CN1595058A - 图像处理提高激光测量精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高激光测量精度的方法。图像处理提高激光测量精度的方法，该方法利用激光发射装置(4)、光源图像采集装置(1)和计算机(11)，当激光发射器(4)的激光(3)对准光源图像采集装置(1)时，光源图像采集装置(1)对激光(3)的光斑(2)的图像和位置数据采集，通过数据传输线(10)将图像储存到计算机(11)中，其特征是：根据激光(3)的颜色，其分量采用相应颜色的分量，求出采集图像的分量的均值和极大值，在均值和极大值之间取一阈值，获得激光光斑图，对光斑进行图像二值分割，获得二值图像，计算的重心中心，将重心的坐标作为的光斑坐标。本发明的方法提高激光测量的精度，减少计算机对光斑的测量计算误判。

Description

图像处理提高激光测量精度的方法

技术领域

本发明涉及一种提高激光测量精度的方法，尤其是能提高准直测量精度的方法。

背景技术

目前，一般技术方案是在采用一个激光发射器和一个接受器，通过SD、CCD、MOS等电路采集激光光斑的位置，其原理是利用光照情况下光电二极管表面阻抗的变化来检测光斑的位置。然后将图像信号传输到计算机中进行图像处理工作，将光斑同背景进行分割。因此现已提出的分割算法大都是针对具体问题的，并没有一种适合于所有图象的通用的分割算法。一般针对激光高斯分布的特点[叶声华，激光在精密计量中的应用[M]，机械工业出版社出版日期：1980年7月第1版]，采用高斯分布的特点对图像进行卷积，探测光斑的能量分布，获取光斑的坐标位置。但是有时由于测量的距离变化光斑发生变形，激光亮度分布不完全按照高斯分布的特点，光斑内部亮度往往分布不均匀，影响图像处理测量光斑的中心位置。一般在激光测量中，只是对光斑进行对位，而光斑有一定大小，分布也不一定均匀，光斑的性质会影响测量的精度。

发明内容

为了克服现有的高斯分布的特点对图像进行卷积的不足，本发明提供一种图像处理方法，该方法测量精度高。

本发明的技术方案是：

本发明利用激光发射装置4和光源图像采集装置1，发射激光照射到光源图像采集装置1，由于激光发射装置4和光源图像采集装置1安装在不同的部件上，当激光发射装置4和光源图像采集装置载体发生相对运动，或者出现角度偏差，激光的斑点偏离基准位置，该装置通过测量光斑的偏离坐标测量两个不同的部件的空间相对位置和误差。

光源图像采集装置1主要是对激光的光斑2位置数据采集，光源图像采集装置可以采用PSD，CCD，MOS等电路采集激光光斑的位置，其原理是利用光照情况下光电二极管表面阻抗的变化来检测光斑2的位置。该方法通过光源图像采集装置1采集光斑2的图像和位置，将图像储存到计算机中，根据激光的颜色，如红色的激光，则采用RGB的红色分量，求出采集图像的分量(亮度)的均值和极大值，在均值和极大值之间取一阈值，获得激光光斑图，对光斑进行图像二值分割，获得二值图像，计算的重心中心，将重心的坐标作为的光斑坐标。

为了进一步提高测量精度，减少计算机对光斑的误判，建立光斑的(2*N+1)×(2*N+1)像素模板6，该模板6大小为奇数，有利于得到光斑的中心，得到激光光斑图像，得到激光光斑2的大小和光强的分布，作为卷积算子。然后在测量中，为了准确的测量光斑的位置，通过光源图像采集装置1采集测量的激光的图像，然后将磨粒的图像与光斑模块进行卷积运算，得到矩阵，再将该矩阵进行修建得到原来的测量矩阵的大小。卷积修建后矩阵的极大值为测量的光斑的位置，原来的光斑的大小是一个饱和颜色，光斑是由许多个极值构成，光斑的三维图是一个比较平的亮度分布，现在进行卷积处理后的亮度分布图是一个比较尖的三维分布精度得到了提高。

本发明的有益效果是：提高激光测量的精度，减少双计算对光斑的误判。

本发明的方法直接从激光斑点采集光斑的分布数据，作为窗口模板，通过该模板对图像进行卷积，对激光测量光斑的位置进行更准确的定位，极大地提高了激光测量精度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明工作原理图

图2是二值化激光斑点中心坐标确定图

图3是本发明光源图像采集装置采集激光斑点的图像图

图4是本发明光源图像采集装置采集激光斑点的图像光强分布图

图5是本发明激光斑点模板图

图6是本发明激光斑点模板光强分布分布图

图7是本发明卷积处理后分布矩阵图

图8是本发明卷积处理后矩阵修剪图

图9是本发明加毛玻璃原理图

图中：1.光源图像采集装置，2.光斑，3.激光，4.激光发射装置(准直装置)，5.光斑坐标，6.模板，7.毛玻璃，8.透镜 9.位置检测器件，10.数据传输线，11.计算机。

具体实施方式

实施例1：图像处理提高激光测量精度的方法1：

如图1、图2所示，利用激光发射装置4、光源图像采集装置1和计算机11，发射激光照射到光源图像采集装置1，由于激光发射装置4和光源图像采集装置1安装在不同的部件上，当激光发射装置4和光源图像采集装置载体发生相对运动，或者出现角度偏差，激光的斑点偏离基准位置，光源图像采集装置1通过测量光斑的偏离坐标测量两个不同的部件的空间相对位置和误差。当激光发射器4的激光对准光源图像采集装置1时，光源图像采集装置1主要是对激光3的光斑2的图像和位置数据采集，光源图像采集装置可以采用PSD，CCD，MOS等电路采集光斑2的位置，其原理是利用光照情况下光电二极管表面阻抗的变化来检测光斑的位置。该方法通过光源图像采集装置1采集激光光斑2的图像和位置，通过数据传输线10将图像储存到计算机11中，根据激光的颜色，如红色的激光，则采用RGB的红色分量；当激光为绿色是，则采用RGB的绿色分量；当激光为兰色是，则采用RGB的兰色分量。不妨设激光为红色，有：

其中，R为某斑点图像某颜色分量矩阵；

红色分量的均值为：

$R_{\mathrm{mean}}=\frac{1}{\mathrm{xy}}\underset{i=x}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=y}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}p(i,j)$

p(i，j)是R矩阵某像素的亮度值，

红色分量的极大值为：

R_max＝MAX(P(i，j)|1≤i≤x，1≤j≤y)

在均值和极大值之间取阈值为：

R_mean＜T≤R_max

阈值一般可以为：

$R_{\mathrm{mean}}+\frac{3}{4}(R_{\max }-R_{\mathrm{mean}})\≤T\≤R_{\mathrm{mean}}+\frac{4}{5}(R_{\max }-R_{\mathrm{mean}})$

通过阈值对图像进行二值化，对激光光斑2进行图像分割，即得到二值化矩阵G，即：

G＝(R≥T)

获得二值图像(如图2所示)，计算光斑重心中心，将重心的坐标作为的光斑坐标。

根据重心的计算公式，首先算出光斑的象素个数，再分别除该磨粒中每一个磨粒直角坐标之和，即可以得到光斑的重心坐标(center_x，center_y)。

$\mathrm{center}\_x=\frac{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{\mathrm{ix}}\right)}{n}---i=\mathrm{1,2,3}...$

$\mathrm{center}\_y=\frac{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{\mathrm{iy}}\right)}{n}---i=\mathrm{1,2,3}...$

其中n表示像素总数，G_ix、G_iy表示某个点的横、纵坐标值。由于原来看到的光斑的位置范围是很大的，肉眼一般很难准确定位，通过重心定位，将测量的准确性提高。

实施例2：图像处理提高激光测量精度的方法2：

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，为了进一步提高测量精度，在进行重心计算之前，首先对光斑图像进行预处理，减少计算机对光斑的误判，在没有测量之初，先将激光3照射到光源图像采集装置1上，光源图像采集装置采集到激光照射到光源图像采集装置光斑图像，在方法1基础上找到光斑重心(center_x，center_y)，确定光斑2的中心，建立光斑的m₂×n₂光斑像素模板矩阵W，得到激光光斑图像模板6，其中矩阵W是以光斑重心为中心一个正矩阵，矩阵W的亮度中为原光斑图矩阵R中对应的亮度值，得到激光光斑2的大小和光强的分布，作为卷积算子，即光斑模块。然后在测量中，为了准确的测量光斑的位置，通过光源图像采集装置1采集测量的激光的图像，然后将激光的图像与光斑模板矩阵w进行卷积运算，

对于大小为m₁×n₁的光斑数字图像矩阵R(x，y)和大小为m₂×n₂光斑像素模板矩阵w(冲激响应函数)进行二维数字图像卷积运算，离散计算公式有：

$Z(i,j)=R(x,y)*w(i,j)$

$=\underset{m}{\mathrm{\Σ}}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}(R(m,n)*w(i-m,j-n))$

R为光斑图像矩阵，w为光斑像素模板矩阵，

其中得到的矩阵大小为M×N，M＝m₁+m₂-1，N＝n₁+n₂-1。

得到矩阵Z，一般通过卷积后的矩阵行和列分别比原来的大m₂-1和n₂-1，必须将矩阵Z行列分别减少m₂-1和n₂-1，即将矩阵上下两边，左右两边，分别减少(m₂-1)/2和(n₂-1)/2。当m₂-1或n₂-1为奇数数时，矩阵的两边调整是不对称的相差1行或列，这样得到原来的测量矩阵的大小Z’。卷积修建后矩阵的极大值为测量的光斑的位置

Z′_max＝MAX(Z′(i，j)|1≤i≤x，1≤j≤y)

Z为矩阵，

原来的光斑的大小是一个饱和颜色，光斑是由许多个极值构成，光斑的三维图是一个比较平的亮度分布，现在进行卷积处理后的亮度分布图是一个比较尖的三维分布精度得到了提高，差值也拉开了，光斑的峰值变得更明显了。然后再通过计算光斑重心查找光斑的位置即。

$\mathrm{center}\_x=\frac{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Z^{\′}}_{\mathrm{ix}}\right)}{n}---i=\mathrm{1,2,3}...$

$\mathrm{center}\_y=\frac{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Z^{\′}}_{\mathrm{iy}}\right)}{n}---i=\mathrm{1,2,3}...$

实施例3：图像处理提高激光测量精度的方法3：如图8所示，

根据方法2，建立光斑的m₂×n₂像素模板，该模板大小为奇数，即：m₂＝2×k+1，n₂＝2×s+1，对光斑数字图像f(i，j)进行卷积运算之后，矩阵大小为：M＝m₁+m₂-1＝m₁+2×k，N＝n₁+n₂-1＝n₁+2×s。矩阵在不同的方向分别增加了2×k、2×s。在测量时，需要上下分别减少k，左右分别减少s，恢复原来大小，在进行测量光斑的准确位置。K为上下两边去掉像素的个数，s为左右两边去掉像素的个数。

实施例4：图像处理提高激光测量精度的方法4：

如图9所示，为了减少周围光线的影响，在光源图像采集装置1前加一块毛玻璃7，光源图像采集装置1、毛玻璃7、透镜8位于位置检测器件9内同一光轴上，并与激光发射装置4同一光轴，透镜8位于光源图像采集装置1与毛玻璃7之间，光源图像采集装置1由数据传输线10与计算机11相连接。激光照射的毛玻璃上的光斑通过透镜成像到光源图像采集装置1，通过数据线将图像传输到计算机中。毛玻璃7减少周围光线对光源图像采集装置1的影响以及周围环境在图像采集装置中成像，扩大了光源图像采集装置1的图像采集范围，避免了激光的直射损害光源图像采集装置1中的电子元件。

Claims (6)

1.图像处理提高激光测量精度的方法，该方法利用激光发射装置(4)、光源图像采集装置(1)和计算机(11)，当激光发射器(4)的激光(3)对准光源图像采集装置(1)时，光源图像采集装置(1)对激光(3)的光斑(2)的图像和位置数据采集，通过数据传输线(10)将图像储存到计算机(11)中，其特征是：根据激光(3)的颜色，其分量采用相应颜色的分量，求出采集图像的分量的均值和极大值，在均值和极大值之间取一阈值，获得激光光斑图，对光斑进行图像二值分割，获得二值图像，计算的重心中心，将重心的坐标作为的光斑坐标。

2.根据权利要求1所述的图像处理提高激光测量精度的方法，其特征是：该方法求其分量的均值为：

$R_{\mathrm{mean}}=\frac{1}{\mathrm{xy}}\underset{i=x}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=y}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}p(i,j)$

R为某斑点图像某颜色分量矩阵，p(i，j)是R矩阵某像素的亮度值；

矩阵R像素的最大亮度为

R_max＝MAX(P(i，j)|1≤i≤x，1≤j≤y)

在均值和极大值之间取阈值为：

R_mean＜T≤R_max

过阈值T对图像进行二值化，对激光光斑(2)进行图像分割，即得到二值化矩阵G，即：

G＝(R≥T)

获得二值图像，计算光斑重心中心，将重心的坐标作为的光斑坐标；

首先算出光斑的象素个数，再分别除该磨粒中每一个磨粒直角坐标之和，即可以得到光斑的重心坐标(center_x，center_y)，

$\mathrm{center}\_x=\frac{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{\mathrm{ix}}\right)}{n}i=\mathrm{1,2,3}...$

$\mathrm{center}\_y=\frac{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{\mathrm{iy}}\right)}{n}i=\mathrm{1,2,3}...$

其中n表示像素总数，G_ix、G_iy表示某个点的横、纵坐标值。

3.根据权利要求2所述的图像处理提高激光测量精度的方法，其特征是：阈值是：

$R_{\mathrm{mean}}+\frac{3}{4}(R_{\max }-R_{\mathrm{mean}})\≤T\≤R_{\mathrm{mean}}+\frac{4}{5}(R_{\max }-R_{\mathrm{mean}})$

4.根据权利要求1所述的图像处理提高激光测量精度的方法，其特征是：在进行重心计算之前，首先对光斑图像进行预处理，在没有测量之初，先将激光(3)照射到光源图像采集装置(1)上，光源图像采集装置(1)采集到激光照射到光源图像采集装置光斑图像，找到光斑重心(center_x，center_y)，确定光斑(2)的中心，建立光斑的m₂×n₂像素模板矩阵W，得到激光光斑图像模板(6)，其中矩阵W是以光斑重心为中心一个正矩阵，矩阵W的亮度中为原光斑图矩阵R中对应的亮度值，得到激光光斑(2)的大小和光强的分布，作为卷积算子，即光斑模块；然后在测量中，为了准确的测量光斑的位置，通过光源图像采集装置(1)采集测量的激光的图像，然后将激光的图像与光斑模块w进行卷积运算，

对于大小为m₁×n₁的光斑数字图像矩阵R(x，y)和大小为m₂×n₂光斑像素模板矩w进行二维数字图像卷积运算，离散计算公式有：

Z(i，j)＝R(x，y)*w(i，j)

       ＝∑∑(R(m，n)*w(i-m，j-n))

R为光斑数字图像矩阵，w为光斑像素模板矩阵，

其中得到的矩阵大小为M×N，M＝m₁+m₂-1，N＝n₁+n₂-1；

得到矩阵Z，通过卷积后的矩阵行和列分别比原来的大m₂-1和n₂-1，必须将矩阵Z行列分别减少m₂-1和n₂-1，即将矩阵上下两边，左右两边，分别减少(m₂-1)/2和(n₂-1)/2；当m₂-1或n₂-1为奇数数时，矩阵的两边调整是不对称的相差1行或列，这样得到原来的测量矩阵的大小Z’；卷积修建后矩阵的极大值为测量的光斑的位置，

Z_max＝MAX(Z′(i，j)|1≤i≤x，1≤j≤y)

然后再通过计算光斑重心查找光斑的位置即，

$\mathrm{center}\_x=\frac{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Z^{\′}}_{\mathrm{ix}}\right)}{n}i=\mathrm{1,2,3}...$

$\mathrm{center}\_y=\frac{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Z^{\′}}_{\mathrm{iy}}\right)}{n}i=\mathrm{1,2,3}....$

5.根据权利要求4所述的图像处理提高激光测量精度的方法，其特征是：建立光斑的m₂×n₂像素模板，该模板大小为奇数，即：m₂＝2×k+1，n₂＝2×s+1，对光斑数字图像f(i，j)进行卷积运算之后，矩阵大小为：M＝m₁+m₂-1＝m₁+2×k，N＝n₁+n₂-1＝n₁+2×s；矩阵在不同的方向分别增加了2×k、2×s；在测量时，需要上下分别减少k，左右分别减少s，恢复原来大小，在进行测量光斑的准确位置，K为上下两边去掉像素的个数，s为左右两边去掉像素的个数。

6.根据权利要求1所述的图像处理提高激光测量精度的方法，其特征是：在光源图像采集装置(1)前加一块毛玻璃(7)，光源图像采集装置(1)与毛玻璃(7)之间设有透镜(8)，激光照射的毛玻璃(7)上的光斑通过透镜(8)成像到光源图像采集装置(1)，通过数据线将光斑图像数据传输到计算机中。

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