快速測量亞像素位移的峰谷運動探測方法及裝置的製作方法

2023-09-14 19:27:00 2

專利名稱：快速測量亞像素位移的峰谷運動探測方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於數字圖像測量技術領域，特別是涉及採用計算機攝像頭無接觸測量物 體的二維微小位移的方法及其裝置。
背景技術：
發明專利申請「測量亞像素位移的峰谷運動探測方法及裝置」(申請號 200910190924. 1) ff^7"Method and sensing device for motion detection in an optical pointing device, such as an optical mouse，，(US 7, 122, 781B2, Oct. 17, 2006，Rotzoll et al.)中關於測量相對運動的位移的 「Peak/Null Motion Detection Algorithm」的思想，考慮了光電探測傳感器遠離被探測目標的情況，分析並提出了一種新 的探測位移的算法。該發明專利申請以普通的計算機攝像頭中的光電傳感器陣列為位移傳 感器，根據圖像幀像素的RGB數據，分別計算出三種基色的描述鄰近像素之間的光強的差 的邊的方向信息，再提取出被測物體表面的反射光圖案中三種基色的物理明暗對比度分布 特徵，即「峰」和「谷」，籍此測量亞像素位移。由於對三種基色的波長同時分別進行測量計 算，又輔之以平均算法，克服了其它波長受環境光照變化的影響，在相當的程度上減小了測 量的誤差(彡士0.25L像素_像素 士0.5L像素_像素)。雖然該發明只選取反射面圖像幀對比度 變化最大的一行和一列作為測量的代表，但是，相關的計算還是需要花費不少的時間，會影 響測量進行的速度。

發明內容
針對照明環境相對均勻、穩定的情況，本發明提供一種測量速度較快的快速測量 亞像素位移的峰谷運動探測方法及裝置，它以計算機攝像頭為光電轉換傳感器，即時地拍 攝被測量的物體，再經過峰/谷業像素位移探測算法處理，獲得該物體在與攝像頭的光軸 相垂直的平面上的微小的二維位移矢量和速度矢量。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是計算機攝像頭通過USB接口連接到 一臺普通的計算機，該計算機配置USB接口、內存、CPU、硬碟、顯示卡與顯示器、鍵盤和鼠 標、作業系統、攝像頭驅動程序以及攝像頭拍攝及峰/谷業像素位移探測程序，該程序包括 下述步驟步驟一、拍攝一幀(M行XN列)被測物體，不考慮該圖像幀的邊上的兩行與兩列， 得到參考幀[(M-2)行X (N-2)列]，為該參考幀以及其後所有拍攝的圖像幀確定相同的坐 標軸，其中，M，N e正整數；步驟二、對於上述參考幀之像素陣列，逐行、逐列導出沿X軸和Y軸方向的像素亮 度的邊方向數據；步驟三、分別逐行、逐列計算像素亮度的正邊和負邊的數目之和，取其中正邊和負 邊的數目之和最多者所在的行與列分別作為觀測行和觀測列；步驟四、根據所選觀測行與觀測列的像素亮度的邊方向數據，分別導出沿X軸和Y軸方向的像素亮度的邊反射狀況，並分別使用累加器計數它們所對應的峰、谷的數目-為軸峰 (j)、NX軸谷(j)、NY軸峰(j)和Ny軸谷(j)，其中，j表示拍攝獲得的幀的順序計數值，j e正整數， N表示數目(Number)；步驟五、拍攝了所述參考幀之後，經過一定的間歇時間dt，拍攝第二幀被測物體的 像(MXN)，去掉像素幀邊緣的兩行和兩列得到比較幀[(M-2)X(N-2)]；沿著步驟三中選定 的觀測行或觀測列，分別導出沿X軸和Y軸方向的像素亮度的邊方向數據和邊反射狀況， 並分別使用累加器計數沿著X軸和Y軸方向的峰、谷的數目
權利要求
1.快速測量業像素位移的峰谷運動探測方法及裝置，由一臺普通的計算機、一個計算 機攝像頭組成，所述攝像頭通過USB接口連接到所述計算機，所述計算機配置有內存、CPU、 硬碟、顯示卡與顯示器、鍵盤和滑鼠、作業系統以及攝像頭驅動程序，其特徵在於，所述計算 機還配置有攝像頭拍攝及峰/谷運動探測亞像素位移程序。
2.根據權利要求1所述的快速測量亞像素位移的峰谷運動探測方法及裝置，其特徵在 於，所述攝像頭拍攝及峰/谷運動探測亞像素位移程序包括下述測量亞像素位移的步驟步驟一、拍攝一幀(M行XN列)被測物體，不考慮該圖像幀的邊上的兩行與兩列，得到 參考幀[(M-2)行X (N-2)列]，為該參考幀以及其後所有拍攝的圖像幀確定相同的坐標軸， 其中，M，N e正整數；步驟二、對於上述參考幀之像素陣列，逐行、逐列導出沿X軸和Y軸方向的像素亮度的 邊方向數據；步驟三、分別逐行、逐列計算像素亮度的正邊和負邊的數目之和，取其中正邊和負邊的 數目之和最多者所在的行與列分別作為觀測行和觀測列；步驟四、根據所選觀測行與觀測列的像素亮度的邊方向數據，分別導出沿X軸和Y軸方 向的像素亮度的邊反射狀況，並分別使用累加器計數它們所對應的峰、谷的數目Nxi_(j)、 Nx軸谷(j)、NY軸峰(j)和Ny軸谷(j)，其中，j表示拍攝獲得的幀的順序計數值，j e正整數，N表 示數目(Number)；步驟五、拍攝了所述參考幀之後，經過一定的間歇時間dt，拍攝第二幀被測物體的像 (MXN)，去掉像素幀邊緣的兩行和兩列得到比較幀[(M-2)X(N-2)]；沿著步驟三中選定的 觀測行或觀測列，分別導出沿X軸和Y軸方向的像素亮度的邊方向數據和邊反射狀況，並分 別使用累加器計數沿著X軸和Y軸方向的峰、谷的數目NX_ (j+1)、ΝΧ· (j+1)、NY_ (j+1)和Ny軸谷(j+1)；步驟六、對比所述參考幀與所述比較幀中所選觀測行與觀測列的像素亮度的邊反射狀 況的位置，檢查其中的那些不知道來自何處的「鬼影邊反射狀況」對於所選觀測行或觀測 列，在所述參考幀發現的峰或谷在所述比較幀的相應位置及其附近的一個像素間距範圍內 發生缺失，或者，在所述比較幀發現的峰或谷在所述參考幀的相應位置及其附近的一個像 素間距範圍內發生缺失，這時，用二個累加器分別統計和跟蹤它們的數目Nx鬼影邊(j+1)、Ny鬼影邊(j+Ι)；如果「順(./ + 1) , W1 0- + 1) + 斤細谷0_ + 1)bV-> err or I則認為測量「失去跟蹤」，並發出一個警告信號，式中，誤差容限值errorl表示比較幀 中沿著所選觀測行或觀測列，像素亮度的鬼影邊反射狀況發生的數目佔其全部邊反射狀況 數目的百分比，可以根據物體表面的光學性質和測量環境來預置，例如預置為errorl = 5% ；所述比較幀的邊上的邊反射狀況不考慮「鬼影邊反射狀況」，它們有可能來自光電像素 陣列的外部；步驟七、如果測量「失去跟蹤」，回到步驟一，重新開始測量工作；步驟八、如果測量沒有「失去跟蹤」，則繼續本次測量工作運用峰/谷亞像素位移探測算法，沿著所選觀測行與所選觀測列，計算所發生的亞像素位移
3.根據權利要求2所述的快速測量亞像素位移的峰谷運動探測方法及裝置，其特徵在 於，所述攝像頭拍攝及峰/谷運動探測亞像素位移程序之步驟二所述像素亮度的邊方向數 據的定義是沿著X軸或者沿著Y軸方向，如果一個像素的亮度值比其後面的第二個像素相應的亮 度值還要小一個誤差容限值error，即如果I (X，Y) < I (X+2, Y) -error 或 I (X，Y) I (X+2, Y) +error 或 I (X，Y) > I (X，Y+2) +error則定義這兩個像素之間存在一個負邊；如果一個像素的亮度值與其後面的第二個像素 的亮度值接近，其相差不超過一個誤差容限值error，即如果I (X+2, Y) -error < I (X，Y) < I (X+2, Y) +error或 I(X，Y+2)-error < I (X，Y) < I (X，Y+2)+error ；則認為這兩個像素之間不存在對應的「邊」，或稱之為第三類邊；如此獲得的邊位於該像素之後的第一個像素的位置，也即位於參與比較的兩個像素的 中間位置的那個像素上；沿著某一個坐標軸方向，所有的正邊和負邊以及第三類邊組成該 方向的邊方向數據；上式中的誤差容限值可以根據具體的光照情況，預置為一個小的數值， 例如error = 10 ；像素陣列中的四個邊與角上的像素位置不存在邊方向數據。
4.根據權利要求2所述的快速測量亞像素位移的峰谷運動探測方法及裝置，其特徵在 於，所述攝像頭拍攝及峰/谷運動探測亞像素位移程序之所述步驟四和步驟五中所述沿X 軸和Y軸方向的像素亮度的邊反射狀況，其定義為沿著X軸或沿著Y軸方向，如果連續的兩個或多於兩個的正邊，或連續的兩個或多於兩 個的第三類邊之後跟著一個負邊，稱之為第一類邊反射狀況，即認為在此位置存在一個像 素亮度的峰；如果連續的兩個或多於兩個的負邊，或連續的兩個或多於兩個的第三類邊之 後跟著一個正邊，稱之為第二類邊反射狀況，即認為在此位置存在一個像素亮度的谷 』沿著 某一個坐標軸方向，所有的峰和谷組成該方向的像素亮度的邊反射狀況。
5.根據權利要求2所述的快速測量亞像素位移的峰谷運動探測方法及裝置，其特徵在 於，所述攝像頭拍攝及峰/谷運動探測亞像素位移程序之所述步驟八中所述的峰/谷亞像 素位移探測算法包括比較所述參考幀與所述比較幀裡所選定的觀測行與觀測列之對應的峰、谷的位置，籍 此判斷所述觀測行與觀測列裡對應的峰、谷的移動方向，並分別使用累加器計數跟蹤所述 峰、谷沿所述坐標軸的移動情況，具體地，在所述觀測行像素中，如果某一個峰在比較幀裡的位置相對它在參考幀裡的位置向右 位移了一個像素間距單位，則跟蹤峰向右位移的個數的累加！Ν,^^^+Ι，如果某一個峰在 比較幀裡的位置相對它在參考幀裡的位置向左位移了一個像素間距單位，則跟蹤峰向左位 移的個數的累加器N^^^j+l ；如果某一個谷在比較幀裡的位置相對它在參考幀裡的位置向 右位移了一個像素間距單位，則跟蹤谷向右位移的個數的累加器N^^g^j+l，如果某一個谷 在比較幀裡的位置相對它在參考幀裡的位置向左位移了一個像素間距單位，則跟蹤谷向左 位移的個數的累加器Ni^sf+1 ；在所述觀測列像素中，如果某一個峰在比較幀裡的位置相對它在參考幀裡的位置向上 位移了一個像素間距單位，則跟蹤峰向上位移的個數的累加！N^^i^j+l，如果某一個峰在 比較幀裡的位置相對它在參考幀裡的位置向下位移了一個像素間距單位，則跟蹤峰向下位 移的個數的累加器N^^^^j+l ；如果某一個谷在比較幀裡的位置相對它在參考幀裡的位置向 上位移了一個像素間距單位，則跟蹤谷向上位移的個數的累加器~^^+1，如果某一個谷 在比較幀裡的位置相對它在參考幀裡的位置向下位移了一個像素間距單位，則跟蹤谷向下 位移的個數的累加器；如果N峰向右移(j+1) > N峰向左移(j+Ι)，則計為Δ X峰位移(j+1) = +0. 5， 如果N峰向右移(j+1) N谷向左移(j+Ι)，則計為Δ X谷位移(j+1) = +0. 5， 如果N谷向右移(j+1) N峰向下移(j+Ι)，則計為Δ Y峰位移(j+1) = +0. 5， 如果N峰向上移(j+1) N谷向下移(j+Ι)，則計為Δ Y谷位移(j+1) = +0. 5， 如果N谷向上移(j+1) < N谷向下移(j+Ι)，則計為Δ Y谷位移(j+1) = -0. 5， Λ ν /- , η _ A^tWiW^(7· + ι) + Δ:^·(『/ + Ι),位移L/.」_- 『~ X厶像素_像素；上述式中，示像素間距，其單位可以是μ m、mm或inch等，j表示拍攝獲得的 幀的順序計數值，N表示計數器的計數數目(Number)，j，N e正整數，其它符號的含義如字 符所標記。
全文摘要
快速測量亞像素位移的峰谷運動探測方法及裝置，由一臺普通的計算機及其攝像頭組成，其測量亞像素位移的方法是，先拍攝一幀，通過比較像素亮度值獲得該幀沿兩個坐標軸方向的邊方向數據及其峰和谷，選取像素陣列行或列中正邊和負邊的數目之和最多者為觀測行與觀測列；拍攝下一幀，如果觀測行和觀測列中不能確定其相互位移關係的峰或谷的數目之和超出其坐標軸方向的峰和谷數目之和的某個預定百分比，就認為「失去跟蹤」，需要再拍攝一幀；否則，比較分析先後連續兩幀中峰、谷移動的方向及其數目，分別計算沿各個坐標軸方向的亞像素位移。本發明專利適用於測量環境中光照均勻、穩定的場合，大大減少了計算量，提高了測量位移的速度。
文檔編號G01P3/38GK102052900SQ200910191319
公開日2011年5月11日 申請日期2009年11月2日 優先權日2009年11月2日
發明者曾藝 申請人:重慶工商大學