[发明专利]使用计算机摄像头测量微小二维位移的方法及装置

权利要求书

1.使用计算机摄像头测量微小二维位移的方法及装置，由计算机摄像头与一台普通的计算机组成，所述摄像头通过其USB接口连接到所述计算机，该计算机配置有USB接口、内存、CPU、硬盘、显示卡与显示器、键盘和鼠标、操作系统以及摄像头驱动程序，其特征在于，所述计算机系统还配置有摄像头拍摄及数字图像处理程序。

2.根据权利要求1所述的使用计算机摄像头测量微小二维位移的方法及装置，其特征在于，所述摄像头拍摄及数字图像处理程序提供了一种使用计算机摄像头测量物体微小二维位移的方法，包括下述程序：

1)操作计算机摄像头拍摄一帧被测物体的图像，以位图的格式保存，作为参考帧；根据具体摄像头的参数指标选择位图帧的大小M×N，M，N∈正整数，并尽可能选择拍摄速度较快的帧率；为所述位图对应的像素阵列选择一个直角坐标系；在所述像素阵列的中央区域开辟一个比较窗，大小取为m×n，m，n∈整数，选取合适的初始值：m₀×n₀，所述比较窗与所述像素阵列的水平方向和垂直方向的边缘像素分别距离h和v个像素，即有：m+2h＝M，n+2v＝N，h，v，m，n，M，N∈正整数；

2)计算所述参考帧里比较窗的像素阵列的自关联系数：

auto_correlation(a,b)=Σy=v+1v+1+nΣx=h+lh+1+m|reference(x,y)-reference(x+a,y+b)|]]>

式中，x和y分别是比较窗内像素的坐标，reference(x，y)表示参考帧内比较窗的各个像素的值，a＝-1，0，1，b＝-1，0，1，共产生9个自关联系数auto_correlation(a，b)；

如果这些自关联系数有半数以上的近似相等且趋于0，说明被拍摄物体的表面的结构特征不够精细，最邻近像素之间的值区分不开，不利于今后采用帧-帧匹配比较方法测量位移，需要扩大用于匹配比较的像素的区域，令m＝m₀+step，n＝n₀+step，step∈正整数，即扩大所述比较窗的范围各step行和step列，重新计算所述比较窗的自关联系数，如此重复进行，直到找到适合该物体表面质地特征的匹配用比较窗为止，这时，2h＝M-m，2v＝N-n；如果超出帧的一定的范围，还没有找到合适的比较窗，则认为该物体的这部分反射表面不适于本装置的测量工作，并给出提示警告；

如果这些自关联系数近似相等且趋于0的不到一半的数目，说明被拍摄物体的表面的结构特征足够精细，最邻近像素之间的值可以区分，可以进一步尝试选取较小的像素阵列，以减少计算工作量：令m＝m₀-step，n＝n₀-step，step∈正整数，即缩小所述比较窗的范围各step行和step列，重新计算比较窗的自关联系数，如此重复进行，直到目前区域的自关联系数近似相等且趋于0的不小于其一半的数目为止，这时找到了在目前的物体表面状况下可以用于进行匹配比较的最佳像素阵列：m＝m₀-step，n＝n₀-step，2h＝M-m，2v＝N-n；

3)经过一段时间Δt后拍摄第二帧位图，作为取样帧并保存；

4)把所述参考帧内比较窗里的像素阵列的值在所述取样帧范围里按照9×9关联算子阵列进行交叉匹配比较，具体算法是：

cross_correlation(a,b)=Σy=v+1v+1+nΣx=h+1h+1+m|reference(x,y)-comparison(x+a,y+b)|]]>

式中，reference(x，y)表示所述参考帧内比较窗的各个像素的值，comparison(x+a，y+b)表示所述取样帧内与所述参考帧比较窗可能发生的移动情况对应的位置的像素的值，所述参考帧共有81种可能发生的移动情况，对应a＝-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4和b＝-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4的组合，共产生81个交叉关联系数cross_correlation(a，b)；

5)值最小且趋于0的交叉关联系数cross_correlation(a，b)表示其帧-帧关联程度最高，因此获得所述取样帧相对所述参考帧移动的方向以及移动的幅度：Δx＝a，Δy＝b，此即本次取样周期里物体发生的相对位移矢量，测量过程中，物体总的相对位移矢量是：Δx₀＝Δx₀+Δx，Δy₀＝Δy₀+Δy，式中右边的(Δx₀，Δy₀)是物体以前累积的相对位移矢量；

6)根据上述位移矢量以及拍摄上述连续两帧之间的间隔时间Δt，获得物体位移的速度矢量Δv_x＝Δx/Δt，Δv_y＝Δy/Δt；

7)如果|Δx|≥m/2，或|Δy|≥n/2，m，n∈整数，即所述参考帧内比较窗发生的相对位移已经超出该比较窗的一半的幅度，这时，用最新的取样帧取代所述参考帧，其比较窗重新定位在新的参考帧的中央部位；如果|Δx₀|＜m/2&|Δy₀|＜n/2，不更新所述参考帧，而是把所述参考帧里的比较窗发生相对位移Δx＝-a，Δy＝-b；

8)如果更新了所述参考帧，仿程序2)计算所述更新后的参考帧的自关联系数，重新察看物体反射表面结构特征，重新决定其比较窗的最佳大小m×n；

9)所述参考帧内比较窗在所述取样帧范围里进行搜索匹配的上述交叉关联算子阵列根据本次测量值进行自动调整：如果|a|＜5&|b|＜5，改取为7×7，如果|a|＜3&|b|＜3，改取为5×5，否则仍然取为9×9关联算子阵列，以减少计算工作量；

10)拍摄新的一帧作为取样帧并保存；拍摄取样帧的帧-帧间隔时间最好快于或接近物体相对位移一个像素单位所花费的时间；

11)跳转到程序4)，继续计算交叉关联系数，获取相对位移矢量以及速度矢量；实际测量过程中，还可以进一步实施测量定标，籍此获得直接的测量结果。