CN102654400A - 应用于数字水准仪条码尺的伪随机条码 - Google Patents

Abstract

应用于数字水准仪条码尺的伪随机条码，属于测绘仪器制造技术领域。条码由多种宽度的明暗条纹交替构成，其宽度和明暗变化受多个伪随机序列调制。条码中的条纹分为用于远距离测量的粗码条纹和近距离测量的细码条纹。细码条纹由宽度较窄的明暗条纹交替构成，明暗条纹的宽度变化分别受一个伪随机序列调制。粗码条纹由宽度较宽的明暗条纹构成，条纹的宽度和明暗变化受一个伪随机序列调制。将粗码条纹有规律地嵌入细码条纹中就构成了完整的条码，其特征在于多个伪随机序列交错编码，对条纹的宽度和明暗变化都进行调制。具有兼容远近距离测量，可以正向逆向同时测量，标尺制作简单，对硬件***的要求低，解码运算量小，识别快速、准确的优点。

Description

应用于数字水准仪条码尺的伪随机条码

技术领域

该技术属于测绘仪器制造技术领域。

背景技术

现有的数字水准仪条码尺的编解码原理主要有相关法、相位法和几何法。相关法的典型代表是leica公司，其标尺直接由宽度不同的白条纹和黑条纹纵向排列构成，不同宽度条纹的组合顺序反应了高度信息，专利号为DE0019530788C1；相位法的典型代表是TOPCON公司，其标尺由三种码构成，通过测量码段中的码相位差获得高度信息，通过参考码获得物象比，专利号为93121271.5和01137724.0；几何法的典型代表是Trimble公司，其标尺采用双相位码结构，专利号为DE0019826871C1。

由于国外各大公司的知识产权保护和产品的垄断，国内获得一种具有自主知识产权的数字水准仪方法迫在眉睫。近些年国内对这方面的研究很多，其中比较典型的有杨俊志先生的等距码码宽正弦调制编码，专利号为03153286.1；叶晓明先生的等宽比列码，专利号为200410061193.8。这些方法在理论上是行得通的，但在实际的测量过程中，很多客观的因素限制了理论成果的获得，还不能实现产品化。

发明内容

本发明目的在于为数字水准仪和电子经纬仪度盘设计一种条码尺及其编解码的方法，具有兼容远近距离测量，可以正向逆向同时测量，标尺制作简单，对硬件***的要求低，解码运算量小，识别快速、准确的优点。

本发明的应用于数字水准仪条码尺的伪随机条码，其条码由多种宽度的明条纹和暗条纹交替构成，条纹的宽度和明暗变化受多个伪随机序列调制。条码内包含着两种意义的条纹，即由宽度较窄的明条纹和暗条纹交替构成的细码条纹，明条纹和暗条纹的宽度变化各受一个伪随机序列调制；由宽度相对较宽的明条纹和暗条纹构成的粗码条纹，条纹的宽度和明暗变化受一个伪随机序列调制。将粗码条纹有规律地嵌入细码条纹当中就构成了完整的条码，其特征在于多个伪随机序列交错编码，对条纹的宽度和明暗变化都进行调制。

如上所述的应用于数字水准仪条码尺的伪随机条码，其设计思想的特征在于对远近距离测量分别设计条码，然后融合在一起。在数字水准仪的实际应用过程中，当测量距离较近时，视野范围较小，这就要求条码尺在很短的长度上要包含足够多的码元信息才能确定该段条码在整个标尺上的位置；当测量距离较远时，虽然视野范围不会成为条码设计的限制因素，但是由于CCD的分辨率有限，这就要求条纹的宽度要足够宽才能被分辨出来。本发明的特征就在于对远近距离测量分别设计条码，然后融合在一起构成完整的条码。本发明成功地解决了这一设计思想所面临的三个问题：细码的设计，粗码的设计，细码和粗码的融合。

本发明解决的第一个问题是细码的设计。细码设计首先要选择码元，码元是信息的载体，是调制规律的载体。码元可以利用的信息有明暗度和宽度，对于明暗度信息，要想精确识别码元的灰度信息相对比较困难，硬件成本高而且误判率高，所以一般把码元的颜色选为两色(比如黑色和白色)，本发明把两色的条纹分别叫做明条纹和暗条纹；码元宽度的选择与调制规律有直接的联系，在当今，比较成熟的码元设计方法主要有两种：即参考码法和占空比调制法，这两种方法都有一个缺点，即条码的利用率不高。采用参考码方法设计出来的条码的利用率低主要表现在条码的识别过程中，参考码的作用只是为了提取出用来测量的码元，参考码本身对高差的测量没有任何贡献，但是它又要占据标尺上的空间，这增加了近距离测量时的困难。采用占空比调制方法设计的条码同样会有这样的缺点，在条码的识别过程中，为了得到占空比信息，必须精确知道这个码元中明条纹所占的像素个数和暗条纹所占的像素个数，也就是说识别出两个条纹但是只得到一个码元的信息。本发明有效地克服了参考码和占空比设计方式带来的利用率低的缺点，直接把明条纹和暗条纹分离开来，分别进行伪随机序列的宽度调制，调制完成后再融合到一起，使得条纹的利用率达到了百分之百，而且可以正向逆向同时测量。

本发明解决的第二个问题是粗码的设计。本发明是用伪随机序列先直接对条纹进行明暗调制，然后再对条纹的宽度做小范围调整形成粗码。之所以选择明暗调制，是因为粗码是用于远距离测量，此时由于CCD分辨率的限制，希望条纹的宽度越宽越好，如果这个时候用宽度调制，那么测量距离就受粗码中宽度较窄的条纹所限制。选用固定的条纹宽度用伪随机序列经过明暗调制形成粗码之后，在识别时，粗码的判别规则是在测量图像中搜寻满足间隔关系的等宽条纹，由于某些细码的条纹也是等宽的排列在标尺上，这就有可能在近距离测量时把那些细码判别成为粗码导致出错。本发明解决这个问题的方法是在完成粗码条纹的明暗调制之后，有意识地将粗码的条纹宽度做小的调整，让粗码条纹的宽度稍有差别，解决了误判问题。

本发明解决的第三个问题是细码和粗码的融合。本发明充分考虑到了在实际测量的过程中，当测量距离较远时，由于CCD分辨率的限制，即使标尺中有宽度比较宽的粗码条纹，但是如果和粗码条纹相邻的细码条纹的宽度过窄，那么经过图像处理后，该细码条纹在CCD上所占的像素过少，进而使得该细码条纹和左右相邻的条纹直接处理成为一个错误的粗码条纹，最后无法进行粗码条纹的识别。本发明解决这个问题的方法是将粗码条纹嵌入在宽度较宽的细码条纹之后，这样就可以实现更远距离的测量。如上所述，一个粗码条纹只有一种明暗度，即要么是明条纹，要么是暗条纹，在粗码条纹嵌入细码条纹之前，细码条纹的分布已经是按明暗顺序交替排列，则在粗码条纹嵌入时，肯定会和相邻的一个细码条纹的明暗度相同而变成宽度更宽的另一个条纹，这样就破坏了条码的排列规则。本发明解决这个问题的方法是在嵌入的粗码条纹之后额外地增加一条宽度和该粗码条纹前面的细码条纹宽度相同并且明暗度也相同的条纹。这个条纹的增加同样也打乱了细码条纹的排列顺序，但是在细码测量时，如果测量范围内包含粗码，则该粗码可以被判别出来，然后再舍去该粗码后的条纹就可以还原细码的排列顺序了。另外在粗码的嵌入过程中还有一个问题，那就是两个粗码条纹之间放置多少个细码的问题。本发明的设计思想要求在两个粗码之间，至少包含细码的一个码词，也就是测量的最小单位，即能够定位该码段在整个标尺上的位置的最少细码个数。

本发明具有以下优点和积极成果：

1、应用于数字水准仪条码尺的伪随机条码，其特征在于多个伪随机序列交错编码，对条纹的宽度和明暗变化都进行调制。条码的设计特点是对远近距离测量分别设计条码，然后融合在一起形成完整的条码。在码元的设计上，本发明的特征是把明条纹和暗条纹分离开来进行伪随机序列的调制，然后再交替排列在一起，把条纹的利用率提高到了极限。在粗码和细码的融合过程中，本发明的特征是有意地将粗码放在较宽的细码之后，然后采用额外增加细码的方法解决粗码和细码的有效结合，这种方法扩大了远距离测量的范围；另外本发明把明暗调制后的粗码条纹设计成不同的宽度，有效解决了在近距离测量时把细码误判为粗码的问题。

2、不同于前几种方法，本技术方法为多个伪随机序列交错编码，对条纹的宽度和明暗变化都进行调制，这种在一维方向上实现的二维调制增加了在有限标尺宽度内的信息量，通过不同伪随机序列调制的条纹交错在一起，使得在近距离测量时，除了利用每个伪随机序列的码词之外，还可以利用不同伪随机序列之间的相位差获取高度信息，从而降低了近距离测量时对视场范围的要求。由于本发明的条码尺中嵌有较宽的粗码，而且每个粗码条纹的两边都是宽度比较宽的细码条纹，使得在远距离测量时可以克服由于物象比的增大和CCD分辨率的限制带来的条码识别困难。

3、不同于前几种方法，在粗码的设计上，本发明是用伪随机序列先直接对条纹进行明暗调制，然后再对条纹的宽度做小范围调整，把明暗调制后的粗码条纹设计成不同的宽度，有效解决了在近距离测量时把细码误判为粗码的问题。

4、不同于前几种方法，在细码和粗码的融合上，本发明充分考虑到实际测量的过程中，当测量距离较远时，由于CCD分辨率的限制，即使标尺中有宽度比较宽的粗码条纹，但是如果和粗码条纹相邻的细码条纹宽度过窄，则经过图像后，该细码条纹和左右相邻的条纹直接处理成为一个条纹。本发明解决这个问题的方法是将粗码条纹嵌入在宽度比较宽的细码条纹之后，这样就可以实现更远距离的测量。本发明在嵌入的粗码条纹之后额外地增加一条宽度和该粗码条纹前面的细码条纹宽度相同并且明暗度也相同的条纹。本发明在融合两种条码时，在两个粗码之间，至少要包含细码的一个码词，也就是测量的最小单位，即能够定位该码段在整个标尺上的位置的最少细码个数。

5、本发明实现条码解码的技术核心是在解码的过程中直接由某个条纹与附近的条纹之间的明暗度和宽度的相对变化信息识别码词，进而获得视线高和视距读数。这种相对解调法有着相关法的优点，直接利用测量范围内条码之间的相互关系进行识别，同时又回避了相关法巨大的二维相关运算量；本发明的解码方法也有着几何法的优点，利用码词构成测量的最小单位，这样使得在标尺有部分遮挡的情况下也能进行测量，同时又回避了几何法标尺制作困难的缺点。另外由于本发明条码的设计本身就很好地解决了远近测量时由于物象比和CCD分辨率因素带来的矛盾，这大大减小了仪器设计制造的难度。

6、本发明的编解码方法应用在数字水准仪的最大优点是：完全解决了水准测量中远近测量时由于物象比和CCD分辨率因素带来的矛盾；具有兼容远近距离测量，可以正向逆向同时测量，标尺制作简单，对硬件***的要求低，解码运算量小，识别快速、准确的优点。这些优点也适用于电子经纬仪。

附图说明

图1是本发明一个实施例的条码结构示意图。

图2是本发明在近距离测量时其中一种情况的解码示意图。

图3是本发明在近距离测量时另一种情况的解码示意图。

图4是本发明在远距离测量时的解码示意图。

图5是数字水准仪测量原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的工作原理作进一步的说明。

1、条纹：条纹是伪随机序列的载体，它有两个基本的特征，即明暗度和宽度。本发明中只利用了两种亮度的条纹，即明条纹和暗条纹，本实施例的明为白，暗为黑，但明暗指的是光学亮度的反差涵义，不局限于白与黑，也包含其他亮度有差异的颜色配置，比如黑色和黄色等。在用伪随机序列调制条纹的宽度时，任何的宽度组合都可以反应伪随机序列的规律，本发明的实施例有四种宽度的条纹，分别为4cm、3cm、1.2cm、0.6cm。根据实际情况的需要，也可以选择其他宽度的条纹组合。附图1中，包含了三个伪随机序列调制出来的条纹：(1)、在图形的底部有红色的小号的二进制比特，这些由1和0组成的二进制比特流就是一个伪随机序列，在这些序列的正上方就是调制出来的条纹，图中可见，这个序列调制的是明条纹，其中宽度0.6cm代表比特0，宽度1.2cm代表比特1；(2)、在图形的上面有蓝色的小号的二进制比特，这些由1和0组成的二进制比特流也是一个伪随机序列，在这些序列的正下方就是调制出来的条纹，这个序列调制的是暗条纹，其中宽度0.6cm代表比特0，宽度1.2cm代表比特1；(3)、在图形的上面有黑色的大号的二进制比特，这些由1和0组成的二进制比特流也是一个伪随机序列，在这些序列的正下方就是调制出来的条纹，其中明条纹代表比特1，暗条纹代表比特0，它们的宽度是4cm和3cm交替变化的。上述中，前两种条纹是本实施例的细码，第三种条纹是粗码；可以看出，细码和粗码的宽度有明显的区别，细码由两个伪随机序列调制的条纹组成，粗码由一个伪随机序列调制的条纹组成；细码调制的是条纹的宽度，粗码调制的是条纹的明暗变化；每个粗码条纹的两边必然是宽度比较宽的细码条纹；每两个粗码条纹之间至少包含一个码词的细码条纹个数(本实施例中细码的码词条纹个数为7个)。

2、伪随机序列：伪随机序列是满足伪随机规律即类似噪声但有规律的数字比特流，比特流有二进制比特流与多进制比特流，本发明的实施例是二进制的m伪随机序列，其中调制细码明条纹的是一个7级的m伪随机序列；调制细码暗条纹的是起始比特与上一个不同的另外一个7级的m伪随机序列；调制粗码的是一个5级的m伪随机序列。本实施例是三个伪随机序列交错调制的例子，也可以选用两个伪随机序列或四个以上的伪随机序列交错调制，另外在调制序列的选择上，也可以选用类似伪随机序列规律的其他形式的数字比特流。

3、条码标尺：将生成的粗码嵌入到细码中就构成整个条码尺，本实施例的具体规则为：

(1)、每两个粗码之间至少有7个条纹的细码。之所以是7个是因为细码的伪随机序列为7级，如果只考虑细码的明条纹或者暗条纹，至少要有7个条纹的信息才能唯一定位该码词在整个标尺上的位置；如果同时考虑明条纹和暗条纹，因为它们是交错在一起的，利用它们之间的相位差，只需要有3个明条纹和4个暗条纹或者4个明条纹和3个暗条纹就可以定位该码段在整个标尺上的位置。

(2)、粗码的明条纹嵌入在细码宽度为1.2cm的暗条纹之后，由于嵌入的粗码明条纹和原本细码的明条纹会叠加在一起而破坏整个编码规则，所以在嵌入的粗码明条纹之后额外的增加一条宽度为1.2cm的暗条纹；粗码的暗条纹的嵌入规则和明条纹的一样。之所以要选择在细码宽度为1.2cm的条纹之后嵌入粗码条纹，是因为在远距离测量时，即使标尺中有宽度比较宽的粗码条纹，但是如果和粗码条纹相邻的细码条纹的宽度过窄，则经过图像处理后，该细码条纹和左右相邻的条纹被直接处理成为一个条纹。

4、解码：如附图2、附图3和附图4所示。

粗测：粗测就是条码的识别过程，即在视野范围内找出一个能够测量的码词。本实施例的识别第一步是对CCD采集到的信号进行滤波和边缘检测，然后对图像进行二值化，在二值化后的图像中搜寻能够测量的码词，考虑到不同的视野范围，下面分三种情况来说明解码的方法：第一种情况如附图2所示，满足这种视野范围情况的解码方法是在图像的相邻7个条纹之间搜寻是否有满足细码比例关系的条纹组合，即只有两种宽度的条纹，且宽度成2倍关系。具体的操作步骤是从图像的第一个条纹开始，判断该条纹是否满足细码在近距离测量范围内条纹在CCD上所占的像素个数变化范围，如果满足，则找出从该条文起接下来的7个条纹，判断整体是否满足比例关系。搜寻完整个图像之后，如果测量条件符合，则一定能够搜寻到细码。第二种情况如附图3所示，满足这种视野范围情况的解码方法是在图像的相邻9个条纹之间搜寻是否有满足粗码和细码的比例关系的条纹组合，即有两种情况的组合，分别为3∶1.2∶0.6和4∶1.2∶0.6。具体的操作步骤是从图像的第一个条纹开始，判断该条纹是否满足粗码在近距离测量范围内条纹在CCD上所占的像素个数变化范围，如果满足，则以该条纹为依据，找出相邻的9个条纹，判断整体是否满足比例关系。搜寻完整个图像之后，如果测量条件符合，则一定能够搜寻到细码。第三种情况如附图4所示，这种情况需要通过粗码来解码，即从图像中找出5个满足相对位置关系的粗码来。具体的操作步骤是从图像中的第一个条纹起，判断该条纹是否满足粗码在远距离测量范围内条纹在CCD上所占的像素个数变化范围，如果满足，则先根据该条纹所占的像素个数算出物象比，再以该物象比为依据推算出下一个粗码在图像中出现的大概位置，然后在图像中的这个位置上加以判断，如果判断成功则进行下一个粗码的判断，以此类推，当判断出5个满足条件的粗码时，也就完成了条码的识别。搜寻完整个图像之后，如果测量条件符合，则一定能够搜寻到粗码。完成识别工作之后，根据搜寻到的码词直接可以判读出该码词的起点离标尺底部的高度完成粗测。

精测：精测的过程就是根据电子中丝的像素点离识别出来的码词的起点之间的像素个数，再结合物象比就可以得到视线高的精测值。在实际的测量过程中，可以利用测量多个码词取平均或用最小二乘法修正的方式来提高测量的精度。

由于码词的实际宽度都是已知量，根据如附图5所示的相似三角形原理就可以算出视距值。

Claims (7)

1.应用于数字水准仪条码尺的伪随机条码，其条码由多种宽度的明条纹和暗条纹交替构成，条纹的宽度和明暗变化受多个伪随机序列调制。

2.本发明的条码包含由宽度较窄的明条纹和暗条纹交替构成的细码条纹，和由宽度较宽的明条纹和暗条纹构成的粗码条纹；细码条纹的明条纹和暗条纹的宽度变化各受一个伪随机序列调制，粗码条纹的宽度和明暗变化受一个伪随机序列调制。

3.本发明的特征有效地克服了参考码或占空比设计方式带来的利用率低的缺点，直接把明条纹和暗条纹分离开来，分别进行伪随机序列的宽度调制，调制完成后再融合到一起，使得条纹的利用率达到了百分之百，而且可以正向逆向同时测量。

4.本发明用伪随机序列先直接对条纹进行明暗调制，然后再对条纹的宽度做小范围调整形成粗码。

5.本发明将粗码条纹嵌入在宽度比较宽的细码条纹之后，且额外地增加一条宽度和该细码条纹相同并且明暗度也相同的条纹；在两个粗码之间，至少要包含细码的一个码词。

6.本发明的实施例选用四种宽度的条纹，分别为4cm、3cm、1.2cm、0.6cm，但是设计思想不限于这些宽度，根据实际情况的需要，也可以选择其他宽度的条纹组合。

7.本实施例是三个伪随机序列交错调制的例子，也可以选用两个伪随机序列或四个以上的伪随机序列交错调制，另外在调制序列的选择上，也可以选用类似伪随机序列规律的其他形式的数字比特流。

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