（测试计量技术及仪器专业论文）微水波数字图像检测系统的研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 隧道空气压力波的变化是隧道设计以及高速列车最大速度设计时应该考 虑的一个重要因素。因此研究高速列车在隧道内运行时空气压力波变化是一 具有重要意义的课题。 当前针对该问题的研究方法大致有三种：一是理论计算；二是模型试验： 三是现场试验。因为现场的情况异常复杂，对压力波进行实测在技术上存在 困难，故基本不使用第三种方法。由于模型试验具有很好的直观性和实践陛， 便于多种方案比较，较理论计算更具有优越性，故多采用模型试验的方法。 模裂试验一般有两种方法：一是在风洞中进行，二是在浅水槽中进行，本论 文采用的就是浅水槽拖动模型试验。根据流体力学的相关理论，将隧道压力 波的实际情况用浅水槽加以模拟，以浅水波模拟实际空气压力波，检测对象 为浅水微波高度，本研究采用c c d 摄像机将微波高度变化转换为数字图像变 化，通过微机对数字图像信息的处理和分析，根据实际情况和模型试验之间 的函数关系，得出隧道空气压力波的变化情况。 本论文的难点是：微波的实时检测和微波高度的分辨率，这是隧道压力 波浅水槽拖动模型试验中的关键技术，本文针对这两个问题进行了深入的研 究，并对水介质的配置作了多种比较，提出了几种不同的测试方案和理论分 析方法，详细比较了各种方法的可行性和优缺点，成功地研制了实时检测系 统，并取得了较好的试验效果，通过实际测试，该测试系统运行稳定，能满 足实时要求，分辨率能达到0 o l m m ，收到了预期的设计效果。本设计对隧道 压力波的实验研究具有很好的应用价值。 关键词：隧道空气压力波；浅水槽拖动模型；浅水波；数字图像 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章引言 1 1 隧道压力波测试的意义 列车在隧道内高速运行时，引起的隧道内空气压力波的变化对高速列车 的稳定性、走行阻力以及车体的构造都带来较大的影响，因此，研究高速列 车在隧道内运行时空气压力波变化是一具有重要意义的课题。由于实测隧道 空气压力波在技术上存在困难，目前对该问题的研究方法主要有两种：一是 理论计算；二是采用模型进行模拟试验。本文研究的内容是模型试验中的浅 水槽拖动模型试验技术。 1 2 浅水槽拖动模型的试验原理 当列车在隧道内高速运行时，实地测量其压力波的变化是很困难的，而 且对于正在设计中的隧道也无法进行实地测量，一般采用模型试验。由于列 车运行速度很高，要以实际速度来进行模拟也是难以实现的，加上在高速下 赢接测量空气压力波变化存在许多技术上的困难，因此，高速列车在隧道内 运行时空气压力波变化的模型试验多采用浅水槽拖动模型来模拟试验，该方 法不仅能很好地模拟隧道内压力波的变化，而且也给测量带来了方便。该方 法的基本原理如下： 根据流体力学的性质，对于可压缩的两种流体，如果马赫数相等，便有 相似的力学性质。如果高速列车以t j = 5 0 0 k m h 速度在隧道内运行时，其马赫 数为，与隧道压力波的传播速度( 音速) c = 3 4 0m s 的比值： m 。= 形= ( 1 0 0 0 + 5 0 0 3 6 0 0 ) 3 4 0 = 0 4 ( 1 - 1 ) 这一马赫数是相当高的，具有这样高的马赫数的流体可以视为可压缩流体。 因此，可以利用另一具有相同马赫数的流体来模拟，但这种流体波的传播速 度必须能便于测量。理论证明，浅水波就能作为这种流体波。所谓浅水波， 指的是水的深度与水的波长之比在1 2 到1 2 0 之间的水波。所谓浅水槽，即 相对于水波的波长而言，水槽内的水深很浅，此时，激起的水波即为浅水波。 浅水波的传播速度岛与间存在如下关系： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 c 。= 娥m h( 1 2 ) 从式( 1 2 ) 可知，如果改变浅水槽内的水深，原则上可以得到浅水波的任一种传 播速度，此时，如果选择适当的模型车速，就可以得到与隧道压力波相同的马赫 数，从而可以通过在浅水槽内拖动模型列车来模拟实际行驶中的高速列车。 根据力学性质相似的理论，对于理想气体，当满足马赫数相等时，在浅水槽 中，模型列车行驶产生的波高为a h ，与实际列车在隧道中运行时产生的压 力变化a p 之间具有如下关系： 警p = ( 警h 2 m ， 。l。j 、 式中 m 大气压力，k p a ： a 矿一列车在隧道中运行时产生的压力变化，k p a ； 4 厅一模型列车行驶时产生的波高，m 。 因此获得了厶 ，就可获得4 p 。这就是隧道压力波浅水槽拖动模型试验的原 理。这一模型试验法给高速列车形状的设计、列车宽度设计以及隧道缮 j 的 设计等提供了重要的试验依据，因而具有重要的应用价值。 所以本文的主要测量对象是浅水微波的高度厶 ，要获得微波的变化值， 需要解决两个关键问题：一是高度的分辨率，二是高度的变化速率。 1 3 浅水槽拖动模型试验的基本装置 隧道压力波浅水槽拖动模型试验系统由模拟装置和测控系统两部分组 成。 1 3 1 模拟装置 模拟装置由浅水槽、模型列车和轨道、模型隧道、驱动电机等部分组成。 整个模拟装置如图1 1 所示。 ( 1 )浅水槽：浅水槽为一1 8 0 1 m 3 的水道，由玻璃和有机玻璃制成。 ( 2 )模型车和轨道：模型车由铝制成，根据实验方案的不同，有多种结 构形式，如圆形车头、方形车头等。轨道也由铝制成，位于浅水槽 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 上方，模型车由放置在轨道内的小轮带动。 ( 3 ) 模型隧道：模型隧道由多节铝块组成，可以任意更改隧道宽度和长 度，模型隧道放置在浅水槽中央，模型列车轨道下方。 ( 4 ) 驱动电机：模型列车由小型高精度可调直流电机通过牵引钢丝绳和 小轮驱动。 图卜i 隧道压力波浅水槽模拟实验装置简图 1 3 2 测控系统 测控系统由摄像系统、位置传感器、标尺、监控微机、测控软件等部分 组成，整个测控系统如图1 2 所示。 图1 - 2 测控装置图 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ( 1 ) 摄像系统：由摄像头、点光源( 或者缝隙光源) 组成，这是测量浅水 槽水波高的传感器部分，对测量精度有着重大影响。 ( 2 ) 位置传感器：由光电传感器和行程开关组成，光电传感器用来控制测 量的起始点，行程开关用来控制模型车的发车和停车位置，并实现回 程控制。 ( 3 ) 标尺：对系统定标时，用来测量水面的静止高度。 ( 4 ) 监控微机：监控微机内装有s d k - 2 0 0 0 c c d 图像采集卡( 也可以是其 他采集卡) ，c c d 的图像输出直接送监控微机。 ( 5 ) 测控软件：本测试系统为了测试的方便和准确，减少不必要的因素干 扰，对输出的动态测量图像进行数字图像处理，提取出测量物理量的 特征值，进而获得波高测量结果。因此，运用v c _ 什6 0 编制了一套测 试软件，是该测量系统图像数据处理必不可少的一部分。 1 4 论文设计任务 针对本课题，国外日本和美国已经进行了许多研究。在国内，1 9 9 8 年我 校暖通教研室和测试教研室进行了较为成功的研究，取得了许多成果。本论 文就是要在1 9 9 8 年相关研究的基础上进一步深入研究，主要研究内容如f ： ( 1 )如何进一步提高检测和分析处理速度，增强实时性，以获得更精 确的微波高度变化速率。 ( 2 )对水微波数字图像检测的理论进一步探讨，提高检测精度获驭 更高的微波高度分辨率。 ( 3 )研究如何简化检测装置，寻找最佳光源，寻找实验用水介质的最 佳配置方案。 ( 4 ) 编写一套完整的自动测量软件。 针对这个系统，研究的主要难点在于： ( 1 ) 水微波是一种微弱信号源，如何利用图像检测这种微弱信号，并 获得较高的分辨率，这在理论上和技术上都存在很大的难度。 ( 2 )图像检测的不足之处是要花费较多的机时，而检测的实时性关系 到模拟实验的成功与否，检测速度越快就能获得好的微波高度变 化曲线，这对检测微波高度的瞬时值是十分重要的，但是要在尽 量短的时间内完成图像的采集、分析和作图处理将是十分困难的 一件事情。 堕堕奎坚查兰里主竺窒竺兰篁丝茎兰! 基 在浅水槽模型拖动试验中，系统要铡量的最终对象是水波的波高，即： 某一时刻水面上某一波阵面的振幅。随着模型列车拖动过程的变化，该波高 也跟随变化，该变化反映了水槽中浅水波波动的变化情况。在讨论实时检测 这个问题时，我们给出了几个标准测试量来衡量拖动系统是否达到了实时检 测的要求。一个测试量是：模拟实验所需的总时间；另一个测试量为：每一 个测点的最大分析处理时间。 1 4 1 模拟试验所需的总时间7 _ 从上述模拟试验的原理可知，若水槽水深为2 0 m m ，根据式( 卜2 ) ，有 c ，= , i g h o = 4 9 8 0 3 + o ，0 0 2 = o 4 4 2 8 m s ( 1 - 4 ) 若取空气中的音速u - - 3 4 0m s ，则模型试验与实际工况速度之比为： 乡=詈一04428上(1-5340 7 6 8 )7 “ 。 由相似理论可知，这比例也适用于模型距离与实际距离之比，这就是说， 模型试验系统可以按实际工况的1 7 6 8 的比例缩小。用来检验模型实验结果 的实际隧道长若选用1 5 0 0 m ，这种单线隧道具有较为成熟的理论计算方法。若 按上述比例来模拟，其模型隧道约为，宅m ，假定实际列车以3 5 0k m h 速度运 行时，则模型车速为岛司4 5 5 7k m h ，即c 司12 6 6m s ，此时，模型车通过模 型隧道所需的时间为： 7 1 3等2志。16s(1-6)co 1 2 6 6 这也就是模拟实验的总时间要求。 1 4 。2 每一测点的测量时间 由理论计算得知，单列高速列车在上述1 5 0 0 m 长的隧道中行驶时，隧道 压力波的变化情况如图卜3 所示。从图中可以看出，如果要通过试验得出最 粗略的波高曲线，其采样点数至少要为3 6 点以上，一般要7 2 点以上才能获 得比较满意的分辨率，也就是说包括采样周期( 即采样间隔时间) 在内的分 析处理时间最陧不能低于0 2 5 s ，这样才能达到实时检测的最低要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 扩1 fl f、 j k v x， 、 、i ， o2468l o1 21 41 61 8 髓鼢 图卜3 隧道空气压力波理论计算曲线 这- - n tr d 要求对图像检测来说，是十分高的要求，必须对图像作特殊处理方 可实现。 此外为了保证系统测试的精度，提出了系统分辨率的要求。本系统分辨 率的定义是：i l i , l 量出的最小水波变化的高度。在测量系统中，要求能分辨 的最小水波高度为0 01 m m ，这样才能满足实际应用的需要。 综上所述，本论文必须解决下列问题：( 1 ) 达到每个测点的h t l 日j 低于 0 2 5 s ；( 2 ) 模拟测试的总时间低于1 0 s ；( 3 ) 测试波高的分辨率达到0 0 1m m ( 4 ) 开发出动态实验程序并进行动态测量试验。 b m 5 0 毒m 渤 压力变化 ( 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章浅水波图像检测的理论基础 随着人类社会的进步，科学技术的发展，人们对信息处理和信息交流的 要求越来越高。近年来，图像信息的处理和传输无论是在理论研究方面还是 在实际应用方面都取得到了长足的进展。尤其是计算机技术的应用、遥感技 术和数字通信的发展、计算机网络的普及以及微集成芯片的发展，对数字图 像信息技术的发展起了关键性的推动作用；而数字图像信息技术的发展又反 过来促进和加速了上述各项技术的发展。本论文所涉及的理论基础为数字图 像处理理论。 2 1 数字图像处理系统概述 数字图像处理，即用计算机对图像进行处理。数字图像处理系统基本的 三个部件是：计算机、图像数字化仪和图像显示设备。 在其自然的隋况下，图像代表的是光强振幅的连续分布，因此是模拟连 续信号，由于计算机只能处理数字信号而不能直接处理模拟信号，因此计算 机不能直接刘一副模拟图像进行处理。一副模拟图像在用计算机进行处理前 必须先转化成数字图像形式。图2 1 表明如何用一个数字阵列来表示一个物 理图像。物理图像被划分为称作图像元素( p i c t u r ee l e m e n t ) 的小区域，图像 元素简称为像素( p i x e l ) 。最常见的划分方案是图中所示的方形采样网络，图 像被分割成由相邻像素组成的许多水平线，赋予每个像素位置的数值反映了 图2 - 1 物理图像及对应的数字图像 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 图像上对应点的亮度。 图像转化的过程称为图像的数字化处理，常见的形式如图2 2 所示。在 每个像素位置，图像的亮度被采样和量化，从而得到图像对应点上表示其亮 暗程度的一个整数值。对所有的像素都完成上述转化后，图像就被表示成一 个整数矩阵。每个像素具有两个属性：位置和灰度。位置( 或称地址) 由扫 描线内的采样点两个坐标决定，它们又称为行和列。表示该像素位置上亮暗 程度的整数称为灰度。此数字矩阵就可作为计算机处理的对象了。 图2 - 2 图像数字化 图2 3 显不一个芜整的图像处理系统梃幽。出数子化蠲。生数子图 像先进入一个适当装置的缓存中，根据指令，计算机调用并执行程序库中的 图像处理程序。在执行过程中，输入图像被逐行地读入计算机。对图像进行 处理后，计算机逐像素生成一副输出图像，并将其逐行送入缓存中。 丑 口 臣五习西囡嚼固日臣习一臣三习 口 厂二；1 图2 - 3 数字图像处理 在处理过程中，图像中的像素可根据程序员的意思来修改。处理过程只 受到程序员的想象力、耐心以及计算机用语计算的资源的限制。处理后的结 果由个与数字化相反的逆过程显示出来：用每个像素的灰度来决定对应点 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 在显示屏上的亮度。这样处理后的结果又转化成可视的和可供人们解释的图 像了。 2 2 图像信号数字化及其描述 2 2 1 概述 通常意义下的图像是光强度分布，是空间坐标x , y , z 的函数，如f ( x ，y ，：) 。 如果是- - n 彩色图像，各点值还应反映出色彩变化，即用f ( x ，y ，：，a ) 表示， 其中五为波k 。假如是活动彩色图像，还应该是时间r 的函数，即可表示为 f ( x ，y ，z ，五，r ) 。对模拟图像来说，厂( + ) 是个非零的连续函数，并且是有限 度的，也就是0sf ( x ，y ，z ，r ，五，r ) c 德素移动帧f 迸c c d 襁几v 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 2 3 彩色图像处理 通过c c d 获得的外部图像通常为彩色图像。彩色视频信号可以分解为 三个基色信号，即红、绿、蓝( r 、g 、b ) 三色，但在传输时考虑至0 频带压 缩，为了与黑白电视兼容，以及减少干扰对接收图像的影响等，往往把摄像 三基色信号变换为传输三基色信号。 设彩色信号为f ，传输三基色信号为w 、b o ，则 f = ( 月，g ，占) = ( ，r 。，b o ) ( 2 - 2 ) 对传输三基色信号的要求是： ( 1 ) 为保证与黑白电视兼容，三个信号中应有一个代表亮度信号( y ) ， 令w = y ，当用显像基色的色系数表示国际照明委员会标准色系数 时，可得到亮度方程为： y = o 3 0 r + o 5 9 g + 0 1 1 b = 玎7( 2 - 3 ) ( 2 ) 既然y 信号表示全部亮度信息，则和b o 就不应该带有亮度信 息，只带有色度信息。由于人眼对色度干扰的敏感陛较差，对亮度 干扰较敏感，于是、b o 可用较窄的频带传送。 ( 3 ) 在r = g = b 时传送中性色( 即黑、白、灰) ，不传送色度信息，此 时应使凡、b o 为零，以减少干扰。 ( 3 )狄度图像是r r = g g = b b 的图像，将彩色图像转换成狄度图像的 方程为：r r = g g = b b = ( r + g + b ) 3 图像转换为灰度图像 后，则色度信号基本为零，减少了干扰。 2 4 浅水波图像的获取 2 4 1 浅水波图像的获取 实验中，为了获得恰当的浅水波图像，水面静态状态下，在浅水槽内放 置一写了a 字的白纸c c d 对准浅水槽，启动测试程序，微机中将显示c c d 动态采集的图像信息。调节c c d 的焦距，直到微机中图像显示的a 字清晰 可见为止，此时是c c d 成像的最佳位置，去掉白纸后，拍摄的图像是最恰当 的浅水波图像，如图2 5 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图2 - 5 采集得到浅水波图像 上图中，中间白色区域是测量窗，左边白色区域是杂波。从整幅图像可以看 出，由于浅水波波高很小，图像的狄度( 或色度) 区间是极不丰富的，即没 有什么大的变化，这给测量造成了困难，所以本研究采用小的测量窗口，增 强亮度，以获得较多的信启、。 2 4 2 浅水波图像的特点 多次实验表明，浅水波图像具有如下特点： ( 1 ) 测量窗象素比较集中，中心点位置受边缘象素的影响很小，多次 静态测量比较，从统计意义上说，中心点的期望位置固定。 ( 2 )图像背景相对单一，含有部分椒盐噪声信号。 ( 3 )图像中容易引入大面积杂物噪声。 ( 4 )大面积杂物的灰度分布与测量窗的灰度分布类似。 ( 5 ) 大面积杂物噪声与测量窗的位置相差大。 2 5 浅水波图像的空间域处理 根据浅水波图像的特点，在空间域内考虑采用如下办法检测出测量窗 中心点：( 1 ) 通过图像采集区域选择，滤出大面积杂物噪声。过滤后的图像 中只含有测量窗与椒盐背景噪声，如图2 - 6 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 图2 6 大面积杂物噪声过滤后的图像 ( 2 ) 通过点运算，对测量窗的灰度和背景椒盐噪声的扶度进行增强和拉伸处 理，使得两者的对比度得到增强。 ( 3 ) 利用灰度直方图确定一个能区分测量窗与背景噪声的域值，然后对图像 进 1 j = - - - 值化处理，就可检测出测量窗。然后进行后续推理和运算，获取浅水 波的波高信启、。 下面介绍灰度直方图、对比度增强的相关理论。 2 5 1 灰度直方图 在数字图像处理中，一种简单且最有用的工具是灰度直方图。它概括了 一副图像的灰度级内容。任何一副图像的直方图都包含了可观的信息，某些 类型的图像还可以由其直方图完全描述。直方图的计算非常简单，将一副图 像的各个狄度级统计出来所构成的图像就形成了该图像的灰度直方图。灰度 直方图是灰度级的函数，描述的是图像中具有该灰度级的像素的个数：其横 坐标是灰度级，纵坐标是该灰度出现的频率( 像素的个数) 。 当副图像被压缩为直方图后，所有空间信息都丢失了。直方图描述了 每个灰度级具有的像素的个数，但不能为这些像素在图像中的位置提供任何 索引。因此，任一特定的图像有唯的直方图，但是同一直方图对应的空i b j 图像可能有多种。如果一个图像由两个不连接的区域组成，并且每个区域的 直方图已知，则整副图像的直方图该是两个区域的直方图之和。显然，该结 论也可以应用到任何数目的不连接区域的情形。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 直方图给出了一个简单可见的指示，用来判断一副图像是否合理地利用 了全部被允许的灰度级范围。一般一副数字图像应该利用全部或几乎全部可 能的灰度级，否则等于 增加了量化间隔。一旦 被数字化图像的级数少 于2 5 6 ，丢失的信息( 除 非重新数字化) 将不能 恢复。如果图像具有超 出数字化器所能处理的 范围的亮度，则这些灰 度级将被简单地置为0 或2 5 5 ，由此将在直方图 图2 - 7 具有双峰的直方图 的一端或者两端产生尖峰。数字化时对直方图进行检查是一个好的做法。对 直方图的快速检查可以使数字化中产生的问题及早暴露出来，以免浪费大量 时间。 如的所述，轮廓线提供了一个确立图像中简单物体的边界的有效方法。 使用轮廓线作为边界技术称为闽值化。本论文就是采用这种方法来确定图像 闽值的。用最合适的技术来选择灰度阈值是图像处理中讨论最多的问题。段 定一副图像背景是浅色的，其中有一个深色的物体。图2 7 为这类图像的连 续图像直方图。物体中的深色像素产生了真方图上的左峰，而背景中大量的 灰度级产生了直方图上的右峰。物体边界附近具有两个峰值之f e 】灰度级的像 素数目相对较少，从而产生了两峰之间的谷。选择该谷点作为扶度闽值会得 到比较理想的物体边界。从某种意义上说，相应于两峰之间的最低点的扶度 级作为闽值来确定边界是最适宜的。在谷点附近，直方图的值相对较小，意 味着面积函数随闽值灰度级的变化很缓慢。如果选择谷底处的获度作为闽值， 将可以使其对物体边界的影响达到最小。如果试图测量物体的面积，选择谷 底处闽值，将使测量相对于闯值灰度变化的敏感降低到最小。本浅水槽拖动 实验就根据这个理论来对目标研究物体进行提取的，后面将进一步介绍。 2 5 2 点运算 在图像处理中，点运算是一种简单却很重要的技术，它能让用户改变图 像数据占据的灰度范围，当显示一副图像时，点运算的作用尤为明显。 对于一副输入图像，经过点运算将产生一副输出图像，后者的每个像素 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 点的灰度值仅由相应输入像素点的值决定( 与局部运算的差别在于，后者每 个输出像素的灰度值由对应输入像素的一个邻域类几个像素的灰度值决定) 。 因此，点运算不可能改变图像内的空问关系。点运算以预定的方式改变一副 图像的灰度直方图。除了灰度级的改变是根据某种特定的灰度变换函数进行 之外，点运算可视为“从像素到像素”的复制操作。若输入图像为4 阮， 输出图像为口伍，则点运算可表示为：b ( x ，y ) = f a ( x ，y ) 】。点运算可完 全由灰度变换函数确定，后者描述了输入灰度级和输出灰度级之间的映射关 系。 点运算常常被看成强化细节或增加图像某些部分的对比度的图像处理步 骤。然而，因为信息其实是包含在数字图像中的，所以，真f 做的工作是使 感兴趣部分的灰度级与显示设备的对比度范围匹配起来。因此，对比度增强 是数字图像显示的软件方面。本浅水槽拖动试验中的图像处理部分就用到了 对目标图像的坎度进行点运算处理变换增强了图像的对比度，达到满意的 目标提取效果。 线性点运算：首先考虑输出灰度缴与输入狄度级呈线性关系的点运算。 在这种情况下，灰度变换函数形式为： d 8 = f ( d 。) = c t d 1 + b ( 2 - 4 ) 其中，d 。为输入点的灰度值，d b 为相应输出点的狄度值，如图2 8 所示。 显然，如果a = l 和b = o ，只需要将爿氏力复制到b r 纠即可。如果“ ，输 出图像的对 比度将增 大。若a i ( f + 1 ) p h s ( i ) ( 2 - 6 ) 0 p ( t ) = ：p h s ( i ) ( 2 7 ) 百 计算类分离指标 q ( k ) = a v e + ( 七) 一a v e r ( k ) “2 w ( k ) + ( 1 一f 矿( 七) ) ( 2 - 8 ) 求使q 最大的k ，则最佳闽值为t = k - l 。 ( 2 ) s w a t a n a b e 法。上面的方法并不是对所有的图像都能起到非常好的分离 作用，为了对大多数图像处理获得较好的效果，提出了s w a t a n a b e 方法。陔 方法依然以直方图为依据，为图像二值化选择闽值。设：x ( i j ) 为输入图像中 点( i j ) 的灰度级；y ( i + k l j + l d ) 萎j 点( i 0 ) 的8 邻域像素的灰度级；x ( i j ) 同 y ( i + k l j + k 2 ) l 拘关系如下表所示 y ( i 1 j - 1 )y ( i 一1 j )y ( i 1 j + 1 ) 【y ( i d 一1 )y ( i d )y ( i j + 1 ) iy ( i + l j 1 )y ( i d + 1 )y ( i + lj + 1 ) 则灰度级x 的差定义为 其中 t i m j ，卫) = ( d ( f + k l ，j + 2 ) ) ( 2 _ 9 ) k i = 一l 女2 = - 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 当x ( i j ) 一y ( i + k l j + l ( 2 ) 0 时，d ( 蛐) = x ( i j ) - y ( i + k l d + k 2 ) 当x ( i j ) 一y ( i + k lj + k 2 ) o 时，d ( i j ) = = o 将图像中每个灰度级的所有s o , j ) 分别叠加，可得到灰度差的直方图。即： c ( x ) = ：s ( f ，_ ，石) ( 2 - 1 0 ) 表示所有灰度为x 的像素的s 取和。 对应于最大的c ( x ) 的灰度级即为输出的阂值y 。 将灰度图像变为黑白二值图像称为图像的二值化处理。一般利用灰度图 像的直方图确定阈值。计算阈值的目的就是要二值化图像。对于大多数灰度 图像来说，图像中的物体和背景是有明显的区别。通过选择闽值，区别图像 和背景，以便对物体进行处理。 2 6 浅水波图像的频域处理 频域内对浅水波图像的分析是从一种全新的角度去分析问题。为了提取 测量窗的信息，得从图像的频谱上寻找隐藏特征信息。水波波动的过程中， 测量窗跟随波动，对应图像中测量窗的中心位置也在变动，图像的高频部分 则一定含有测量窗的变动信息，因为背景部分相对而言是静止的，故低频部 分则是背景，所以可以从图像的傅氏谱上来分析。 2 6 1 图像的f t 变换 ：二维函数的傅立叶变换、逆变换分别定义如下： f ( f l ，v ) = 厂( x ，y ) g 书。一出妙( 2 - 1 1 ) 和 m ，y ) = 厂( u , v ) e m d u d v ( 2 - 1 2 ) 其中，舷川是一副图像所、p 是它的用1 谱。通常师，一是两个实频率变 量“和v 的复值函数，变量“是对应于x 轴的，v 频率对应于y 轴。图2 - 9 是 一副图像及其二维幅度谱，二维频率空间的每个点的幅值( 实部和虚部的平 方和的平方根) 被规格化为显示灰度级。 西南交通大学硕士研究生掌位论文第1 9 页 图2 - 9 躅像的二维傅立叶变换 原点位于变换图像的中心，图像中的噪声产生了变换中的尖峰信号。 2 6 2 图像的d f t 变换及其实现 离教i 薄立叶变换( d f t ) 在数字信弓处理及数字闻像处理中应用十分f 、 泛。它建立了离散时域( 或称空域) 与离散频域之f d 的联系。如果信号或罔 像处理直接在时域上进行，计算是会随着离散取样点数的增加而急剧增枷。 使得计算机计算量大、费时( 这庄本拖动实验中是绝对不允许的) ，难以达到 实时处理的要求。因此，应该采用d f t 方法，将输入的数字信号首先进行 d f t 变换，把时域中的卷积和相关运算简化为在频域上的相乘处理，然后进 行d f t 反变换，恢复为时域信号。这佯，计算量大大减少，提高了处理速度。 另外，d f t 还有一个明显的优点是具有快速算法，即f f t 算法，它可大大减 少计算次数，使计算量减少到只是直接用d f t 所需计算量的- - d 部分。 二维d f t 的定义：定义二维离散信号 凰w x - a , t m - t , y 口，m ， 的d f t 的变换对为： 盹v ) - 击善乳咖。謦争 ( 2 - 聊 似= 赤萋势 2 “争争 ( 2 _ 1 4 ) 式中u , x e 0 ，m - l ，” 0 ，j 。n - l 。 在d f t 变换对中，耶 砂称为离散信号讹砂的频谱，而i m 昧为幅度 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 谱，l 西m j 为相位谱，它们之间的关系为： f ( u ，v ) = if ( u ，v ) ie x p j b ( u ，v ) 】= r ( u ，v ) - i - j l ( u ，v ) 船，v ) 呵1 【器】 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 1 lf ( u ，v ) 【r2 ( “，v ) - i - 1 2 ( “，v ) l 2 ( 2 - 1 7 ) 离散变换方面是连续变换的一种近似，而另一方面，其本身是严格的 变换对。因此，可以把数字域上得到的结果作为对连续场合的解释，两者之 间是统一的。 2 6 3 变换图像的特征 从傅氏谱可以看出，变换域谱具有如下的特征： ( 1 ) 频谱图与原图的大小和维数相同。 ( 2 )频谱图中出现了黑色与白色的点或者区域，谱图像的中心代表图 像的高频成分，沿中心向外扩展的区域则是低频部分，越靠近图 像的边缘，越是代表图像的低频成分。 在频域内对浅水波图像的分析就是应该考察频谱图上中心的高频区域，因为， 从理论上说，要测量的是动态波高，即波峰或者波谷处的高度，在这些高度 处波形是突变的，根据信号理论，时域内的突变将产生频域的高频成分，因 此如果考虑这些区域在水波动态波动过程中的变化规律，就有可能探讨出动 态波高信息。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 第3 章s d k 一2 0 0 0 数字c o d 图像采集卡是本试验研究的重要硬件之一，本研究采用“天敏s d k 2 0 0 0 型”图像采集卡，有关性能如下。 3 1s d k 一2 0 0 0 概述 天敏s d k - 2 0 0 0 是图码公司开发的专门针对系统开发商的高品质p c i 视频卡。s d k 2 0 0 0 具有高品质的视频采集功能，具备高速p c i 总线，兼容 即插即用( p n p ) ，支持一机多卡。针对系统开发商，s d k 2 0 0 0 提供功能全 面的二次开发包( 简称s d k ) ，通过s d k ，系统开发商可选择v b 、v c 或 d e l p h i 等三种语言编程，包含d l l 动念库、o c x 控件及其详细的使用说 明，编程人员可通过s d k 控制图像的输入端口、亮度、对比度、色度、狄度 等输入信号，控制图像以b m p 静态及a v i 动态存盘格式，把一帧图像写入 a v i 文件，侦测图像是否有像素变化等等，功能全面，并提供全面的二次丌 发支持。s d k 2 0 0 0 还有其他非凡的功能，包括各种格式的静动态图像捕捉 存盘、【夹照、v c d 制作、电子像册、网上可视电话、视讯会议、影音电子邮 件家庭“看门狗”电子监控等等。 3 2 接口函数 在操作系统为w i n 2 0 0 0 及w i n 9 8 下，通过调用d l l 封装的函数如下： 一板卡初始化和卸载函数 ( 1 ) h r e s u l td s s t r e a m _ i n i t i a l i z e0 功能：初始化c 叫接口及些参数。这是开始使用动态库的第一个函数， 未初始化前，任何其他接口函数的调用均无效。 ( 2 ) v o i dd s s t r e a m _ u n i n i t i a l i z e 0 功能：释放c o m 接口，并断开己连接的所有设备。这是使用动态库的最 后一个函数。该函数应该在应用程序退出时，所有应用程序消息都处理完毕 后调用，一般放在c w i n a p p ：e x i t i n s t a n c e o 或c w n d ：o r l _ n c d e s t r o y 0 中。 ( 3 ) h r e s u l td s s t r e a m _ c o n n e c t d e v i c e ( i n ti c a r d l d ，b o o lb o v e r l a y ，t b g d h p a r e n t w n d = n u h l ) 功能：连接视频捕捉卡。只有连接后，才能对卡进行其他操作。参数： i c a r d l d ：要连接的卡号，以0 为基数。计算机上的视频捕捉卡的数量可由 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 d s s t r e a m _ g e t c a r d n u m b e r 得到。卡号对应的设备名字可利用 d s s t r e a m _ e n u m v i d e o c a p t u r e d e v 取得。b o v e r l a y ：指定视频图像的父窗口， 图像将显示在h p a r e n t w n d 窗口中。可用d s s t r e a ms e t o w n e r w n d 来指定父窗 口。 ( 4 ) h r e s u l td s s t r e a m _ d i s c o n n e c t d e v i c e ( i n ti c a r d i d ) 功能：断开与视频捕捉卡的连接。视频捕捉卡的所有属性将被还原。 ( 5 ) h r e s u l td s s t r e a m _ g e t c a r d n u m b e r ( i n t + p c a r d n u m ) 功能：得到计算机上的视频采集卡数量。参数：p c a r d n u m ：指向一个i n t 型变量。表示返回的卡的数目。 二流及存盘函数 ( 1 ) h r e s u l td s s t r e a ms a v e t o j p g f i l e ( i n ti c a r d i d ， l p c t s t rs z f i l e n a m e ，i n ti q u a l i t y ) 功能：保存当前图像为j p g 文件。视频流状态为s t o p 时，保存失败。参 数：s z f i l e n a m e ：j p g 文件的名字。i q u a l i t y ：j p g 图片的压缩质量( o 一1 0 0 ) 。 ( 2 ) h r e s u l 、d s s t r e a ms a v e t o b m p f i l e ( i n ti c a r d i d ，l p c t s t rs z f i l e n a m e ) 功能：保存当前图像b m p 文件，视频流状态s t o p 时，保存失败。参数： s z f ir e n a m e ：b m p 文件的名字。 ( 3 ) h r e s u l td s s t r e a mg e t c u r r e n t d i b ( i n ti c a r d d ，b y t e 4p b u f f e r ，l o n g p s i z e l 功能：将当前图像的d i b 数据保存到内存中。视频流状态为s t o p 时，保 存失败。参数：p b u f f e r ：指向预先分配的内存。可以为n u l l ，此时p s i z e 将 得到保存图像需要的内存大小。p s i z e ：若p b u f f e r 不为n u l l ，p s i z e 指示 p b u f f e r 的大小。若p b u f f e r 为n u l l ，p s i z e 得到保存图像需要的内存大小。 鉴于本论文仅仅涉及到上面几个函数的调用，因此在此处不再介绍支持 板卡的其他函数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 第4 章波高检测系统的设计 在第一章讨论了设计这个模拟拖动检测系统应该解决的技术难题。本章 根据浅水波图像检测的基础理论和方法，在原有的研究基础上进一步全面探 索和研究，试图用另外的方法解决这个问题。在对系统进行全面设计前，第 一步就必须解决实验装置的简化问题。 4 1 试验原理和实验装置简化 从第一章原始实验原理图可以看出，若严格按照原有的试验装置进行研 究和论证，将给实验带来很大困难。因为该试验装置十分复杂，而且非常庞 大，每进行一次实验都要花费较大的人力和物力，考虑到本论文主要是对检 测理论和方法进行研究，无须在原有试验装置上进研究，因此，本实验研究 将实验装置作一定简化。 由于要测量的物理量是水波的高度变化，因此，必须有一个盛水的槽， 而且根据第一章的理论，该槽必须满足产生浅水波的条件。基于这些，设计 了如图4 1 的实验装置简化系统。 少源 p ： 激目： 崧 封碰 反射光线 ， 一一一j 二二二 洼水嘴 图4 - 1 模型试验简化实验框图 该系统由下列器件组成： 光源、c c d 系统、监控微机、浅水槽、支架装置、标尺、d a 卡、模型 轨道、模型列车以及其他辅助器材等。 该简化系统中，浅水槽是由一个由长度为3 0 c m ，宽度为1 4 5 c m ，深度 为9 c m 的特制材料制成的长方体组成。实验证明，在这样一个槽内装上水后 激起的水波将是浅水波，满足实验方案的要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 c o d 系统由c c d 摄像头、光源和图像采集卡组成。s d k 2 0 0 0 图像采集 卡直接与监控微机相连。直接获取水波波动时的静态和动态图像以便计算机 进行图像分析和处理。 标尺主要是用来对水槽中的水进行静态测量，以便对系统进行静态标定。 d a 输出开关量控制模型列车的起停等( 本论文未涉及这方面的研究) 。 系统测试原理与步骤如下： ( 1 ) 系统要测的是水槽内水波高度的变化。因此，必须在水槽中固定一个测 试点，记该点为参考点，参考点不应该与测量窗中心点为同一位置的点。根 据实际实验装置的布点隋况，应该选择水槽的中心点作为测试点。 ( 2 ) 固定到刚好能够使它的入射光线投射到参考点周围的一个区域内，该区 域包括参考点。这时水面上将会出现一个测量窗，形状取决于光照区问。 ( 3 ) 将c c d 摄像头固定在固定支架上，s d k 一2 0 0 0 图像采集卡插入计算机p c i 槽中，摄象头与采集卡相连。要求水面上包括参考点的一个相当大的区域的 反射光线能直接进入c c d 成像系统。 ( 4 ) 打开汁算机，运行s d k 一2 0 0 0 测试程序，调节s o k 一2 0 0 0 的焦距，使水 面上的测量窗在c c 0 内成像清晰可见。 ( j ) 系统的测量目标是参考点的水波高度变化情况，该点的变化情况反映了 整个系统水波高度的变化情况。由于测量窗包含了参考点的所有信息，而且， 当水槽内的水有微小的波动时( 由于模型列车的启动运行引起的) ，参考点也 将在其平衡位锭跟随波动起来，测量窗也因此动起来。此时，通过c c d 采集 将成像信息送入计算机，通过计算机对特征测量窗进行分析和处理，就可以 分析出参考点的波高信息。 在获得测量窗信息时，如何去提取参考点的信息，如何根据静态水面的 情况推导出动态水面波动的问题，如何运用计算机来处理图像信息，如何使 系统达到实时处理的要求，达到很好的测试效果，将在后续各节进行分析讨 论。现在讨论一下在这种简化了实验装置的情况下，实验结果与实际工况情 况的模拟比例情况等。 在这个实验中，拟在水槽中的水深岛在2 0 m m - 9 0 m m 范围内进行试验。由 第一章的理论可知，此时浅水波的波速e 将在： c 。= 4 t o o ( 4 9 8 0 3 + o 0 0 2 ，4 9 8 0 3 + o 0 0 9 ) = ( o 4 4 2 8 ，o 9 3 9 3 ) 咖( 4 1 ) 取空气中音速为c - - 3 4 0 m s ，则模型试验与实际工况速度之比为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 孝= 导ec 等，等h 去，南 z ， 根据相似理论，这个比例范围也应该适合模型距离与实际距离之比，即模型 试验可按实际工况的1 7 6 8 至1 3 6 2 的比例缩小。设实际工况隧道为l = 1 5 0 0 米，则模型隧道的长厶应该控制在 三。= 三+ 孝( 面1 5 0 0 ，面1 5 0 0 ) z ( 2 ，4 ) 埘( 4 - 3 ) 此时，假设实际列车以v = - 3 5 0 k a l h 速度运行时，则理论上模型车速为k 在： 屹，= v + 善( o 4 5 5 7 ，0 9 6 6 9 ) 砌h = ( o 1 2 6 6 ，0 2 6 8 6 ) m s ( 4 - 4 ) 此时，模型火车通过模型隧道所需要的的总时间应为死 丁= 鲁e ( 志，丽4 川1 6 , 1 4 8 9 1 2 6 6 2 6 8 6 ) s ( 4 - 5 ) 吒 。o o 。、 但是由于简化后的实验装置只方l = 3 0 c m ( 固定长度) ，低于理论上要求的模 型隧道长度，则模型车通过模型隧道所需的总时间g t ，为： 丁：三( l ，生) 。( 2 3 7 ，1 1 2 )j(4-5) v、0 1 2 6 6 0 2 6 8 6 、 尽管模型隧道减少了，但是其他实验条件没有改变，因此测试指标将不变。 即为了获得比较满意的分辨率，必须测量3 6 点以上，则在包括采样周期( 采 样间隔时间) 在内的分析处理时间最慢依然不能低于0 2 5 s ，这样才能达到 实时检测的最低要求。 4 2 光源的选择 该实验系统的一个重要器件就是发光源。在本系统中的作用和意义非常 重大。困为光源的形状、大小、颜色等信息直接影响到实验结果的精度问题。 从理论上讲图像检测必须是匣光源，在检测范围内有足够的辐射强度，但实 际光源总是有波动的，检测范围也是有限的。前面提到，光函数是一个四维 函数：0sc ( x ，n r ， ) 蔓最上限，从空间、时间、波长三个方面考虑来选择 光源的问题。空间上，只有入射光的辐射范围能均匀充满整个测量窗，并且 形成一定的面积区域，才便于测量，如果不能形成一个区域，或者是在形成 的区域内没有一定的光辐射强度，则测量窗是模糊的，成像效果差。时间上， 光源辐射的光强必须恒定，如果光强随时间的变化而变化，则测量窗的灰度 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 在水面静态下就变化了，这样没有办法对系统进行静态标定，则利用灰度运 算的最终拟合曲线是不可信的。在波长方面考虑，应该选择何种颜色的光源， 使得辐射强度大，而且介质对该波长的光的吸收能力很弱，因为吸收效应对 光的波长具有选择性。 由于本系统是在探索的基础上建立的。通过了广泛的实验来选择和考察 光源的选择问题。光源投射到水面上必须形成测量窗，这是必须满足的条件 之一。第二，测量窗是由包含光源成像以及其他一些干扰光成像组成，因此 选择的光源必