非接觸式物體大小及距離圖像測量儀的制作方法
【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量儀，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。測量儀首先獲取待測量物體的圖像，然后對待處理的圖像進行去噪增強、插值超分辨處理，再進行光斑檢測與像素標定；用戶選定測量物體之后，系統(tǒng)對測量物體進行分割，然后計算物體大小和物體相互之間的距離；儀器同時可測量任意兩點之間的距離；測量結果最終送顯示器標注顯示。本發(fā)明的測量儀的激光光源配置靈活，像素標定簡易、物體大小及距離計算準確；制造難度低、便于攜帶、測量準確、測量效率高、適用范圍廣。
【專利說明】非接觸式物體大小及距離圖像測量儀

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種基于圖像處理技術和激光標定的非接觸式物體大小圖像測量儀 W及利用該設備進行物體大小及距離測量的方法，屬于數(shù)字圖像處理【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 物體大小與相互之間的距離測量在工業(yè)產(chǎn)品檢測、電力系統(tǒng)維護、水利工程測量、 文物考古測量、野生動植物保護等諸多領域有著廣泛的應用。在工業(yè)產(chǎn)品檢測領域，需要測 量零件、模具等產(chǎn)品的尺寸大小是否符合標準，剔除不符合標準的次品；在電力系統(tǒng)維護領 域，通過測定導線及周邊樹竹、各種架空線路、其它建筑物間的凈空距離，能夠及時了解和 掌握線路運行環(huán)境是否有危及線路安全運行的隱患，對全面消除電力系統(tǒng)安全隱患具有重 要意義；在水利工程測量領域，需要進行大量的距離測量、面積測算、縱斷面測量、橫斷面測 量，該些測量對于大巧、橋梁等水利設施的建設和維護具有重要作用；在文物考古測量中， 通過對當前存在的地物、地貌進行實地大小勘測，盡量恢復古代人的生存空間，可W為進一 步的研究古人類曾生活過的地理環(huán)境提供重要支持；在野生動植物保護領域中，連續(xù)觀測 野生動物的生長大小有助于評估野生動物保護和自然保護區(qū)工程建設成效，為有效保護和 合理利用野生動物資源提供可靠的決策依據(jù)。
[0003] 對物體大小與距離測量，有接觸式測量和非接觸式測量兩種。在工業(yè)產(chǎn)品檢測中， 目前主要是采用千分尺、游標卡尺對產(chǎn)品尺寸大小進行接觸式測量；電力線路距離測量、水 利工程測量、文物考古測量除了采用繩索進行接觸式測量，往往還可W由目測、全站儀及激 光測距儀進行非接觸式測量。對于野生動物保護，大象等溫順動物的大小可采用接觸式測 量，但大型貓科動物如老虎、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量儀器。非接觸式測量中，目測完全依靠 人的經(jīng)驗，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）、高差測量功 能于一體的測繪儀器系統(tǒng)，測量較為精確，但系統(tǒng)較為復雜，不便隨身攜帶和快速布置，難 W實現(xiàn)隨行測量，價格普遍也較為昂貴。
[0004] 激光測距是隨著激光技術的出現(xiàn)而發(fā)展起來的一種精密測量技術，其原理是利用 脈沖激光器向目標發(fā)射單次激光脈沖，測量激光脈沖到目標的往返時間或測量發(fā)射和回收 光波的相位差，由此計算出目標距離。因其測程遠、測量精確度高、便于攜帶等特性而廣泛 應用于軍事和民用領域。近幾年來，隨著激光測距儀價格不斷下調，電力等行業(yè)也逐漸開 始使用激光測距儀進行距離測量，例如采用新型的800VR激光測距儀進行斜距測量、高差 測量和俯仰角度的測量（不是水平面內角度的測量）。然而，受到激光測距工作原理的限 審IJ，普通的一維及二維激光測距儀雖然可測量與垂直方向相關的斜距、高差及物體至儀器 的距離，難W測量物體之間的水平距離及物體的面積大小。同時，為盡可能地不漏測，操 作人員需要精屯、設計測量方案并選取記錄盡可能多的距離觀測點，對工作人員的要求很 高，計算繁瑣，相當耗費人力，測量效率低下。采用=維激光測距儀可W解決測量距離的全 覆蓋問題，然而，=維激光測距儀（如瑞±妹卡=維建模系統(tǒng)，我國清華大學自主研發(fā)的 TH-3DLCS-2001 S維成像掃描儀）價格非常昂貴，難W大規(guī)模推廣應用。
[0005] 另外，隨著數(shù)字圖像處理技術的逐漸成熟和計算機軟硬件的不斷進步，基于光學 成像設備和圖像處理技術的機器視覺測量得到了應用。計算機硬件的快速低廉和圖像處理 軟件的先進性使得該方法具有自動化程度高、實時性好、成本較低的優(yōu)點。機器視覺測量直 接測得的大小或距離是像素數(shù)目，為了獲取實際的大小或距離，需要進行圖像像素的標定。 工業(yè)生產(chǎn)中常采用標準量塊標定或者標準網(wǎng)格平面標定法，然而，上述標定方法均要求相 機位置及焦距固定，無法適用于電力線路巡檢、水利工程測量、野生動物測量等野外移動作 業(yè)，需要合適的標定方法。同時，機器視覺測量方法中物體大小和距離的計算需要準確檢測 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、對比度 低等問題，給物體的邊緣檢測造成困難，進而影響最終測量結果的準確性。
[0006] 綜上可知，電力系統(tǒng)維護、水利工程測量、文物考古測量、野生動物保護等領域迫 切需要一種便于野外隨行測量的非接觸式物體大小及距離圖像測量儀，該測量儀應便于攜 帶和布置，且測量效率較高、測量結果較為準確。


【發(fā)明內容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術問題是；在電力系統(tǒng)維護、水利工程測量、文物考古測量、 野生動植物保護等領域，需要實現(xiàn)對物體大小及距離進行快速、準確測量，提高現(xiàn)有非接觸 式測量系統(tǒng)的便捷性和準確性。
[000引為解決上述技術問題，提供了一種非接觸式物體大小及距離圖像測量儀，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量儀，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量儀，其特征在于；由激光光源對采集得 到的圖像像素大小進行標定，激光光源可靈活配置為1個或2個。
[0011] 非接觸式物體大小及距離圖像測量儀的測量方法，其特征在于，包括W下步驟：
[0012] 1)通過控制面板開啟設備電源；
[0013] 2)手動旋轉可變焦距鏡頭對準待測目標，按下控制面板的拍攝鍵，接收到觸發(fā)信 號的DSP圖像處理板卡獲取CCD相機當前所拍攝的一帖圖像；
[0014] 3)DSP圖像處理板卡對獲取得到的圖像進行去噪增強、插值超分辨處理，再將預處 理后的圖像輸出到微型顯示器上進行顯示；
[0015] 4)進行光斑檢測與像素標定；
[0016] 5)物體選擇、分割與測量；
[0017] 6)任意兩點距離測量；
[0018] 7)將測量結果送微型顯示器進行標注顯示。
[0019] 前述的非接觸式物體大小及距離圖像測量儀的測量方法，其特征在于，在所述步 驟3)中，為了提高測量精度，對獲取得到的圖像進行去噪增強、插值超分辨處理的步驟如 下：
[0020] 31)對待處理圖像進行快速曲波分解，得到低頻子帶和各高頻子帶；
[0021] 32)對低頻子帶采用同態(tài)濾波處理去除照度不均，對各高頻子帶采用硬闊值去除 噪聲.
[0022] 33)對低頻子帶及各高頻子帶進行雙立方插值W提高像素分辨率；
[0023] 34)對處理后的低頻子帶及各高頻子帶進行快速曲波重構，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量儀的測量方法，其特征在于，在所述步 驟4)中，為得到完整的圓形光斑，避免光斑殘缺帶來的測量誤差，光斑檢測包含光斑分割、 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預處理后的圖像進行闊值分割，得到光斑二值圖像； 提取光斑邊緣，得到光斑邊緣點集合；
[0026] 412)判斷光斑連通域個數(shù)，對于檢測得到的每個光斑，計算光斑二值圖像中光斑 部分的像素坐標均值W獲取該光斑形屯、點坐標，假設S代表代表檢測得到的任一光斑的所 有的點的坐標集合，N代表S中元素個數(shù)，（x,，y,)代表該光斑中任意一點的坐標，（Xp，yp)代 表該光斑的形屯、點坐標，計算如下：
[0027]

【權利要求】
1. 一種非接觸式物體大小及距離圖像測量儀，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)權利要求1所述的非接觸式物體大小及距離圖像測量儀，其特征在于：激光光 源直接與電源模塊相連。
3. 根據(jù)權利要求1所述的非接觸式物體大小及距離圖像測量儀，其特征在于：激光光 源配置為1個或2個。
4. 非接觸式物體大小及距離圖像測量儀的測量方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 通過控制面板開啟設備電源； 2) 手動旋轉可變焦距鏡頭對準待測目標，按下控制面板的拍攝鍵，接收到觸發(fā)信號的 DSP圖像處理板卡獲取CCD相機當前所拍攝的一幀圖像； 3)DSP圖像處理板卡對獲取得到的圖像進行去噪增強、插值超分辨處理，再將預處理后 的圖像輸出到微型顯示器上進行顯示； 4) 進行光斑檢測與像素標定； 5) 物體選擇、分割與測量； 6) 任意兩點距離測量； 7) 將測量結果送微型顯示器進行標注顯示。
5. 根據(jù)權利要求4所述的非接觸式物體大小及距離圖像測量儀的測量方法，其特征在 于：在所述步驟3)中，對獲取得到的圖像進行去噪增強、插值超分辨處理，步驟如下： 31) 對待處理圖像進行快速曲波分解，得到低頻子帶和各高頻子帶； 32) 對低頻子帶采用同態(tài)濾波處理去除照度不均，對各高頻子帶采用硬閾值去除噪 聲； 33) 對低頻子帶及各高頻子帶進行雙立方插值以提高像素分辨率； 34) 對處理后的低頻子帶及各高頻子帶進行快速曲波重構，得到高分辨率、清晰的重建 圖像。
6. 根據(jù)權利要求4所述的非接觸式物體大小及距離圖像測量儀的測量方法，其特征在 于，在所述步驟4)中，光斑檢測包含光斑分割、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預處理后的圖像進行閾值分割，得到光斑二值圖像；提取 光斑邊緣，得到光斑邊緣點集合； 412) 判斷光斑連通域個數(shù)，對于檢測得到的每個光斑，計算光斑二值圖像中光斑部分 的像素坐標均值以獲取該光斑形心點坐標，假設S代表代表檢測得到的任一光斑的所有的 點的坐標集合，N代表S中元素個數(shù)，（xs，ys)代表該光斑中任意一點的坐標，（Xp，yp)代表 該光斑的形心點坐標，計算如下：
以形心點為圓心求取光斑的最小內切圓半SRmin和最大外接圓半徑Rmax，假設E代表該 光斑的所有邊緣點的坐標集合，T代表E中元素個數(shù)，（xe，5〇代表其中任意一個光斑邊緣 點的坐標，min、max分別代表取集合的最小值和最大值運算，則Rmil^PRmax的計算如下：
計算光斑圓形度P的值，光斑圓形度P為兩個半徑長度的比值，計算如下：P=H ⑷ 413) 若光斑圓形度P彡0. 9,圓形度好，圓心坐標（X。，y。）和半徑大小R的計算如下： (xc,yc) = (xp,yp) (5) R = (Rmin+Rmax) /2 (6) 414) 若光斑圓形度P<0.9,對光斑進行圓形擬合和圓心定位處理，假設E代表檢測 得到的該光斑的所有邊緣點的坐標集合，T代表E中元素個數(shù)，（Xej,yj代表其中任意一個光 斑邊緣點的坐標，（Xc;，y。）代表擬合得到的圓形的圓心坐標，R代表擬合得到的圓形的半徑 大小，給定任意的非負整數(shù)m、n，光斑邊緣點坐標的m-n次方均值參數(shù);^T7由下式定義：
7.根據(jù)權利要求4所述的非接觸式物體大小及距離圖像測量儀的測量方法，其特征在 于：在所述步驟4)中，采用單個激光光源時，儀器像素標定算法如下： 421a)計算擬合后得到的圓形光斑區(qū)域的像素個數(shù)，記為P，像素個數(shù)P的計算如下： P= 31R2 (11) 421b)由于光斑實際面積已知，設為\，則單個像素面積As、單個像素距離比的計算如 下：
采用雙激光光源時，儀器像素標定算法如下： 422a)記測量步驟4)中光斑檢測得到的兩個光斑的圓心坐標分別為（Xc;1，yj，（Xc;2，yc2)； 422b)由于兩個激光光源中心的距離已知，設為隊，則單個像素面積As、單個像素距離 Ds的計算如下：
8. 根據(jù)權利要求4所述的非接觸式物體大小及距離圖像測量儀的測量方法，其特征在 于，在所述步驟5)中，物體大小計算如下： 511) 用戶在觸摸屏上點出四個點，四個點組成的矩形給出待測量物體的輪廓區(qū)域范 圍； 512) 在輪廓區(qū)域范圍的基礎上，采用局部閾值分割算法，得到待測量物體的完整分 割； 513) 統(tǒng)計物體輪廓內部的像素總個數(shù)，記為M; 514) 由于單個像素面積為As已標定，則物體大小A。的計算如下： A0=MXAs (16) 兩物體之間的中心距離計算如下： 521) 分別計算兩物體的中心，記為（Xtjl,y。）、（X&，yj，（X&，y。）、（X&，yj分別為兩 物體區(qū)域內的像素位置的平均值； 522) 由于單個像素距離Ds已標定，則兩物體之間的中心距離D。計算如下：
523) 假設EpE2*別代表兩個物體各自邊緣點的坐標集合，（xel，yj、（xe2，yj分別代 表兩物體中任意一個邊緣點的坐標，兩物體之間的最近距離〇_計算如下：
9. 根據(jù)權利要求4所述的非接觸式物體大小及距離圖像測量儀的測量方法，其特征在 于，在所述步驟6)中，任意兩點的距離計算如下： 61) 用戶在觸摸屏上選定兩點，設其坐標分別為（Xl，yi)、（x2，y2); 62) 由于單個像素距離Ds已標定，則任意兩點的距離D5計算如下：
【文檔編號】G01B11/00GK104501720SQ201410814206
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月24日 優(yōu)先權日:2014年12月24日
【發(fā)明者】霍冠英, 李慶武 申請人:河海大學常州校區(qū)