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1、212011年6月机电技术基于像素差值的非接触位移测量技术研究李艳芳杨松徐欣歌陈文芗（厦门大学物理与机电工程学院，福建厦门361005）摘要：针对接触式位移测量系统中，由于存在磨损或打滑等原因造成精度降低的现象，利用图像传感器，通过比较前后两帧图像像素差值的方法设计了一种非接触式位移测量系统。着重分析了该系统的测量精度，指出了非接触式测量误差的主要来源，并给出解决方案。实验结果表明，该方法可在10cm垂直距离上测量位移，平均测量误差仅有0.208%。关键词：非接触式；位移测量；误差来源+中图分类号：TP212TP274.4文献标识码：A文章编号：167
2、2-4801(2011)03-021-03[4,5]在需要检测运动物体的动态位移的场合，传于灰度相关的匹配算法，并结合序贯相似[6,7]统的靠接触摩擦进行测量的方法会由于设备的磨性检测算法进行计算,进一步提高了匹配速损降低精度，同时测量速度太快或是测量物较光度，基本原理如下：[1，3]设前后两帧图像分别为滑时又会出现打滑的现象，严重制约了设备S、S，假定S为搜121[2]的测量速度和应用场合。为了解决这一问题，索图，从S的中心提取5×5的子集T为模版图。2提出非接触式位移测量的理念，采用图像传感器，如图2所示，将T叠放在搜索图S上平移，其覆1通过比较前
3、后两帧图像像素差值的方法实现非接x,y盖下的图像称为S的子图S。11触式运动位移的测量。为了验证非接触式测量的检测精度，寻找其测量误差的来源，本文在实现了非接触式测量系统的设计后，着重分析了其测量精度，发现这种测量方法中存在着一种系统误差，该误差是影响系统测量精度的最主要因素。然后通过分析该系统误差的产生规律找出了解决方案，使非接触式测量方法真正满足了高精度的测量要求。1非接触式位移测量原理图2图像匹配算法的示意图x,y定义搜索子图S和模版图T之间像素差值非接触位移测量系统由光源、图像传感器、1的平方和为相似度D(xy,)，D()xy,的值越小，DSP
4、数据处理等部分构成（如图1所示）。当被测物体以某一个速度移动时，图像传感器扑捉到的相似程度越高，当D(xy,)为零时图像完全匹配。相邻两帧图像之间会存在差异，对该差异进行分D(xy,)的表达式如下：析计算，就可得到被测物体移动距离。55xy,2D(,)xy=−∑∑[SijTij1(,)(,)](1)ji==11xy,x,y其中Sij(,)与Tij(,)分别是S、T在11(,)ij处的灰度值，i和j取值范围1,5≤≤ij。求解最佳匹配点问题可归结为搜索D(xy,)最小值问题，计算过程为：(1)设定一个相对大的D，定义一个最佳匹0配点坐标存储单元(x,y)
5、；00图1系统原理图(2)从S左上角开始计算相似度D(xy,)，两帧图像之间的差异可以通过图像匹配1并与D大小比较，若D(xy,)≥D，进入下一扫算法求得，本系统采用速度快、可靠性高的基00作者简介：李艳芳(1987-)，女，硕士研究生，主要研究方向：电子技术研究及嵌入式系统开发。22机电技术2011年6月描点执行步骤（1），若D()xy,≦D，则在反射过程中，前后两次扫描间隔内，待测0DDxy=(,)，将该点坐标值替换最佳匹配点坐标物面上物点从A移动到B，移动距离为L，反射0值()x,y。到透镜的像点对应的从A'移动到B'点，移动距00离为L'，根据
6、光学反射定律可得：将以上步骤进行到右下角。完成图像匹配搜L'+B'O'=O'O'+O'S(2)索后，将最佳匹配点坐标(x,y)与S中心坐标11002B'O'+O'O'=O'S(3)相比，即可得到被测物运动方向及相对位移。11联立（2）（3）式可得：L'=2O'O'=2L12误差分析及解决方案在聚焦过程中，像面上的A'、B'点经过凸利用上述测量系统，对相同测量高度下运动透镜聚焦在焦面上的A''、B''点，位移对应为物体进行了多次测量，测量结果表明，测量数据L''。显然，L'和L''之间的比例关系符合凸透镜具有很好的线性但存在重复性误差，且该误差随成像原理
7、，两者关系可用式（4）表示：着总位移的增加呈上升趋势。1L''=×L'(4)u−1fu为物距，f为透镜焦距，令u和f之比为K，图像传感器测得位移与实际位移关系为：12LLL''=='(5)KK−−11进而得：K−1LL==''αL''（α定义为比例系数）(6)2由于物距u与高度H直接相关，当不同测量历程中H出现偏差，必然导致了重复性差的结果。图3测量数据比较图1为了消除这个偏差，只需要在每次测量前对式（6）中的比例系数α进行一次标定即可。为清楚的显示出这一规律，图3给出了单步测按照上述分析结果，对算法进行改进，在单量距离为88cm，总长为100m的条件
8、下测得的重复步位移1.38m，测量高度10cm条件下,基于式（6）性误差最大的两组数据。从图中
