[发明专利]以一维三基色峰谷为特征测量轴向位移的方法及装置

权利要求书

1.以一维三基色峰谷为特征测量轴向位移的方法及装置，包括：一台普通的计算机通过其USB接口连接一个计算机摄像头、一台步进电机及其接口电路，其特征在于，该摄像头被安装在一个由所述步进电机为核心组成的轴向位移装置上，该步进电机通过所述步进电机接口电路连接到所述计算机的RS232C接口，所述计算机配置有摄像头拍摄以及根据一维三基色峰谷数据测量轴向位移程序。

2.根据权利要求1所述的以一维三基色峰谷为特征测量轴向位移的方法及装置，其特征在于，所述摄像头轴向位移装置包括：

摄像头(1)安装在工作台(33)上，该工作台(33)与一根长的螺丝纹旋转轴(34)以螺丝纹套接，螺丝纹旋转轴(34)通过支撑架(31)和(32)安装在一张大的工作台(30)上，并且，螺丝纹旋转轴(34)与支撑架(31)和(32)都是以转轴的方式套接，螺丝纹旋转轴(34)在与支撑架(31)和(32)的套接处可以转动但不发生向前或向后的位移；螺丝纹旋转轴(34)上有一个固定的齿轮(341)，它与步进电机(40)的转轴(41)上面的齿轮(42)相互咬合；步进电机(40)也安装在工作台(30)上，它通过步进电机接口电路(43)连接到计算机系统(5)的RS232C接口(8)。

3.据权利要求1所述的以一维三基色峰谷为特征测量轴向位移的方法及装置，其特征在于，所述摄像头拍摄以及根据一维三基色峰谷数据测量轴向位移程序包括下述测量物体沿所述摄像头的光轴方向发生的微小位移的方法：

步骤一、以位图(M×N，M，N∈正整数)的格式，拍摄一帧被测物体的图像，作为参考帧；以该帧像素阵列左上角的第一个像素的位置为原点，以向右的方向为x轴方向，垂直向下方向为y轴方向，所取坐标系的单位为一个像素的大小；在所述像素阵列的中央区域选取一个区域，大小为m₀×n₀，m₀，n₀∈正整数，称之为观察窗，它距离所述像素阵列的水平方向和垂直方向的边缘像素各有h和v个像素，即有：m₀+2h＝M，n₀+2v＝N，h，v∈正整数；

步骤二、对于上述参考帧之像素阵列，逐像素行、逐像素列导出沿X轴方向和Y轴方向的边方向数据，并以3bit的二进制数值001，010和100分别表示其中的正边、负边以及第三类边，如此构成了对应所述参考帧像素阵列的关于X轴方向和关于Y轴方向的两帧边方向数据{reference_x(x，y)}和{reference_y(x，y)}，其中，下标x或y分别表示所沿的坐标轴的方向，符号“{ }”表示沿其中函数下标所标示的坐标轴方向观察窗内诸像素(x，y)处的边方向数据的一个集合，保存这些数据；

步骤三、对于上述两帧边方向数据，分别计算所述参考帧里观察窗内像素阵列的自关联匹配系数：

auto_correlationx(a,d)=Σy=v+1v+1+n0Σx=h+1h+1+m0[referencex(x,y)·referencex(x+a,y+b)]]]>

auto_correlationy(a,b)=Σy=v+1v+1+n0Σx=h+1h+1+m0[referencey(x,y)·referencey(x+a,y+b)]]]>

式中，运算符号·表示二进制逻辑与运算，其运算结果或为逻辑0或为逻辑1，运算符号“[ ]”表示取其中的逻辑运算函数的值所对应的数值，或为数值0，或为数值1，参数变量a，b的组合决定了关联匹配算子阵列的规模，如果取3×3关联匹配算子阵列：a＝-1，0，1，b＝-1，0，1，因此，沿每个坐标轴方向各自会产生9个自关联系数auto_correlation_x(a，b)和auto_correlation_y(a，b)；

步骤四、根据上述两帧边方向数据对应的自关联匹配系数，分别搜索在目前的物体表面状况以及照明状况下可以进行匹配比较的最佳观察窗像素阵列：

m_x＝m₀±step，n_x＝n₀±step，2h＝M-m_x，2v＝N-n_x

和m_y＝m₀±step，n_y＝n₀±step，2h＝M-m_y，2v＝N-n_y，

式中，下标x、y分别表示其值对应着沿X轴方向和Y轴方向，step为搜索过程中的步进参数，其前面的加减号由搜索方向决定；取此两组值中大者为本测量所用观察窗阵列的规模：m×n；

步骤五、对于上述参考帧之像素阵列，根据其红色、绿色和蓝色分量的数据，逐行导出沿X轴方向的红色的、绿色的和蓝色的边方向数据，一共有3×1＝3帧边方向数据；

根据上述三种基色的边方向数据，导出沿X轴方向的三种基色的边反射状况，共有3×1＝3帧边反射状况；对于其中的观察窗区域，分别使用累加器计数它们所对应的峰、谷的数目：N_RX轴峰和N_RX轴谷、N_GX轴峰和N_GX轴谷、N_BX轴峰和N_BX轴谷，其中，N(umber)表示数目，R、G、B分别表示红、绿和蓝色；累加上述累加器的计数结果并保存之，表示为：N(i，j＝0，forw＝0，back＝0)，其中，i＝1，2，3......表示所拍摄的参考帧的顺序计数，也是测量的计数，j＝0，1，2，3，......，表示第i次测量过程中拍摄的取样帧的计数，变量forw(＝0，1，2，......)和back(＝0，1，2，......)分别表示第i次测量中所述步进电机发生顺时钟旋转和反时钟旋转所对应的步进脉冲计数，本次测量开始前，有：i＝1，j＝0，forw＝0，back＝0；

步骤六、测量开始：所述计算机通过其RS232C接口的一根输出控制线FORWARD输出第forw＝1个数字脉冲信号到所述步进电机接口电路，控制该步进电机顺时钟旋转一步，然后，拍摄第j＝1帧取样帧位图；

对于上述取样帧之像素阵列，根据其红色、绿色和蓝色分量的数据，逐行导出沿X轴方向的红色的、绿色的和蓝色的边方向数据，共有3×1＝3帧边方向数据；

根据上述三种基色的边方向数据，导出沿X轴方向的三种基色的边反射状况，共有3×1＝3帧边反射状况；对于其中的观察窗区域，分别使用累加器计数它们所对应的峰、谷的数目：N_RX轴峰和N_RX轴谷、N_GX轴峰和N_GX轴谷、N_BX轴峰和N_BX轴谷；累加上述累加器的计数结果并保存之，表示为：N(i，j＝1，forw＝1，back＝0)；

步骤七、如果：N(i，j＝1，forw＝1，back＝0)≥N(i，j＝0，forw＝0，back＝0)，所述计算机通过其RS232C接口的一根输出控制线FORWARD输出第forw(＝2，3，......)个数字脉冲信号到所述步进电机接口电路，控制该步进电机顺时钟旋转进步，每次顺时钟旋转一步都拍摄并分析比较前后各取样帧中观察窗内沿X轴方向的三种基色的所有的峰和谷的数目之和N(i，j＝forw-1，forw-1，back＝0)和N(i，j＝forw，forw，back＝0)，保存之，该过程中应当会有：N(i，j＝forw，forw，back＝0)≥N(i，j＝forw-1，forw-1，back＝0)，直到满足：N(i，j＝forw，forw，back＝0)＜N(i，j＝forw-1，forw-1，back＝0)，这时，记录(forw)_MAX＝forw，同时，所述计算机通过其RS232C接口的另一根输出控制线BACKWARD输出一个数字脉冲信号(back＝1)到所述步进电机接口电路，控制该步进电机反时钟旋转一步，这时，相对本次测量开始前的初始位置，本装置的摄像头即处于本次测量中的最佳物体成像聚焦位置：FocusP＝(forw)_MAX-back＝(forw)_MAX-1，其计算的结果大于或等于0，表示所述步进电机的旋转方向总的看来是顺时钟方向的，该聚焦位置对应的取样帧观察窗内沿X轴方向的三种基色的所有的峰和谷的数目之和为：N(i，j＝(forw)_MAX-1，forw＝(forw)_MAX-1，back＝0)，测量过程中拍摄的取样帧的总计数结果为：j＝(forw)_MAX+back＝(forw)_MAX+1；

如果：N(i，j＝1，forw＝1，back＝0)＜N(i，j＝0，forw＝0，back＝0)，所述计算机通过其RS232C接口的一根输出控制线BACKWARD输出第back＝1个数字脉冲信号到所述步进电机接口电路，控制该步进电机反时钟旋转退一步，即回到本次测量的初始位置，然后，所述计算机通过其RS232C接口的输出控制线BACKWARD继续输出第back(＝2，3，......)个数字脉冲信号到所述步进电机接口电路，控制该步进电机进一步反时钟旋转，在此过程中，每次反时钟旋转一步都拍摄并分析比较前后各取样帧观察窗内沿X轴方向的三种基色的所有的峰和谷的数目之和N(i，j＝back+1，forw＝1，back)和N(i，j＝back，forw＝1，back＝back-1)，应当有：N(i，j＝back+1，forw＝1，back＝back)≥N(i，j＝back，forw＝1，back＝back-1)，保存之，如此继续，直到满足：N(i，j＝back+1，forw＝1，back)＜N(i，j＝back，forw＝1，back-1)，这时，记录：(back)_MAX＝back，同时，所述计算机通过其RS232C接口的另一根输出控制线FORWARD输出一个数字脉冲信号(forw＝2)到所述步进电机接口电路，控制该步进电机顺时钟旋转一步，这时，相对本次测量开始前的初始位置，本装置的摄像头即处于本次测量中的最佳物体成像聚焦位置：FocusP＝forw-(back)_MAX＝2-(back)_MAX，其计算的结果为负值，表示所述步进电机的旋转方向是反时钟方向的，该聚焦位置对应的取样帧观察窗内沿X轴方向的三种基色的所有的峰和谷的数目之和为：N(i，j＝((back)_MAX-1)+1＝(back)_MAX，forw＝1，back＝(back)_MAX-1)，测量过程中拍摄的取样帧的总计数结果为：j＝forw+(back)_MAX＝2+(back)_MAX；

综合起来，相对本次测量开始前的初始位置，本次测量所获得的物体沿所述摄像头的光学轴方向发生的位移是：Δz(i)＝forw-back，

上述计算式中计数器forw和back的值均为本次测量过程中最后的计数结果，计算结果有正或负的符号，分别表示所发生的位移沿光学轴前进或后退的方向，对应于所述步进电机的旋转方向(即顺时钟方向或反时钟方向)，具体由步进电机的轴向位移装置之安排确定；

总的位移为：ΔZ₀(i)＝ΔZ₀(i-1)+Δz(i)

其中，ΔZ₀(i-1)为本次测量之前累积的轴向位移；

步骤八、准备下一次测量工作：测量次数计数器i＝i+1，取第i次测量确定的最佳物体成像聚焦位置处相应的物体成像帧观察窗内沿X轴方向的三种基色的所有的峰和谷的数目之和作为新的测量参考值：

N(i，j＝0，forw＝0，back＝0)＝N(i，j＝(forw)_MAX-1，forw＝(forw)_MAX-1，back＝0)，

或N(i，j＝0，forw＝0，back＝0)＝

N(i，j＝((back)_MAX-1)+1＝(back)_MAX，forw＝1，back＝(back)_MAX-1)；

步骤九、跳转到步骤六，继续测量。