[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

说明书

技术领域

本发明属于数字图像测量技术领域，特别是采用计算机摄像头测量物体的二维微小位移的方法及其装置。

背景技术

微电子技术的发展推动了摄像测量技术的进步。以“摄像”与“测量”为主题词，可以检索到国内发明专利25项，实用新型专利5项。例如，发明专利“一种摄像机空间三维位置姿态测量方法”(公开号：CN 1804541A，申请日：2006.7.19，北航大)提出的测量步骤是：1)标定阶段，设定合作目标；摄像机视野内，自由、非平行移动合作目标至少5个位置，每移动一个位置，拍摄一幅图像，称为摄像机标定图像；合作目标上的2个圆的透视投影图像为2个椭圆，以密集度即面积和周长平方的比值为描述特征，自动分割出标定图像中的2个椭圆，提取每一个位置的摄像机标定图像中2个椭圆的所有的8个公切点，求出不同公切点的连线交点，公切点和连线交点共21点，称为目标特征点；利用所有位置的目标特征点图像坐标及其对应的世界坐标标定摄像机内部参数，包括有效焦距和主点坐标。2)测量阶段：固定合作目标，移动摄像机，或者移动合作目标，固定摄像机，拍摄合作目标的图像，提取合作目标上的21个目标特征点的图像坐标并与其世界坐标对应；根据所建立的摄像机运动模型和透视投影模型，利用摄像机内部参数、目标特征点的图像坐标及对应的世界坐标，计算摄像机的三维空间位置姿态；连续测量摄像机在2个不同位置的三维位置姿态，计算出移动物体的线速度和角速度。由此可见，该发明的特点是：使用摄像机测量，需要合作目标，测量前需要进行一系列的标定工作。

再如，发明专利“三维地质体结构面信息的数字摄像测量及采集方法”(公开号：CN101029826A，申请日：2007.9.5，成都理工大)声称：以数字视频流作为测绘对象的信息载体，摒弃、减少了传统摄影测量所需的内外方位元的解算，在计算机上再建的计算机立体视觉环境中，通过对连续、动态的视频流参数-加载速度和帧位置的控制来实现物点的三维空间的位置解算，从而完成各种地质坡面上结构面的摄像测量、解译及编录工作。显然，该项发明采用视频摄像机，为了所需要的解译精度，需要考虑到视频流本身的分辨率，拍摄的视角和放大率等摄像光学因素。

又如，“一种长直轨道几何参数的摄像测量方法”(发明专利公开号：CN 101021417A；申请日：2007.3.21，国防科技大)是：在长直轨道上的线路检测车车头固定合作标志，在线路检测车前方安装摄像机，用摄像机拍摄随轨道起伏偏转而运动的合作标志在至少两个不同时刻的图像，通过图像处理获得所述轨道的几何参数，包括轨距、超高、纵偏和正矢中的至少一项。该项发明还提出，加装自适应光学设备，或用软件算法的形式作大气抖动修正，但未有进一步的说明。与此类似的还有：“检测公路路面平整度的摄像测量方法”(发明专利公开号：CN 101126638A，申请日：2008.2.20，国防科技大)，“替代铉线法的轨道几何参数摄像测量装置及方法”(发明专利公开号：CN 101264766A，申请日：2008.5.15，国防科技大)。这三种发明都使用(数字信号模式)摄像机，需要安装摄像用的合作标志；特别的是，虽然都采用了数字图像处理技术，但是均未进一步说明所采用的亚像素定位技术。

近几年，随着CCD和CMOS光电成像芯片的发展，计算机摄像头很快地得到普及，其核心是光电传感单元阵列，常见的分辨率有：QSIF(160*120)、QCIF(176*144)、SIF(320*240)、CIF(352*288)和VGA(640*480)等几种，拍摄的实际速度分别是：30fps(帧每秒)，30fps，20-26fps，20-26fps和10fps，其视频信号属于数字信号方式，以USB接口输出，具备了用于摄像测量的物理基础。相对于摄像机，计算机摄像头价格低廉，使用方便，一般用于网络视频聊天或监视拍摄工作；然而，尚未见到它被用于摄像测量方面的报道。

扫描仪与光电鼠标也具有一维或二维的光电传感器阵列芯片，其工作原理，特别是有关它们获取相对运动矢量的若干美国专利，为使用摄像头测量位移提供了有益的启迪。

例如，“Navigation technique for detecting movement of navigation sensorsrelative to anobject”(US 5,644,139，Jul.1，1997)讨论了四种扫描仪的特点，即：

1)鼓式。

2)平板(线性阵列传感器)式，适合扫描大至A4(8.5in×11in)的图面，有些达到A1的图面，采用主计算机作控制、存储以及管理图像。