CN203163695U - 基于数字图像快速匹配算法的位移传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于数字图像快速匹配算法的位移传感器，包括：收容各部件的壳体；图像采集系统，接收光线并将图像信号转换成数字信号，并基于硬件描述语言图像处理器，采用数字图像快速匹配算法，计算连续两张图像的偏移量；光照装置，设置在所述图像采集系统和所述可连续移动的图像采集界面反射光线的途径处，发出光线，经光学镜头形成有效的光学路径；可连续移动的图像采集界面，接收所述光照装置发射出的光线并反射至所述图像采集系统；控制处理系统，分别和所述图像采集系统、光照装置连接。本实用新型的有益效果在于，可实现二维测量的位移传感器，利用图像位置变换原理实现位移测量。

Description

基于数字图像快速匹配算法的位移传感器

技术领域

本实用新型涉及一种位移传感器，尤其是基于数字图像快速匹配算法的位移传感器。

背景技术

目前，市场上主要用于工程中高精度、大量程的位移计产品有可变式线性差动变压器（LVDT）、容栅式位移计、光栅位移计和滑动电阻位移计。上述产品各有自身特点和缺陷，直线位移计适用于条件恶劣环境，但线性度不高，时漂和温漂都比较大，稳定性差；容栅式位移计精度较高，温漂小，但耐湿度差；光栅位移计精度较高，稳定性好，但抗干扰冲击差；滑动电阻位移计存在温漂和长期接触磨损问题。另外，所述以上位移计只允许测量一个方向位移，使用场合受到限制。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于数字图像快速匹配算法的位移传感器。

本实用新型是通过以下技术方案来实现的。

一种基于数字图像快速匹配算法的位移传感器，包括：

收容各部件的壳体；

图像采集系统，接收光线并将图像信号转换成数字信号，并基于硬件描述语言图像处理器，采用数字图像快速匹配算法，计算连续两张图像偏移量；

光照装置，设置在所述图像采集系统和所述可连续移动的图像采集界面反射光线的途径处，发出光线，经光学镜头形成有效的光学路径；

可连续移动的图像采集界面，接收所述光照装置发射出的光线并反射至所述图像采集系统；

控制处理系统，分别和所述图像采集系统、光照装置连接。

进一步地，上述光照装置和所述可连续移动的图像采集界面之间设置透明固件。

进一步地，上述图像采集系统包括图像处理器和成像系统，上述成像系统接收光线，上述图像处理器计算图像位移偏移量。

进一步地，上述图像处理器为实现图像位置变换算法的基于硬件描述语言的图像处理器CPLD或FPGA或ASIC。

进一步地，上述成像系统包括光/电转换装置，上述光/电转换装置接收对所述可连续移动的图像采集界面反射光线进行光电转换。

进一步地，上述成像系统包括A/D转换装置，上述A/D转换装置将上述光/电转换装置输出的电信号转换成数字信号输出。

进一步地，上述成像系统包括同步装置，上述同步装置可将所述光/电转换装置、A/D转换装置、扫描装置动作同步。

进一步地，上述成像系统包括扫描装置，上述扫描装置可通过对整幅图像的扫描将被采集对象空间坐标离散，并获得每一个采样点的光强度值。

进一步地，上述光照装置包括光源和一组光学镜头，若被测物感光表面材料为一般粗糙纹理，则上述光源使用可见光或红外光光源；若被测物感光表面材料为玻璃或金属等较光滑表面，则上述光源使用激光光源。

进一步地，上述控制处理系统包括控制器、储存电路、显示电路和通信电路，所述控制器通过接插件和所述图像采集系统以及光照装置相连接。

本实用新型的有益效果：

利用图像位置变换原理，可设计二维测量的位移传感器；本实用新型对于被测对象照射表面的介质要求不高，所以可供选择加工使用的材料很多；同时由于采用非接触式测量方法，避免了因机械磨损带来的测量误差；图像位置变换处理算法采用基于硬件描述语言的图像处理器，提高算法处理速度，保证长时间工作的稳定性和数据的实时性；而且为满足测试精度要求，针对不同被测表面选择可见光、红外光或激光作为光源，使得光学感应器得到的图像更容易辨别，提高定位精准性。

附图说明

图1为实施案例1基于数字图像快速匹配算法的位移传感器正视图；

图2为实施案例1基于数字图像快速匹配算法的位移传感器的剖视图；

图3为实施案例1基于数字图像快速匹配算法的位移传感器的局部放大剖视图；

图4为实施案例1基于数字图像快速匹配算法的位移传感器工作原理示意图；

图5为实施案例1基于数字图像快速匹配算法的位移传感器的图像成像原理示意图；

图6为实施案例2使用基于数字图像快速匹配算法的位移传感器的位移测量方法的流程示意图；

图7为实施案例2实时图像相对参考图像的四象限位移偏移量说明图；

图8为实施案例2图像传感X轴方向上前后两幅图像的位置关系示意图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。

实施案例1：

图1为实施案例1基于数字图像快速匹配算法的位移传感器的正视图，图2为实施案例1基于数字图像快速匹配算法的位移传感器的剖视图，参照图1、图2，本实用新型，基于数字图像快速匹配算法的位移传感器，包括：

收容各部件的壳体1；

图像采集系统5，接收光线并将图像信号转换成数字信号，并基于硬件描述语言图像处理器53，采用数字图像快速匹配算法，计算前一张数字图像和后一张数字图像的偏移量；

光照装置51，设置在所述图像采集系统5和所述可连续移动的图像采集界面2反射光线的途径处，发出光线，经光学镜头形成有效的光学路径；

可连续移动的图像采集界面2，接收所述光照装置51发射出的光线并反射至所述图像采集系统5；

控制处理系统50，分别和所述图像采集系统5和光照装置51连接。

图3为实施案例1基于数字图像快速匹配算法的位移传感器的局部放大剖视图，参照图3，并结合图1、图2，其中，上述光照装置51和上述可连续移动的图像采集界面2之间设置有透明固件9。透明固件9的设置使得在相同感光介质条件下，保持光照装置51与可连续移动的图像采集界面2的有效距离，可以使成像系统分辨率保持恒定，不仅能够减少激光的散射，减少传感器测试精度误差，集中激光能量，而且能够保证激光反射光路距离要求，保证图像清晰度。

图4为实施案例1基于数字图像快速匹配算法的位移传感器工作原理示意图，参照图4，并结合图1、图2，关于图像采集系统5，上述图像采集系统5包括成像系统52和图像处理器53。成像系统52接收光线并将图像信号转换成数字信号，图像处理器53采用基于硬件描述语言图像处理器CPLD或FPGA或ASIC，实现数字图像快速匹配算法，计算连续两张图像的偏移量。图像处理器53具有强大数据处理能力和高运行速度，其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令，远远超过通用微处理器。

图5为实施案例1基于数字图像快速匹配算法的位移传感器的图像成像原理示意图，参照图5，并结合图1、图2，上述光照装置51包括激光透镜41、图像透镜42和光源40，上述激光透镜41设置在上述光照装置51发出至上述可连续移动的图像采集界面2光线的途径，上述图像透镜42设置在上述被可连续移动的图像采集界面2反射至上述成像系统52光线的途径。若被测物图像采集界面2材料为一般粗糙纹理，则上述光源40使用可见光源或红外光源；若被测物图像采集界面2材料为玻璃或金属等较光滑表面，则上述光源40使用激光光源。

当测量位移时，将移动测杆3与被测物体接触，被测物体移动时，与其接触的移动测杆3也随之移动，移动测杆3的移动带动壳体1内的图像采集界面2，也就是激光照射表面发生改变。激光经过激光透镜41照射在图像采集界面上，然后由该表面反射透过图像透镜42，发射的光被成像系统52接收形成图像。随着照射界面的改变，成像系统52记录连续不同的图像。

再参照图4，并结合图1、图2，具体的，成像系统52包括光/电转换装置88、A/D转换装置84、同步装置86和扫描装置87，所述光/电转换装置88接收所述可连续移动的图像采集界面2反射光线进行光电转换。

成像系统52还包括A/D转换装置84，上述A/D转换装置84将上述光/电转换装置88输出的电信号转换成数字信号输出。

成像系统52还包括同步装置86，上述同步装置86可将上述光/电转换装置88、A/D转换装置84、扫描装置87动作同步。

并且，成像系统52还包括扫描装置87，上述扫描装置87可通过对整幅图像的扫描将被采集对象空间坐标离散，并获得每一个采样点的光强度值。

光/电转换装置88、A/D转换装置84、同步装置86和扫描装置87将接收到的模拟图像数字化，即将一幅图像以数字信号的形式表示。同步装置86提供整个图像采集系统5的时钟同步信号，以使系统中的所有部件同步动作；扫描装置87是图像采集系统5的固有部分，它通过对整幅图像的扫描实现被采集对象空间坐标的离散化，并获得每一个采样点的光强度值；光/电转换装置88负责把扫描系统输出的与采样点属于对应的光信号转换为电信号，并提供必要的放大电路处理，以与A/D转换装置84相匹配。从光/电转换装置88输出的电信号进入A/D转换装置84，经过采样/保持，A/D转换后，转换成数字信号输出。A/D转换装置84包括门电路、延迟电路、采样/保持电路、A/D转换电路部分（图中未显示）。在某一同步时刻，采样/保持电路对光/电转换系统输出的电信号进行采样，获得瞬时电压值进行A/D转换。如果在转换过程中，电压值发生了变化，则产生的解惑就会杂乱无章。因此，采样/保持电路在一个采样间隔内保持时刻获得的瞬时电压不变，A/D转换电路在一个采样间隔内将这个电压值转换成数字信号并输出。

再参照图4，并结合图1、图2，关于控制处理系统50，控制处理系统50包括控制器82、储存电路83、通信电路81和显示电路80，上述所述控制器82通过接插件和所述图像采集系统5以及光照装置51相连接。

实施案例2：

图6为实施案例2使用基于数字图像快速匹配算法的位移传感器的位移测量方法的流程示意图，参照图6，使用基于数字图像快速匹配算法的位移传感器的位移测量方法，步骤包括：

（1）将控制器初始化；

（2）打开光照装置；

（3）读取图像处理器存储单元，获取当前图像和前一帧图像相比较的横向位移偏移量x、纵向位移偏移量y；

（4）判断x、y是否发生变化；

（5）若否，则放弃记录本次的x、y；

（6）若是，记录此时x和y的值；

（7）与上一次储存器记录的位移量进行相关计算，得到当前横向位移量和纵向位移量。

本实用新型基于数字图像快速匹配算法，就是寻求两幅图像的相似或相同部分的位移偏移量；互相关是基本的配准法，许多算法都采用相关作为基本的相似性测度工具。

设F(n₁,n₂)表示一个M×N的实际图像,G(n₁,n₂)表示一个M×N的参考图像。|x|和|y|表示实际图像相对于参考图像在X轴和Y轴偏移量，R(x,y)表示相交图像匹配度量值。(i,j)为实时图像和参考图像相交图像像素点坐标，实时图像相对参考图像的位移分别对应如图1-4所示的四象限情况，则(i,j)相对于在实时图像和参考图像中像素点的表达方式如下：

第一象限：

$R(x,y)=\frac{\underset{i=0}{\overset{M-x-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N-y-1}{\mathrm{\Σ}}}g(i+x,j+y)f(i,j)}{{\left[\underset{i=0}{\overset{M-x-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N-y-1}{\mathrm{\Σ}}}{g}^2(i+x,j+y)\right]}^{1/2}\·{\left[\underset{i=0}{\overset{M-x-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N-y-1}{\mathrm{\Σ}}}{f}^2(i,j)\right]}^{1/2}}\begin{array}{c}x\≥0\\ y\≥0\end{array}$

第二象限：

$R(x,y)=\frac{\underset{i=0}{\overset{M+x-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{N-y-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}g(i,j+y)f(i-x,j)}{{\left[\underset{i=0}{\overset{M+x-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{N-y-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g}^2(i,j+y)\right]}^{1/2}\&CenterDot;{\left[\underset{i=0}{\overset{M+x-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{N-y-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{f}^2(i-x,j)\right]}^{1/2}}\begin{array}{c}x<0\\ y\&GreaterEqual;0\end{array}$

第三象限：

$R(x,y)=\frac{\underset{i=0}{\overset{M+x-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{N+y-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}g(i,j)f(i-x,j-y)}{{\left[\underset{i=0}{\overset{M+x-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{N+y-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g}^2(i,j)\right]}^{1/2}\&CenterDot;{\left[\underset{i=0}{\overset{M+x-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{N+y-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{f}^2(i-x,j-y)\right]}^{1/2}}\begin{array}{c}x<0\\ y<0\end{array}$

第四象限：

$R(x,y)=\frac{\underset{i=0}{\overset{M-x-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{N+y-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}g(i+x,j)f(i,j-y)}{{\left[\underset{i=0}{\overset{M-x-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{N+y-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g}^2(i+x,j)\right]}^{1/2}\&CenterDot;{\left[\underset{i=0}{\overset{M-x-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{N+y-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{f}^2(i,j-y)\right]}^{1/2}}\begin{array}{c}x>0\\ y<0\end{array}$

根据上述原理，图像匹配采用在X轴方向和Y轴方向计算，可以实现两维的图像匹配，设计出一种二维位移测量传感器。

图像匹配的运算量非常大，通常在已知的M×M个象素的光学基准图中寻找N×N个象素的实时图像的匹配位置。采用最大互相关算法进行全搜索图像匹配，它的运算量约与(M-N+1)²×N²成正比，然后采用FFT算法对该算法进行快速计算，将算法的复杂度降低，从而大大降低了运算量，实现实时计算。图像匹配的最大互相关算法主要归结为卷积运算，一般的单片机结构难以甚至无法满足计算要求，因此采用专用的硬件卷积电路必将大大加快图像匹配运算速度,即具有硬件描述语言的图像处理器。

影响图像匹配结果的因素有很多，包括传感器分辨率，传感器移动速度及传感器图像曝光率等。

首先分析传感器运动速度对图像匹配精度影响，设v为传感器运动速度，Δt为图像传感器两次采样的时间间隔，则图像传感器前后两幅图像的位置情况如下：

①Δt·v＜M有交集图像产生，如图8为实施案例2图像传感器前后两幅图像的位置关系示意图中（1）所示；

②Δt·v=M没有交集图像产生，如图8为实施案例2图像传感器前后两幅图像的位置关系示意图中（2）所示；

③Δt·v＞M没有交集图像产生，如图8为实施案例2图像传感器前后两幅图像的位置关系示意图中（3）所示。

从上述公式中可以发现，只有当满足条件①才会产生相交图像，并根据计算出的图像匹配量度R(x,y)最大时，得出实际图像相对于参考图像在X轴和Y轴方向的偏移量。可见，传感器的移动速度和图像采集系统本身设计的图像处理帧率对位移测量结果的影响。

其次，尽管满足条件①，得到相交图像，如果这个相交图像很小，得出的偏移量出错概率很大，也会影响图像匹配精度。在图像采集过程中存在出错概率，该出错概率符合泊松分布。对于大概率的图像采集，当出错个数K值大于方差之后，K越大，出错的概率就越小，这样就要求采样的样本很大。所以，先后两幅图像相交区域愈大，图像匹配计算得出的偏移量越准确；前后两幅图像相交区域越小，图像匹配计算得出的偏移量误差越大。

最后，分辨率对图像测量的影响。图像传感器图像分辨率的参数单位为cpi,即相当于每移动x位移就会有一个图像的改变，单位面积内像素越多，代表着它能够感测到更多的物体细节，从而图像就越清晰。例如，如果成像系统52采用的是分辨率为5000cpi，相当于每移动0.00508mm就会有一个状态的改变，就可以检测出位移的改变，这样的分辨率满足位移传感器分辨率为0.01mm的使用要求。

本实用新型，可实现二维测量的位移传感器，利用图像位置变换原理实现位移测量；在本实施案例中，只需要测量一个方向的位移量，所以在利用公式计算时，只需考虑X轴方向位移或Y轴方向的位移偏移量即可；本实用新型对于被测对象照射表面的介质要求不高，所以可供选择加工使用的材料很多；同时由于采用非接触式测量方法，避免了因机械磨损带来的测量误差；图像位置变换处理算法采用基于硬件描述语言的图像处理器，提高算法处理速度，保证长时间工作的稳定性和数据的实时性；而且为满足测试精度要求，针对不同被测表面选择可见光、红外光或激光作为光源，使得光学感应器得到的图像更容易辨别，提高定位精准性。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本实用新型内容并加以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于数字图像快速匹配算法的位移传感器，其特征在于，包括：

收容各部件的壳体；

图像采集系统，接收光线并将图像信号转换成数字信号，并基于硬件描述语言图像处理器，采用数字图像快速匹配算法，计算连续两张图像偏移量；

光照装置，设置在所述图像采集系统和所述可连续移动的图像采集界面反射光线的途径处，发出光线，经光学镜头形成有效的光学路径；

可连续移动的图像采集界面，接收所述光照装置发射出的光线并反射至所述图像采集系统；

控制处理系统，分别和所述图像采集系统、光照装置连接。

2.根据权利要求1所述的基于数字图像快速匹配算法的位移传感器，其特征在于，所述光照装置和所述可连续移动的图像采集界面之间设置透明固件。

3.根据权利要求1所述的基于数字图像快速匹配算法的位移传感器，其特征在于，所述图像采集系统包括图像处理器和成像系统。

4.根据权利要求3所述的基于数字图像快速匹配算法的位移传感器，其特征在于，所述图像处理器为实现图像位置变换算法的基于硬件描述语言的图像处理器CPLD或FPGA或ASIC。

5.根据权利要求3所述的基于数字图像快速匹配算法的位移传感器，其特征在于，所述成像系统包括光/电转换装置、A/D转换装置、同步装置和扫描装置，所述光/电转换装置接收对所述可连续移动的图像采集界面反射光线进行光电转换，所述A/D转换装置将上述光/电转换装置输出的电信号转换成数字信号输出，所述同步装置可将所述光/电转换装置、A/D转换装置、扫描装置动作同步，所述扫描装置可通过对整幅图像的扫描将被采集对象空间坐标离散，并获得每一个采样点的光强度值。

6.根据权利要求1所述的基于数字图像快速匹配算法的位移传感器，其特征在于，所述光照系统由光源和一组光学镜头组成。

7.根据权利要求6所述的基于数字图像快速匹配算法的位移传感器，其特征在于，若被测物感光表面材料为一般粗糙纹理，则所述光照装置使用可见光源或红外光源；若被测物感光表面材料为玻璃或金属等较光滑表面，则所述光照装置使用激光光源。

8.根据权利要求1所述的基于数字图像快速匹配算法的位移传感器，其特征在于，所述控制处理系统包括控制器、储存电路、显示电路和通信电路，所述控制器通过接插件和所述图像采集系统以及光照装置相连接。

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