基于机器视觉技术发动机轴瓦分级检测系统应用研究(电气自动化专业毕业设计).doc

（论文） i 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 基于机器视觉技术发动机曲轴轴瓦分级检测系 统应用研究 based on machine vision technology engine crankshaft bearing grade detection system application ： ： 本 科 ： 电气与信息学院 ： 自动化 ： ： 讲 师 助理实验师 ： 2008 年 6 月 20 日 学生姓名 学历层次 所在系部 所学专业 指导教师 教师职称 完成时间 （论文） ii 摘摘 要要 机器视觉技术已成为一门新兴的综合技术,在社会诸多领域得到广泛应用， 大大提 高了装备的智能化、自动化水平,提高了装备的使用效率、可靠性等性能。本设计就是 针对汽车发动机曲轴轴瓦装配重要工艺环节，利用气缸表面字符特征不一致，采用机 器视觉技术对曲轴轴瓦的不同型号进行检测，保证安装准确；主要应用了模式识别与 图像处理技术，以 vc为开发平台，设计出曲轴轴瓦自动检测系统，对轴瓦的类型 进行匹配，然后进行自动识别，进而完成检测任务。通过实验验证，在正常情况下， 识别误差是可以避免的，所以可以达到预期目标，充分满足了实际生产的需求。 关键词 机器视觉 阈值分割 字符识别 abstract： the technology of machine vision has become an emerging comprehensive technology and obtains the widespread application in many social domains. greatly enhanced the equipments intellectualization and automated level, the using efficiency and reliability is also raised. this paper is designed for an important part of the automotive engine crankshaft bearing assembly of the cylinder and by the different characters of surface characteristics, using machine vision technology to test the different models of crankshaft bearing and ensure the accuracy installation. mainly applied pattern recognition and image processing technology,based on the vc+ to design a system of crankshaft bearing automatic detection and match the type of bearing,and then automatically identify and complete the detection task . it can be avoid the identification errors through experimental verification which under normal circumstances, and so we can achieve the desired objective and fully meet the actual needs of production. keywords: machine vision threshold segmentation character recognition （论文） iii 目 录 1 引言.1 1.1 背景分析.1 1.2 技术引进.2 2 系统总体方案的确定.3 2.1 系统总体方案分析.3 2.2 方案论证.3 3 系统硬件设计.5 3.1 硬件的组成.5 3.2 工控机.6 3.3 控制系统的 i/o 子系统.6 3.4 图像采集单元.9 3.5 传感器和执行机构.12 4 数字图像处理.14 4.1 图像.14 4.2 数字图像.15 4.3 图像数字化.15 4.4 数字图像处理.15 5 曲轴轴瓦的检测识别原理.17 5.1 机器视觉检测原理.17 5.2 气缸表面字符检测原理.18 5.3 字符识别的基本原理.18 5.4 气缸表面字符区域提取.19 6 图像预处理与分析.24 6.1 图像分割.25 （论文） iv 6.2 二维 otsu曲线阈值分割算法29 6.3 字符细化处理.31 6.4 hilditch细化算法.32 6.5 字符特征提取.33 7 汽缸表面字符识别.35 8 系统软件算法的实现.36 8.1 软件系统的设计.37 8.2 visual c+ 应用算法和界面.37 9 总 结.38 参考文献.40 致 谢.41 附录一：.42 附录二：.48 附录三：.54 （论文） 1 1 引言 1.1 背景分析 视觉是人类观察世界、认知世界的重要功能手段。人类从外界获得的信息约有 75%来 自视觉系统。这既说明视觉信息量巨大，也表明人类对视觉信息有较高的利用率。人类的视 觉过程可看作是一个复杂的从感觉到知觉的过程。人类视觉所具有的强大功能和完美的信息 处理方式引起了智能研究者的极大兴趣。1每个人都能体会到，眼睛对人来说是非常重要的。 有研究结果表明，人类视觉细胞数量的数量级大约为 108，是听觉细胞的 300 多倍，是皮肤 感觉细胞的 100 多倍，从这个角度也可以看出视觉系统的重要性。视觉是人类观察世界、认 知世界的重要功能手段。视觉系统从外界获取图像，就是在眼睛视网膜上获得周围世界的光 学成像，然后由视觉接受器将光图像信息转化为视网膜的神经活动电信号，通过视神经纤维， 把这些图像信息传送入大脑，由大脑获得图像感知，并对获取的图像进行分析和理解，通过 图像获得对周围世界感知的信号和识别。2 视觉技术的最大优点是与被观测对象无接触,因此,对观测与被观测者都不会产生任何损 伤,十分安全可靠,这是其它感觉方式无法比拟的. 理论上,人眼观察不到的范围机器视觉也可 以观察,例如红外线、微波、超声波等,而机器视觉则可以利用这方面的传感器件形成红外线、 微波、超声波等图像. 另外,人无法长时间地观察对象,机器视觉则无时间限制,而且具有很高 的分辨精度和速度. 所以,机器视觉应用领域十分广泛,可分为工业、科学研究、军事和民用 4 大领域。3在现代工业自动化生产中，视觉检测往往是不可缺少的环节。它涉及到各种各样 的检查、测量和识别的应用，例如药品包装的正误，ic 字符印刷的质量，电路板焊接的好 坏，汽车零配件尺寸的检查和自动装配的识别装配等，这类应用的共同特点是连续大批量生 产安装，对产品质量和准确度的要求非常高。通常这种带有高度重复性和智能性的工作靠人 工检测来完成，我们经常在一些工厂的现代化流水线的后面看到数以百计甚至逾千的检测工 人来执行这道工序，给工厂增加巨大的人工成本和管理成本。而这些完全由人眼的检测，长 时间反复的工作会使人眼产生视觉疲劳，难以避免产品错位、漏检等情况的出现，仍然不能 保证 100%的检验合格率（即“零缺陷”） 。而当今企业之间的竞争，已经不允许哪怕是 0.1% 的缺漏的存在。另外，许多检测的工序不仅仅要求外观的检测，同时需要准确获取检测数据， 比如零件的宽度，圆孔的直径，以及基准点的坐标等等，这些工作则是很难靠人眼快速完成。 通常，为了减轻视觉系统的负担，人们总是尽可能地改善外部环境条件，对视角、照明、物 体的放置方式做出某种限制，但更重要的还是加强视觉系统本身的功能和使用较好的信息处 理方法。随着电子信息技术的兴起，人们逐渐认识到基于机器视觉开发的检测系统，能在产 品质量的检测过程中用机器代替人眼来做测量和判断，降低了人为因素对产品质量的影响， 在零配件识别和装配的技改方面满足了企业的需求，这一技术的兴起，掀起了工业过程自动 （论文） 2 化技术的新篇章。 在本设计中，我们主要运用了机器视觉系统对发动机曲轴轴瓦自动识别安装这一道工艺 环节，进行系统分析研究。本工序中辅助物流系统将不同种类的曲轴轴瓦传送至正确摆放位 置，然后装配工人根据气缸表面的字符提示，将轴瓦装配在正确的位置，从而保证了装配线 总体生产节奏。然而由于装配线在极短时间内可能进行多种轴瓦的装配。装配线计算机系统 虽然可进行快速响应，但人工方式的装配过程时常发生轴瓦混淆现象，即对应于一台发动机 五个轴瓦发生错装。错装后的轴瓦在同一发动机内将造成车辆运行过程中曲轴各项性能指标 下降，导致发动机整体性能下降。曲轴轴瓦装错现象虽然不常见，一旦发生，后果严重。传 统的检测方法由人工完成，即下一道工序人工肉眼目测，这种方法由于工人长时间工作导致 肉眼疲劳，无法从根本上避免安装事故的发生。所有不正确安装，在下一道工序缸体倒置后， 将不能直观目测，轻者造成返修，重者发生事故。以一汽大众集团为例，为了对曲轴轴瓦装 配质量进行在线监控，专门从德国引进了专用检测设备，但该设备仅限于几种固定型号的曲 轴轴瓦，随着市场的发展，原有的设备越来越不能满足制造过程柔性化的需要，针对工厂的 实际问题，开展了此课题的研究工作，提出了基于计算机视觉技术的在线检测方案，对轴瓦 的型号进行匹配，然后进行自动识别，进而完成检测任务提高了制造过程的柔性化以及装配 的效率。 1.2 技术引进 机器视觉（machine vision） ，又称计算机视觉（computer vision）, 是用摄像机和计算 机代替人眼对目标进行识别、跟踪和测量。主要着重研究图像的三维重建、运动图像分析和 图像识别、分析与理解。而机器视觉系统，是将被摄取的目标转换成图像信号，传送给专用 的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信号，转变成数字信号，图像系统对这些信 号进行各种运算来抽取目标的特征，在根据判断的结果控制现场的设备。 早期的计算机视觉研究集中在那些以平面为表面的多面体的世界，而在此之前都是基于 二维的。roberts 首先用程序成功地对三维积木世界进行解释，在其后类似的研究中， gunman 在视觉处理研究中引入了符号化处理和启发式方法，以后，huffmanclowes 以及 waltz 等人对积木世界进行了研究并分别解决了由线段解释景物和处理阴影等问题。积木世 界的研究反映了视觉早期研究中的一些特点，即从简化的世界出发进行研究。这些工作对视 觉研究的发展起了促进作用，但对于稍微复杂的景物便难以奏效。近期的视觉研究开始于 20 世纪 70 年代中期，以 marr 等人为代表的一些研究者提出了一整套视觉计算的理论来 描述视觉过程，其核心是从图像恢复物体的三维形状。marr 视觉计算理论立足于计算机科 学，是迄今为止最系统化的视觉理论。marr 建立的视觉计算理论，使计算机视觉研究有了 一个比较明确的体系，并大大推动了计算机视觉研究的发展。4 目前，实际应用中有许多具体的视觉应用工程问题，如零件的识别、缺陷的检查、工件的定 （论文） 3 位等等，这些问题具有很重要的工程应用价值，视觉是解决它们的有效手段。虽然视觉经过 20 多年的研究，己经有了很大的发展，但无论是从视觉生理的角度，还是从实际应用的角 度来看，现有的视觉技术还处于十分不成熟的阶段。要构造出类似于人类视觉的通用立体视 觉系统也不是近期内可以达到的，需要用不同的技术手段对其进行深入的研究。由于其广泛 的应用领域和巨大的应用前景，对视觉技术的研究不但对揭示人类自身视觉奥妙具有重要意 义，而且对于推动立体视觉的应用具有重要的实用价值。 近年来发展迅猛的机器视觉技术解决了这一问题。机器视觉系统一般采用 ccd 照相机 摄取检测图像并转化为数字信号，再采用先进的计算机硬件与软件技术对图像数字信号进行 处理，从而得到所需要的各种目标图像特征值，并由此实现模式识别，坐标计算，灰度分布 图等多种功能。然后再根据其结果显示图像，输出数据，发出指令，配合执行机构完成位置 调整，好坏筛选，数据统计等自动化流程。与人工视觉相比较，机器视觉的最大优点是精确， 快速，可靠，以及数字化。5 机器视觉技术经过 20 年的发展,已成为一门新兴的综合技术,在社会诸多领域得到广泛应 用. 大大提高了装备的智能化、自动化水平,提高了装备的使用效率、可靠性等性能. 随着新 技术、新理论在机器视觉系统中的应用,机器视觉将在国民经济的各个领域发挥更大的作用. （论文） 4 2 系统总体方案的确定 2.1 系统总体方案分析 本设计是一个针对发动机曲轴轴瓦分级安装的自动化调控系统，并引进现在国内领先技术 机器视觉技术，以数字图像处理为研究基础的识别算法。在整个发动机曲轴轴瓦的安装检 测线上，要对几种型号的大批量轴瓦进行分级安装，这就需要一个机器视觉系统。本设计以识 别两种型号的轴瓦为例，简述整个识别过程。曲轴轴瓦通常是固定在汽缸上，通过检测后送至 发动机上进行安装。检测系统将摄像机采集到轴瓦的字符（字母）图像反馈至内存，然后计算 机对所采集的图像进行处理、识别，从而显示出识别到的图像是否与标准模式相匹配，匹配则 放行进行液压安装，否则扬声器会及时发出报警信号，再由工作人员进行改正。由此可见，利 用机器视觉技术既可以解决许多工业难题，又能提高检测效率和自动化水平，构成一个带有视 觉环节的反馈控制系统，并能广泛适用于实际工业生产中。 2.2 方案论证 系统总体方案的确定，是进行系统设计最重要、最关键的一步，直接影响到整个控制系统 的性能、安全运行等因素的参数选定，使设计能够有序、正确的进行。为更好的拟定一份准确、 可靠的总体方案，可以采用“多选一”的形式： 方案一： 检测目标 光源 触发电路 镜头ccd 相机图像采集 执行机构 显示器 图像处理 图 2-1 系统组成原理框图 此方案采用线性光源以产生照明能量集中，光线分布均匀的一条光带；采用多个 ccd 相机 对汽缸表面进行多方向的拍照，以保证检测的全面性，采用外触发模式使各个方向的图像分通 道进入图像采集单元；经过处理单元对各通道的图像进行复杂的表面检测运算，如果发现任何 一个通道的图像与标准安装位置不符，则立即绘出控制信号，使执行单元在错误汽缸通过时将 其剔除，并报警给予提示；系统显示器实时显示各通道图像及其检测结果，并给出错误的分析 结果。系统设计原理框图如图 2-1 所示。 系统的图像采集单元包括图像采集、d/a 转换卡、光源、ccd 相机、图像处理单元，以 plc 控制系统控制执行单元。此方案的特点是设计周密，使用性强，但多个相机多方向拍照， 必会大大占用内存空间，为系统增加负担。 （论文） 5 方案二： 此方案采用 led 阵列照明光源对目标物体进行亮度和距离的调节，便于图像的采集、处理。 采用 ccd 相机对汽缸表面的字符（字母）进行识别检测的图像捕捉拍照，采集到的图像传输到 工控机中存储、处理、识别，如果发现与标准图像字符不匹配的，则立即绘出控制信号，是执 行机构上的止动器卡住汽缸，并发出报警信号，工作人员依照显示器的分析提示后到场进行纠 正安装，系统识别到正确的图像后生产线恢复运行。系统设计原理框图如图 2-2 所示。 工控机 执行机构 显示器 图像处理软件 i/o 卡 图像采集卡ccd 相机 扬声器 检测目标 光源 图 2-2 系统组成原理框图 系统的图像采集单元包括图像采集卡、ccd 相机、led 光源，工控机作为图像处理单元， 用 visual c+作为软件处理和对执行机构的控制单元。此方案的特点是以实际使用性能为出发 点，比较方案一来说更节省系统内存空间，在使用中有较强的随机应变能力。 以上两种方案都是为了完成对图像的采集、识别功能，其使用方式有所差别。根据上述种 种分析得出，方案二为本设计中的最佳方案。计算机控制系统由计算机和控制系统两部分组成， 其中计算机部分包括硬件和软件，控制部分包括驱动电路和执行单元等。系统的硬件结构上， 尽可能的选用性能较高，现在市场上领先技术且适用于设计中协调运作的元器件。在软件流程 上，引用 visual c+高级汇编语言来支持各环节算法的处理，与其他辅助设备做好良好的联接 控制，使整个系统能及时相互响应，并由控制界面和报警设备给予工作人员提示。 （论文） 6 3 系统硬件设计 3.1 硬件的组成 汽缸固定在随行的夹具之上，随行夹具自动滑线运行将汽缸送到检测工位。发出到位信号， 计算机检测到信号；工位液压止动器抬起，夹具及工件停止运动，ccd 摄像机将汽缸图像采集 至内存，然后计算机对图像进行处理。操作者按检测结果装配曲轴轴瓦，如果操作者安装错误， 扬声器报警，工人依报警信息纠错并安装完毕。最后系统控制止动器下降，汽缸放行。如图 3-1 所示。 图 3-1 系统硬件组成 系统的硬件结构主要由工控机，i/o 接口子系统，图像采集单元，辅助执行机构等几部分 组成。控制对象的被测参数经传感器、放大器转换成统一信号，再经 i/o 开关量卡送到图像视频 采集卡进行 a/d 转换，转换后的数字量通过接口送入计算机。计算机经处理后，经开关量输出， 对被测参数进行输出控制。 3.2 工控机 在整个控制系统是以计算机为核心的测量和控制系统，它将来自各传感器的检测信号与外 部输入命令进行集中、存储、分析、转换，对参数进行巡回检测，执行数据处理、计算和逻辑 判断、报警处理等，并根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令，控制整个 系统有目的的运行。由于这类控制器主要用于设备控制、过程控制，必须与生产过程的机械设 （论文） 7 备相匹配，因此通常称为工业控制机（简称工控机） 。它的基本功能应包括以下几点： 实时的信息转换和控制功能。 人机交互功能。 和机电部件接口的功能。 对控制软件运行的支持功能。 由此可见，工控机的任务是用于实时过程的检测和控制。因此，对工控机中的存储代码和 数据供 cpu 或其他设备读写外，还有如下要求： 可靠性高 即抗干扰能力强，能在恶劣的工业现场环境下准确进行读写操作。 实时性好 能满足工业控制系统对存储器访问的要求。 功耗低 降低自然造成的温升，并可用电池供电。 数据存储器非易失性，这并不是对全局存储器的要求，但系统中至少有局部非易失数据 段或程序代码段，以便能长期保存数据，并在系统突然停电后再重新启动时能迅速恢复现场运 行。 另外，工业控制系统研制成功投入运行后，软件通常相对固定，很少变更，这和数据处理 机有很大不同。因此，其应用软件常常采用固化运行的方法，即将程序固化在 rom 中，程序的 运行基于 rom，只保留较少容量的 ram 用于存放工作数据。还有，在工业控制系统中，除管 理级计算机以外，其控制系统的计算机软件量通常不会太大，一般不采用海量存储器。目前， 半导体存储器更符合工业控制器对存储器的各项要求。尤其是 flash 存储器，由于成本低、非易 失性、电可擦除、有只读方式（用于写保护）及独特的操作方式，它不但可以组成 ram 盘，也 可以形成 rom。它可以组成容量很大的半导体盘，其内容不易被破坏，也不容易被程序干扰， 且由于容量大、成本低，它大有取代硬盘之势。 由于半导体存储器没有机械转动部分，也没有磨损（包括退磁磨损）问题，与各种微处理 器芯片兼容，可直接接口，简化了控制电路和接口电路，减少了器件数目，提高了可靠性，而 且存取简捷；访问时间快（100ns 左右） ，从而提高了实时性。功耗远比带驱动机的方式（如软、 硬磁盘）低，尤其是 cmos 半导体存储器功耗极低。 3.3 控制系统的 i/o 子系统 控制器除了基本系统外，还应包括各种检测、控制量的输入输出接口，这部分功能称为 i/o 子系统。按其物理量的形式来分，一般可分为开关量（数字量）i/o，模拟量 i/o 两大类。 开关量（数字量）i/o 工业控制机需要处理的最基本的输入/输出信号是开关信号。开关 信号包括：仪器仪表的 bcd 码、开关状态的闭合和释放、电动机的起动和停止、晶闸管的通和 断、阀门的开和闭，以及脉冲信号的计数和定时信号等等。这些信号的共同特征是以二进制的 逻辑“1”和“0”出现，故称为开关信号。这些开关信号的电器接口最简单的是 ttl 电平接口，通 常只用于与工业控制机本身共电源的输出指示灯控制、操作面板上的开关状态的输入及驱动带 （论文） 8 电气隔离的功率输出模块。而由于工业现场环境恶劣，存在电磁干扰、噪声等影响，常采用光 耦合器件来解决控制机与其他独立设备的接口。光耦合器件由于输出信号与输入信号在电气上 完全隔离，抗干扰能力强，且无触点，耐冲击，寿命长，可靠性高，响应速度快，易与逻辑电 路配合，因而是开关量 i/o 中最有效、最常用的隔离措施。另外，开关量输出接口往往还要加以 适当的驱动能力。 模拟 i/o 模拟量输入输出是控制系统的重要组成部分，也是微处理机与控制对象之间一 种非常重要的接口方式。温度、压力、流量、位移等物理量往往经传感器变成连续变化的电压、 电流或电阻等信号后必须再变换成数字量，即 a/d 转换，才能被计算机识别；这些变换后的数 字量经计算机处理，其输出结果通过 d/a 转换器再变成模拟的电压或电流信号，送到执行机构， 达到控制某种过程的目的。有时，只对某些参数进行监测即为数据采集，也可能只对系统进行 开环控制，这些都离不开 a/d 和 d/a 技术。由于传感器把非电的物理量变换成电量后并不一定 适合 a/d 直接应用，有时还必须经放大滤波、线性化补偿、隔离保护等措施，才能送 a/d 转换 器；d/a 转换器将数字量转换为电压信号，许多情况下还必须经功率放大、隔离等其他措施。 一般称这一系列措施为信号调理。6 通信模块完成检测系统与上位机和数据库的双向通信及统计数据上报的功能。这里采用 idaq-5730 32 通道隔离数字量 i/o 卡为例来说明(兼容华研 pcl730)： idaq-5730 隔离数字 i/o 卡 1)产品简介 idaq-5730 是一个隔离数字 i/o 卡，它是用于 ibm at 兼 容机的紧凑型插卡。idaq-5730 提供 16 路隔离输入和隔 离输出通道。隔离的通道适合工业环境的应用。另外 有 16 路非隔离的数字输入 和输出通道。它使用户可以更加灵活的使用此卡。 idaq-5730 提供双中断请求。一个是由外部数字信 （论文） 9 号产 生的，另一个是由 8254 定时器产生的。双中断请求 在看门狗和触发信号监测等工业应用中非常 有用。7 2)产品规格 隔离数字量 i/o 光隔离输入通道 通道数: 16 电压：524vdc 输入电阻：1.2k，0.5w 隔离电压：2500vrms 隔离电压：2500vrms 吞吐量：10khz ttl 数字 i/o(dio) 32 路 ttl 兼容输入和输出 输入电压：低：0-0.8v 高：最小 2.0v 输入负载：低：+0.5v，-0.4ma 高：+2.7v，+0.05ma 输出电压：低：0-0.4v（最大值） 高：2.4v（最小值） 驱动能力低：+0.5v，8ma 高：+2.7v，0.4ma(最小值) 光隔离输出通道 通道数: 16 输出设备: td62003 集电极开路:540vdc(需外部电源) 灌电流：最大 200ma 吞吐量：10khz 可编程计数器 设备: 8254 a/d 定时触发器: 32 位时钟(二个 16 位计数器), 带一个 2mhz 的时基 计数器: 一个 16 位计数器, 带一个 2mhz 的时基 定时触发器输出:0.00046hz-0.5mhz 一般特性 i/o 基址: 8 个连续的地址位置 接口：一个 37 芯 d 型接头 工作温度：0+60 储存温度：-20+80 （论文） 10 工作湿度：595% 无凝结 功耗：+5v ， 360ma ( 典型值)450ma (最大) 尺寸：紧凑型, 163mm123mm 32 路数字输入(16 路隔离和 16 路 ttl 输入) 3)产品特性 32 路数字输出(16 路隔离和 16 路 ttl 输出) 2,500vrms 高电压隔离 高输出驱动能力和 200ma 最大灌电流 高达 24v 的隔离输入电压保护 板上内部定时触发器触发 中断由内部定时器或外部信号控制 双中断触发源 一个 37 芯接口和两个 20 芯插头 3.4 图像采集单元 图像采集也就是图像数字化的过程，即将图像采集到计算机的过程，主要涉及到成像及模 数转换（a/d converter）技术，它能直接影响到系统的稳定性及可靠性。图像的采集实际上是 将被测物体的可视化图像和内在特征转化成能被计算机处理的数据，主要通过 ccd 摄像头与计 算机的图像采集卡直接相连来完成图像采集，而图像捕捉控制是由相关的软件开发包工具来实 现的。捕捉软件可以按每秒 125 帧（pal 制）或 130 帧（n 制）来捕捉存贮在帧缓存或计 算机内存里以备预处理系统调用，可以是实时在监控图像中抓取到含有轴瓦型号字符的图像。 图像采集单元包括图像视频采集卡、光源、ccd 相机。 3.4.1 ccd ccd 的全称为 charge coupled devices，它的主要部分为位于单个集成电路芯片上的一组线 性或矩形光传感器阵列，并包含能读出由入射图像产生的充电电荷的必要电路。采用 ccd 器件 构成摄像机，其基本原理是通过光学系统将自然图像成像在 ccd 的像敏面上，像敏面将照在每 一个像敏单元的图像照度转换为少数载流子数密度信号存储在像敏单元中，然后在转移到 ccd 的移位寄存器中，在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，形成强弱不同的电信号。ccd 图像传 感器分为线阵和面阵。线阵 ccd 是将一维光信号进行电转换的器件，为了得到二维图像就必须 采用机械扫描的方法来实现，而摄像机采用的是面阵 ccd。 扫描方式有逐行扫描和隔行扫描之分。在隔行扫描里，扫描分为奇偶两场进行。奇数场的 扫描行为奇数行，偶数场的扫描行为偶数行，两场合为一幅图像，即为一帧。因此在隔行扫描 中，无论是摄像机还是 crt 显示器，获取或显示一幅图像都要扫描两遍才能得到一幅完整的图 像。 由视觉传感器得到的电信号，经过 a/d 转换成数字信号，称为数字图像。一般地，一个画 面可以分成 256*256 像素、512*512 像素或 1024*1024 个像素，像素的灰度可以用 4 位或 8 位二 （论文） 11 进制数来表示。一般情况下，这么大的信息量对机器人系统来说是足够的。要求比较高的场合， 还可以通过彩色摄像系统或在黑白摄像管前面加上红、绿、蓝等滤光器得到颜色信息和较好的 反差。 3.4.2 led 阵列照明光源 视觉系统能直接把景物转化成图像输入信号，因此取景部分应当能根据具体情况自动调节 光圈和焦点，以便得到一幅容易处理的图像。为此应能调节以下几个参量： 1） 焦点能自动对准要看的物体。 2） 根据光线强弱自动调节光圈。 3） 自动转动摄像机，使被摄物体位于视野中央。 4） 根据目标物体的颜色选择滤光器。 此外，还应当调节光源的方向和强度，使目标物体能够看得更清楚。为了满足上述条件， 特采用 led 阵列照明光源。 高密度的 led 阵列置于紧凑的、框形斜射光照明单元中，属于 ldl/ldq 系列，其突出特 点是照明光源角度几乎可被自由地设成任意角度，并且四面的每个角度都可被独立设置，适用 于金属板表面检测、标签检测、陶制品的外部和裂缝检测等，使所获得的图像给后期图像的处 理、分析和识别带来了很大的方便。8 图 3-3 led 阵列照明光源 3.4.3 视频采集卡 视频采集卡是机器视觉系统中的关键部件，用于将模拟摄像机传送来的模拟视频图像信号转 换为数字视频图像信号。视频质量的好坏往往与视频采集卡有直接的关系。 视频采集卡的种类有很多，视觉系统一般采用非专业级的视频采集卡。如果使用无压缩的视 频压缩卡，控制系统则必须采用软件进行视频压缩，这将耗费计算机资源。因此，视觉系统一 般采用压缩视频采集卡，当前流行的是 mpeg-4 压缩卡。视频采集卡由下列部件组成：视频输 入、视频通道多路转换器、a/d 转换、视频压缩、视频帧存、音频输入、音频压缩等。一块卡 （论文） 12 往往支持 1 路到 4 路视频采集压缩和 1 路到 4 路音频采集压缩。视频与音频之间一般具有同步 的关系。视频输入一般支持多种制式；音视频的压缩采用专用压缩芯片。 根据上述视频采集系统的特点需要，这里我们选用 mv-8000 4 路高清图像采集卡. 1)产品介绍： 该系列产品是陕西维视数字图像技术有限公司采用最新的数字视频处理芯片，嵌入公司自 主知识产权的 h.264 压缩算法及多路图像处理的技术，形成了从 cif 到 half d1、full d1 所 有图像质量等级、具有极高性价比的 mv-1500 系列产品。此 dsp 数字信号处理芯片是 philips 在原来 dsp 系列产品基础上的升级换代产品，在许多的主要性能上均有明显的提升。 由于我们独特的开发技术路线，保证了更优良的视频图像质量和更高的实时性。 mv-8000 4 路高清图像采集卡 高清晰度工业图像采集卡，10 位 a/d，分辨率 768576，25/30 帧/s，支持 dicrtshow，采用自适应梳状滤波，动态采集图像流畅细腻，实时完 成文字/字符/图形叠加, 可实现单帧/单场/黑白灰度采集，消除运动图像毛刺、脱影、拉毛现象。 支持 vb、vc、delphi 二次开发，提供开发实例源代码。带软压存储软件，支持多种操作系统。 应用于机器视觉、医学影像、电子警察、生物识别、交通抓拍、安全监控、工业流水线检测、 智能交通收费、安全监控等。9 图 3-4 mv-8000 4 路高清图像采集卡 2) 主要性能指标： 4 路 pal，ntsc 彩色或黑白视频信号同时输入，同时显示。 mv-8000 4 通道实时图像采集卡采用 10bit 高清晰度图像芯片，图像色彩更真实，清 晰度更高。 图像分辨率最高：768 x 576 x 32bit; ntsc 640 x 480 x 32bit。 mv-8000 4 通道实时图像采集卡亮度、对比度、色调、色饱和度软件可调。 mv-8000 4 通道实时图像采集卡支持计算机内容与图像同屏显示。 支持任意形状的图像采集，支持裁剪与比例压缩模式。 mv-8000 4 通道实时图像采集卡可在图象上实时叠加字符、图形、文字功能 （论文） 13 支持 rgb8888、rgb888、rgb565、rgb555 及 256 色模式。 mv-8000 4 通道实时图像采集卡支持单场、单帧、连续场、连续帧的采集方式，支持 单机多卡。 mv-8000 工业高清图像采集卡可在外部视频上叠加文字和图像，实时显示在计算机屏 幕上； 可以和 mv-800 系列图像采集卡同时使用，开发好的系统软件不用做任何改动。 mv-8000 工业高清图像采集卡底层程序稳定，功能丰富、开发简便、便于程序移植， 供货稳定，无需担心停产。 硬件兼容性能好，工作稳定可靠，可在兼容机、原装机/工控机、甚至在高温、电弧焊 接、石油勘探现场等恶劣环境下都能良好地稳定工作。 3.5 传感器和执行机构 在整个控制系统中，除了图像识别这一重要环节之外，还需要使用传感器把各种被测参数 转变成为电量信号，经过中间变换器放大输出，再转换成统一电平送到计算机中。同时需要使 用各种接口电路和执行机构，以计算机的输出去控制对象。常用的执行机构有电子开关、液压 电动机和气动电磁阀等各种控制设备。 3.5.1 光传感器 由于光传感器的发展，光控电路在自动控制、工农业生产及家用电器等领域都得到了广泛 的应用。 当载有汽缸的传输带行进到 ccd 面前时，需要暂停一下，便于 ccd 进行拍照采集。这就 需要一个光控开关电路来感应到汽缸的到达，并及时动作暂停发送信号进行下一道工序采 集。这里我们采用光敏三极管光控制电路，如图 3-5 所示。 vz1 vz2 +c1 r1 r5 r3 r4 r2 vt1 rp r7 r6 vd vt2 ur l n hl t 220 + n ka 36v u门门 b a 图 3-5 光敏三极管光控制电路 工作原理：发光器为白炽灯，受光器为光电晶体管。白炽灯的电源直接由变压器 t 的副边 所得，而开关电路的工作电源是在变压器降压后，通过整桥 ur 整流，电容 c1滤波后提供的， 光电开关的门限电压是由电阻 r3、r4分压所得，即 u门限=r4ucc/（r3+r4） 。当无被测体接近时， （论文） 14 白炽灯 hl 照射到光敏三极管 vt1，此时光敏三极管饱和导通，a 点电位低于比较器 n 的门限 电压u门限，比较器 n 输出低电平，稳压二极管 vz1 截止，使晶体管 vt2截止，继电器 ka 不 动作。当有检测体接近时，白炽灯灯光被遮挡，照射到光电晶体管的光线减弱，光电晶体管 vt1由导通状态变为截止状态，使 a 点电位升高接近电源电压值，uaub，比较器 n 输出高电 平，使稳压二极管 vz1 击穿导通，晶体管 vt2由截止状态变为饱和导通状态，继电器 ka 动作 10。使液压止动器抬起，并延时 3 秒便于图像采集。 3.5.2 液压控制安装电路 在图像处理系统识别完毕后，型号正确的汽缸将会继续前行，送到规定的位置（完成分类、 安装工序） 。在接近目的安装位置时，需要有一个液压控制来快速给汽缸一个推力，使汽缸准确 无误的安装到发动机的指定位置之上。 图 3-6 是装置的功能结构图，此装置是基于负阶跃力的动态力发生装置，装置由测力液压缸， 工作液压缸、力传感器、液压系统及微机电控制系统等组成。根据帕斯卡原理，测力液压缸 2 将具有标准质量的的砝码 1 所产生的标准油压经油管传递至活塞 5 上产生标准静态力。该标准 动态力通过卸荷部件 6 及垫块 7 给力传感器 8，然后在冲杆 10 上施加冲击力 f(t)，使卸荷部件并 同时使施加于力传感器上的力撤消，力传感器因而受到负荷阶跃力的作用。11 图 3-6 力源装置结构原理图 （论文） 15 4 数字图像处理 4.1 图像 图像包含两层含义，即“图”和“像”。所谓“图”，就是物体透射或者反射的光的分布；“像”是 人的视觉系统接受图的信息而在大脑中形成的印象或认识。前者是客观存在的，而后者是人的 感觉，图像应该是两者的结合。从广义上说，图像是自然界景物的客观反映，照片、各种类型 的绘画、电视画面等等就是图像的最直观的例子。它是用各种观测系统以不同形式和手段观测 客观世界而获得的，可以直接或间接作用于人眼并进而产生视知觉的实体。人的视觉系统就是 一个观测系统，通过它得到的图像就是客观景物在人眼中形成的影像。图像信息不仅包含光通 量分布，而且也还包含人类视觉的主观感受。然而，除了这些能被人眼观察到的各种平面图像 以外，它还包括视觉无法观察的其他用物理图像和空间物理图像。例如，温度、压力、高度等 物理量的平面或空间分布，就是无法直接用人眼进行观察的图像。 此外，我们所讨论的图像还包括用数字函数和离散数据所描述的抽象的连续或离散图像。 客观世界在空间上是三维（3-d）的，但一般从客观景物得到的图像是二维(2-d)的。一幅图像可 以用一个 2-d 数组 f(x, y)来表示，这里 x 和 y 表示 2-d 空间 xy 中一个坐标点的位置，而 f 则代 表图像在点(x, y)的某种性质 f 的数值。例如常用的图像一般是灰度图，这时 f 表示灰度值，它 常对应客观景物被观察到的亮度值。 常见图像是连续定义的，即 f(x, y)的值可以是任意实数。为了能用数字计算机对图像进行加 工处理，需要把连续的图像在坐标空间 xy 和性质空间 f 都进行离散化。这种离散化了的图像 就是数字图像，可以用 i(r, c)来表示。这里 i 代表离散化后的 f(r, c)代表离散化后的(x, y)，其中 r 代表图像的行（row） 。c 代表图像的列(column)。这里 i, c, r 的值都是整数， f(x, y)代表数字图 像。 4.2 数字图像 常用的模拟图像是连续的，为了便于数字传输和计算机处理，需要在坐标空间和属性空间 都进行离散化，以数字量的形式记录和传输，这种离散化后的图像就称为数字图像。数字图像 通常用矩阵函数的形式来表示，如式（4-1）所示。 （4-1） 11121 21222 12 ( , ) n n m nm n mmmn fff fff ff x y fff 其中：表示处物体的属性值，0，1，2，m-1；0，1，2，n-( , )f x y( , )x yx y 1；m 表示图像在水平方向上的点数，n 表示图像在垂直方向上的点数。 （论文） 16 式（4-1）的矩阵中的元素在图像中称为像素（或像元） ；各个元素的值，即为相应像素的 属性值（如灰度值等） 。也可以将数字灰度图像看成一个由像素灰度值组成的二维数组。 4.3 图像数字化 将模拟的图像转变成离散的数字图像的过程称为图像的数字化，它包括两个部分： 图像采样，即图像平面坐标的离散化； 图像量化，即图像灰度值的离散化。 通过图像采样和量化这两个技术过程得到数字图像上的最小单元，即像素。通过图像的数 字化处理可将一幅连续的光学图像转变成用矩阵表示的离散的数字图像，从而建立了连续图像 和离散图像之间相互联系的桥梁，利用计算机进行图像的处理。 4.4 数字图像处理 数字图像处理是从 20 世纪 60 年代以来随着计算机技术和 vlsi 的发展而生产、发展和不 断成熟起来的一个新兴技术领域，它在理论上和实际应用上都取得了巨大的成就，并引起各方 面人士的广泛重视。视觉是人类最重要的感知手段，图像又是视觉的基础。因此数字图像成为 心理学、生物医学、计算机科学等诸多方面的学者研究视觉感知的有效工具。 数字图像处理，又称计算机图像处理（computer image processing）是研究由物体到图像并 进行处理的一类理论技术，通常是把一幅图像变换成另外一幅图像。实用的数字图像系统是一 个包括硬件和软件的复杂系统，其功能模型如图 4-1 所示，从图中可以看出，数字图像处理系统 主要由图像输入/输出、存取/通信、存储控制和图像处理五部分构成，从而完成采集、显示、储 存、通信、处理和分析的功能： 图像输入是图像处理系统的输入单元，它可以接受各种图像输入设备所采集的图像信息， 其应用不同，因而存在多种工作方式。常使用的图像输入设备有 ccd 摄像机、数字照相机和扫 描仪等。 图像输出是图像处理系统的输出单元，可以与各种图像输出设备相连接。常用的设备有 crt 荧光屏显示器、打印机和绘图仪等。 图像存储和控制单元主要负责执行存储和控制功能。其中控制功能是指在图像处理中对 图像处理单元所完成的控制。通常使用键盘、鼠标等。存储设备有各种 ram，rom 键盘、光 盘等，主要用于图像处理过程中的相关信息的存储。 存取/通信设备可以通过网络将存储在远端计算机硬盘或光盘中图像信息送入图像处理单 元以便做进一步处理，当然也可以进行本地操作。 图像处理设备是图像处理系统的核心。它包括了各种硬件和用于图像处理的各种通用或 专用的软件。 （论文） 17 存取/通信 主图像处理 （计算机硬件/软件） 图像输入图像输出 控制、存储 图 4-1 数字图像处理系统模型 数字图像处理的研究内容主要涉及到图像数字化、图像增强、图像恢复、图像编码和图像 特征描述等各个方面。其中图像的摄取与数字化，是研究如何进行图像获取并转换成适合计算 机或数字图像设备处理的数字信号；图像增强，是将增强图像中的有用信息，削弱干扰和噪声， 以便对图像进一步的处理和分析；图像恢复，是将退化或模糊了的图像复原；图像编码，是为 便于图像存储和传输，在满足一定的保真度要求下，简化图像的表示，从而大大压缩表示图像 的数据；图像特征描述是提取图像特征并予以描述，为图像识别、分析和理解奠定基础。它与 机器视觉的区别在于，机器视觉主要研究图像的三维重建、运动图像分析和图像识别、分析与 理解，而数字图像处理重点强调的是对图像的处理，使之更适合于人眼观察或仪器检测的图像。 由于图像技术近年来得到极大的重视和长足的进展，出现了许多新理论、新方法、新算法、 新手段、新设备。众所周知，工程是指将自然科学的原理应用到工业部门而形成的各学科的总 称。图像工作者普遍认为需对图像和它们的处理技术进行综合研究和集成应用，这个工作的框 架就形成了图像工程。图像工程学科是将数学、光学等基础科学的原理，结合在图像应用中积 累的技术经验而发展起来的。12 根据抽象程度和研究方法等的不同，以图像识别为目的的计算机视觉可分为 三个阶段：即 图像处理、图像分析和图像识别。图像识别的基本模型如图 4-2 所示： （论文） 18 图像预处理去 噪声，灰度修 正，图像增强、 集合纠正 图像分割、 边缘提取、 二值化 提取目标特 征形成参数 描述，建立 模式矢量 图像模式识别分类器、统计分类器、 模糊分类器 分类识别结果 输入图像 图 4-2 图像识别的基本模型 图像处理着重强调在图像之间进行的变换。虽然人们常用图像处理泛指各种图像技术，但 是，比较狭义的图像处理主要在于满足对图像进行各种加工，以改善图像的视觉效果，并为自 动识别打下基础，或对图像进行压缩编码，以减少所需存储空间或传输空间、传输通道的要求。 图像分析则主要是对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，以获得它们的客观信息，从而 建立对图像的描述。如果说图像处理是一个从图像到图像的过程，图像分析则是一个从图像到 数据的过程。这里，数据可以是对目标特征测量的结果，或是基于测量的符号标号，它们描述 了图像中目标的特点和性质。13 图像识别的重点则是在图像分析的基础上，进一步研究图像中各目标的性质和它们之间的 相互联系，并根据图像分析中提取的各个目标特征，利用模式识别技术对其进行分类识别。 综上所述，图像处理、图像分析和图像识别是处在三种不同抽象程度和数据量各有特点的 不同层次上。图像处理是比较低层的操作，它主要在图像像素级上进行处理，处理的数据量非 常大。图像分析则进入了中层，分割和特征提取把原来以像素描述的图像转变成比较简洁的非 图形式的描绘。图像识别则是主要是高层操作，基本上是对从描述抽象出来的符号进行运算， 其处理过程和方法与人类的思维和推理有许多类似之处。在这里，随着抽象程度的提高，数据 量是逐渐减少的，具体说来，原始图像数据经过一系列的处理过程逐渐转化为更有组织和用途