一种基于灰度向量匹配的平面绝对位移测量方法

1、第 22 卷第 5 期机电产品开发与创新Vol22,No5测试与年控制月Development Innovation of Machinery Electrical ProductsSep,20092009 9文章编号： 10026673 （2009） 0512603一种基于灰度向量匹配的平面绝对位移测量方法孙晓飞， 赫东锋， 方舟， 张君安（西安工业大学 机电工程学院， 陕西 西安710032）摘要： 对于平面位移的测量， 传统方法需要采用特殊机构将其分解为两个线性位移和一个角位移分别测量， 因而测量系统复杂。 随着数字图像处理技术的不断发展， 采用该技术进行位移的测量已经成为现代测量技术发

2、展的新方向。 本文提出了一种新的基于图像处理的平面位移测量方法。 该方法采用事先通过标定的图像， 对自然标志 （特征点） 的提取和基于灰度向量匹配来完成绝对位移的测量。 最后经实验验证了该原理的可行性。关键词： 绝对位移测量； 数字图像处理； 特征点提取； 灰度向量匹配中图分类号： TM93文献标识码： Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2009.05.0520 引言平面位移的测量在工业生产和科学研究中有着广泛的应用， 如各类仪器工作台的精确定位。 随着计算机图形图像学、 计算机视觉等相关技术的发展， 数字图像处理技术逐渐被应用于测量领域 1 ， 当前在产品分级分类、

3、 缺陷检测、 形状与尺寸的非接触测量、 产品外观质量检测等领域获得了广泛的应用。 数字图像用于平面位移的测量还比较少见。 文献2，3采用了数字图像特征区域匹配的方法测量平面位移， 由于存在误差累积， 它的测量误差较大。 为了避免误差累积， 文献4采用基于人工标志的数字图像绝对位移测量方法， 该方法虽然避免了误差累积， 但是人工标志加工制作的难度高。 文献5采用基于模板匹配的绝对位移测量方法， 虽然克服了误差累积和人工标志加工难的问题， 但是该方法是逐像素搜索， 算法效率比较低。为了克服以上缺点， 我们利用花岗岩本身的特征，首先通过特征点提取， 然后根据每个特征点的灰度向量进行点的匹配来寻找匹配

4、点对， 最后利用欧式距离实现平面位移的绝对测量。1 测量原理基 于点的灰度向量匹配的绝对位移测量， 采用如图1（a）所示的实验装置来拍摄花岗岩图片进行研究 ， 测量原理如图 1（b）所示。 对于平面位移测量可以用公式表示如下：xx 标x; y=y 标y（1）xpx; y= py（2）其中： p 是标定的像素距离 ； x、 y 是匹配点与图像中心的最小像素距离 ； x、 y是匹配点与图像中心的实际距离 ； x 标 、 y 标 是标定的图片的绝对坐标 ；x、 y 是镜头相对于坐标原点的位移。（a） 实验装置示意图（b） 原理示意图图 1 测量原理及实验装置示意图在本测量原理中包含了四个关键问题，

5、即工作台标定问题、 特征点提取问题和点的灰度向量匹配问题及最后测量的问题。1.1 工作台标定标定工作台的目的主要是获得特征点所在图片的绝对标定坐标， 然后把所有包含已标定特征点的图片拼接起来， 这样整个工作台就标定完成， 标定方法如图 2 所示。1.2 特征点提取收稿日期： 20090720特征点是图片最基本的特征， 它是指那些灰度信号在二维方向上都有明显变化的点， 如角点、 圆点等。 特基金项目： 陕西省教育厅产业化培育项目（04JC11）征点可以应用于诸如图像的配准与匹配， 目标描述与识作者简介： 孙晓飞（1983-）， 硕士研究生。 研究方向： 精密与别 ， 光束计算 ， 运动目标跟踪

6、、 识别和立体像对 3D 建超精密加工。126测试与控制过图像处理中的距离测度， 找出匹配点中像素距离最小者作为 x 和 y， 然后由式（1）、（2） 求出 x 方向和 y 方向的实际距离。 即可求出工作台的位移图 2工作台标定量。 测量过程流模等众多领域。 使用点特征进行处理， 可以减少参与计 程如图 3 所示。 图 3 测量流程图算的数据量， 同时又不损害图像的重要灰度信息， 在匹配运算中能够较大的提高匹配速度， 因而受到人们的关注。 在本文中点特征我们选取角点。对于角点的提取， 我们采用 Harris 角点检测算子6。Harris 角点检测是一种直接基于灰度图像的角点提取算法。 算子通过

7、计算像素所在位置的梯度检测角点， 如果像素所在位置有两个方向梯度的绝对值都比较大， 则判定该像素位置为角点 。 Harris 角点检测算子较其它算子的优点是： 计算简单、 提取的点特征均匀而且合理、 可（a） 点的灰度向量匹配原理示意图（b） 点的灰度向量匹配流程图以定量的提取特征点、 稳定。1.3 基于灰度向量的匹配图 4 点的灰度向量匹配原理与流程图根据表 1 所示像素点 8 邻域空间位置， 对每个象素2 实验结果点其位置编号定义为:为了验证该方法的可靠性， 我们通过图 1（a）所示的Pos P(i-1，j-1) =0；Pos P(i-1，j) =1；Pos P(i-1, j+1)实验装置

8、来进行实验。标定的像素当量 p 为 0.0026mm,=2；Pos P(i, j-1) =3；PosP(i, j+1)=4；PosP(i+1，j-1)=5；部分实验数据以及计算数据如表 2 所示。PosP(i-1, j)=6；Pos P(i-1，j+1) =7；对每个象素点 P( i , j)其中（x 标 ，y 标 ）是标定时由光栅读取的； （x，y）是,其 8 邻域灰度向量定义为：经点模式匹配后由计算得到对应的标定图片中心到匹配v（i , j）= f0, f1, f2, f3, f4, f5, f6, f7 T（3）成功的实时图像中的像素数 ； （x，y）是由式 （1）、（2）得到其中 fi

9、 是以象素点 P（i, j）为中心的处于第 i 位置上的 ； （X 理 ，Y 理 ） 是由光栅读取的实时图像的理想位置 ；的邻象素点的灰度值。（X， Y）是由（x,y）及（X 理 ，Y 理 ）对应相减求出的误差值。在本文中我们提取特征点之后， 通过点的灰度向量由上述实验数据表我们可以看出 ： x 方向的误差表 1 像素点 8 邻域空间位置匹配找到实时图片与各标定图片中P(i-1，j-1)P(i-1，j)P(i-1,j+1)表 2部分实验数据以及计算数据匹配点对的数P(i，j-1)P(i，j)P(i，j+1)绝对坐标像素数理想值计算值 （x,y）误差值P(i+1，j-1)P(i+1，j)P(i+

10、1，j+1)量， 从这些数（X 标 ， Y 标 ）（x， y）（X 理 ， Y 理 ）(X， Y)目中找出最大值， 该最大值所对应的那张标定（0.298,0.301）（-30,-22）（0.219,0.243）（0.22,0.2438）（0.001,0.0008）图片就是与实时图片最为相似的， 此时我们便（0.606,0.301）（-23,-14）（0.547,0.267）（0.5462,0.2646）（-0.0008,-0.0024）（0.905,0.301）（23,36）（0.963,0.393）（0.9648,0.3946）（0.0018,0.0016）完成图片的粗定位。 本文基于点的灰

11、度向量匹（1.218,0.301）（1,-1）（1.22,0.301）（1.221,0.2984）（0.001,-0.0026）配原理及算法流程如图 4 所示。（1.514,0.301）（-9,-29）（1.493,0.224）（1.221,0.2984）（-0.0024,0.0016）1.4 测量过程（1.812,0.301）（-43,-44）（1.702,0.184）（1.7002,0.1872）（-0.0018,0.0032）在具体测量时， 首先将被测平面与摄像机（0.301,0.601）（-43,-37）（0.184,0.5）（0.1892,0.5037）（0.0052,0.0037）

12、分别与动静平台相连接。 当动静平台相对运动（0.611,0.601）（-16,-27）（0.569,0.532）（0.5694,0.5038）（0.0004,-0.0012）时， 完成实时图像与标定图像完成点模式匹配 ，范围为： -0.0042-0.0052 mm， y 方向的误差范围为：然后可查表确定标定图像的具体坐标值 X 标 和 Y 标 ， 通-0.0036-0.004mm。127测试与控制3 结论通过计算机视觉技术， 采用自然标志 （ 特征点），实现了平面绝对位移的测量。 实验表明该测量方法可以实现中等测量精度下平面绝对位移参数的一次测量， 相比传统测量方法， 极大的简化了测量装置。

13、该测量方法今后需要在特征点提取和匹配方式上进一步优化。参考文献：1 贺秋伟. 基于计算机视觉的微小尺寸精密检测理论与技术研究D.长春：吉林大学，2007.2 方舟. 基于数字图像的平面位移测量技术研究D. 西安 ：西安工业大学，2005.3刘波.图像特征区域质心位移的检测J.西安工业学院学报,2002，2.4 董三锋.基于数字图像的平面位移测量技术研究D.西安：西安工业大学硕士论文，2008.5 刘佳 ，赫东锋 ，方舟,等.一种基于模板匹配的绝对位移测量方法J.机械工程师,2008,12.6 张春森.基于点特征匹配的 SUSAN,Harris 算子比较J.西安科技大学学报,2007，27.A

14、Method of the Measurement on Plane Absolute Displacement Based on Gray Vector MatchingSUN Xiao-Fei， HE Dong-Feng， FANG Zhou， ZHANG Jun-An（School of Mechatronic Engineering， Xian Technological University， Xian Shaanxi 710032， China）Abstract: As for the measurement of the plane displacement, the tradi

15、tional methods need to decompose it to two linear and one angular displacement measuring by special device, which leads to complexity of the measurement system. With the development of digital image pro - cess, the measurement of displacement with the technology has became a new direction in the mod

16、ern technology of displacement measuring. A new method of plane absolute displacement measurement based on digital image process has been presented in this paper. By using cali - brated image， it can measure plane absolute displacement of worktable automatically via feature point extraction and gray

17、 vector matching. Finally, we can use the experiment to verify the feasibility of the principle.Key words: absolute displacement measurement； digital image process； feature point extraction； gray vector matching（上接第 118 页）实现了管道变形特征定量分析。5 结论（1） 基于一种管道内检测设备的设计和制造 ， 根据管道内检测设备性能要求， 完整的建立了管道特征模型， 为管道内检测设

18、备结构建模提供了理论依据。（2） 据管道特征模型， 提出了标准管线管内检测设备结构模型。（3） 建立了等径带挡条三通管内检测设备结构模型。（ 4） 通过双反扣弯道模型干涉检查及探测能力检查 ， 保证管内检测设备安全运行及探测性能。（5） 依据构建的管道内检测设备结构模型所实现的设备， 经工业现场验证表明具有很好的适应性， 并创造了国内外该种检测设备首发成功的纪录。（6） 本文的工作不仅对管道内检测装备的设计实现提供了理论基础， 同时对一般管道内检测装备的研究及实现具有工程实际指导意义。参考文献：1 金虹.漏磁检测技术在我国管道腐蚀检测上的应用和发展J.管道技术与装备,2003,1.2 罗富绪.

19、世界管道科技新概念-管道完整性管理J.石油管道报, 2004，4.3美国确保油田管道安全运行的综合检测装置EB /OL .http: / /05 /1029 /n31660. asp,2005-10-9.4 Tapanes E.Fibre Op tic Sensing Solutions for Real-time Pipeline In-tegrity Monitoring R.Australia: Futrue Fibre Technologies Pty.L td. 2003.5 黄松岭，赵伟.天然气管道缺陷检测器泻流装置J. 清华大学学报（自然科学版）, 20

20、08,1.6 成大先.机械设计手册M.化学工业出版社,2004.Structural Modeling and Realization of in Line Inspection Equipment for the PipelineHU Tie-Hua1， LIU HONG-Qi1， WANG Hua-Jun1， ZHANG Yong-Jiang2 (1.China Academy of Machinery Science， Beijing 100044， China； 2.China Petroleum Pipeline Detection Technology Company ， Langfang Hebei 065000， China）Abstract: The reliable provision of oil and natural gas is based on the safe operation of long range pipelines of oil and gas, and the in line in - spection of the pipeline is a major technical guarantee of its safety and integrity.