高端酷睿i7处理器配合指令集加速和并行计算，两帧图像计算也要10ms左右；另外图像配准方法要求两幅图像重叠范围比较大，一般要达到50％的重叠，否则配准算法会失败。重叠范围大则限制了移动速度不能太快。综合这两个限制因素，如果使用光电鼠标算法，配合工业相机和高端CPU，只能实现最快每分钟18米的测量速度，这个速度在实际生产环境中是无法接受的。一般生产环境要实现100-200米每分钟。
原理上还有一种可能，就是采用跟光电鼠标同样的小分辨率CMOS结合超高速扫描来实现，但是一般工业相机最高只能提供800帧的扫描速度，如果需要达到每分钟100-200米测量性能，则需要10000帧以上的扫描帧率，能实现这种速度的相机只有进口超高帧率相机可以实现，但是动辄十几万元的售价无法在工厂批量普及。
因此，基于上述技术问题需要设计一种新的非接触式光学计米方法及装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种非接触式光学计米方法及装置。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种非接触式光学计米方法，包括：
照射被测物体表面，并通过显微成像方法连续获取被测物体表面的图像；
计算相邻两张图像之间的位移；
根据相邻两张图像之间的位移，获取被测物体在标准单位下的长度；以及
获取被测物体实时速度。
进一步，所述照射被测物体表面，并通过显微成像方法连续获取被测物体表面的图像的方法包括：
通过光源照射被测物体表面，并设置成像装置的相应参数，使成像装置达到预设的光学分辨率，以获取被测物体表面的特征点，以及连续获取被测物体表面的图像。
进一步，所述计算相邻两张图像之间的位移的方法包括：
设置观察窗口，该观察窗口中的第一张被测物体表面的图像中心点坐标为(X0，Y0)；
将观察窗口的图像与相邻第二张图像进行比较，根据层数为2的金字塔模板匹配方法计算观察窗口图像在第二张图像中的位置(X1，Y1)；
第二张图相对第一张图的水平方向位移为X1-X0，竖直方向位移为Y1-Y0；
将第二张图像加载到观察窗口，以计算与下一张图像之间的位移。
进一步，所述根据相邻两张图像之间的位移，获取被测物体在标准单位下的长度的方法包括：
相邻两张图像位移为Pox、Poy，Pox为水平方向位移，Poy为垂直方向位移；
根据勾股定理通过相邻每两张图像位移获取斜边长度Si：
Figure BDA0002548804500000031
累加所有Si得到被测物位移总长，即被测物长度Lp；
根据标定系数Af将被测物长度Lp转换为预设单位，即被测物体在标准单位下的长度。
进一步，所述标定系数Af的获取方法包括：
根据成像装置的视野长度值L，视野像素数P获取标定系数Af：
Figure BDA0002548804500000041
进一步，所述获取被测物体实时速度的方法包括：
记录当前时刻被测物体长度L0；
记录下一时刻被测物体长度L1；
则被测物体实时速度为：
V＝L1-L0。
另一方面，本发明还提供一种非接触式光学计米装置，包括：
处理器模块，以及与该处理器模块电性连接的光源、成像机构和显示模块；
所述光源适于照射被测物体表面；
所述成像机构与被测物体表面垂直，以连续获取被测物体表面的图像；
所述处理器模块适于根据被测物体表面的图像获取被测物体的长度和被测物体的实时速度；
所述处理器模块适于控制所述显示模块显示被测物体的长度和被测物体的实时速度。
进一步，所述控制模块适于采用上述的非接触式光学计米方法以获取被测物体的长度和被测物体的实时速度。
本发明的有益效果是，本发明通过照射被测物体表面，并连续获取被测物体表面的图像；计算相邻两张图像之间的位移；根据相邻两张图像之间的位移，获取被测物体在标准单位下的长度；以及获取被测物体实时速度，实现了高精度计量被测物体在标准单位下的长度和被测物体的实时速度，从而大大降低了企业生产、管理成本，提升经济效益。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所涉及的非接触式光学计米方法的流程图；
图2是本发明所设计的非接触式光学计米装置的原理框图；
图3是本发明所涉及的非接触式光学计米装置的的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
图1是本发明所涉及的非接触式光学计米方法的流程图。
如图1所示，本实施例1提供了一种非接触式光学计米方法，包括：照射被测物体表面，并通过显微成像方法连续获取被测物体表面的图像，该被测物体可以但不限于是纺织、印染、造纸、钢铁、电缆、橡胶等行业的产品；计算相邻两张图像之间的位移；根据相邻两张图像之间的位移，获取被测物体在标准单位下的长度(移动距离)；以及获取被测物体实时速度，解决因被测物表面摩擦系数不同导致的计米不准确问题，同时由于无须反复校准，降低了工作量，提高了生产效率，降低生产差错；实现了高精度计量被测物体在标准单位下的长度和被测物体的实时速度，从而大大降低了企业生产、管理成本，提升经济效益；与被测物体无接触，不受压力、摩擦力影响，测量精度高；无须对光滑程度不同被测物体反复校准，使用简单；没有机械损耗，寿命长；可以长期保持高精度。
在本实施例中，所述照射被测物体表面，并通过显微成像方法连续获取被测物体表面的图像的方法包括：通过光源照射被测物体表面(采用特制高强度平行光源，照射被测物体表面，光源可以但不限于采用可见光、红外、紫外、X光等)，并设置成像装置(所述成像装置可以但不限于采用CMOS成像设备、CCD或其他成像设备等)的相应参数，使成像装置达到预设的光学分辨率，以获取被测物体表面的特征点(实现显微成像，得到可靠特征点，从而提供了图像分析的着力点)，以及连续获取被测物体表面的图像；例如，使用USB3.0工业40万CMOS传感器(720*540)，像元6.9um，配合75mm长焦镜头以及50mm延长管，物距130mm左右，实现0.01mm光学分辨率(相当于20倍放大)，在此分辨率附近可以实现准确的纺织品、纸品等表面纹理特征点抓取；将光圈设定6.0，以得到大景深，以便兼容布面等被测物体的轻微抖动；拍摄视野6mm*2mm，其中视野长边与被测物行进方向平行；相机曝光设定4us；帧率设定800，对被测物表面进行连续图像采集；通过显微成像获取可靠的特征点，通过普通相机拍摄被测物体表面无法清晰获取被测物体表面的不同(通过普通相机识别的被测物体表面是相同的)，因此无法计算位移；即使是像丝绸那样细密的布料，在显微状态下也是不同的。在本实施例中，所述计算相邻两张图像之间的位移(移动的距离)的方法包括：设置观察窗口(该观察窗口可以为128*128分辨率)，该观察窗口中第一张被测物体表面的图像(连续采集的图像中的第一张图像)中心点坐标为(X0，Y0)；将观察窗口的图像(第一张图像)与相邻第二张图像进行比较，根据层数为2的金字塔模板匹配方法(分析了光电鼠标的计算原理，提出用模板匹配的方法代替图像互相关计算以便应用现有普通工业相机和处理器实现降低成本)计算观察窗口图像在第二张图像中的位置(X1，Y1)；第二张图相对第一张图的水平方向位移为X1-X0，竖直(垂直)方向位移为Y1-Y0；将第二张图像加载到观察窗口，以计算与下一张图像之间的位移；该方法计算量低，适合一般CPU实现，在720*192分辨率下，位移计算时间可控制在1ms上下，从而实现将近1000帧计算速度；另外该方法只要两张图像重叠区域20％以上，即可准确计算两幅图像的差异，相对于图像配准方法在效率上大大提高。
在本实施例中，所述根据相邻两张图像之间的位移，获取被测物体在标准单位下的长度的方法包括：计算相邻两张图像之间的相对位移，每两张前一张当做计算相邻两张图像之间的距离的方法中的第一张图像，后一张作为计算相邻两张图像之间的距离的方法中的第二张图像，以此类推得到相邻两张图像位移为Pox、Poy，Pox为水平方向位移，Poy为垂直方向位移；根据勾股定理通过相邻每两张图像位移获取斜边长度Si：
Figure BDA0002548804500000071
累加所有Si得到被测物位移总长，即被测物长度Lp；根据标定系数Af将被测物长度Lp转换为预设单位(例如，毫米)，即被测物体在标准单位下的长度。
在本实施例中，所述标定系数Af的获取方法包括：将打印好的标准长度标定板放于被测物表面，使用成像装置拍照，根据成像装置的视野长度值L，视野像素数P获取标定系数Af：
Figure BDA0002548804500000081
在本实施例中，所述获取被测物体实时速度的方法包括：记录当前时刻被测物体长度L0；记录下一时刻被测物体长度L1；则被测物体实时速度为：V＝L1-L0；通过重复该方法即可获取每一时刻被测物的速度信息。
表1：白布打卷长度数据表
布种 白布-薄-弹力
车速 158米/分钟
打卷机米数 光学设备 偏差量
842.5 843 0.5
870.7 869.7 -1
740.9 741.3 0.4
823 822.4 -0.6
848.1 847.7 -0.4
761.9 761.8 -0.1
837.6 838 0.4
840.1 838.4 -1.7
818 817.4 -0.6
854.6 854.5 -0.1
表2：新白布打卷长度数据表
Figure BDA0002548804500000082
表3：创可贴黄布打卷长度数据表
Figure BDA0002548804500000083
Figure BDA0002548804500000091
表4：黑布打卷长度数据表
Figure BDA0002548804500000092
在本实施例中，通过上述表格可以得知，光学设备的测量结果更加精准；所述光学设备包括：光源和成像装置；黑布打卷机启动时间比较长，启动过程中布面张力未绷紧，导致偏差大于前者，调整机械张力控制以后即可达到前两者的精度。
实施例2
图2是本发明所设计的非接触式光学计米装置的原理框图；
图3是本发明所涉及的非接触式光学计米装置的的结构示意图。
如图2和图3所示，在实施例1的基础上，本实施例2还提供一种非接触式光学计米装置，包括：处理器模块，以及与该处理器模块电性连接的光源、成像机构和显示模块；所述处理器模块可以但不限于采用带有高性能CPU的工业迷你PC等，将实施例1所涉及的非接触式光学计米方法写入程序中，由CPU进行计算；所述成像机构(即实施例1中所涉及的成像装置)可以但不限于采用CMOS成像装置；所述显示模块可以但不限于采用液晶屏；所述光源可以但不限于采用高亮平行光源，浅色被测物体可以采用一个30W光源，深色被测物体可以采用两个30W光源；所述光源适于照射被测物体表面；所述成像机构与被测物体表面垂直，以连续获取被测物体表面的图像；所述处理器模块适于根据被测物体表面的图像获取被测物体的长度和被测物体的实时速度；所述处理器模块适于控制所述显示模块显示被测物体的长度和被测物体的实时速度，与被测物体(被测物体)无接触，不受压力、摩擦力影响，测量精度高；无须对光滑程度不同被测物体反复校准，使用简单；没有机械损耗，寿命长；可以长期保持高精度。
在本实施例中，所述控制模块适于采用上述的非接触式光学计米方法以获取被测物体的长度和被测物体的实时速度。
在本实施例中，将光源和成像机构安装在专门设计的机械平台上；例如通过相机支架安装成像机构(可以采用螺丝固定)，通过光源支架安装光源(可以采用螺丝固定)；保持成像机构与被测物体表面垂直；调整成像机构的对焦环，使图像拍摄清晰；开动打卷设备，让被测物从光学设备(光源和成像机构)下走过，从显示模块读取被测物长度信息。
在本实施例中，所述非接触式光学计米装置还包括：与处理器模块电性连接的输入模块(鼠标键盘等)，以设置成像机构的相应参数，导出被测物体长度和被测物体的实时速度等数据。
综上所述，本发明通过照射被测物体表面，并连续获取被测物体表面的图像；计算相邻两张图像之间的位移；根据相邻两张图像之间的位移，获取被测物体在标准单位下的长度；以及获取被测物体实时速度，实现了高精度计量被测物体在标准单位下的长度和被测物体的实时速度，从而大大降低了企业生产、管理成本，提升经济效益。
由于本发明公开了非接触式计量的原理，本领域专业技术人员经本发明启发，经过简单形式变化或替换某些环节而形成的非接触式计量方法和装置的变种均在本发明保护范围之内，例如把本发明中的可见光换成红外、紫外、X光等；把CMOS成像设备换成CCD或其他成像设备；采用嵌入式DSP、ARM代替计算机；用其他方法计算相邻两帧图像之间的位移。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种非接触式光学计米方法，其特征在于，包括：
照射被测物体表面，并通过显微成像方法连续获取被测物体表面的图像；
计算相邻两张图像之间的位移；
根据相邻两张图像之间的位移，获取被测物体在标准单位下的长度；以及
获取被测物体实时速度；
所述获取被测物体在标准单位下的长度方法中标定系数Af的获取方法包括：
根据成像装置的视野长度值L，视野像素数P获取标定系数Af：
Figure FDA0003484884550000011
所述照射被测物体表面，并通过显微成像方法连续获取被测物体表面的图像的方法包括：
通过光源照射被测物体表面，并设置成像装置的相应参数，使成像装置达到预设的光学分辨率，以获取被测物体表面的特征点，以及连续获取被测物体表面的图像；
所述计算相邻两张图像之间的位移的方法包括：
设置观察窗口，该观察窗口中第一张被测物体表面的图像中心点坐标为(X0，Y0)；
将观察窗口的图像与相邻第二张图像进行比较，根据层数为2的金字塔模板匹配方法计算观察窗口图像在第二张图像中的位置(X1，Y1)；
第二张图相对第一张图的水平方向位移为X1-X0，竖直方向位移为Y1-Y0；
将第二张图像加载到观察窗口，以计算与下一张图像之间的位移。
2.如权利要求1所述的非接触式光学计米方法，其特征在于，
所述根据相邻两张图像之间的位移，获取被测物体在标准单位下的长度的方法包括：
相邻两张图像位移为Pox、Poy，Pox为水平方向位移，Poy为垂直方向位移；
根据勾股定理通过相邻每两张图像位移获取斜边长度Si：
Figure FDA0003484884550000021
累加所有Si得到被测物位移总长，即被测物长度Lp；
根据标定系数Af将被测物长度Lp转换为预设单位，即被测物体在标准单位下的长度。
3.如权利要求2所述的非接触式光学计米方法，其特征在于，
所述获取被测物体实时速度的方法包括：
记录当前时刻被测物体长度L0；
记录下一时刻被测物体长度L1；
则被测物体实时速度为：
V＝L1-L0。
4.一种非接触式光学计米装置，其特征在于，包括：
处理器模块，以及与该处理器模块电性连接的光源、成像机构和显示模块；
所述光源适于照射被测物体表面；
所述成像机构与被测物体表面垂直，以连续获取被测物体表面的图像；
所述处理器模块适于根据被测物体表面的图像获取被测物体的长度和被测物体的实时速度；
所述处理器模块适于控制所述显示模块显示被测物体的长度和被测物体的实时速度；
所述控制模块适于采用如权利要求1-3任一项所述的非接触式光学计米方法以获取被测物体的长度和被测物体的实时速度。
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