基于图像测量技术的位移检测系统的设计

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1、第4期机电技术25基于图像测量技术的位移检测系统的设计王玮李艳芳徐晓翔陈文芗(厦门大学物理与机电工程学院，福建厦门361005)摘要：介绍一种基于图像测量技术的位移检测系统。系统由ADNS9500芯片上的COMS图像传感器采集被测物体表面图像信息，再经过内置的DSP处理器，对采集的图像进行匹配运算，输出数字位移信息，通过SPI通信传递给AVR单片机，由AVR单片机再处理并实时显示输出。为了提高COMS图像传感器与被测物体表面的距离，设置了外加激光源及光学透镜组件，使COMS图像传感器与被测物体表面的距离达到10～15cm

2、，并且得到较高的精度。系统能够很好的实现非接触测量的目的。关键词：非接触；ADNS9500；AVR单片机；位移检测中图分类号：TP391.41文献标识码：A文章编号：1672-4801(2012)04-025-03随着工业生产的发展，以非接触、高精度、片中位置的不同即体现了拍摄时间间隔内物体的高速度为特征的光电检测技术已成为检测技术发运动状态，包括运动方向和运动位移。展的主要方向。非接触测量具有高速、不接触、具体算法如下[2∼4]：不划伤被测物体表面等优点、非常适合柔软物体设前后两帧图像分别为、S，假定S为搜21的测量。

3、非接触测量主要有三种：超声波测量技索图，从S的中心提取5×5的子集T为模版图。术、激光测量技术和图像测量技术。本文选用图2如图1所示，将T叠放在搜索图S上平移，其覆像测量技术来实现非接触测量。在图像撷取模块1x,y中，常见的图像传感器分为CCD和CMOS两大盖下的图像称为S1的子图S1。类。与CCD产品相比，CMOS是标准工艺制程，可利用现有的半导体设备，不需额外的投资设备，且体积小、耗电量不到CCD的1/10，售价也比[1]CCD便宜。另外，CMOS传感器的最大优势，是它具有高度系统整合的条件。理论上，所有图像传感器所

4、需的功能，例如垂直位移、水平位移暂存器、时序控制、CDS、ADC等，都可集成在一颗晶片上。本文所设计的非接触测量系统，就是利用COMS图像传感器获得被测物体的图像信息，内图1图像匹配算法的示意图x,y定义搜索子图S和模版图T之间像素差值置的DSP完成图像匹配的算法，再经过AVR单1片机的数据处理，得到被测物体的实际位移信息，的平方和为相似度Dxy,，Dxy,的值越小，并实时显示。它可用于板材、纸张、布匹等材料相似程度越高，当Dxy,为“0”时图像完全匹的长度检测。配。Dxy,的表达式如下：551系统基本原

5、理及总体设计D(,)xy[SijTijxy,2(,)(,)](1)1ji111.1测量基本原理xy,x,y其中Sij(,)与Tij,分别是ST在(,)ij处的11被测物体在运动过程中，如果在固定位置安灰度值，i和j取值范围1,5≤≤。ij装一台高速摄像机(图像传感器)对其进行拍照，求解最佳匹配点问题可归结为搜索Dxy,采集一组随时间变化的图像，那么在拍摄间隔非最小值问题，计算过程为：1)设定一个相对大的常短的情况下，相邻时刻采集的前后两张图片中D，定义一个最佳匹配点坐标存储单元x,y；000必然存

6、在相同的图片信息。这些相同的信息在图2)从S左上角开始计算相似度Dxy,，并与D10作者简介：王玮(1987－)，男，硕士研究生，主要研究方向为电子技术研究及嵌入式系统开发。26机电技术2012年8月大小比较，若Dxy,≥D，进入下一扫描点执0行步骤(1)，若Dxy,≤D，则DDxy(,)，将00该点坐标值替换最佳匹配点坐标值x,y。将以00上步骤进行到右下角。完成图像匹配搜索后，将最佳匹配点坐标x,y与S中心坐标相比，即可002得到被测物运动方向及相对位移。1.2系统总体设计利用光源、透镜、图像传

7、感器组成的“摄像机”对运动物体连续不断地“拍照”，图像传感获取被测物体的表面信息形成成帧的图像，并将其传输图3COMS图像传感器内部结构框图给相应的DSP数据处理单元，DSP根据预先设定点状光线定位清晰、亮度高，稳定性和一致性好，的图像匹配算法完成图像匹配得到微小的采样间连续工作寿命大于5000h。能很好的适应本系统隔内被测物体的运动位移和方向。这些位移信息的要求。通过一定的通信方式传送给控制芯片，控制芯片本设计选用PC材料的光学透镜作为本系统对这些位移信息进行相应的数据处理，得到物体的光学透镜。虽然光学PC材料的透光率

8、比光学真实的位移数据后，再把这些信息显示出来。系玻璃稍低，但其性价比较高，在一般的不太恶劣统总体结构示意图如图2所示。的工业环境中都能应用。图像传感器数字处理器控制器2)控制模块的设计在控制模块的设计中，主控芯片采用AVR系光学透镜组件列单片机ATmega16。这款芯片具备了AVR系列光源显示输出单片机的主要的特点和