[发明专利]基于纵横转换放大光栅尺的图像处理方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及图像处理的技术领域，尤其涉及到基于纵横转换放大光栅尺的图像处理方法及其应用。

背景技术

在精密测量中，光栅尺作为重要的工具，利用光栅的光学原理，进行精密位移或角度测量。

现有光栅尺主要有增量式光栅尺和绝对式光栅尺两种，其中，增量式光栅尺利用等间距的刻线产生明暗相间的莫尔条纹，通过数条纹数量，对移动的距离进行计数。根据测量精度要求可以对条纹进行细分。然而，当分辨率高时，在高速运动时产生丢步。绝对光栅尺虽然不丢步，但是需要通过图像处理识别编码，速度慢。

申请人在先发明提出了一种纵横转换放大光栅尺，将宽度方向的细分转到长度方向，在保持相对光栅尺优势基础上，提高了分辨率。该发明建立在光栅尺基础上，通过虚拟斜线求交方法获得栅距间的相对位置。然而，现有的求交方法需要边缘检测、图像锐化等处理，计算量大。另一方面，由于制造过程出现的刻线不完整、破损及污点(如图3所示)；安装误差；长久使用过程中光栅尺的微量移动，造成栅线倾斜(如图5所示)等因素使精密测量产生一定的误差，降低了可靠性，同时在制造过程中丢弃部分不合格的产品，这些因素在一定程度上浪费资源，耗费人力对后期设备进行维护维修。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于纵横转换放大光栅尺的图像处理方法，该方法解决了在实际制造光栅尺的过程中由于操作、工艺、工具等因素造成的不良光栅尺的浪费，大大节省了资本；计算量小，速度快，利于提高生产效率；同时也解决了光栅尺在安装以及长期使用过程中造成的破损、污点、倾斜等现象给测量带来的误差。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于纵横转换放大光栅尺的图像处理方法，该方法包括以下步骤：

1)设定一个宽度与栅距成整数倍的固定图像区域，对光栅图像进行预处理，重构栅线；

2)在固定的图像区域上增加虚拟斜线，将栅距方向的细分转到栅线长度方向，通过斜线倾角调节放大倍数；

3)将斜线叠加后的像素矩阵按行求和，按最小值中位找出微量位移后重构栅线和虚拟斜线的交点o；

4)通过三角形的相似关系，获得交点o到两端点p、q的长度、光栅尺栅距w以及光栅尺读数头计数N的情况下，求得用像素个数表示的微量位移x以及整体位移S，S＝N×w+x。

特别地，本发明中所述的像素矩阵的行和列分别与光栅尺的长度和宽度方向一致。

进一步地，光栅图像预处理包括以下步骤：

(1)使用CMOS摄像头采集所需图像，并对采集到图像进行二值化；

(2)二值化后的图像矩阵按列相加，获得1*n的像素矩阵；

(3)依据1*n像素矩阵中的元素最大值I_max和最小值I_min，设定适当的阈值τ，使1*n像素矩阵的元素只有两个不同的数值，组成新的像素矩阵；

(4)设其中一个大于阈值τ的数值所在的列表示栅线，找出连续为该数值的元素的中点，从而得出栅线中间线，重构栅线。

进一步地，步骤2)中增加的虚拟斜线至少保证与两条重构的栅线相交。

进一步地，步骤(3)中阈值τ＝(I_max+I_min)/2。

本方案原理如下：

针对在一个栅距内的微量位移用像素数量来表示。对采集到的图像进行二值化，二值化图像的过程进行像素矩阵行、列的加法运算，以此计算光栅尺的微量位移。

与现有技术相比，本方案具有以下优点及有益效果：

算法计算量小、速度快，利于提高生产效率；在图像像素的基础上进行计算，误差小、精度高、分辨率高；避免在实际制造光栅尺的过程中由于操作、工艺、工具等因素造成的不良光栅尺的浪费，大大节省了资本；解决了光栅尺缺陷、安装偏差以及长期使用过程中造成的破损、污点、倾斜等现象给测量带来的误差，使得图2与图3情况的处理结果达到与状态下的处理结果几乎一致，具有广泛的实用性。

附图说明

图1为本发明实施例中所述光栅尺示意图；

图2为本发明实施例中CMOS摄像头下拍到的光栅图像在图1中的201部分的局部放大图；

图3为本发明实施例中CMOS摄像头下拍到的不完整光栅图像在图1中的301部分的局部放大图；

图4为本发明实施例中所述倾斜的光栅尺示意图；

图5为本发明实施例中CMOS摄像头下拍到的倾斜光栅图像在图4中的401部分的局部放大图；

图6为本发明实施例中的栅线重构图；