（機(jī)械電子工程專業(yè)論文）非規(guī)則形狀工件表面參數(shù)的圖像檢測方法探討.pdf

摘要 摘要 工件參數(shù)測量在工業(yè)生產(chǎn) 質(zhì)量控制及產(chǎn)品在線檢測等領(lǐng)域起著非常重要的作用 在企業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和市場需求的作用下 工件檢測技術(shù)也經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的接觸式測量到非 接觸式測量的發(fā)展 隨著工件復(fù)雜程度的提高和工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步 現(xiàn)有的測量方法在測 量精度 測量效率及測量成本等方面的不足日益凸顯 人們開始關(guān)注和研究新的測量理 論和新的測量技術(shù) 近年來 圖像檢測技術(shù)已發(fā)展成為測量領(lǐng)域的重要技術(shù) 具有廣闊 的發(fā)展前景 特別是新型電荷耦合器件c c d 圖像傳感器的出現(xiàn) 使圖像檢測技術(shù)得到 了更廣泛的應(yīng)用 本課題針對非規(guī)則工件參數(shù)測量的迫切需求 應(yīng)用c c d 圖像傳感器 數(shù)字圖像處 理技術(shù)以及v i s u a lc 群2 0 0 5 開發(fā)軟件等技術(shù) 設(shè)計了一個基于u s b 攝像頭 結(jié)構(gòu)簡單 性價比較高的工件參數(shù)測量系統(tǒng) 本課題的研究是以圖像處理和軟件實現(xiàn)為重點(diǎn) 利用 高分辨率c c d 攝像頭及v f w 技術(shù)實現(xiàn)了工件圖像的實時捕捉 分析了常用的圖像處理 算法 針對本系統(tǒng)的測量需要及光源等硬件特點(diǎn) 研究了具體的圖像處理方案 應(yīng)用功 能強(qiáng)大的c 稃語言及v i s u f ls t u d i o2 0 0 5 開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)了系統(tǒng)的圖像處理 并運(yùn)用模式識 別和a u t o c a d 技術(shù)對創(chuàng)建工件三維表面模型的方法進(jìn)行了探討 本論文將從系統(tǒng)的硬件設(shè)計 c c d 攝像頭 v f w 技術(shù) 圖像分析方法 v i s u a lc 撐 2 0 0 5 開發(fā)軟件實現(xiàn)等幾個方面全面闡述測量系統(tǒng)的理論基礎(chǔ) 設(shè)計方案及處理算法實現(xiàn) 過程 鑒于目前圖像采集卡及攝像機(jī)價格較高 圖像處理算法較復(fù)雜 測量設(shè)備不易于 移動等現(xiàn)狀 本課題的研究探討 在工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量控制等領(lǐng)域?qū)⒕哂休^高的應(yīng)用 價值 關(guān)鍵詞 圖像檢測 c c i 傳感器 參數(shù)測量 大連交通大學(xué)丁學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t w o r km e a s u r e m e n tp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei na r e a so fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n q u a l i t y c o n t r o la n dp r o d u c t l i n ee t c i nt h er o l eo ft h ee n t e r p r i s ed e v e l o p m e n ta n dm a r k e td e m a n d s w o r kd e t e c t i o nt e c h n o l o g yh a sa l s og o n e f r o mt h et r a d i t i o n a lc o n t a c tm e a s u r e m e n tt o n o n c o n t a c tm e a s u r e m e n to fd e v e l o p m e n t w i t ht h ei n c r e a s e dc o m p l e x i t yo ft h ew o r ka n dt h e p r o g r e s so fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n t h ei n a d e q u a t e i no fe x i s t i n gm e t h o dm e a s u r i n gh i g h l i g h t si n m e a s u r e m e n ta c c u r a c y s u r v e y i n ga n dm e a s u r i n gc o s te f f i c i e n c y p e o p l es t a r t e dt op a ya t t e n t i o nt oa n ds t u d yt h en e wm e a s u r e m e n tt h e o r ya n dt h en e w m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y i nr e c e n ty e a r s i m a g ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yh a s d e v e l o p e di n t oa n i m p o r t a n ta r e ao fm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y a n dh a sb r o a dp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n t i n p a r t i c u l a rt h en e wc h a r g e c o u p l e dd e v i c eo fac c di m a g es e n s o r i m a g ed e t e c t i o n t e c h n o l o g yh a sam o r ew i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s f o rt h eu r g e n tn e e d so fm e a s u r i n gp a r a m e t e r so ft h ew o r k t h ei s s u ea p p l i c a n t st h ec c d i m a g es e n s o r d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a n dv i s u a lc 撐2 0 0 5t e c h n o l o g ye t c d e s i g n sas t r u c t u r es i m p l e c o s t e f f e c t i v em e a s u r e m e n ts y s t e mo ft h ew o r kb a s e do nt h eu s b c a m e r a t h ei s s u ei sf o c u s e do ni m a g e p r o c e s s i n g a n ds o f t w a r e a c h i e v i n g u s i n g l l i g h r e s o l u t i o nc c d c a m e r aa n dt h ev f w t e c h n o l o g y a c h i e v e sr e a l t i m ei m a g ec a p t u r eo f t h ew o r k a n a l y s i st h ep o p u l a ri m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m s f o rt h en e e d so ft h es y s t e ma n d c h a r a c t e r i s t i c so fh a r d w a r es u c ha sl i g h ts o u r c e r e s e a r c h e sas p e c i f i ci m a g ep r o c e s s i n g p r o g r a m m e r a p p l i c a t i o no ft h ep o w e r f u lc 撐l a n g u a g ea n dv i s u a ls t u d i o2 0 0 5d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n ta c h i e v e st h es y s t e m si m a g ep r o c e s s i n g a n dd i s c u s s e st h em e t h o dt oc r e a t e t h r e e d i m e n s i o n a ls u r f a c eo ft h ew o r km o d e lu s i n go fp a t t e mr e c o g n i t i o na n da u t o c a d t e c h n o l o g ya p p r o a c hw a s t h i sa r t i c l ed i s c u s s e sc o m p r e h e n s i v et h et h e o r yb a s i so ft h em e a s u r e m e n ts y s t e m d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m si nr e s p e c to ft h eh a r d w a r ed e s i g n c c dc a m e r a v f wt e c h n o l o g y i m a g ea n a l y s i sm e t h o d a n dv i s u a lc 撐2 0 0 5d e v e l o p m e n t s o f t w a r e i nv i e wo ft h ec u r r e n ts t a t u so ft h ep r i c e sh i g h e rf o rt h ei m a g ec a p t u r ec a r da n d c a m e r a c o m p l e xi m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m s d i f f i c u l tt om o b i l ee q u i p m e n t t h es t u d yo ft h i s s u b j e c tw i l lb eh i g h e rv a l u ei ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n dp r o d u c tq u a l i t yc o n t r o lo ro t h e r f i e l d s k 呵w o r d s i m a g ep r o c e s s i n g c c ds e n s o r s p a r a m e t e r sm e a s u r e m e n t l l 大連交通大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解太整塞通太堂有關(guān)保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)及保 留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 即 研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的 知識產(chǎn)權(quán)單位屬太整鑾通太堂 本人保證畢業(yè)離校后 發(fā)表或使用 論文工作成果時署名單位仍然為太整塞通太堂 學(xué)校有權(quán)保留并向 國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件及其電子文檔 允許論文被查 閱和借閱 本人授權(quán)太整鑾通太堂 可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入 中國科學(xué)技術(shù)信息研究所 中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 等相關(guān)數(shù)據(jù)庫 進(jìn)行檢索 可以采用影印 縮印或掃描等復(fù)制手段保存 匯編學(xué)位論 文 保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定 學(xué)位論文作者簽名 嗖蠶 導(dǎo)師簽名 髓 日期 汕心年 月4 日日期 加侈年廠月中日 學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向 孳莜超戳人釓 工作單位 施罨衣盎艦碑學(xué)陟電話 i 弘踟 游 通訊地址 艄煳啤山區(qū) 銥敏嗨彩磣 郵編 li6p i 召 電子信箱 僅撕坊秒l 反釩 大連交通大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作 及取得的研究成果 盡我所知 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝及參考 文獻(xiàn)的地方外 論文中不包含他人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成 果 也不包含為獲得太整塞通太堂或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而 使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在 論文中作了明確的說明并表示謝意 本人完全意識到本聲明的法律效力 申請學(xué)位論文與資料若有不 實之處 由本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任 學(xué)位論文作者簽名 寸床 i 日期 善年6 月4 日 第一章緒論 第一章緒論 1 1 引言 在工業(yè)領(lǐng)域 工件表面檢測一直是很重要的研究部分 根據(jù)被測工件幾何形狀的復(fù) 雜程度 人們將工件測量問題分為箱體類工件測量和具有復(fù)雜形狀與特殊特性的工件測 量 箱體類工件就是指那些由基本幾何元素構(gòu)成的工件 圓形 圓柱形 方體形等 對于此類工件的測量主要使用傳統(tǒng)測量方法 如使用三坐標(biāo)測量機(jī) 相對于箱體類工件 的就是具有某些數(shù)學(xué)定義的復(fù)雜曲面曲線構(gòu)成的非規(guī)則工件 此類工件的測量主要靠專 用的測量設(shè)備來完成 如專用齒輪檢測儀等i l j 但隨著社會的進(jìn)步和企業(yè)的發(fā)展 傳統(tǒng) 測量方法在測量費(fèi)用 檢測效率及測量精度等方面的不足日益凸顯 因此人們開始關(guān)注 和研究新的測量理論和新的測量技術(shù) 1 2 課題研究的背景 1 2 1 工件參數(shù)檢測概述 工件參數(shù)檢測在工業(yè)生產(chǎn) 工程開發(fā)及質(zhì)量控制等領(lǐng)域起著重要的作用 為了滿足 工業(yè)生產(chǎn)和市場需求以及人們對工件測量精度 效率和可靠性的更高要求 工件參數(shù)檢 測方法也經(jīng)歷了幾個發(fā)展階段 總體上可以將工件表面參數(shù)的測量方法分接觸式測量和 非接觸式測量為兩種 1 接觸式測量方法 接觸式測量是傳統(tǒng)的測量方法 經(jīng)過幾十年的發(fā)展 形成了成熟的測量系統(tǒng)和機(jī)械 結(jié)構(gòu) 準(zhǔn)確性和可靠性也較高 但隨著工業(yè)的發(fā)展和工件復(fù)雜程度的提高 接觸式測量 的缺點(diǎn)和不足就越來越明顯 特別是對于非規(guī)則工件和軟性及彈性工件 使用接觸式測 量 會因為測量力變形而造成很大的測量誤差 另外 接觸式測量需要與工件的被測面 直接接觸 過大的接觸壓力以及不當(dāng)?shù)牟僮鞫紩Ρ粶y工件的表面造成損傷 尤其是高 精度工件表面 這可以說是接觸式測量最大的缺點(diǎn) 接觸式測量需要采集很多的接觸點(diǎn) 信息 而且機(jī)械設(shè)備笨重 算法復(fù)雜 從而嚴(yán)重影響測量效率 特別是測量大型工件時 非常耗時 雖然最近幾年接觸式測量在技術(shù)上有了很大的改進(jìn) 但是仍無法擺脫傳統(tǒng)測 量習(xí)慣和測量技術(shù)的限制 也沒能從根本上解決接觸式測量儀機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜 測量效率 低和測量精度低的不足 2 1 接觸式測量儀的典型代表是三坐標(biāo)測量機(jī) c m m 出現(xiàn)于上世紀(jì)6 0 年代 主要 用于測量箱體類工件 其測量原理是將被測物體置于三坐標(biāo)測量空間 獲得被測物體上 大連交通大學(xué)工學(xué)碩七學(xué)位論文 各測點(diǎn)的坐標(biāo)位置 根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值 計算求出被測物體的幾何尺寸 形狀和 位置 最早的三坐標(biāo)測量機(jī)是1 9 6 0 年由英國f e r r a n t i 公司研制成功 經(jīng)過幾十年的 發(fā)展 現(xiàn)代三坐標(biāo)測量機(jī)可以完成復(fù)雜的測量 可以實現(xiàn)加工控制 可以實現(xiàn)反求工程 2 但由于測量機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜 對工作環(huán)境要求很高 必須防震 防灰 恒溫等 使 其應(yīng)用范圍受到一些限制 2 非接觸式測量 非接觸式測量是以光電 電磁等技術(shù)為基礎(chǔ) 在不接觸被測物體表面的情況下 得 到物體表面參數(shù)信息的測量方法 隨著光電技術(shù) 微電子技術(shù)的發(fā)展及c c d 圖像傳感 器 數(shù)字投影儀等新型器件的出現(xiàn) 非接觸式測量得到了迅猛發(fā)展 在很多領(lǐng)域都有廣 泛的應(yīng)用 充分運(yùn)用了光 機(jī) 電一體化技術(shù)的非接觸式測量方法 以其較高的分辨率 和測量精度 較廣的測量范圍 快速的實時處理能力等優(yōu)點(diǎn)成為計測領(lǐng)域的熱門課題 當(dāng)今產(chǎn)業(yè)界對產(chǎn)品小型高精度化的不斷追求使得人們對產(chǎn)品制造精度 產(chǎn)品質(zhì)量管理的 要求不斷提高 同時由于社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步 市場對產(chǎn)品開發(fā)的速度提出了 更高要求 這就促使了高效率測量技術(shù)的發(fā)展 與傳統(tǒng)的接觸式測量技術(shù)的種種缺點(diǎn)和 不足相比較 非接觸式測量速度快 檢測效率高 可減輕對工件的損傷 同時企業(yè)也需 要易于操作的非接觸式測量技術(shù) 來滿足市場不斷提高的對測量精度和設(shè)備簡單而易于 移動的需求 綜合國內(nèi)外的有關(guān)文獻(xiàn)資料報道 現(xiàn)有的非接觸式測量方法可以歸納為兩類 工業(yè) 計算機(jī)斷層掃描成像技術(shù)和深度信息獲取技術(shù) 其中深度信息獲取技術(shù)主要是光學(xué)測量 技術(shù) 這種測量技術(shù)根據(jù)光源的不同可以分為主動式和被動式 前者是利用特別光源所 提供的結(jié)構(gòu)信息來獲取被測物體表面的深度信息 后者是在自然光條件下來完成對被測 物體表面參數(shù)的測量 由于測距精度高 抗干擾性能好及實時性強(qiáng)的特點(diǎn) 使得主動法 的應(yīng)用非常廣泛 3 目前基于主動式技術(shù)的測量方法主要有 激光掃描法 幾何光學(xué)聚 焦法 立體視差法 結(jié)構(gòu)光測量法等 下面具體介紹一下幾種非接觸式測量方法 工業(yè)計算機(jī)斷層掃描成像技術(shù) 工業(yè)計算機(jī)斷層掃描成像技術(shù) i n d u s t r i a lc o m p u t e rt o m o g r a p h y 是基于核物理學(xué)中 的朗伯定理和數(shù)學(xué)中雷當(dāng)投影定理而發(fā)展起來的一種集核 機(jī) 光 計 電 數(shù)學(xué)等多 學(xué)科于一體的高精技術(shù) 基本思想是用能量波 x 射線 y 射線 中子 正電子等 照射物 體上的一系列截面 根據(jù)朗伯定律 當(dāng)能量波穿過任何物質(zhì)時其能量會因與原子相互作 用而減弱 減弱的程度與物質(zhì)的厚度和組成有關(guān) 因此當(dāng)被測物體不是一個均勻體時 就可以用吸收系數(shù)來反映被測截面的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息 通過由能量源和檢測器所構(gòu)成的掃 描系統(tǒng)的測量 得出吸收系數(shù) 再經(jīng)計算機(jī)圖像處理就可重建出被測截面無失真的圖像 第一章緒論 該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不僅能測量物體的表面形狀 而且能非破壞性地測出物體的內(nèi)部情 況 但它也存在不足 獲得數(shù)據(jù)需要較長的時間 重建圖像的計算量大 被測物體較大 時 需要較大設(shè)備和測試空間i j 激光掃描法 由于光源特點(diǎn)和性質(zhì)的不同 激光掃描法可分為 點(diǎn)式激光掃描 線狀激光掃描 條 帶光源 和區(qū)域式激光掃描 面光源 激光掃描的速度非?？?但掃描精度受測試件的材 料及表面特性影響 例如光澤的鏡面 暗而無光的表面 透明或半透明的材料都難以進(jìn) 行測量 另外激光掃描系統(tǒng)的價格昂貴 2 幾何光學(xué)聚焦法 光學(xué)聚焦法是通過薄透鏡將點(diǎn)光源的焦點(diǎn)保持在被測物體表面 依據(jù)高斯薄透鏡定 理 在經(jīng)過計算分析獲得光學(xué)中心與被測物表面的距離 這種將聚焦點(diǎn)作為距離信息的 測量方法具有計算簡單的特點(diǎn) 測量效率高 但對于可動零件 會存在機(jī)械運(yùn)動誤差 測量精度受限制 對復(fù)雜零件測量不穩(wěn)定等缺點(diǎn) 并且對灰度平坦的區(qū)域測距精度不高 立體視差法 由于人類的左 右兩只眼睛與觀察物的成角略有差異 能形成兩個稍微不同的影像 經(jīng)過大腦的分析綜合 最后形成具有長 寬 高的立體像 所以人類視覺是立體的 立 體視差法就是根據(jù)人眼的立體視覺效應(yīng) 用兩臺攝像機(jī)從兩個不同的角度同步攝取被測 物 然后通過物體的二維平面照片重構(gòu)出其三維圖像 實際中使用c c d 圖像傳感器來 攝取被測物的圖像信息 運(yùn)用解析幾何原理 用立體測圖儀對所得的圖像進(jìn)行三維分析 這種方法具有信息處理速度高和圖像分辨率高的特點(diǎn) 而且成本較低 但由于測量系統(tǒng) 不是共軸光學(xué)系統(tǒng) 不適用于有振動的現(xiàn)場測量和回轉(zhuǎn)件的測量 結(jié)構(gòu)光測量法 在部分文獻(xiàn)資料中 結(jié)構(gòu)光測量法又被稱為主動三角測量法 它與立體視差法的基 本原理相似 是將其中的一個的攝像機(jī)用具有一定特性的光源即結(jié)構(gòu)光來代替 再根據(jù) 光源和成像系統(tǒng)的三角幾何信息測量物體表面參數(shù) 主要的結(jié)構(gòu)光類型有點(diǎn)光源 線光 源和平行光條等 其中莫爾云紋法就是結(jié)構(gòu)化光測法 所謂莫爾云紋就是由兩組相互重 疊的柵線 在光干涉下的產(chǎn)生明暗相間的條紋 它的結(jié)構(gòu)光主要有單條光柵和密柵兩種 形式 其中密柵云紋法又包括面外云紋法和投影柵相位法 是近年來的研究熱點(diǎn)之一 這種方法的基本思想是 讓光線通過一個光柵投射到被測物體表面 受被測物體形狀表 面調(diào)制后的反射光回到光柵處與新的發(fā)射光產(chǎn)生干涉 形成由兩塊具有高空間頻率的規(guī) 則光柵相互重疊而產(chǎn)生的低 高空間頻率的干涉條紋 根據(jù)對被測表面的變形光柵像解 調(diào)方法的不同 目前也有不同的莫爾云紋處理方法 如等高線法 景象法 掃描法和付 大連交通大學(xué)工學(xué)碩十學(xué)位論文 立葉變換輪廓術(shù)等 莫爾云紋法已廣泛應(yīng)用于許多方面 包括產(chǎn)品質(zhì)量檢驗 形面變形 測量等 具有廣闊的應(yīng)用前景 但它也受限于被測表面的斜率 2 3 由于接觸式測量方法本身存在無法克服的缺點(diǎn) 非接觸式測量就成為人們進(jìn)行工件 表面測量的重要方法 早在上世紀(jì)8 0 年代 非接觸式測量便開始了快速發(fā)展 在美國 制造業(yè)中有了廣泛的應(yīng)用 大量的研究人員進(jìn)行了全面的研究工作 在理論創(chuàng)新和實現(xiàn) 手段等方面取得了豐碩的成果 上世紀(jì)9 0 年代中期開始 隨著計算機(jī)視覺技術(shù)和光電 技術(shù)的快速發(fā)展 非接觸式測量有了關(guān)鍵性的進(jìn)步 利用計算機(jī)圖像 信息處理等技術(shù) 實現(xiàn)了對物體的幾何尺寸和位置的測量 對產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的質(zhì)量問題進(jìn)行監(jiān)控 分析 等 光學(xué)干涉法 三角測量法 光學(xué)投影法等基于光電子學(xué)的非接觸測量方法相繼出現(xiàn) 特別是光電耦合器件 c c d 的出現(xiàn) 使得工件幾何參數(shù)測量的安全性 可靠性及自動 化程度有了很大的提高 目前 人們利用非接觸式測量方法特別是光學(xué)測量法 實現(xiàn)了 對工件進(jìn)行平面內(nèi)的二維表面信息測量 工件表面的三維形貌重構(gòu) 利用邊緣檢測法 獲取工件不同精度的邊緣信息 利用逆向工程技術(shù)對工件樣品進(jìn)行三維幾何重構(gòu) 應(yīng)用 到產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)及生產(chǎn)中 很多的科研工作者都在工件檢測方面取得了一定的成果 工件表面檢測技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn) 質(zhì)量控制中做出了很大的貢獻(xiàn) 也有了很大的 進(jìn)步 但現(xiàn)有的檢測方法在測量精度 測量效率以及測量設(shè)備的改進(jìn)等方面還有很大的 發(fā)展空間 未來的工件表面檢測技術(shù)將會朝著較高精度 較高效率以及便攜式設(shè)備的方 向發(fā)展 同時較復(fù)雜工件的測量也將是檢測技術(shù)研究的重點(diǎn) 工件表面檢測技術(shù)的發(fā)展 趨勢主要體現(xiàn)在下列幾個方面 1 動態(tài)實時測量 近年來 隨著工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)μ岣弋a(chǎn)品測量精度和質(zhì)量 提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn) 成本的需求 生產(chǎn)控制 工程開發(fā)和質(zhì)量在線檢測等方面對光學(xué)動態(tài)實時三維測量的要 求越來越高 迫切需要高速度 高精度及設(shè)備簡易的光學(xué)非接觸測量系統(tǒng)出現(xiàn) 以實現(xiàn) 工件三維坐標(biāo)及表面形貌的實時顯示和測量 2 對透明無反射及具有定向反射工件表面的測量 在眾多的規(guī)則和非規(guī)則工件中 有部分工件具有定向反射或者透明無反射的特殊表 面 對這些工件的表面參數(shù)檢測一直是測量領(lǐng)域的難題 近年來 人們對這些方面的問 題進(jìn)行了大量的研究 到目前為止 定向反射工件表面的測量主要采取在被測表面涂上 粉末或者噴漆的方法 但是測量效果并不理想 不但降低了系統(tǒng)的測量效率 對系統(tǒng)的 測量精度也有很大的影響 而對于透明無反射表面的特殊工件 其測量方案急待解決 3 自適應(yīng)三維測量儀 4 第一章緒論 在工件表面三維測量系統(tǒng)中 投影光源對測量系統(tǒng)的精度 圖像質(zhì)量及計算復(fù)雜度 等都起著不容忽視的作用 特別是對應(yīng)用于光學(xué)干涉 三角測量及光學(xué)投影測量系統(tǒng)中 的光柵投影儀 光纖干涉儀等儀器 人們需要開發(fā)出能根據(jù)工件的幾何形狀及測量需要 自動調(diào)節(jié)投影 具有良好自適應(yīng)性的投影儀器 4 提高數(shù)字圖像處理技術(shù) 對于以圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)的工件表面參數(shù)測量系統(tǒng) 其系統(tǒng)測量精度和測量效率 的高低 很大程度上依賴于圖像處理技術(shù)的提高和算法的復(fù)雜程度 所以 對于光學(xué)非 接觸測量系統(tǒng)來說 提高測量系統(tǒng)精度和測量效率的主要途徑是提高圖像處理技術(shù) 而 且能有效降低圖像質(zhì)量對測量系統(tǒng)產(chǎn)生的影響 1 2 2 圖像檢測技術(shù)的優(yōu)勢 物體的客觀存在經(jīng)過視覺系統(tǒng)就形成了圖像 可以說 物體7 5 的信息都可以通過 圖像反映出來 圖像也是人類獲取外界信息的主要來源 由于圖像包含著物體豐富而真 實的信息 把圖像作為檢測對象是反映物體本身性質(zhì)的最佳途徑 以圖像為處理對象發(fā) 展起來的圖像處理技術(shù) 是圖像檢測的理論基礎(chǔ) 隨著計算機(jī)的出現(xiàn) 數(shù)字圖像處理也 應(yīng)運(yùn)而生 圖像檢測技術(shù)開始逐漸的被人們所關(guān)注 近年來 計算機(jī)飛速發(fā)展 計算機(jī) 的運(yùn)算速度大大提高 使得圖像處理速度大大提高 促使了數(shù)字圖像處理技術(shù)的飛速發(fā) 展 圖像檢測技術(shù)也發(fā)展成測量領(lǐng)域的一個重要方向 圖像檢測技術(shù)具有廣泛的理論基礎(chǔ) 它是以現(xiàn)代光學(xué)為基礎(chǔ) 集合了光電技術(shù) 數(shù) 字圖像處理 信息處理及計算機(jī)視覺等科學(xué)技術(shù) 另外 離散數(shù)學(xué) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) c c d 技術(shù) 嵌入式等科學(xué)的發(fā)展促使著圖像檢測技術(shù)成為以一種新的研究趨勢 并且在很多 領(lǐng)域的應(yīng)用中都形成了成熟的技術(shù) 圖像檢測系統(tǒng)中 應(yīng)用光學(xué)系統(tǒng)采集圖像 使用多種圖像處理方法提高圖像的質(zhì)量 使系統(tǒng)具有較高的測量精度 圖像檢測的方式多種多樣 是典型的非接觸式測量 與測 量對象物無接觸 是一種無損檢測 安全可靠 對人眼無法分辨的物理量 或在遮蓋 隱藏及惡劣環(huán)境等情況下 工件的狀態(tài)檢測和測量只能采用圖像檢測方法 圖像檢測技 術(shù)具有較高的自動化程度 能極大的減少處理的時間和過程 有利于在線檢測 7 1 圖像檢測技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢 廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的工件幾何參數(shù)測量 產(chǎn)品質(zhì)量在線監(jiān)測 復(fù)雜非規(guī)則工件的檢測及工業(yè)設(shè)計中 具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景 1 3 課題研究的目的和意義 圖像檢測技術(shù)已成為測量領(lǐng)域研究的重要技術(shù) 自上世紀(jì)七十年代c c d 半導(dǎo)體光 電器件的出現(xiàn)以及八十年代計算機(jī)視覺技術(shù)的進(jìn)步 使得圖像檢測技術(shù)飛速發(fā)展 在很 大連交通大學(xué)工學(xué)碩十學(xué)位論文 多領(lǐng)域中都有了廣泛的應(yīng)用 由于圖像檢測技術(shù)本身具有多種優(yōu)勢 也成為了工件幾何 尺寸測量及表面檢測的重要手段 因此課題具有重要的研究價值 本課題是對非規(guī)則工 件表面參數(shù)的圖像檢測方法進(jìn)行探討 主要的目的應(yīng)用c c d 圖像傳感器開發(fā)出一個結(jié) 構(gòu)簡單 易于操作的工件表面參數(shù)測量系統(tǒng) 經(jīng)過圖像處理實現(xiàn)工件的參數(shù)測量 通過 對本課題的探討 一方面期望為非規(guī)則工件的測量找到一種有效的圖像檢測方法 滿足 產(chǎn)業(yè)界對高精度 快速 高效率測量方法的需求 另一方面期望能豐富圖像檢測技術(shù)領(lǐng) 域的理論內(nèi)容 為相關(guān)課題的研究提供理論和技術(shù)依據(jù) 促進(jìn)相關(guān)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步 1 4 論文的主要內(nèi)容 本論文的研究工作是設(shè)計開發(fā)一個結(jié)構(gòu)簡單 易于操作的圖像檢測系統(tǒng)用于非規(guī)則 工件表面參數(shù)進(jìn)行測量 主要完成的工作有 設(shè)計系統(tǒng)的軟硬件測量方案 應(yīng)用c c d 攝像頭和計算機(jī)完成圖像的實時捕捉 應(yīng)用圖像處理技術(shù)和v i s u a lc 捍開發(fā)軟件對圖像進(jìn) 行處理 研究工件表面三維模型的創(chuàng)建 重點(diǎn)完成的工作是 運(yùn)用視頻捕捉技術(shù)實現(xiàn)工 件圖像的實時捕捉 用v i s u a lc 撐開發(fā)軟件完成圖像處理和工件圖像的邊緣提取 論文共 分為六章 主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)如下 第一章 緒論 詳細(xì)介紹了課題的背景 包括工件參數(shù)檢測的概述和圖像檢測技術(shù) 的優(yōu)勢 說明了課題研究的目的和意義 并介紹了論文的各個章節(jié)的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 第二章 圖像檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案 介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案 包括系統(tǒng)的硬件 構(gòu)成及圖像處理技術(shù)理論 最后介紹了模式識別和a u t o c a d 技術(shù) 為創(chuàng)建工件的三維 表面模型提供了一個方法 第三章 系統(tǒng)的圖像采集和存儲 詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的圖像采集和存儲 主要介紹的 內(nèi)容是如何實現(xiàn)系統(tǒng)圖像捕捉以及系統(tǒng)圖像文件的存儲格式 第四章 系統(tǒng)中的圖像處理研究 本章中詳細(xì)介紹了系統(tǒng)對工件進(jìn)行圖像處理的相 關(guān)內(nèi)容 包括圖像質(zhì)量處理和邊緣檢測 說明了各部分圖像處理的目的和實現(xiàn)算法 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計及實現(xiàn) 本章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計和實現(xiàn)過程 重點(diǎn) 說明了系統(tǒng)使用的v i s u a lc 撐2 0 0 5 開發(fā)環(huán)境 然后介紹了系統(tǒng)軟件運(yùn)行實例 本章小結(jié) 本章從工件參數(shù)檢測方法 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢及圖像檢測技術(shù)的優(yōu)勢等方面詳細(xì) 介紹了課題研究的背景 然后介紹了課題研究的目的和意義 最后介紹了論文各個章節(jié) 的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 6 第二章圖像檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案 第二章圖像檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案 2 1 總體設(shè)計方案 要對工件幾何參數(shù)進(jìn)行非接觸測量 可以應(yīng)用的光學(xué)測試方法有很多種 例如 光 衍射法 莫爾云紋法 光干涉法 光投影法等 上述測量方法的實現(xiàn) 一般都需要一套 完整的數(shù)字圖像測量系統(tǒng) 是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng) 它通常包括精密的三維測量工作臺 工件精確回轉(zhuǎn)臺 光學(xué)成像系統(tǒng) 光源 攝像機(jī) 圖像采集卡 計算機(jī)及相應(yīng)的處理軟 件等等 并且在實際的工業(yè)控制 質(zhì)量監(jiān)測應(yīng)用中 實現(xiàn)這樣的系統(tǒng)一般需要昂貴精密 的設(shè)備和熟練的專門技術(shù)人員 在本課題的研究中 要使用這樣的一套系統(tǒng)是不太適合 的 經(jīng)過多方面綜合考慮 根據(jù)現(xiàn)有的實驗條件和工作環(huán)境 本課題應(yīng)用光電成像技術(shù) 基于c c d 攝像頭構(gòu)成了一個結(jié)構(gòu)簡單 性價比高的數(shù)字圖像測量系統(tǒng) 系統(tǒng)的原理框 圖如圖2 1 所示 圖2 1 測量系統(tǒng)原理框圖 f i g 2 1m e a s u r e m e n ts y s t e mp r i n c i p l ed i a g r a m 應(yīng)用上述的測量系統(tǒng) 課題的主要實現(xiàn)過程是 用c c d 攝像頭對被測工件進(jìn)行拍 攝 通過u s b 接口與計算機(jī)相連 將圖像傳送到計算機(jī) 編寫視頻捕捉程序?qū)D像實 時捕捉并在計算機(jī)上存儲顯示 應(yīng)用圖像處理技術(shù)對捕捉到的圖像進(jìn)行處理 圖像處理 軟件的實現(xiàn)應(yīng)用了v i s u a lc j f 2 0 0 5 開發(fā)工具 用c 稃語言編寫圖像處理程序 再進(jìn)行模 式識別 提取特征量 并生成a u t o c a d 腳本文件 最后用a u t o c a d 工具繪制出三維表 面模型 圖像檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案包括了系統(tǒng)硬件構(gòu)成 圖像實時捕捉 數(shù)字圖像處理 模 式識別及應(yīng)用a u t o c a d 技術(shù) 2 2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成 系統(tǒng)的硬件主要由c c d 攝像頭 光源和計算機(jī)構(gòu)成 其組成結(jié)構(gòu)框圖如圖2 2 所 示 7 大連交通大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 2 測量系統(tǒng)組成框圖 f i g 2 2m e a s u r e m e n ts y s t e mc o m p o s i t i o nd i a g r a m 上述測量系統(tǒng)中 c c d 攝像頭用于對被測工件圖像的采集 圖像由u s b 接口傳輸 到計算機(jī) 光源安裝在攝像頭的前端 照射被測工件 為圖像采集提供合適的光照條件 c c d 攝像頭與光源垂直固定在放置工件的平臺的上方 測量過程中 將被測工件定位 于平臺上 調(diào)整光源的亮度使其對被測工件進(jìn)行合適的光照 成像于c c d 攝像頭靶面 的被測工件圖像信息就通過u s b 接口送到計算機(jī) 捕捉到圖像信息并以b m p 文件格式 存儲在計算機(jī)中以便進(jìn)行后續(xù)處理 可以同時觀看計算機(jī)的顯示 獲取最佳的工件成像 質(zhì)量 系統(tǒng)中沒有使用光學(xué)變倍鏡頭用于對被測物體圖像進(jìn)行光學(xué)聚焦 因此所得到圖像 在清晰度和質(zhì)量上會存在不足 不但會影響圖像的分析處理 對測量精度也會產(chǎn)生一定 的影響 這個問題 系統(tǒng)的軟件設(shè)計給出了解決 在圖像預(yù)處理過程中對圖像質(zhì)量和清 晰度進(jìn)行了很好的處理 這也是系統(tǒng)設(shè)計追求設(shè)備簡易化的體現(xiàn) 2 3c c d 攝像頭 由于c c d 攝像頭具有成像質(zhì)量好 圖像細(xì)節(jié)豐富 色彩還原度好 曝光準(zhǔn)確等優(yōu) 點(diǎn) 系統(tǒng)中采用了c c d 攝像頭作為系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備 用來獲取工件表面的圖像信 息 并將獲取的圖像以數(shù)字信號形式傳輸?shù)接嬎銠C(jī)進(jìn)行處理 從而避免了像使用圖像視 頻采集卡那樣先采集模擬圖像 再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號 才完成圖像到 計算機(jī)的傳輸 并且 與昂貴的專用圖像采集卡相比 這種由c c d 攝像頭和u s b 接口 組成的圖像采集系統(tǒng)成本較低 目前 c c d 攝像頭被廣泛的應(yīng)用于視頻傳輸和網(wǎng)絡(luò)視 頻等 也用來捕捉靜態(tài)圖像 8 第二章圖像檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案 2 3 1 攝像頭概述 數(shù)碼攝像頭又被稱為電眼 是一種數(shù)字視頻輸入設(shè)備 主要由鏡頭 感光元件 模 數(shù)轉(zhuǎn)換器 處理芯片 存儲器和接口組成 它的基本原理是利用了光電技術(shù) 應(yīng)用圖像 傳感器把光信號轉(zhuǎn)化為電信號 即是將圖像像素用點(diǎn)電流表示 再將這些點(diǎn)電流通過內(nèi) 部電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號o 和1 最后通過接口將數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C(jī) 這樣計算機(jī)就 可以直接對圖像進(jìn)行處理 7 j 數(shù)碼攝像頭的感光元件即圖像傳感器 是攝像頭的重要組成部分 目前 圖像傳感 器可根據(jù)不同元件分為c c d 傳感器 電荷耦合器件 和c m o s 傳感器 金屬氧化物半 導(dǎo)體器件 對兩者進(jìn)行比較 各具有優(yōu)缺點(diǎn) c m o s 主要是制造成本低 具有較低的 功耗 但成像質(zhì)量較差 并對光源具有依賴性 所以多用于對影像質(zhì)量要求較低的場合 由于c c d 傳感器在靈敏度 分辨率及噪聲控制等方面要優(yōu)于c m o s 傳感器 所以c c d 傳感器多應(yīng)用于對圖像質(zhì)量要求較高的高端技術(shù)攝像方面 在攝像頭的成像過程中 光 線在圖像傳感器與鏡頭的共同作用下被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號 因此感光元件的性能是影響攝 像頭成像質(zhì)量的重要因素 經(jīng)常用傳感器像素作為衡量攝像頭優(yōu)劣的重要指標(biāo) 傳感器 像素越高 攝像頭的圖像品質(zhì)就越好 但為了得到較高的分辨率 獲得的圖像文件的數(shù) 據(jù)量也較大 另外傳感器的尺寸在攝像中也起著重要的作用 在分辨率相同的情況下 選擇尺寸較大的元件 能獲得較高質(zhì)量的圖像 目前 c c d 元件的尺寸多為1 3 英寸或 者1 4 英寸 數(shù)碼攝像頭要通過接口與電腦或者其它設(shè)備相連 用于傳輸數(shù)字信號 一般來說 攝像頭接口有u s b 接口 并口和接口卡三種類型 由于數(shù)碼攝像頭誕生于w i n d o w s 9 8 之后 當(dāng)時u s b 接口技術(shù)已經(jīng)比較完善 所以u s b 接口方式是攝像頭與電腦或其它設(shè) 備的主要連接方式 目前 除了極個別型號使用并行接口外 幾乎所有的攝像頭產(chǎn)品都 采用了u s b 接口 u s b 接口提供的電源可以使目前低功耗的攝像頭進(jìn)行工作 從而省 去外接電源 使攝像頭的硬件安裝比較方便 另外 由于u s b 接口的數(shù)據(jù)傳輸速度較 高 因此它滿足了目前高像素數(shù)碼攝像頭的應(yīng)用 保證了高質(zhì)量圖像的傳輸 特別是動 態(tài)影像的流暢播映 評判數(shù)碼攝像頭優(yōu)劣的指標(biāo)除了上述提到的傳感器像素和元件尺寸外 還有攝像頭 的視頻捕獲速度 當(dāng)攝像頭需要捕獲的圖像分辨率較高時 對于動態(tài)影像就會產(chǎn)生跳動 現(xiàn)象 目前攝像頭的視頻捕獲都是通過軟件來實現(xiàn) 要求電腦c p u 的處理能力要足夠 快 因此要在軟 硬件結(jié)合的情況下 選擇具有合理視頻捕獲能力的攝像頭 從而達(dá)到 圖像處理所需要的效果 隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展 具有高像素 高質(zhì)量圖像傳感器及高傳 輸速度的攝像頭將會是未來市場的主要需求 9 大連交通大學(xué)丁學(xué)碩 學(xué)位論文 2 3 2c c d 圖像傳感器 c c d 是c h a r g ec o u p l e dd e v i c e 電荷耦合器件 的縮寫 上世紀(jì)七十年代誕生于貝爾 實驗室 并隨著半導(dǎo)體微電子技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展 它是一種以電荷為信號載體的圖像傳 感器 由陣列式排列在襯底上的m o s 電容器組成 具有光生電荷 信號電荷存儲及轉(zhuǎn) 移電荷的功能 c c d 的電荷注入主要有光信號注入和電信號注入兩種方法 在非接觸 測量中 光注入有比較廣泛的應(yīng)用 對于光注入 當(dāng)光照射到c c d 的半導(dǎo)體表面時 柵極附近的半導(dǎo)體將產(chǎn)生電子 空穴對 在柵極電壓作用下 空穴被排斥進(jìn)入襯底 而 電子被收集在電極下的勢阱中 形成信號電荷存儲起來 存貯電荷即光注入電荷q 的多 少與入射光源的光子流速率 n 光照時間t c 以及半導(dǎo)體表面面積a 成正比f 8 c c d 圖像傳感器具有動態(tài)范圍大 靈敏度高 光譜響應(yīng)寬 抗強(qiáng)光 壽命長 噪 聲低及便于與計算機(jī)或其他數(shù)字化設(shè)備連接等諸多特點(diǎn) 所以發(fā)明幾十年來以驚人的速 度發(fā)展 在圖像傳感 非接觸測量和實時監(jiān)控等工業(yè)測控領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用 選擇c c d 攝像頭主要考慮分辨率和像素兩個要素 選擇了型號為明月m 1 s 的c c d 攝像頭 主要參數(shù) 圖像像素是6 4 0 x 4 8 0 寬 高 水平分辨率為4 8 0 線 2 4 光源 系統(tǒng)中所用的c c d 傳感器是將光信號轉(zhuǎn)化為電信號 從c c d 器件輸出的電流信號 與光強(qiáng)度有很大的關(guān)系 因此要使傳感器靶面獲得足夠的照度并且光照分布均勻 光源 作為光電測量系統(tǒng)的一部分起著非常重要的作用 光源就是將光線以合適的方式照射到 被測物體表面 以突出物體被測表面的特征 也為傳感器提供足夠的光能量 所以一個 合適的光源照明系統(tǒng)能改善測量系統(tǒng)的分辨率 能簡化圖像處理過程 還能提高軟件運(yùn) 算速度 2 4 1 光源的分類 人們把發(fā)光的物體叫做光源 在物理學(xué)上 光源指能發(fā)出一定波長范圍電磁波的物 體稱 電磁波既包括可見光也包括紫外線 紅外線和x 光線等不可見光 通常 光源可 分為自然光源和人工光源兩大類 1 自然光源 在自然過程中產(chǎn)生光輻射的輻射源稱為自然光源 各種天體包括太陽 恒星等都是 自然光源 自然光源是客觀存在的 其強(qiáng)度和光譜特性隨地理位置 氣候 季節(jié) 時間 的變化而變化 太陽是最重要的自然光源 地球也是一種重要的自然光源 在光學(xué)儀器 1 0 第二章圖像檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案 中 有時用自然光作為光源 但是由于使用要求與使用條件的限制 在計量儀器中使用 較少 因此在本測量系統(tǒng)中不采用自然光源作為照明光源 需要選擇合適的人工光源 2 人工光源 人工光源是人們根據(jù)不同場合的需要而設(shè)計的光源 在測量系統(tǒng)中使用能獲得良好 而穩(wěn)定的觀測條件 人工光源可分成白熾燈 氣體放電 固態(tài)光源三大類 經(jīng)常用到的 光源有鹵素?zé)?熒光燈 氙燈及電致發(fā)光管等 但隨著l e d 發(fā)光二極管 技術(shù)的發(fā) 展 l e d 光源作為一種新型的綠色光源產(chǎn)品 成為照明領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢 l e d 燈 具有高節(jié)能 利環(huán)保 壽命長 體積小及高新尖等優(yōu)點(diǎn) 被廣泛的應(yīng)用于顯示 照明 背光源 投影和夜景等領(lǐng)域 近年來 很多國家開始大力發(fā)展l e d 技術(shù) 美國從2 0 0 0 年起投資5 億美元實施 國家半導(dǎo)體照明計劃 2 0 0 0 年7 月歐盟丌始宣布啟動 彩 虹計劃 2 0 0 3 年6 月在 8 6 3 計劃的支持下 我國科技部也提出了發(fā)展半導(dǎo)體照明 計劃 為了實現(xiàn)對不同特征目標(biāo)的檢測 不同的照明方式有 正面均勻照明 正面暗場照 明 背面透射照明 紫外光 紅外光等 平行光是測量系統(tǒng)中普遍使用的光照方式 獲 得平行光的照明方法主要有臨界照明和柯拉照明兩種 2 4 2 光源選取 一般來說 c c d 元件多應(yīng)用于攝像系統(tǒng)和檢測系統(tǒng) 應(yīng)用系統(tǒng)不同對光源的要求 也不同 攝像系統(tǒng)是為了再現(xiàn)物體的狀態(tài) 結(jié)構(gòu)和顏色 它的光源應(yīng)選擇日光或近似日 光的照明系統(tǒng) 而檢測系統(tǒng)是為了測量被測物體表面的幾何特征參數(shù) 它的光源就應(yīng)該 根據(jù)系統(tǒng)測量的特征參數(shù)的不同而選擇合適的光源 該系統(tǒng)用于測量工件表面參數(shù) 需 要對工件的表面形貌進(jìn)行三維模型構(gòu)建 選擇了平行光光源來照射被測工件成像 當(dāng)c c d 元件選定時 圖像的曝光量就會有一個范圍 否則會產(chǎn)生過曝或曝光不足 現(xiàn)象 從而影響圖像質(zhì)量 產(chǎn)生測量誤差 光源是與c c d 攝像頭配套使用的 曝光量 也與光照強(qiáng)度和曝光時間有關(guān) 通常曝光時間可以設(shè)為定值 因此對于選定的c c d 攝 像頭 就要調(diào)節(jié)光源的光照度來得到合適的曝光量 光源的選取過程中 結(jié)合被測工件的大小 形狀 表面特性考慮了很多因素 例如 光照強(qiáng)度 方向 光源大小和形狀等 避免由于陰影 曝光不合適及光線不均勻等原因 造成的系統(tǒng)測量誤差 本系統(tǒng)選用亮度可調(diào)的環(huán)形l e d 光源 并將光源放置在c c d 攝 像頭的前端 經(jīng)過試驗證明此光源能滿足系統(tǒng)的需要 大連交通大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 2 5 數(shù)字圖像處理技術(shù) 數(shù)字圖像處理技術(shù)起源于2 0 世紀(jì)2 0 年代 是通過海底電纜將第一幅數(shù)字圖像采用 數(shù)字壓縮技術(shù)從英國倫敦傳輸?shù)搅嗣绹募~約 隨后 電子技術(shù)的發(fā)展 特別是遙感領(lǐng) 域的應(yīng)用 使數(shù)字圖像處理技術(shù)得到了相應(yīng)的發(fā)展 2 0 世紀(jì)5 0 年代 數(shù)字計算機(jī)技術(shù) 不斷提高 人們開始使用計算機(jī)處理圖像 由此數(shù)字圖像處理開始快速的發(fā)展并得到了 普遍的應(yīng)用 隨著計算機(jī)的飛速發(fā)展 計算機(jī)的運(yùn)算速度大大提高 這大大促進(jìn)了數(shù)字圖像處理 技術(shù)的發(fā)展 另外 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué) 混沌理論等數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)的引入 也使數(shù)字圖像處理 技術(shù)的理論更加豐富 數(shù)字圖像處理技術(shù)己廣泛的應(yīng)用到了很多的領(lǐng)域 而社會的進(jìn)步 與發(fā)展也使更多的領(lǐng)域開始應(yīng)用到這種技術(shù) 并且各個領(lǐng)域也對數(shù)字圖像處理技術(shù)提出 了更高的要求 數(shù)字圖像處理的發(fā)展通常受到3 個方面因素的影響 計算機(jī)的發(fā)展 數(shù) 學(xué)的進(jìn)步 廣泛的工業(yè) 科技 軍事等應(yīng)用領(lǐng)域 系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)對計算機(jī)通過c c d 攝像頭獲取的圖像進(jìn)行處理 2 5 1 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 人類通過視覺系統(tǒng)獲取物體的信息并在大腦中形成印象或認(rèn)識 就形成了圖像 對 圖像進(jìn)行處理 就是對所形成的圖像進(jìn)行加工以獲取應(yīng)用所需求的信息 圖像處理的手 段也隨著科技的發(fā)展日益進(jìn)步 從最初的光學(xué)方法發(fā)展到后來的電子學(xué)方法 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)主要有四個部件 圖形數(shù)字化儀 處理圖像的計算機(jī) 輸出設(shè)備 和大容量存儲器 由于計算機(jī)只能處理數(shù)字圖像 所以圖像并不能直接由計算機(jī)進(jìn)行處 理 就需要圖形數(shù)字化儀將圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式 計算機(jī)是圖像處理系統(tǒng)的核心部分 其硬件配置取決于用戶的需求 也決定了處理系統(tǒng)的效率 輸出設(shè)備要將處理前后的圖 像顯示出來或?qū)⑻幚頂?shù)據(jù)保存 對圖像進(jìn)行處理的前提是圖像的存儲 圖像在計算機(jī)中以像素為單位存儲 像素也 叫圖像元素 是物理圖像上劃分出的小區(qū)域 每個像素位置的數(shù)值反映了物理圖像上對 應(yīng)的亮度 圖像的數(shù)字化過程 就是在每個像素位置 將圖像的亮度采樣和量化 從而 得到圖像對應(yīng)點(diǎn)上表示其明暗程度的一個整數(shù)值 最后以整數(shù)矩陣的形式表示圖像 這 個數(shù)字矩陣就是計算機(jī)處理的對象 數(shù)字圖像是由像素組成的二維矩陣 對于單色級灰 度圖像而言 每個像素的亮度用一個數(shù)值來表示 通常數(shù)值范圍在0 2 5 5 之間 即可用 一個字節(jié)來表示 0 表示黑 2 5 5 表示白 而其他的表示灰度 數(shù)字圖像處理的主要研究內(nèi)容有圖像獲取 圖像分析處理及圖像識別等 1 2 第二章圖像檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案 圖像獲取就是圖像的數(shù)字化過程 也就是將圖像采集到計算機(jī)的過程 它主要是把 模擬圖像信號轉(zhuǎn)化為計算機(jī)所能接受的數(shù)字形式 目前 圖像的數(shù)字化設(shè)備可分為兩類 一類是基于圖像采集卡或者圖像卡將模擬制式的圖像信號采集到計算機(jī) 另一類是c c d 攝像機(jī)本身帶有數(shù)字化部件直接將數(shù)字圖像通過端口或標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備傳送到計算機(jī) 圖像卡 是目前專業(yè)中常用的圖像數(shù)字化設(shè)備 有高端的圖像卡是集采集和處理于一身的非標(biāo)準(zhǔn) 配件 用于開發(fā)高速或?qū)崟r處理 有一種多媒體視頻采集卡主要用于視頻會議等 還有 一種壓縮卡主要用于v c d 制作 近年來 c c d 攝像機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展 以其高分辨率 使用方便的特點(diǎn) 受到了更多研究者的關(guān)注 圖像分析處理是核心的環(huán)節(jié) 在研究圖像時 要對獲得的圖像信息進(jìn)行預(yù)處理 包 括去于擾 噪聲 做幾何 彩色校正等 這樣可提高信噪比 由于目前的圖像獲取過程 中大多用到了光學(xué)成像系統(tǒng) 會造成圖像的畸變或者圖像質(zhì)量問題 所以在圖像處理中 要進(jìn)行圖像的還原或增強(qiáng) 增強(qiáng)的作用在于提供一個滿足一定要求的圖像 為了便于處 理過程中圖像在計算機(jī)內(nèi)的存儲和傳輸 要對較大的圖像信息進(jìn)行壓縮和編碼 圖像進(jìn) 行分割就是進(jìn)行定位和分離 為了從圖像中找到需要識別的東西 總的來說 圖像增強(qiáng) 圖像