非接觸式物體大小及距離圖像測(cè)量?jī)x的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種非接觸式物體大小及距離圖像測(cè)量?jī)x，包括可變焦距鏡頭、CCD圖像傳感器、激光光源、DSP圖像處理板卡、微型觸摸顯示器、電源模塊、儀器面板和便攜式儀器外殼等模塊。測(cè)量?jī)x首先獲取待測(cè)量物體的圖像，然后對(duì)待處理的圖像進(jìn)行去噪增強(qiáng)、插值超分辨處理，再進(jìn)行光斑檢測(cè)與像素標(biāo)定；用戶選定測(cè)量物體之后，系統(tǒng)對(duì)測(cè)量物體進(jìn)行分割，然后計(jì)算物體大小和物體相互之間的距離；儀器同時(shí)可測(cè)量任意兩點(diǎn)之間的距離；測(cè)量結(jié)果最終送顯示器標(biāo)注顯示。本發(fā)明的測(cè)量?jī)x的激光光源配置靈活，像素標(biāo)定簡(jiǎn)易、物體大小及距離計(jì)算準(zhǔn)確；制造難度低、便于攜帶、測(cè)量準(zhǔn)確、測(cè)量效率高、適用范圍廣。
【專利說(shuō)明】非接觸式物體大小及距離圖像測(cè)量?jī)x

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于圖像處理技術(shù)和激光標(biāo)定的非接觸式物體大小圖像測(cè)量?jī)x W及利用該設(shè)備進(jìn)行物體大小及距離測(cè)量的方法，屬于數(shù)字圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 物體大小與相互之間的距離測(cè)量在工業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)、電力系統(tǒng)維護(hù)、水利工程測(cè)量、 文物考古測(cè)量、野生動(dòng)植物保護(hù)等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)領(lǐng)域，需要測(cè) 量零件、模具等產(chǎn)品的尺寸大小是否符合標(biāo)準(zhǔn)，剔除不符合標(biāo)準(zhǔn)的次品；在電力系統(tǒng)維護(hù)領(lǐng) 域，通過(guò)測(cè)定導(dǎo)線及周邊樹竹、各種架空線路、其它建筑物間的凈空距離，能夠及時(shí)了解和 掌握線路運(yùn)行環(huán)境是否有危及線路安全運(yùn)行的隱患，對(duì)全面消除電力系統(tǒng)安全隱患具有重 要意義；在水利工程測(cè)量領(lǐng)域，需要進(jìn)行大量的距離測(cè)量、面積測(cè)算、縱斷面測(cè)量、橫斷面測(cè) 量，該些測(cè)量對(duì)于大巧、橋梁等水利設(shè)施的建設(shè)和維護(hù)具有重要作用；在文物考古測(cè)量中， 通過(guò)對(duì)當(dāng)前存在的地物、地貌進(jìn)行實(shí)地大小勘測(cè)，盡量恢復(fù)古代人的生存空間，可W為進(jìn)一 步的研究古人類曾生活過(guò)的地理環(huán)境提供重要支持；在野生動(dòng)植物保護(hù)領(lǐng)域中，連續(xù)觀測(cè) 野生動(dòng)物的生長(zhǎng)大小有助于評(píng)估野生動(dòng)物保護(hù)和自然保護(hù)區(qū)工程建設(shè)成效，為有效保護(hù)和 合理利用野生動(dòng)物資源提供可靠的決策依據(jù)。
[0003] 對(duì)物體大小與距離測(cè)量，有接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N。在工業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)中， 目前主要是采用千分尺、游標(biāo)卡尺對(duì)產(chǎn)品尺寸大小進(jìn)行接觸式測(cè)量；電力線路距離測(cè)量、水 利工程測(cè)量、文物考古測(cè)量除了采用繩索進(jìn)行接觸式測(cè)量，往往還可W由目測(cè)、全站儀及激 光測(cè)距儀進(jìn)行非接觸式測(cè)量。對(duì)于野生動(dòng)物保護(hù)，大象等溫順動(dòng)物的大小可采用接觸式測(cè) 量，但大型貓科動(dòng)物如老虎、獅子、豹子等由于其性情兇猛，需要采用非接觸式測(cè)量，目前尚 缺乏較精確的便于攜帶和快速布置的非接觸式測(cè)量?jī)x器。非接觸式測(cè)量中，目測(cè)完全依靠 人的經(jīng)驗(yàn)，視覺誤差在所難免；全站儀是集水平角、垂直角、距離（斜距、平距）、高差測(cè)量功 能于一體的測(cè)繪儀器系統(tǒng)，測(cè)量較為精確，但系統(tǒng)較為復(fù)雜，不便隨身攜帶和快速布置，難 W實(shí)現(xiàn)隨行測(cè)量，價(jià)格普遍也較為昂貴。
[0004] 激光測(cè)距是隨著激光技術(shù)的出現(xiàn)而發(fā)展起來(lái)的一種精密測(cè)量技術(shù)，其原理是利用 脈沖激光器向目標(biāo)發(fā)射單次激光脈沖，測(cè)量激光脈沖到目標(biāo)的往返時(shí)間或測(cè)量發(fā)射和回收 光波的相位差，由此計(jì)算出目標(biāo)距離。因其測(cè)程遠(yuǎn)、測(cè)量精確度高、便于攜帶等特性而廣泛 應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。近幾年來(lái)，隨著激光測(cè)距儀價(jià)格不斷下調(diào)，電力等行業(yè)也逐漸開 始使用激光測(cè)距儀進(jìn)行距離測(cè)量，例如采用新型的800VR激光測(cè)距儀進(jìn)行斜距測(cè)量、高差 測(cè)量和俯仰角度的測(cè)量（不是水平面內(nèi)角度的測(cè)量）。然而，受到激光測(cè)距工作原理的限 審IJ，普通的一維及二維激光測(cè)距儀雖然可測(cè)量與垂直方向相關(guān)的斜距、高差及物體至儀器 的距離，難W測(cè)量物體之間的水平距離及物體的面積大小。同時(shí)，為盡可能地不漏測(cè)，操 作人員需要精屯、設(shè)計(jì)測(cè)量方案并選取記錄盡可能多的距離觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)工作人員的要求很 高，計(jì)算繁瑣，相當(dāng)耗費(fèi)人力，測(cè)量效率低下。采用=維激光測(cè)距儀可W解決測(cè)量距離的全 覆蓋問題，然而，=維激光測(cè)距儀（如瑞±妹卡=維建模系統(tǒng)，我國(guó)清華大學(xué)自主研發(fā)的 TH-3DLCS-2001 S維成像掃描儀）價(jià)格非常昂貴，難W大規(guī)模推廣應(yīng)用。
[0005] 另外，隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的逐漸成熟和計(jì)算機(jī)軟硬件的不斷進(jìn)步，基于光學(xué) 成像設(shè)備和圖像處理技術(shù)的機(jī)器視覺測(cè)量得到了應(yīng)用。計(jì)算機(jī)硬件的快速低廉和圖像處理 軟件的先進(jìn)性使得該方法具有自動(dòng)化程度高、實(shí)時(shí)性好、成本較低的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)器視覺測(cè)量直 接測(cè)得的大小或距離是像素?cái)?shù)目，為了獲取實(shí)際的大小或距離，需要進(jìn)行圖像像素的標(biāo)定。 工業(yè)生產(chǎn)中常采用標(biāo)準(zhǔn)量塊標(biāo)定或者標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格平面標(biāo)定法，然而，上述標(biāo)定方法均要求相 機(jī)位置及焦距固定，無(wú)法適用于電力線路巡檢、水利工程測(cè)量、野生動(dòng)物測(cè)量等野外移動(dòng)作 業(yè)，需要合適的標(biāo)定方法。同時(shí)，機(jī)器視覺測(cè)量方法中物體大小和距離的計(jì)算需要準(zhǔn)確檢測(cè) 物體的邊緣，受到天氣、光照等的影響，野外作業(yè)采集得到的圖像難免存在噪聲強(qiáng)、對(duì)比度 低等問題，給物體的邊緣檢測(cè)造成困難，進(jìn)而影響最終測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
[0006] 綜上可知，電力系統(tǒng)維護(hù)、水利工程測(cè)量、文物考古測(cè)量、野生動(dòng)物保護(hù)等領(lǐng)域迫 切需要一種便于野外隨行測(cè)量的非接觸式物體大小及距離圖像測(cè)量?jī)x，該測(cè)量?jī)x應(yīng)便于攜 帶和布置，且測(cè)量效率較高、測(cè)量結(jié)果較為準(zhǔn)確。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是；在電力系統(tǒng)維護(hù)、水利工程測(cè)量、文物考古測(cè)量、 野生動(dòng)植物保護(hù)等領(lǐng)域，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)物體大小及距離進(jìn)行快速、準(zhǔn)確測(cè)量，提高現(xiàn)有非接觸 式測(cè)量系統(tǒng)的便捷性和準(zhǔn)確性。
[000引為解決上述技術(shù)問題，提供了一種非接觸式物體大小及距離圖像測(cè)量?jī)x，其特征 在于；激光光源、可變焦距鏡頭位于儀器封裝外殼的前面板，CCD圖像傳感器、DSP圖像處理 板卡、電源模塊固定于儀器封裝外殼的內(nèi)部，微型觸摸顯示器、控制面板固定于儀器封裝外 殼的后面板；可變焦距鏡頭旋于CCD圖像傳感器上，CCD圖像傳感器和用于圖像處理的DSP 圖像處理板卡的視頻輸入端子相連，DSP圖像處理板卡的視頻輸出端子和微型觸摸顯示器 的視頻輸入端相連，微型觸摸顯示器的觸模輸出端和DSP圖像處理板卡的輸入串口端相 連。
[0009] 前述的非接觸式物體大小及距離圖像測(cè)量?jī)x，其特征在于；激光光源直接與電源 模塊相連。
[0010] 前述的非接觸式物體大小及距離圖像測(cè)量?jī)x，其特征在于；由激光光源對(duì)采集得 到的圖像像素大小進(jìn)行標(biāo)定，激光光源可靈活配置為1個(gè)或2個(gè)。
[0011] 非接觸式物體大小及距離圖像測(cè)量?jī)x的測(cè)量方法，其特征在于，包括W下步驟：
[0012] 1)通過(guò)控制面板開啟設(shè)備電源；
[0013] 2)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)可變焦距鏡頭對(duì)準(zhǔn)待測(cè)目標(biāo)，按下控制面板的拍攝鍵，接收到觸發(fā)信 號(hào)的DSP圖像處理板卡獲取CCD相機(jī)當(dāng)前所拍攝的一帖圖像；
[0014] 3)DSP圖像處理板卡對(duì)獲取得到的圖像進(jìn)行去噪增強(qiáng)、插值超分辨處理，再將預(yù)處 理后的圖像輸出到微型顯示器上進(jìn)行顯示；
[0015] 4)進(jìn)行光斑檢測(cè)與像素標(biāo)定；
[0016] 5)物體選擇、分割與測(cè)量；
[0017] 6)任意兩點(diǎn)距離測(cè)量；
[0018] 7)將測(cè)量結(jié)果送微型顯示器進(jìn)行標(biāo)注顯示。
[0019] 前述的非接觸式物體大小及距離圖像測(cè)量?jī)x的測(cè)量方法，其特征在于，在所述步 驟3)中，為了提高測(cè)量精度，對(duì)獲取得到的圖像進(jìn)行去噪增強(qiáng)、插值超分辨處理的步驟如 下：
[0020] 31)對(duì)待處理圖像進(jìn)行快速曲波分解，得到低頻子帶和各高頻子帶；
[0021] 32)對(duì)低頻子帶采用同態(tài)濾波處理去除照度不均，對(duì)各高頻子帶采用硬闊值去除 噪聲.
[0022] 33)對(duì)低頻子帶及各高頻子帶進(jìn)行雙立方插值W提高像素分辨率；
[0023] 34)對(duì)處理后的低頻子帶及各高頻子帶進(jìn)行快速曲波重構(gòu)，得到高分辨率、清晰的 重建圖像。
[0024] 前述的非接觸式物體大小及距離圖像測(cè)量?jī)x的測(cè)量方法，其特征在于，在所述步 驟4)中，為得到完整的圓形光斑，避免光斑殘缺帶來(lái)的測(cè)量誤差，光斑檢測(cè)包含光斑分割、 圓形度判定、圓形擬合與圓屯、定位處理，步驟如下：
[0025] 411)采用最大類間方差法對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行闊值分割，得到光斑二值圖像； 提取光斑邊緣，得到光斑邊緣點(diǎn)集合；
[0026] 412)判斷光斑連通域個(gè)數(shù)，對(duì)于檢測(cè)得到的每個(gè)光斑，計(jì)算光斑二值圖像中光斑 部分的像素坐標(biāo)均值W獲取該光斑形屯、點(diǎn)坐標(biāo)，假設(shè)S代表代表檢測(cè)得到的任一光斑的所 有的點(diǎn)的坐標(biāo)集合，N代表S中元素個(gè)數(shù)，（x,，y,)代表該光斑中任意一點(diǎn)的坐標(biāo)，（Xp，yp)代 表該光斑的形屯、點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算如下：
[0027]

【權(quán)利要求】
1. 一種非接觸式物體大小及距離圖像測(cè)量?jī)x，其特征在于：激光光源、可變焦距鏡頭 位于儀器封裝外殼的前面板，CCD圖像傳感器、DSP圖像處理板卡、電源模塊固定于儀器封 裝外殼的內(nèi)部，微型觸摸顯示器、控制面板固定于儀器封裝外殼的后面板；可變焦距鏡頭旋 于C⑶圖像傳感器上，C⑶圖像傳感器和用于圖像處理的DSP圖像處理板卡的視頻輸入端 子相連，DSP圖像處理板卡的視頻輸出端子和微型觸摸顯示器的視頻輸入端相連，微型觸摸 顯示器的觸模輸出端和DSP圖像處理板卡的輸入串口端相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式物體大小及距離圖像測(cè)量?jī)x，其特征在于：激光光 源直接與電源模塊相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式物體大小及距離圖像測(cè)量?jī)x，其特征在于：激光光 源配置為1個(gè)或2個(gè)。
4. 非接觸式物體大小及距離圖像測(cè)量?jī)x的測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 通過(guò)控制面板開啟設(shè)備電源； 2) 手動(dòng)旋轉(zhuǎn)可變焦距鏡頭對(duì)準(zhǔn)待測(cè)目標(biāo)，按下控制面板的拍攝鍵，接收到觸發(fā)信號(hào)的 DSP圖像處理板卡獲取CCD相機(jī)當(dāng)前所拍攝的一幀圖像； 3)DSP圖像處理板卡對(duì)獲取得到的圖像進(jìn)行去噪增強(qiáng)、插值超分辨處理，再將預(yù)處理后 的圖像輸出到微型顯示器上進(jìn)行顯示； 4) 進(jìn)行光斑檢測(cè)與像素標(biāo)定； 5) 物體選擇、分割與測(cè)量； 6) 任意兩點(diǎn)距離測(cè)量； 7) 將測(cè)量結(jié)果送微型顯示器進(jìn)行標(biāo)注顯示。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的非接觸式物體大小及距離圖像測(cè)量?jī)x的測(cè)量方法，其特征在 于：在所述步驟3)中，對(duì)獲取得到的圖像進(jìn)行去噪增強(qiáng)、插值超分辨處理，步驟如下： 31) 對(duì)待處理圖像進(jìn)行快速曲波分解，得到低頻子帶和各高頻子帶； 32) 對(duì)低頻子帶采用同態(tài)濾波處理去除照度不均，對(duì)各高頻子帶采用硬閾值去除噪 聲； 33) 對(duì)低頻子帶及各高頻子帶進(jìn)行雙立方插值以提高像素分辨率； 34) 對(duì)處理后的低頻子帶及各高頻子帶進(jìn)行快速曲波重構(gòu)，得到高分辨率、清晰的重建 圖像。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的非接觸式物體大小及距離圖像測(cè)量?jī)x的測(cè)量方法，其特征在 于，在所述步驟4)中，光斑檢測(cè)包含光斑分割、圓形度判定、圓形擬合與圓心定位處理，步 驟如下： 411) 采用最大類間方差法對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行閾值分割，得到光斑二值圖像；提取 光斑邊緣，得到光斑邊緣點(diǎn)集合； 412) 判斷光斑連通域個(gè)數(shù)，對(duì)于檢測(cè)得到的每個(gè)光斑，計(jì)算光斑二值圖像中光斑部分 的像素坐標(biāo)均值以獲取該光斑形心點(diǎn)坐標(biāo)，假設(shè)S代表代表檢測(cè)得到的任一光斑的所有的 點(diǎn)的坐標(biāo)集合，N代表S中元素個(gè)數(shù)，（xs，ys)代表該光斑中任意一點(diǎn)的坐標(biāo)，（Xp，yp)代表 該光斑的形心點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算如下：
以形心點(diǎn)為圓心求取光斑的最小內(nèi)切圓半SRmin和最大外接圓半徑Rmax，假設(shè)E代表該 光斑的所有邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)集合，T代表E中元素個(gè)數(shù)，（xe，5〇代表其中任意一個(gè)光斑邊緣 點(diǎn)的坐標(biāo)，min、max分別代表取集合的最小值和最大值運(yùn)算，則Rmil^PRmax的計(jì)算如下：
計(jì)算光斑圓形度P的值，光斑圓形度P為兩個(gè)半徑長(zhǎng)度的比值，計(jì)算如下：P=H ⑷ 413) 若光斑圓形度P彡0. 9,圓形度好，圓心坐標(biāo)（X。，y。）和半徑大小R的計(jì)算如下： (xc,yc) = (xp,yp) (5) R = (Rmin+Rmax) /2 (6) 414) 若光斑圓形度P<0.9,對(duì)光斑進(jìn)行圓形擬合和圓心定位處理，假設(shè)E代表檢測(cè) 得到的該光斑的所有邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)集合，T代表E中元素個(gè)數(shù)，（Xej,yj代表其中任意一個(gè)光 斑邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)，（Xc;，y。）代表擬合得到的圓形的圓心坐標(biāo)，R代表擬合得到的圓形的半徑 大小，給定任意的非負(fù)整數(shù)m、n，光斑邊緣點(diǎn)坐標(biāo)的m-n次方均值參數(shù);^T7由下式定義：
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的非接觸式物體大小及距離圖像測(cè)量?jī)x的測(cè)量方法，其特征在 于：在所述步驟4)中，采用單個(gè)激光光源時(shí)，儀器像素標(biāo)定算法如下： 421a)計(jì)算擬合后得到的圓形光斑區(qū)域的像素個(gè)數(shù)，記為P，像素個(gè)數(shù)P的計(jì)算如下： P= 31R2 (11) 421b)由于光斑實(shí)際面積已知，設(shè)為\，則單個(gè)像素面積As、單個(gè)像素距離比的計(jì)算如 下：
采用雙激光光源時(shí)，儀器像素標(biāo)定算法如下： 422a)記測(cè)量步驟4)中光斑檢測(cè)得到的兩個(gè)光斑的圓心坐標(biāo)分別為（Xc;1，yj，（Xc;2，yc2)； 422b)由于兩個(gè)激光光源中心的距離已知，設(shè)為隊(duì)，則單個(gè)像素面積As、單個(gè)像素距離 Ds的計(jì)算如下：
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的非接觸式物體大小及距離圖像測(cè)量?jī)x的測(cè)量方法，其特征在 于，在所述步驟5)中，物體大小計(jì)算如下： 511) 用戶在觸摸屏上點(diǎn)出四個(gè)點(diǎn)，四個(gè)點(diǎn)組成的矩形給出待測(cè)量物體的輪廓區(qū)域范 圍； 512) 在輪廓區(qū)域范圍的基礎(chǔ)上，采用局部閾值分割算法，得到待測(cè)量物體的完整分 割； 513) 統(tǒng)計(jì)物體輪廓內(nèi)部的像素總個(gè)數(shù)，記為M; 514) 由于單個(gè)像素面積為As已標(biāo)定，則物體大小A。的計(jì)算如下： A0=MXAs (16) 兩物體之間的中心距離計(jì)算如下： 521) 分別計(jì)算兩物體的中心，記為（Xtjl,y。）、（X&，yj，（X&，y。）、（X&，yj分別為兩 物體區(qū)域內(nèi)的像素位置的平均值； 522) 由于單個(gè)像素距離Ds已標(biāo)定，則兩物體之間的中心距離D。計(jì)算如下：
523) 假設(shè)EpE2*別代表兩個(gè)物體各自邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)集合，（xel，yj、（xe2，yj分別代 表兩物體中任意一個(gè)邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)，兩物體之間的最近距離〇_計(jì)算如下：
9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的非接觸式物體大小及距離圖像測(cè)量?jī)x的測(cè)量方法，其特征在 于，在所述步驟6)中，任意兩點(diǎn)的距離計(jì)算如下： 61) 用戶在觸摸屏上選定兩點(diǎn)，設(shè)其坐標(biāo)分別為（Xl，yi)、（x2，y2); 62) 由于單個(gè)像素距離Ds已標(biāo)定，則任意兩點(diǎn)的距離D5計(jì)算如下：
【文檔編號(hào)】G01B11/00GK104501720SQ201410814206
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月24日
【發(fā)明者】霍冠英, 李慶武 申請(qǐng)人:河海大學(xué)常州校區(qū)