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机器视觉测量系统的精度研究 摘要 本论文所研究的课题来源于安徽省重点科研项目“特殊工况异形曲面在线 检测系统”，此项目研究的目的之一是应用视觉测量技术检测火车轮轮缘踏面 的轮廓几何参数。 国内外对于火车车轮轮廓几何参数的检测已经进行了一些研究和探索。测 量方式从机械量具测量和接触式测薰方式发展到现在的光电测量法。伴随着计 算机图形图像处理、光电技术等相关学科的发展，视觉测量技术在工业测量中 得到广泛的应用。本课题就是应用视觉测量技术来检测在轨运行的车轮轮缘踏 面的轮廓几何参数。 本课题研制的测量系统采用两个线激光光源投射到车轮踏面轮廓上，通过 左、右c c d 摄像机系统进行图像的采集，再对所得图像进行处理，提取出车轮轮 廓曲线的数据，并进行各项参数计算。 在导师的指导下，作者独立完成的工作包括：动态测量系统的建模，研究动 态测量时曲线拼接方法，测量系统的静态和动态误差因素分析及精度的提高、 系统软件的集成等工作。 关键词：视觉测量轮缘踏面动态测量曲线拼接软件系统 r e s e a r c ho nt h ea c c u r a c yo fm a c h i n ev i s i o nm e a s u r i n gs y s t e m a b s t r a c t t l l i sp a p e ri so r i g i n a lf r o m ”0 n - l i n em e a s u r i n gs y s t e mf o rc r a g g e ds u r f a c eo n s p e c i a lw o r k i n gc o n d i t i o n s ”，s u p p o r t e db yt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yr e s e a r c h f o u n d a t i o no fa n h a ip r o v i n c e 0 n ea i mo f t h i sp r o j e c ti st ol c s e a f f c ho nt h et e c h n i q u e o fm e a s u r i n gg e o m e t r i cp a r a m e t e r so nt r a i nw h e e lp r o f i l ea p p l y i n gs t e r e o v i s i o n m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y p e o p l e h a v eb e e n r e s e a r c h i n g o nt h et e c h n i q u e so fm e a s u r i n gg e o m e t r i c p a r a m e t e r so nt r a i nw h e e lp r o f i l ef o rd e c a d e sa th o m ea n da b r o a d m a n yt e c h n i q u e s h a v e b e e na c h i e v e da n dp r o v e dt ob ep r a c t i c a l t h e yh a v eb e e nc h a n g e df r o m t r a d i t i o n a lm e c h a n i c a la n dc o n t a c tm e a s u r e m e n tt op h o t o e l e c t r i ct e c h n i q u e s w 弛 t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ri m a g ep r o c e s s i n ga n dp h o t o e l e c t r i ct e c h n i q u e s ， s t e m o v i s i o nm e a s u r e m e n t t e c h n i q u e s h a v eb e e n w i d e l y u s e di ni n d u s 啊a l m e a s u r e m e n t t h es t e r e o v i s i o nm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e sw i l lb eu s e df o rt h e m e a s u r e m e n to f o n - l i n et r a l nw h e e lp r o f i l ep a r a m e t e r s t w ol i n e a rl a s e rl i g h t su s e di nt h em e a s u r i n gs y s t e mp r o j e c tt ot h es u r f a c eo f t h e w h e e l t h ep i c t u r e sa r ec o l l e c t e db yt h el e f ta n dr i g h tc c d ，a n dd e a l e dw i t hp ct o f i n do u tt h ed a t ao f t h ec u r v eo f t h e w h e e lp r o f i l ea n da c c o u n tf o rt h ep a r a m e t e r s n ea u t h o ri n d e p e n d e n t l yw o r k so n ：b u i l d i n gm o d e lo ft h ed y n a m i cm e a s u r i n g s y s t e m ，t h er e s e a r c ho ft h em e t h o do fc u r v e sc o n n e c t i n g ，t h ea n a l y s i sa n di m p r o v i n g o ft h es t a t i ca n dd y n a m i cm e a s u r es y s t e me l t o r s a n dt h es y s t e ms o f tw a i n t e g r a t i o n k e yw o r d s ：v i s i o nm e a s u r e ，w h e e lp r o f i l e ，d y n a m i cm e a s u r e ，c b r v e sc o n n e c t i n g ， s o f is y s t e m 插图清单 图1 1t r e a dv i e w t m 系统现场图2 图1 2 机车车辆轮对检测装置系统原理图2 图2 1 实验系统现场照片5 图2 2 测量系统的框图( 各组成部分) 5 图2 3 激光器实物图6 图2 5c c d 实物图7 图2 6 原有程序模块1 0 图2 7 标定前图片1 2 图2 8 标定后图片1 2 图2 9 图像处理工作流程1 2 图2 1 0 经过预处理图像1 3 图2 1 1 轮廓中心线提取1 3 图2 一1 2 待求尺寸参数图1 4 图3 1 实验传动装置示意图1 5 图3 21 0 0 r m i n 车轮图像1 6 图3 31 5 0 r m i n 车轮图像1 6 图3 42 0 0 r m i n 车轮图像1 6 图3 - - 5 a 车轮轮廓曲线采集的分布理想情况1 7 图3 5 b 车轮轮廓曲线采集的分布非理想情况1 7 图4 一i 物方坐标系的选取2 0 图4 2 划线拼接法图片2 0 图4 3 左右c c d 的拟合曲线示意图2 1 图4 4 左右c c d 测量结果拟和图2 3 图4 5 不合格的数据拟合尺寸图2 4 图4 6 车轮运动示意图2 5 图4 7 激光线不共面图片2 5 图4 8 完整的轮廓曲线图2 6 图5 1 完善前程序流程2 7 图5 2 完善后程序流程2 7 图5 3a c t i v e 控件添加路径2 9 图5 4a c t i v e m i l 控件3 0 图5 5a c t i v e x 控件注册3 1 图5 6 测量程序主界面3 4 图5 - - 7 连续显示主界面3 5 图5 - - 8 摄像机选择界面3 5 图5 9 显示方式选择界面3 5 图5 1 0 拍摄保存界面3 5 图5 1 1 标定界面3 6 图5 一1 2 检测l 界面3 6 图5 一1 3 检测r 界面3 6 图5 一1 4 起点选择界面3 6 图5 1 5 检测报告界面3 7 图5 1 6 原有的起始点选择流程图3 8 图5 1 7i ) i s p l a y 控件导入路径3 8 图5 1 8m o u s e m o v e 函数3 9 图5 1 9 完善后起始点选择流程图4 2 图5 2 0 起始点选择界面4 2 图5 2 l6 a t l a 8 引擎函数流程图4 4 图6 1 系统原理图4 8 图6 2 测量系统实验装置图4 8 图6 3 不同的激光成像情况4 9 图6 4 实验一数据的坐标图5 0 图6 5 实验二数据的坐标图5 0 图6 6 待测参数示意图5 1 图6 7 车轮运动于激光器关系图示5 3 图6 8 车轮角位移为4 5 。情况5 4 图6 9 车轮角位移为9 0 。情况5 4 图6 1 0 数据拟合曲线5 5 图6 1 1 动态实验示意图5 5 图6 1 2l = o a m ，不同转速参数误差分布5 6 图6 1 3l = 1 6 c m ，不同转速参数误差分布”- 5 7 表格清单 表2 一i 激光器性能参数6 表5 一lm o u s e m o v e 事件函数结构说明3 9 表5 2 字符串资源表4 0 表6 1 实验一、二数据( 单位：毫米) 5 0 表6 2 实验三数据( 单位：毫米) 5 1 表6 3 待测参数值( 单位：毫米) 5 2 表6 4 实验所得参数值( 单位：毫米) 5 3 表6 5 实验数据5 4 表6 6l = o c m ，不同转速( 翻h = h 一霸) 5 6 表6 7l = 1 6 c m ，不同转速( a h = h 一豆) 5 6 致谢 本论文是在我的导师邓善熙教授的悉心指导下完成的，在此我要先对邓老 师说一句：“非常感谢您! ”刚刚进入研一时，师兄们对邓老师的尊敬我都看 在眼内，在读研的三年时间里，我更切身体会到邓老师对科学研究敏锐的洞察 力、清晰的科研思路、丰富的实践经验、严谨的治学作风，这些将使我在以后 的工作中受益无穷。在生活中，邓老师是一位和蔼可亲的长者，对我们研究生 的生活非常照顾和关心，回顾一下我的研究生生活，仅仅句谢谢又怎能表达 我对老师的感激之情呢! 在此向邓老师表示衷心的感谢，并致以深深的敬意。 感谢邓老师在我学业和生活上给予的关心和帮助。 感谢杨永跃老师在我三年的学习中提供的热情而有益的帮助。在平时的学 习中，还得到了很多老师的帮助和指导以及研究生同学王风伟、刘丹、王冕、 朱贵峰、王霞、王瑁、已毕业的王训四同学以及我的朋友温少桦的鼓励和帮助。 在这里一并表示感谢。同时感谢学院提供的良好的学习气氛和友善的生活环境， 让我在这里度过的三年愉快的学习时光。 感谢我的父母，是他们给予的爱使我在人生的路上顺利前行。 谨以此文献给所有关心、帮助我的家人、老师和朋友们! 作者：徐慧博 2 0 0 6 年3 月 第一章前言 1 1 课题来源 本课题来源于安徽省重点科研项目“特殊工况异形盐面在线检测系统”， 此项目研究的目的之一是应用视觉测量技术测量火车车轮轮缘踏面的轮廓几何 参数。我所做的工作包括：动态测量系统的建模，研究动态测量时曲线拼接方 法，测量系统的静态和动态误差因素分析及精度的提高、系统软件的集成等工 作。 1 2 国内外研究现状 针对机车和车辆的车轮轮缘踏面轮廓检测，研究开发车轮轮廓形状及尺 寸参数在线检测系统( 简称车轮轮廓在线检测系统) 是十分重要的课题。 国外多家公司已开展研究，并发布了一些产品广告或专利。 美国国际电子机械有限公司于8 0 年代末期研制成功的便携式车轮断面测 量仪，这种仪器可在2 s 的时间内测出轮缘厚度和踏面磨耗等数据，并能打印记 录测量结果。在测量前，2 组控制机构可确保仪器放在车轮正确的位置，有较 高的精度。可在任何照明和气候条件下正常工作，测量数据可以自动传送到已 有的计算机系统。利用预先编制的维修程序，这种仪器能够使检修人员把旋轮 和换轮成本在当时降至最低程度“1 。 芬兰铁路于9 0 年代初期研制成功的车轮外形测量仪，这种仪器可以测绘磨 耗车轮的外形，并将测得的数据与存储的参考数据比较，进而计算出车轮外形 参数，并对近限或超限车轮发出旋修指令。仪器能在大约3 s 的时间内测量1 0 0 0 个点，每2 点的间隔仅有0 1 0 m m 。测量装置用永久磁铁安装在车轮上( 包括齿 轮和齿条的测量架) ，可在车轮踏面上移动传感器和直线形滑杆负责采集数据 并传输给控制装置，计算机程序能够把车轮外形放大3 倍、4 倍或1 0 倍，并以 图像或数字形式显示出来，另外还可以直接从控制装置或从计算机绘出车轮形 状或打印测量结果。 以上几种都是实现了对车轮的接触式测量。 日本铁路于8 0 年代末期研制成功轮对自动检查装置，同时检测轮对2 个车 轮的外形参数。整套装置主要由平行光源( 2 只) 、c c d 摄像机( 2 台) 、控制处理 机构和外部设备等组成。当轮对沿着垂直方向以较低的速度匀速升高时，c c d 摄像机可拍摄车轮的外形轮廓，经过计算机处理运算后，将车轮参数和轮廓图 像显示在屏幕上并存储数据。该装置可测量轮廓厚度、踏面磨耗和车轮内距等 数据。 英国a e a 技术铁路公司开发了一系列机器视觉系统，能对火车车轮进行 自动检测。t r e a dv i e w t m 系统就是其中之一，它可在火车通过时自动检测车 轮轮廓，测量安全，结果可靠、稳定，能提供车轮的磨损率，从而可对其表 面轮廓进行更有效的修复。 图l 一1t r e a dv i e w “系统现场图 俄罗斯于2 0 世纪9 0 年代中期研制的“轮对参数自动化检测装置”能在车 速不大于5 k m h 时，测出车轮各特征表面的距离，经过分析处理后得到轮径、 轮缘厚度、踏面磨耗量及垂直磨耗量等。 在国内目前也有不少有关车轮轮缘踏面轮廓检测的研究成果。 西南交通大学结合中国铁路实际情况设计了“机车车辆轮对检测装置” 的检测功能和管理功能( 如图1 2 ) ，分析了系统的检测原理，提出了采用“光 截法”与“c c d 图像测量技术”相结合的“光截图像测量技术”来获取车轮 外形尺寸及车轮外形曲线的方法，规划了系统的组成结构及检测流程“1 。 图1 2 机车车辆轮对检测装置系统原理图 同济大学提出一种采用新型等臂叉形机构的直接测量法一一踏板法来 进行机车车辆车轮踏面擦伤的自动检测。详细分析采用踏板法进行测量时得 到的各信号的特征，从而区分出踏面擦伤信号的过程“。 国内外对机器视觉技术也已经有多年研究，并开始应用于智能机器人、 夜视眼镜、三维成像、坐标测量等。而将机器视觉技术专用于测量自由曲线 参数的方面的相关研究并不是很多。 以上介绍的有关视觉测量技术用于车轮检测的国内外研究成果仍然很 少应用在火车车轮工作现场，原因是工作现场环境条件不良，影响系统的可 靠性和精度。 2 我们实验室已经在省科技攻关项目资助下，完成了火车轮踏面轮廓在线 检测系统的原理实验，建立了一套实验装置。本论文将在此基础上，重点分 析研究影响测量的各种误差因素和提高测量精度的途径，使课题的研究成果 有可能实际应用在火车运行的工作现场，实现高精度的动态测量。 1 3 本课题研究内容及科学意义 本论文研究的目的在于分析机器视觉测量系统的误差因素和提高测量精度 的途径，并具体应用在测量火车车轮踏面的轮廓几何参数上，以保证该系统达 到精度要求。 机器视觉技术目前广泛地应用于各种场合，在很多方面取代了人类视觉， 并且在精确定量感知，危险场景感知等方面更有无可比拟的优越性。本文的视觉 测量是指机器视觉在高精度的测量方面的应用。 早期的三维测量主要是采用机械接触式探针来获取物体表面的坐标，存在 许多缺点。视觉测量技术是建立在计算机视觉计算理论上的三维测量技术，伴 随着计算机图形图像处理、光电技术等相关学科的发展而日益成熟。特别是近 十多年来，得益于计算机技术的突飞猛进，它正在成为一种提高生产效率和保 证产品质量的关键技术。视觉测量也在实际应用中体现出它的诸多优点，如无 损、高效、高精度及非接触测量等等。因此视觉测量在自动加工、产品在线检 测与质量控制、生物医学等领域具有重要意义和广阔的应用前景。 铁路系统中，火车车轮是影响安全运行的一个重要环节。铁路旅客运输在 全国旅客运输中占有重要地位，旅客周转量由1 9 8 7 年2 8 4 3 1 亿人公里增加到 2 0 0 1 年的4 7 6 6 8 亿人公里。2 0 0 5 年，全国铁路旅客发送量完成1 1 5 4 亿人， 旅客周转量更达到6 0 3 4 5 6 亿人公里。铁路货运在各种现代化运输方式中起着 骨干作用，承担着全国大部分能源原材料等货物的运输任务。1 9 9 8 年铁路完成 货物发送量1 5 3 亿吨，货物周转量1 2 2 6 2 亿吨公里，2 0 0 5 年，全国铁路货物 发送量完成2 6 8 6 亿吨，货物周转量完成2 0 5 4 5 5 4 亿吨公里。 现在全国旅客列车平均时速已达到6 0 2 8 公里，比1 9 9 7 年提速前提高了 1 2 1 2 公里，而1 9 4 9 年仅为2 8 2 公里，货车平均时速由1 9 5 2 年的2 5 5 公 里增加到1 9 9 8 年的3 1 8 公里。京沪京广京哈等主要干线方向的旅客列车最高 时速达1 5 4 9 公里，广深高速铁路列车时速最高达1 9 7 公里。 由此可见，随着铁路运输的日益繁忙，火车速度一提再提，对车轮的外形 尺寸要求势必更高，已磨损的车轮需要经常检修，所以如何提高检修的自动化 程度及精度已经成为国内铁路部门十分关心的课题。 本课题把视觉测量技术应用于火车车轮轮廓几何参数的检测，实现了高效、 高精度的非接触式测量。对保证车轮可靠性及安全性具有重要意义。 第二章视觉测量系统的原理 2 1 视觉测量的基本原理。 人类的大部分信息是通过视觉系统来获取的，随着科学技术的不断进步， 研究了利用计算机现代化工具来实现视觉功能，以增加对三维世界的理解，由 此形成了一门崭新的学科技术，即计算机视觉。 计算机视觉测量技术是计算机视觉理论在工业生产中的重要应用之一，视 觉检测的大量程、大视场、非接触、高精度、无损检测等特点，使其发展前景 广阔。它可用于机器人、在线检测和在线监控，更可用于大尺寸物体的尺寸检 测，在一些场合是其他接触式测量方法无法比拟的。 视觉检测系统的任务是e h - - 维图像感知环境三维信息，视觉检测系统应该 能从摄像机获取的图像信息出发，计算三维环境物体的位置、形状等几何信息， 并由此识别环境中的物体。图像上每点的亮度反映了空间物体表面某点反射 光的强度，而该点在图像上的位置和空间物体表面相应点的几何位置有关。 视觉测量技术按照照明方式和几何结构关系的不同分为主动视觉检测和被 动视觉检测两类。被动视觉采用非结构光照明，它是根据被测空间点在不同像 面上的相关匹配关系，来获得空间点的三维坐标：主动视觉是采用结构光照明， 通过结构光在被测物体上的精确定位来获取被测信息。 在视觉测量中，用激光作光源可产生各种结构光：点结构光、线结构光、及 多线结构光，用一个和多个c c d 摄像机来接收，通过一定算法来获取结构光所携 带的被测物体的三维信息。把由结构光和c c d 摄像机组成的测量装置称为激光视 觉传感器。按激光产生结构光的形式，激光视觉传感器可分为点结构光传感器、 线结构光传感器、及多线结构光传感器。 ( 1 ) 点结构光传感器：以半导体激光器作光源，其产生的光束照射被测物体 表面，经表面散射( 或反射) 后，用面阵c c d 摄像机接收，光点在c o d 敏感面上的 位置将反映出表面在法线方向上的变化。 ( 2 ) 线结构光传感器：半导体激光器产生的激光经柱面镜变成线结构光，投 射到被测区域形成一激光带，用面阵c c d 摄像机接收散射光，从而获得被测表面 区域的截面形状或轮廓。 ( 3 ) 多线结构光传感器：半导体激光器产生的激光扩束后照射到光栅上，便 产生多条线结构光，投射到被测表面上形成多条亮带，用面阵c c d 摄像机接收， 可获得表面的三维信息。 2 2 系统的原理介绍 根据测量的实际需要，本测量系统采用线结构光传感器测量方式。即测量 时，两个半导体激光器产生的激光经准直扩束变成线结构光，在被测车轮左、 4 右侧投射到被测区域形成一条激光带，所形成的激光带照射到车轮上形成一条 完整的轮廓曲线，该曲线就是与车轮轮缘踏面形状相对应的一条平面曲线( 如 图2 1 ) 。由左、右两个面阵c c d 摄像机摄取图像，通过图像采集、处理、和坐 标变换、提取等，最终获得轮廓曲线的几何参数。测量系统的框图( 如图2 2 ) ： 激光轮 廓曲线 参数 显示 图2 1 实验系统现场照片 c c d 采 集圈像 数据 处理 数据采集卡 图像传入p c 激光轮廓 曲线提取 图像预 处理 c c d 标 定技术 图2 - - 2 测量系统的框图 如图所示，测量系统硬件包括激光光源，面阵c c d 摄像机，标定板，图像 采集卡，计算机等。由于要实现模拟动态测量的实验研究，所以硬件部分还包 括电动机和变频器。 2 3 各部分硬件及功能简介 已有测量系统硬件的选择，主要针对从前端的图像信息传感组成到末端的 计算机。由于计算机的通用性，这里不再说明，重点在于图像信息的形成、采 集部分，对于动态测量模拟实验所需仪器也做一简单介绍。 2 ，3 1 激光光源 因为激光单色性好、相干性好、光束准直精度高，c c d 器件的光谱响应范围 为0 2 1 1um ，峰值波长多为0 5 5um ，一般激光波长为0 6 3 2 8um ，光谱响应 灵敏度很接近于其峰值响应波长的光谱灵敏度，与用相同功率的光束照明相比， 可以得到较大的输出信号。而在本测量系统中，对c c d 的应用是通过采集车轮踏 面轮廓图像，并应用视觉测量方法来测量踏面轮廓的某些特征参数。为了使得 车轮的径向轮廓在图像中完整识别，应用了两个激光器发射出绿色的激光，且 激光光平面均与车轮径向平行，激光平面与车轮踏面相交形成了一条平面激光 曲线，与车轮的径向轮廓相重合，反映了车轮的完整的径向轮廓形状。 经过理论和实验验证，在综合考虑正常人眼明、暗视觉光谱光视效率；典 型c c d 摄像机光谱相应灵敏度；激光器发光功率、体积和造价以及实际测量系 统集成度的要求等因素，采用s u w t e c h l a s e r 的型号为g p d l 一3 0 1 0 l 的集成固体 线激光器发射器件作为视觉测量系统所用激光器( 如图2 3 激光器实物图) 。 图2 3 激光器实物图 表2 - - 1 激光器性能参数”3 指标参数d p g l - 3 0 0 5d p g l - 3 0 10d p g l 3 0 15d p g l 3 0 2 0 6 2 3 2 面阵c c d c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 即电荷藕合器件，是一种新型的固体成像器 件，它是在大规模硅集成电路工艺基础上研制而成的模拟集成电子芯片，它既 具有光电转换功能，又具有信号电荷的存储、转移和读出功能。 c c d 器件本身具有很多优点： ( 1 ) c c d 器件是一种固体化的器件，体积小、蘑量轻、功耗低、可靠性高、 寿命长； ( 2 ) 图像畸变小，尺寸重现性好； ( 3 ) 具有较高的空间分辨率，光敏元间距的几何尺寸精度高。 ( 4 )具有较高的光电灵敏度和较大的动态范围。 根据光敏像素的排列方式，c c d 摄像器件可分为面阵c c d 和线阵c c d 两大类。 在计算机视觉测量技术中，c c d 几乎是不可缺少的图像传感器。被测对象的光信 息通过光学成像系统成像于c c d 的光敏表面，c c d 的光敏象元将光强度转换成电 荷量，c c d 在一定频率的时钟脉冲的驱动下，在其输出端可以获得被测对象的视 频信号。 而在本测量系统中，应用两个c c d 进行采集，是为了拍摄到完整的车轮轮廓 曲线。 系统中所用的c c d 摄像机为台湾敏通公司生产的m t v 一1 8 8 1 e x 摄像机。该摄像 机c c d 像素为7 9 5 ( h ) 5 9 6 ( v ) ( c c i r ) ，照度) 0 0 2 l u x ，自动快门1 2 5 1 1 0 ，0 0 0 s e c ( c c i r ) 。该摄像机使用的是s o n y 面阵c c d ，i c x 0 3 9 d l a ，它的光 敏响应灵敏度曲线( 如图) ，面阵c c d 的光谱响应灵敏度的峰值约位于x = 5 1 8 a m 处，与正常人眼的明视觉光谱光视效率峰值比较接近。 图2 - 5c c d 实物图 各项参数如下： 影像传感器：1 2 英寸 c c d 总像素：7 9 5 ( 水平) x5 9 6 ( 垂直) ( c c i r 制式) 8 1 ( 水平) x5 0 8 ( 垂 直) ( e i a $ i 式) 扫描系统：6 2 5 线，5 0 场秒( c c i r n p j 式) 5 2 5 线，6 0 场秒( e i a f n 式) 同步系统：内同步复合外同步 最低照度：0 0 2l u x ( f 1 2 ，5 6 0 0 0 k ) 水平清晰度：6 0 0 线 增益控制模式：自动增益控制( o n o f f 可切换) 信噪比：优于4 8 d b 电子快门：手动：1 5 0 ( c c i r 制式) 6 0 ( e 工a 制式) ，1 1 2 5 ，1 2 5 0 ，1 5 0 0 ， 1 1 0 0 0 ，1 2 0 0 0 ，1 4 0 0 0 ，1 1 0 0 0 0 秒 自动光圈：视频驱动 视频输出：复合式影像信号输出，1 o v p pa t7 5 0 h m 伽玛修正：0 4 5 工作环境温度：一2 0 到+ 5 0 工作环境湿度：8 5 r h 以下 电源：直流1 2 伏l 伏 2 3 3 图像采集卡 面阵c c d 的输出信号是视频信号，需要将模拟的视频信号转换成为离散的 数字量，才能被计算机所采集和显示。图像采集卡在系统中负责完成这种转换。 图像采集卡，又称视频捕捉卡( v i d e oc a p t u r ec a r d ) ，是视频卡的一种 类型。图像采集卡的主要功能是把摄像机的模拟视频信号转换成为离散的数字 量。数字化过程有采样和量化两部分组成。 图像采集卡通常需要占用p c 机总线的一个插槽，并带有外接的c c d 摄像头、 图像监视器、视频信号接口，这样就构成了一个典型微机图像处理系统。 图像采集卡的工作过程就是：对摄像机输出的视频信号进行实时采集，经 a d 转换后将数字图像存放在图像存储单元的一个或多个信道中，通过计算机发 出指令，将某一帧图像静止在图像存储信道中，即采集或捕获了一帧图像，计 算机对采集的图像进行处理。图像采集卡上的d a 转换电路自动将图像实时显示 在图像监视器上。 在本测量系统中，选择加拿大m a t r o x 公司生产的o r i o n 图像采集卡。该图像 采集卡兼容s v i d e o 、p a l n t s c 、r g b 、r s 一1 7 0 c c l r 等视频格式，支持八路视频 输入，任意视频扫描，支持触发输入，支持显示分辨率1 2 8 0 1 0 2 4 ，3 2 m 图像和 显示缓存，可采用的图像处理平台是m i l ( m a t r o xi m a g el i b r a r y ) a c t i v e m i l ， m i l l i t e a c t i v e m i l l i t e ，这些是交互式高级图像处理软件。通趔- m a t r o x 的图 像采集卡可以直接从不同的图像源获取图像，读取d i c o m 文档，创建和管理图像 数据库。 2 3 4 计算机 将c c d 采集到的图像信息通过图像采集卡送入计算机，在计算机上设计测 8 量系统的软件部分，进行图像预处理，信息提取和轮廓重建以及参数计算等功 能。 2 3 5 电动机 在实验室模拟车轮在正常行驶过程中对其进行动态测量，人为对车轮模型 施加动力影响，这里采用电动机和传动皮带带动车轮转动原理实现。 实验使用电动机为合肥工业大学机电厂生产的型号为y i o o l 2 - 4 的三相异步 电动机。额定功率：3 k w ，额定电压：3 8 0 v ，额定电流：6 8 a ，标准转速：1 4 2 0 r m i n 。 2 3 6 变频器 在实验室模拟车轮在正常行驶过程中对其进行动态测量，由于电动机在额 定电压下只能输出固定转速，而实际实验中需要模拟车轮的不同转速，所以采 用变频器控制电动机的工作频率，从而设定电动机的转速，带动车轮以不同转 速运动。 实验使用变频器为s a n k e n 公司生产的型号为c a m c 0 一i 的变频器。额定功率： 3 k w ，工作电压：2 0 0 2 4 0 v ，工作电流：5 0 a ，标准转速：1 4 2 0 r m i n 。 2 4 系统的软件结构 一般情况下，在视觉测量系统中，摄像机所获取的图像由于受到种种条件 的限制和随机干扰，往往不能在视觉系统中直接使用，而需要对所采集的图像 进行处理。通过图像处理可以消除噪声的影响，对于视觉测量来说，需要将图 像中感兴趣的特征有选择的突出，衰减不需要的特征。测量系统中采用加拿大 m a t r o x 公司的i n s p e c t o r 专用图像处理软件和m i l ( m a t r o xi m a g el i b r a r y ) 图像 处理平台、m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 和m a t l a b6 5 进行软件开发。它们都是 基于w i n d o w s 的软件。 2 4 1 各部分软件功能简介 原有软件功能模块( 如图2 - - 6 ) 分为三大部分： ( 1 ) i n s p e c t o r 软件用来选取识别起始点的坐标、灰度阈值。 ( 2 ) 测量系统主程序w h e e l d e t e c t s y s 中实现了c c d 标定程序、图像预处理、 左右图像中轮廓线坐标的提取、控制图像采集等功能均由v c + + 编程实现，其中 包含对m i l 平台的使用。 ( 3 ) 被测参数计算及轮廓曲线坐标图显示功能由m a t l a b 编程实现。 说明：图2 6 中粗箭头表示主程序内部的功能模块，细箭头表示相互间独立无 数据传输的功能模块，若想实现其与主程序间数据传递，需手动实现。 带“! ”的模块在静态测量系统中还没有开发实现，这些不足之处正是作者须完 成的任务。 9 图2 - - 6 原有程序模块 2 4 2c c d 标定技术 视觉传感器中，c c d 摄像机是重要的组成部分之一，是视觉测量系统获得 图像信息的最直接来源，对传感器的建模就是建立物方坐标系与摄像机象面坐 标系之间的关系。根据模型的参数选择，主要有以下两种建模方法： ( 1 ) 完全利用投影变换理论，通过无任何意义的中间参数，将图像坐标系 与物方坐标系联系起来。对该类数学模型的局部标定就是计算中间参数的过程， 且对这些参数无任何约束，只要他们结合在一起能完成正确的三维测量就行。 ( 2 ) 通过具有明确物理意义的几何结构参数，如光学中心、焦距、位置以 及方向等，建立图像坐标系与物方坐标系的关系。这类方法的模型参数一般分 为摄像机内部参数和传感器的结构参数两部分。摄像机内部参数指摄像机的几 何和光学特征参数，传感器的结构参数指图像坐标系相对于物方坐标系的位置 参数。这种模型直观，可以根据使用场合要求达到的不同精度，建立不同复杂 程度的数学模型。 这里我们选用第二种建模方法，从摄像机模型出发，建立视觉测量的数学 模型。计算机视觉测量系统能从摄像机获取的图像信息出发，计算三维环境中 物体的位置、形状等信息。图像上每一点的亮度反映了空间物体表面某点的反 射光强度，而该点在图像上的位置则与空间物体表面相应点的几何位置有关。 这些位置的相互关系，由摄像机的成像几何模型决定。该几何模型的参数称为 摄像机参数， 这些参数必须由实验与计算来确定，为了建立图像像素位置和场景点位置 之间的关系，确定摄像机参数的实验与计算过程，就称为摄像机的标定。 摄像机模型是光学成像关系的简化，最简单的模型是线性模型，或称针孔 模型。摄像机定标还与计算机视觉系统的任务有关，在本测量系统中，使用两 个摄像机进行三维信息的采集，所以还需要知道两个摄像机之间的几何关系。 一般的摄像机标定方法都需要在摄像机前放一个已知形状和尺寸的物体，成为 标定物或标定参照物。 因为每个像素都是投射投影得到的，它对应于光学中心与场景点形成的一 条射线。摄像机标定问题就是确定这条射线在场景绝对坐标系中的方程。摄像 机标定问题包括外部定位问题，又包括内部定位问题。这是因为建立图像平面 坐标和物方坐标之间的关系必须确定摄像机的位置和方向以及摄像机常数，建 立图像阵列位置( 像素坐标) 和图像平面位置之间的关系，必须确定主点的位置、 行列比例因子、和透镜变形。摄像机标定问题涉及到两组参数：用于刚体变换外 部参数和摄像机自身所拥有的内部参数。 在本测量系统中，激光平面与车轮轮廓相交形成了激光轮廓亮线，测量系 统的最终目的就是能够得到此轮廓曲线的实际形状，因为此轮廓曲线是一条平 面曲线，经过一系列理论论证，最终采用一种基于平面的标定方法。其数学模 型如下吲： x ：l 垦二1 2 1 翌二垦! 二! 堡二1 2 1 坚二垒2 “ ( u 耳一r o ( v r 8 一r 5 ) 一( v r 7 一r 4 ) ( u 矗一r 2 ) ( 2 - 1 、 、，：焦二丛竖二鱼2 二焦二丛坚二2 。“( u r 8 一毛) ( v r 7 一r 4 ) 一( v r 8 一) ( u r 7 一) 式中，i i 至r 8 是带求的八个未知参数。当通过标定确定参数后，在图像中某 点像素坐标( u ，v ) 已知的情况下，就可求出物方空间坐标系的对应坐标( x ， y w ) ，再根据被测物尺寸同坐标的关系就可得到与图像对应的实物。 由于摄像头镜片的曲面成像误差，相机成像过程中会产生非线性变形。造 成成像坐标偏差的因素由透镜的径向畸变、切向畸变和偏心畸变等。其中，偏 心畸变可以用变焦距镜头方法准确估算光心来克服，和切向畸变相比，径向畸 变为影响工业机器视觉精度的主要因素。在本测量系统中所采用的镜头各项畸 变都比较小，如不加考虑，本标定方法也可满足测量的精度要求，应用坐标变 换模型计算得到的点的物方坐标值与实际测量值的误差较小，最大误差的大小 不超过0 1 3 c m ”1 ，符合测量系统的精度要求。如有更高精度要求而采用特殊镜头 时，可引入相应的非线性系数进行非线性校正，校正方程如2 2 式所示鲫。用此 原理对c c d 采集的标定图片( 如图2 7 ) 进行标定后的图像如图2 8 。 。：垫二堕! 堡l 壁竺垫! = 竖二当! = 丛堡二垦2 二焦二里垦竖塑墨z 尘二玉兰2 i ! 亟二垒2 ”( 吗一i ) ( v 一) 一( v 弓一r 4 x u 一r 2 ) 、，：=(r3-u(1+kl(u-uo)2+(v-vo)2)xvr7-r4)-(r6-v(1+lk2(u-uo)2+(v-vo)2)xur7-r1) “ 呱毛) c v r 7 一r 4 ) 一( 坞一x u r 7 一1 ) 左c c i ) 标定图片 右c c d 标定图片 图2 7 标定前图片 左c c d 标定图片右c c d 标定图片 图2 - - 8 标定后图片 2 4 3 图像处理技术 在研究图像时，首先要对获得的图像信息进行预处理以滤去干扰、噪声， 作几何、彩色校正等，这样可提高信噪比。有时由于信息微弱，无法辨识，还 需进行增强处理。并且为了从图像中找到需要识别的东西，还得对图像进行分 割，也就是进行定位和分离，以分出不同的物体。如需获得更清晰的图像，还 要对图像进行改善，即进行复原处理，在实际处理中，由于图像信息量非常大， 在存储及传送时，还要对图像信息进行压缩。以上所述都属图像处理范畴。因 此图像处理包括图像编码、图像增强、图像压缩、图像复原、图像分割等。具 体方法也包括很多，这里仅对与本课题有关的部分作简单的介绍。 本测量系统软件中有关图像处理工作流程如下( 图2 9 ) ： 厂 广 厂 愿始型堡一数字量化l 一像素平滑l + i 灰度统计l + i 一1 【一l j 图2 9 图像处理工作流程圈 ( 1 ) 数字量化；对原始的视频图像进行模数转换以变成微机能够识别的 数字信号一一灰度值；就黑自图像雨言，现有的量化分辨率可达5 1 2 p x 5 1 2 p ， 灰度等级可达2 5 6 级。 2 ( 2 ) 像素平滑：消除图像在传输和量化过程中可能产生的各种寄生效应， 同时还要尽量减少图像边缘轮廓和线条的模糊程度；现采用的平滑方法是临域 平均法，即用临近区域内几个像素灰度的平均值来代替中心像素的灰度值( 如 图2 一l o ) 。 ( 3 ) 灰度统计：对图像指定范围内各种灰度值的像素个数进行统计，寻找 高灰度值的像素为止，为后续处理工作提供原始数据。 ( 4 ) 阈值设定：根据统计的灰度值信息设定合适的图像灰度阈值，以保留 轮廓光带上的高灰度值点并去掉其余的低灰度值点；阈值的确定应随着光带照 度和宽度的变化进行相应的调整。 ( 5 ) 杂点剔除：消除轮廓光带以外的其它高灰度值杂点，以确保图像处理 工作正常进行；车轮光带图像的存储质量越差，此单元的作用效果越明显。 ( 6 ) 中心线提取：整个图像处理过程的关键环节，其目的在于正确提取较 宽的轮廓光带的中心线作为轮缘和踏面的实际形状，坐标变换时将以此线各点 的图像坐标值为依据；由于车轮外形为曲线轮廓，因此需对轮缘和踏面分别采 用不同的算法进行中心线提取，其分割线方程的选定可根据轮廓光带在视频监 视器上的实际位置由程序自动完成，提取曲线的图片见2 一1 1 。 图2 一l o 经过预处理图像 图2 1 l 轮廓中心线提取 2 5 测量系统的技术要求 经图像处理后得到的数据经过二次处理及求出各项参数运算后可以得到的 车轮轮廓真实尺寸图( 如图2 1 2 ) 及各项所求参数。其中h 为火车轮轮辋厚度， s 为距车轮测量基准面5 3 厘