（机械电子工程专业论文）数字水准仪标尺编码理论与识别技术研究.pdf

摘要 墒季 - 。，- 作为水准测量仪器发展趋势的数字水准仪，因国外技术封锁以及国内某些 技术难题没有完全攻克等方面的原因，至今尚无拥有自主专利权的产品面世。 这给我国水准测量仪器使用量达到3 0 万台每年的测绘行业带来了技术的发展 瓶颈。 针对这种现状本文重点研究数字水准仪测量系统的两项关键技术：一、突 破国外专利权的垄断，提出新的水准标尺条码；二、研究与新码配套的图像处 理算法与条码识别技术。具体的研究工作如下： 1 、编码方法分析提出并分析了水准标尺条码编码的两种承载信息方式： 模拟量编码法和数字式编码法；研究水准标尺选用一维条码编码的原因：通过 条码条、空宽度的变化以及纵向的有序排列达n - 维条码的作用效果。 2 、衡量条码优劣的评价体系构建建立衡量编码优劣的评价指标条码 的最大信息密度、条码图像的分辨率与条码信息的纠错能力：用条码的最大编 码容量与一个单元宽度的比值衡量条码的最大信息密度；通过光学系统的点扩 散函数研究条码图像的分辨率，得出码元边缘的间距相等时分辨率最高的结论； 用条码图像信息序列的相关性或条码编码所用函数本身的规律性来评价条码信 息的纠错功能。 3 、n k m 条码与g r 条码创新依据上述编码理论创新出两种新码：基于宽 度调节法的n k m 条码和基于模块组配法的g r 条码。前者具有充分利用编码信 息，达到水准标尺条码总数n 、条空宽度比变化种类k 与一个码区内的条码单元 数m 之间的最佳匹配，但它存在信息密度较低、分辨率不高、只有校验没有纠 错功能等缺点；后者利用研a y 码在任意两个相邻的数之间转换，只有一个数位 发生变化的单步特性，以及参考码r 固定的条宽有利于求物像比的特点，交替 组合而成一种信息密度较高，分辨率较好，纠错能力强的高品质码。 4 、g r 条码图像处理算法设计利用中值滤波对于阶跃信号输出能保持输 入信号值不变，以及较好得保持图像边缘非线性的优点进行g r 条码图像滤波； 针对数学形态学提取的边缘比较平滑、清晰，图像骨架比较连续的特点进行g r 条码图像的边缘检测处理；基于最大类间方差法得到的图像边缘不随光强变化 的特点进行g r 条码图像阈值分割；鉴于概率统计细分法算法简单、执行效率 高、精度好的特性进行g r 条码图像边缘的精确定位。模拟实验结果表明，所 摘要 用方法较好地解决噪声干扰对边缘信息提取的影响，提高了检测的分辨率。 5 、s m g p ( s e q u e n c em a t c h i n ga n dg e o m e t r i cp o s i t i o n - s e t t i n g ) 条码识别思想创 立根据数字水准仪需将条码的信号与仪器内存的参考信号按一定方式进行比 较获得识别的读数原理，以及几何法通过求平均值能消除分化误差的优点，提 出信号序列匹配与几何法精测相结合的s m g p 识别算法，并成功应用于双正弦 码和g r 码的条码识别中。 6 、g r 条码应用创新以g r 为编码方式，结合磁敏传感技术提出了一种 新型的绝对量编码方法，该方法可以通过调整数值码的位数达到测量任意位移 长度的目的，解决了位移测量时存在测量的相对量，以及绝对量时表征长度受 到限制等问题。 本文的研究成果为我国开发具有自主知识产权的数字水准仪提供了理论基 础和实验依据。 关键词：数字水准仪，水准标尺，编码，图像处理，识别 n a b s t r a c t a b s t r a c t n o w , t h e r ea ren od i l g i t a ll e v e l sw i t ho w ni n d e p e n d e n tp a t e n t si n0 1 1 1 c o u n t r y , w h i c ha r ec o n s i d e r e da st h ed e v e l o p m e n tt r e n do fl e v e l i n gm e a s u r i n gi n s t r u m e n t s i t s m o s t l yd u et ot h eb l o c k a g eo ff o r e i g nt e c h n o l o g i e sa n d1 1 0b r e a k t h r o u g ho fi n t e r n a l k e yt e c h n o l o g i e sa b o u td i g i t a ll e v e l s t h e r e f o r e ，t h a tw o u l db r i n gt h et e c h n o l o g y b o t t l e n e c kf o rs u r v e y i n ga n dm a p p i n gi n d u s t r y , i nw h i c ht h ea m o u n to fl e v e l i n g m e a s u r i n gi n s t r u m e n t su s i n gr e a c h e s3 0 0 ，0 0 0u n i t sp e ry e a ri n0 1 1 1 c o u n t r y i nv i e wo ft h i ss t a t u sq u o ，t h i st h e s i sf o c u s e so nt w ok e yt e c h n o l o g i e so ft h e d i g i t a ll e v e lm e a s u r e m e n ts y s t e m ：f i r s ti sr a i s i n gn e wg r a d er o db a rc o d e st ob r e a k t h em o n o p o l yo ff o r e i g np a t e n t s s e c o n di ss e a r c h i n gm a t c h i n gi m a g ep r o c e s s i n g a l g o r i t h m sa n dr e c o g n i t i o nm e t h o d sf o rn e wb a rc o d e s s p e c i f i cr e s e a r c hw o r ka s f o l l o w s ： 1 a n a l y s i so fc o d i n gm e t h o d a n a l o ge n c o d i n gm e t h o da n dd i g i t a le n c o d i n gm e t h o dt oe x p r e s si n f o r m a t i o n a r er a i s e da n da n a l y z e df o rt h eg r a d er o db a rc o d e s r e s e a r c h i n gt h er e a s o n st h a tw h y s e l e c t e d1 - d i m e n s i o n a lb a rc o d e sf o rg r a d er o d ：t h ev a r i e t yo fw i d t ha n dv e r t i c a l a r r a yc a l la c h i e v ee f f e c to f2 一d i m e n s i o n a lb a rc o d e s 2 c o n s t r u c t i o no fe v a l u a t i o ns y s t e mf o rg r a d er o db a rc o d e s s e tu pe v a l u a t i o ni n d i c a t o r sf o rt h eq u a l i t yo fc o d i n g b a rc o d ei n f o r m a t i o n d e n s i t y , b a rc o d ei m a g er e s o l u t i o na n db a rc o d ee r r o rc o r r e c t i o na b i l i t y ：u s i n gt h e r a t i oo ft h el a r g e s tb a rc o d i n gc a p a c i t ya n dau n i tl e n g t ht om e a s u r et h ei n f o r m a t i o n d e n s i t yo fb a rc o d e ；t h r o u g ht h ep o i n ts p r e a df u n c t i o no fo p t i c a ls y s t e mt os t u d yb a r c o d ei m a g er e s o l u t i o n , w h i c hc o u l dc o m et ot h ec o n c l u s i o n st h a tr e s o l u t i o ni st h e l l i 曲e s tw h i l et h es p a c i n go fi m m e d i a t ec o d ee d g e i se q u a l ；u s i n gt h er e l e v a n c eo fb a r c o d es e q u e n c eo rt h ef u n c t i o nr e g u l a r i t yo fb a rc o d et oe v a l u a t et h ec o r r e c t i o na b i l i t y o f b a rc o d e 3 i n n o v a t ef o rn k mb a rc o d ea n dg rb a rc o d e t w ot y p e so fn e wb a rc o d e sa r ep u tf o r w a r d ：n k mb a rc o d eb a s e do nw i d t h i i i a b s t r a c t a d j u s t m e n te n c o d i n gm e t h o da n dg - rb a rc o d eb a s e do nm o d u l eg r o u pe n c o d i n g m e t h o d n k mb a rc o d ef u l l yu s e se n c o d i n gi n f o r m a t i o na n dg e t st h eb e s tm a t c h a m o n gt h et o t a ln u m b e ro fg r a d er o db a rc o d e s ，t h ev a r i e t yr a t i oo fw i d t ha n dt h eb a r c o d en u m b e rp e ro n eb a rc o d er e g i o n ，b u ti th a ss o m ed i s a d v a n t a g e ss u c ha sl e s s i n f o r m a t i o nd e n s i t y , l e s sr e s o l u t i o n , a n dh a v i n go n l yc h e c k o u tf u n c t i o nb u tn o te r r o r c o r r e c t i o nf u n c t i o n ；g - rb a rc o d eu s e g r a yc o d e ss i n g l e s t e pp r o p e r t yt h a ti tc h a n g e s o n l yo n ed i g i t a li nc o n v e r s i o nb e t w e e nt w oa d j a c e n tn u m b e r s ，a n dt h ef i x e dw i d t ho f r e f e r e n c ec o d ert og e to b j e c t i m a g er e l a t i o n s g r a yc o d ea n dra l t e r n a t ea r r a yt o f o r mah i g h - q u a l i t yb a rc o d ew h i c hh a sh i g h e ri n f o r m a t i o nd e n s i t y , b e t t e rr e s o l u t i o n a n de r r o rc o r r e c t i o nc a p a b i l i t y 4 d e s i g no fi m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h mf o rg - r b a rc o d e t h es t e ps i g n a li n p u tc a nn o tb ec h a n g e d ，a n dt h en o n - l i n e a ro f i m a g ee d g ec a l l b em a i n t a i n e di nm e d i a nf i l t e r , s og - rb a rc o d ei m a g ef i l t e ru s e di t ；d o i n gg - rb a r c o d ei m a g ee d g ed e t e c t i o nw i t hm a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g yw h i c hc a ne x t r a c ts m o o t h a n dc l e a re d g e ，c o n t i n u o u si m a g es k e l e t o n ；d o i n gg rb a rc o d ei m a g es e g m e n t a t i o n w i t hm a x i m u mb e t w e e n - c l a s sv a r i a n c em e t h o dt h a tt h ei m a g ec d g cd o e s n tc h a n g e s w i t hl i g h t i n t e n s i t y ；p r o b a b i l i t ya n ds t a t i s t i c sm e t h o dh a ss i m p l ea l g o r i t h m ，h i g h i m p l e m e n t a t i o ne f f i c i e n c ya n dg o o dp r e c i s i o n ，u s i n gi tt og e ts u b p i x e lp o s i t i o n i n go f g rb a rc o d ei m a g e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o d sc o u l db e t t e rs o l v e t h en o i s ei n t e r f e r e n c ea n di m p r o v et h em e a s u r e m e n tr e s o l u t i o n 5 c r e a t i o no fs m g p ( s e q u e n c em a t c h i n ga n dg e o m e t r i cp o s i t i o n s e t t i n g ) b a r c o d er e c o g n i t i o nt h o u g h t a c c o r d i n gt ot h er e a d i n g sp r i n c i p l eo fd i g i t a ll e v e lt h a tn e e dt oc o m p a r et h e b a r - c o d e ds i g n a lw i t ht h er e f e r e n c es i g n a li nm e m o r ya p p a r a t u si nac e r t a i nw a yt o o b t a i nr e c o g n i t i o n ，a n dg e o m e t r i cp r i n c i p l ec o u l de l i m i n a t et h ed i f f e r e n t i a t i o ne r r o r b yg e t t i n gt h ea v e r a g e ，s m g pr e c o g n i t i o ni sb r o u g h tf o r w a r d i tb a s e do nt h es i g n a l s e q u e n c em a t c h i n ga n dg e o m e t r i cp r e c i s i o nm e a s u r e s m g pr e c o g n i t i o na l g o r i t h m h a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt od o u b l es i n ec o d ea n dg - rb a rc o d er e c o g n i t i o n 6 a p p l i c a t i o no fg - r b a rc o d e b a s e do ng re n c o d i n ga n dm a g n e t i cs e n s i n gt e c h n o l o g y , a na b s o l u t eq u a n t i t y c o d i n gm e t h o di sp u tf o r w a r d ，w h i c hc a ng e ta r b i t r a r yd i s p l a c e m e n tb ya d j u s t i n gt h e i v a b s t r a c t n u m e r i c a lc o d e s i ts o l v e st h er e l a t i v ea m o u n to fd i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n ta n dt h e r e s t r i c t e dl e n g t ho fa b s o l u t em e a s u r e t h er e s u l t so fr e s e a r c hi nt h i st h e s i sp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sa n de x p e r i m e n t a l e v i d e n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a ll e v e lw i t ha u t o n o m o u si n t e l l e c t u a lp r o p e r t y i no u rc o u n t r y k e yw o r d s ：d i g i t a ll e v e l ，g r a d er o d ，c o d i n g , i m a g ep r o c e s s i n g , r e c o g n i t i o n v a b s t r a c t v i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 少悸日 第1 章引言 1 1 概述 第1 章引言 测量是一门古老的学科。3 0 0 多年前伽利略就说过：“有必要测量一切可测 量的事物，并使还不能测量的事物变得可测”。这话到现在还不过时，科学发展 的历史就是从定性分析走向定量分析的过程，而测量是定量分析的基础，离开 测量，现代科学技术将无法发展下去。 人类获取的外界信息有7 0 来自眼睛，可见，视觉图像是人类获取外界信 息的最主要的来源。随着计算机技术及图像数字化设备的发展，人们开始使用 计算机来研究图像信息，并形成了数字图像处理与分析技术，这门科学在理论 上正飞速发展，在实践中也得到了广泛应用，它与其它领域结合产生许多新的 应用学科，如计算机视觉、模式识别与人工智能、数字图像测量与数字摄影测 量等，将数字图像处理技术与传统的测量技术手段相结合，实现测量的自动化 及数字化，是测量技术发展的重要方向。 由于高程测量中的几何水准测量方法存在劳动强度大、工作效率低，人眼 长时间观测易疲劳，容易造成读数误差等缺点。为此人们一直致力于开发研制 先进的水准测量仪器，以改变传统、落后的测量方法和手段。数字水准仪于2 0 世纪9 0 年代初出现了，它是具有测量自动化、速度快、精度高和读数客观等优 点的新型几何水准测量仪器，是对传统几何水准测量技术的突破，代表了现代 水准测量技术的发展方向，广泛应用于地形测量、建筑测量、一等水准和监测 等领域。 数字水准仪的最初发展可追溯到六十年代，前民主德国大地测量学者开创 了机车化水准测量方法，曾研制过窄束水平无线电波加主动水准标尺的测量系 统，由于当时科学技术水平的限制而未获成功。七十年代至八十年代前西德先 后研制过两种自动化测量系统，一种系统是扫平仪t e l a m a t 与主动水准标尺构成 的测量系统，实验样机的测量精度达1 4 7 m m k m 。另一种系统是通过数字通讯 方式在标尺站与测站间联络，实现读数自动化，实验样机在视距4 0 m 时，一次 观测高差中的误差不大于0 1 m m 。这两种系统的致命弱点是标尺构造复杂而娇 第1 章引言 嫩，极易损坏，故未能实现商品化生产。八十年代，欧美等国联合发展新的“快 速精密水准测量系统”，该系统建立在双色测角原理基础上，很好地消除了垂直 折光的影响，但测量方法仍是三角水准测量方法，只是测角系统采用双色法u 1 。 z c t s c h e 的研制工作被看成是无激光束和“电子水准标尺”的“被动”测量 方法的开端，他在1 9 6 6 年论述了电子水准方法的全部基本特征乜1 。特殊标尺图 案在像平面上的成像、采样、位移和作为距离函数的物象比例的匹配以及光学 传递函数等都在实验样机上首次实现了。因为当时还没有合适的光学传感器或 传感列阵，所以标尺上特殊标志的照准还要观测员进行，随距离改变的物象比 例还是用变焦光学系统来补偿。由于在仪器中用了增量编码器对标尺像的垂直 位移量进行采样，所以求值和显示实现了数字化。随着m o s 技术的发展，c c d 工艺的出现使测量望远镜像平面上的标尺图像转换成数字信息成为可能。 1 9 9 0 年3 月瑞士l e i c a 公司推出了世界上第一台数字水准仪n a2 0 0 0 ，首次 采用数字图像技术处理标尺影像，并以行阵传感器取代观测员的肉眼获得成功。 这种传感器可以识别水准标尺上的条码分划，并用相关技术处理信号模型，自 动显示与记录标尺读数和视距，从而实现观测自动化。随后，德国z e i s s 、日 本t o p c o n 和日本s o k k i a 等公司也生产出各自设计的数字水准仪，它们的性能 指标如表1 1 所示。 数字水准仪是在自动安平水准仪的基础上发展起来的，其基本构造由光学 机械部分、自动安平补偿装置和电子设备组成，如图1 1 所示。其中电子设备主 要包括：调焦编码器、光电传感器、读取电子元件、微处理器、c s i 接口( 外部 电源和外部存储记录) 、显示器件、键盘和测量键以及影像、数据处理软件等。 标尺采用条形码，供电子测量使用。 数字水准仪和光学水准仪比较，具有以下异同醯3 。 相同点：数字水准仪具有与光学水准仪相同的光学系统、机械和补偿器结 构；水准标尺一面具有用于电子读数的条码，另一面具有传统水准标尺的e 型 分划，既可用于数字水准测量，也可用于传统水准测量，摩托化测量，形变监 测和适当的工业测量。 不同点：光学水准仪用人眼观测，数字水准仪用光电传感器( c c d 线阵等) 代替人眼；数字水准仪与其相应的条码水准标尺配合使用，同一水准标尺上的 条码宽度不同，各型数字水准仪的条码尺编码也不一样，但均含有黑白两种条 码，仪器内装有图像识别器，采用数字图像处理技术，这些都是光学水准仪所 2 第1 章引言 没有的。 表1 1 常用数字水准仪及其主要技术指标 心器 l e i c az e i s st o p c o ns o k k i a 指标0 0 2 心0 0 3d i n 订2d i n i 2 2d l l 0 1 c d l l 0 2 cs d l ls d l 2 高程测电子o 90 4o 30 74 - 0 44 - 1 00 30 7 鼍精度读数 ( m m 1 k光学2 o1 o1 31 01 51 52 0 i n 往返) 读数 测量范围m 1 8 6 01 5 1 0 02 6 01 5 1 0 0 距离测量精度b 1 0 5 02 02 5 1 0 5 02 02 5 补偿器工作范围1 2 7 1 5 1 2 1 5 1 5 7 补偿精度( )0 8 0 4 0 2 0 5 0 3 。0 5 0 2 0 5 望远镜孔径咖 3 64 04 54 0 电子测量视场角 2 。5 。1 。2 0 3 。 c c d 丁作光谱红外光可见光可见光红外光 像素问距数量2 5 2 5 61 4 1 8 0 01 1 6 0 08 1 8 0 0 条码基本间隔咖2 0 2 52 0 1 01 01 6 望远镜放大倍数2 4 3 2 2 6 3 2 3 0 x3 2 2 6 测景时日j s432442 5 图1 1 数字水准仪结构图嵋1 第1 章引言 数字水准仪的测量系统原理图如图1 2 所示，标尺上的条码图案经过光反 射，一部分光束直接成像在望远镜分划板上，供目视瞄准和调焦；另一部分光 束通过分光镜转折到c c d 传感器上， 理器d s p 进行解码，并与仪器内存 的参考信号进行比较，从而获得c c d 中丝处标尺条码图像的高度值。 数字水准仪测量时需满足光、电 两分划板的一致性，即当望远镜向无 穷远目标调准时，光分划板和电分划 板都要位于望远镜物镜系统的焦平 面上，并且需保证“电 竖丝和“光 竖丝都铅垂，左右不能分离或交叉。 经光电、a d 转换成数字信号，通过微处 图1 2 数字水准仪测量系统原理图 否则，光学调焦清晰后，在电分划板上的条码成像也会模糊，引起读数误差或 延长读数时间。 1 2 课题研究背景及意义 自1 9 9 0 年国外成功研制出第一台数字水准仪后，数字水准仪已成为水准测 量仪器发展的趋势。但是由于我国在编码规则、刻划工艺和解码原理等一些关 键技术难点上没有完全解决，以及国外相应的技术封锁等方面的原因，至今尚 无拥有自主专利权的产品面世h ，。另外，一些国外产品不完全符合我国水准测量 的规范要求。为此进行数字水准仪的开发研制对推动我国工程测量向现代化、 自动化、数字化方向发展具有重大的现实意义。 目前，国内水准测量仪器使用量( 包括出口) 约为3 0 万台每年，一旦国 产数字水准仪研制成功，其市场前景非常可观，并能由此全面提高我国众多测 绘仪器生产企业的经济效益和技术竞争力，提升全国测绘企业的测绘水平。 在数字水准仪的研究开发过程中，一方面，为了突破国外专利权的垄断， 提出具有自主知识产权的水准标尺编码势在必行；另一方面，基于条码图像的 数字处理算法与识别技术在很大程度上决定着测量精度。因此，研究水准标尺 编码，以及其图像处理与识别算法等关键技术，对于开发国产数字水准仪具有 4 第1 章引言 很大的工程价值和应用前景。 本课题的研究正是为此开展进行的，其目的在于提出新的水准标尺条码， 设计出相应的图像处理与识别算法，为数字水准仪国产化研制提供理论指导和 实验依据。 1 3 条码式水准标尺编码方法与识别技术国内外研究现状 1 3 1 水准标尺的发展概况 水准标尺是指用于大地水准测量和精密工程测量的标尺，它的发展过程如 下引： 早期的水准标尺采用线纹式。按精度分为精密水准标尺和普通水准标尺两 种；按制造的材料可分为铟瓦合金水准标尺和木质普通水准标尺。在进行一、 二等精密水准测量时，使用铟瓦合金水准标尺；进行三、四等及以下低等水准 测量时，使用木质普通水准标尺。线纹式水准标尺的特点是具有等宽的条纹和 等宽的间隔。采用线纹式水准标尺进行几何水准测量的主要缺点是人工目视瞄 准，作业工作量大，效率低，不利于测量自动化。 随着光电技术、半导体技术以及条码技术原理和自动识别技术的发展，起 源于二十世纪四十年代末的条码技术开始应用于位移测量领域。9 0 年代中后期， 国际上出现了一类新型的水准标尺条码式水准标尺，这种标尺上分布有按 照一定规律精确刻划的条码，相邻条码组合在标尺条码序列中唯一出现，以此 确定其在标尺上的位置。采用条码式水准标尺进行长度( 或高度) 测量时，通 过所瞄准标尺上的条码组合来检测、识别、解码，确定其位置尺寸。 目前，国际上面世的有四种条码式水准标尺，其编码原理、条纹图案各不 相同，必须与其配套的数字水准检测系统配合使用，不能互换。数字水准仪与 其所配套使用的条码式水准尺具有以下特点： ( 1 ) 标尺位移的读数自动化：采用携带位置信息的条码标尺代替传统的线纹 式水准标尺，由图像传感器替代人眼，由信号处理单元对条码图像信号的分析 处理代替人工读数，自动输出、显示测量值。 ( 2 ) 非接触远距离和大量程测量：采用机器视觉测量方式，在光学成像系统、 条码标尺参数、测试条件与要求相匹配的情况下，能够实现远距离和大量程非 5 第1 章引言 接触测量，具有广泛的应用领域。 ( 3 ) 绝对位移和相对位移的测量：依据标尺上条码图案与标尺位置之间的对 应关系，通过对标尺条码成像信号的分析处理，实现绝对位移和相对位移的同 时测量。 ( 4 ) 读数客观、测量速度快、精度高( 通常比目测提高一个数量级以上) 。 1 3 2 国外研究现状 徕卡、蔡司、拓普康、索佳各公司的水准标尺编码方式及识别方法如下所 述6 。勰1 ： 徕卡数字水准仪的标尺编码采用伪随机条形码，利用二维相关技术处理信 号模型口吲：把事先存储在数字水准仪内的伪随机条形码作为参考信号，与线阵 c c d 上成像所构成的信号( 测量信号) 按相关方法进行比较，直至两个信号最佳 符合，从而获得标尺读数和视距。相关法需要优化两个参数，即“高和“比 例”。“仪器一标尺 的高差h 表现为条码标尺像的位移，而条码成像的比例是 “仪器一标尺 相隔距离d 的二维离散相关函数。在测量范围内，测量信号与 参考信号最大相关的地方，相关函数的值最大，其坐标值即为所求的距离d 和 标尺读数h 。 蔡司数字水准仪的标尺编码采用双相位码，利用几何法原理读数n ：其双 相位码对每个二进制代码分别用2 个具有2 个不同相位的二进制新码去取代。 编码规则之一是：o 一0 1 ( 零相位的1 个周期的方波) ；1 1 0 ( 7 r 相位的1 个周期 的方波) 。其标尺以2c i i l 为- - n 量间隔( 称一个比特) ，称为基本码。它的伪随机 码在每个码元上都可以进行读数( 粗测) ，由于各条码的宽度分布很不均匀，必 须通过探测码元间边界的明暗过渡来精测，求出基本码的边界值( 每个基本码 及其与其他码条的相互位置是已知的) 。伪随机码被双相位码叠加，使每一比特 即间隔的中点除取l 或。值外，还有一个附加的亮度变化。这时双相位码在视 场中的分布是最佳的，在几何上可采集到1 5 个明暗过渡( 边界) 值，通过取均 值提高精度。 拓普康数字水准仪的标尺编码采用三种独立信息互相嵌套在一起的编码方 式，即参考码r 和信息码a 和b ，利用相位法读数n 2 侧：r 为三条2 m m 宽的黑 色码条，以中间黑条码的中心线为准，每隔3 0m m 就有一组r 码条重复出现。 6 第1 章引言 在每组r 码下边1 01 7 1 1 1 1 处为b 码，上边1 0 r a m 处为a 码，a 和b 的码宽按正弦规 律在0 m m 至1 0n l l n 之间变化，其信号波长分别为3 3 0 m 和3 0 0 r a m 。上述三种信号 的频率和相位可以通过快速傅里叶变换( f f t ) 获得，由此可求出视距和视线高度。 索佳数字水准仪的标尺编码采用r a b 码( 随机双面码) n 9 1 ，读数方式有两种， 短距离测量采用边缘探测方式，长距离测量采用初级傅里叶转换探测方式。条 码宽度分别为3 m m 、4 m m 、7 m m 、8 m m 、1l m m 、1 2i b m ，条码之间的中心距离为1 6 r a m 。 采用6 进制码和3 进制码两种编码形式，1 6m 一- 9 0m 短视距测量取6 进制码 的5 个以上数码作为计算依据；而9 0 m 一- 1 0 0 m 长距离测量取3 进制码的8 个以 上数码作计算依据。经过粗读数和精计数两个过程，求得唯一的视线高读数， 视距则根据几何光学原理的物像比关系求得。 以上几种数字水准仪的编码方案如表1 2 所示，条码图案如图1 3 所示。 表1 2 现有数字水准仪的编码方案侧 厂家 编码方案码区内条码个数及编码方法 条码结构“黑+ 白”，其中黑条码和白条码各有1 5 种宽码区内条码个数：6 l e i c a 度，共可以组成2 2 5 种类型的条码，黑条码和白条码的解码方法：图像相关法 宽度为2 0 2 5 r a m 的倍数 条码的结构有“黑+ 黑”、“黑+ 白”、“自+ 黑”、“白+ 白” 4 种( 称为4 进制码) ，4 进制码适用于视距 5 - - - 6m ，码区内条码个数： z e i s s 其中黑码和白码的宽度相等，均为1 0 0 0 咖：当视距4 进制码( 视距 5 6m ) ：8 5 - - 一6m 时，在黑码中间加入1 0 0 咖的白线，在白 1 6 进制码( 视距 9m ) ：8 为6 进制码，适用丁：视距 9m 时，将“3 ：1 3 ，6 进制码( 视距 9m ) ：5 4 ：1 2 ”、“7 ：9 ，8 ：8 ”、“1 l ：5 ，1 2 ：4 ”组成3 进制码 解码方法：几何法 7 第1 章引言 i iilii li i ii蜮l l a l 删i l l l l l l l l l 帅酬 l l t o p e o n i i - l l ! _ l li i i il _ _ 厂 r r 厂 二 z e h s i _ i i _ 一l 士壶盐基型盘睦基遗釜爿士瑚制_ iqqq 金iqqqlqqq 。iq j 金肇lq1 籼罩 主兰垒垒至兰2十进制_一j s o k k i a 图i 3 月种数字水准仪的条码图案 r a m 近年来，国外的仪器生产厂家一方面继续优化图像数据处理软件，消除原 软件的不足，另一方面设计抗干扰能力更强的编码方法，这些措施使得数字水 准仪的测量速度更快、测量结果更精确。例如徕卡公司通过优化图像处理软件， 生产出了d n a 系列数字水准仪；通过优化编码方法，生产出了s p r i n t e r 系列 数字水准仪，与徕卡公司的n a 和d n a 系列数字水准仪相比较，s p r i n t e r 系 列数字水准仪不仅在硬件上减少了调焦镜位置传感器，而且仪器的抗干扰能力 更强，更适合在恶劣环境条件下使用。德国蔡司公司、日本托普康公司和r 本 索佳公司也通过优化图像处理软件，分别推出了第二代产品d i n i l 2 、 d l l 0 1 c d l l 0 2 c 和s d l 3 0 。 8 第1 章引言 1 3 3 国内研究现状 国内科技人员自1 9 9 0 年起也开始对数字水准仪测量系统的相关问题进行研 究。西安工业大学洲、测绘科学研究酣4 2 1 、西安理工大学乜3 4 引、南京理工大学 h 5 删以及数家测绘仪器公司等单位进行了数字水准仪的相关研究工作，但是到 目前为止尚未取得突破性成果。 国内数字水准仪的研究大致可以分成以下四个阶段： 第一阶段：对国外数字水准仪的使用与性能分析h 卜删。文献 4 7 分析了常 用的蔡司d i n i l2 、拓普康d l - 1 0 1 、徕卡n a3 0 0 3 等三种数字水准仪的主要误差 来源，并提出了应对措施；文献 1 对徕卡n a 2 0 0 0 数字水准仪的性能进行了综 合评述；文献 4 8 讨论了数字水准仪在测量中产生的主要误差及消除方法；文 献 4 9 对徕卡s p r i n t e r 、n a 、d n a 三个系列数字水准仪的参数进行了比较， 给出了测试结果：文献 5 0 给出了拓普康d l 1 0 1 的检验结果；文献 5 1 对 d i n i l 2 、n a 3 0 0 3 及d l 一1 0 1 c 三种数字水准仪的性能进行了比较。 第二阶段：对数字水准仪测量精度的鉴定。文献 5 6 提出了用双频激光干 涉仪检测不同型号的数字水准仪，及其配套使用的条形码水准标尺综合精度的 方法；文献 5 7 对数字水准仪的常规检定项目进行了论述；文献 5 8 介绍了国 外水准尺检定方面研究的最新成果。 第三阶段：对数字水准仪关键技术的研究。文献 3 9 设计了一种基于相位 差法编制的数字水准仪编码标尺，提出了依据参考信息a 、b 码中心线位置对应 的高度值确定标尺读数的识别算法；文献 5 9 研制了三种条码尺用以扩展数字 水准仪的测量范围和使用灵活性；文献 6 0 对编码在电子水准仪上的应用进行 了较为深入的探讨；文献 6 1 提出了一种新的编码和解码方法来确定水准仪视 准轴的位置，该编码方法只需利用一个码区内的m 个条码即可确定视准轴的位 置，而且使条码种类k 、水准尺上条码总数和码区内条码的个数m 之间达到 最佳匹配；文献 6 2 提出了利用等距条码测视距，条码标识符顺序的伪随机性 测高程的编码方法；文献 6 3 提出了实现数字水准仪原始记录数据预处理的技 术要点；文献 6 4 研究了徕卡s p r i n t e r 系列数字水准仪的测量原理；文献 6 5 设计的条码尺可以被自动识别出是否倒置；文献 6 6 提出了循环编码法，它不 仅可以在码盘中应用，而且也可以在数字水准仪的条码尺中应用；文献 6 7 提 出了一种同时适用于光学水准仪和数字水准仪的编码方法，用内插法计算视距。 9 第1 章引言 第四阶段：国产数字水准仪的商品化。近年来，国内有关单位在数字水准 仪产品的制造方面取得了长足的进展，中纬测量系统( 武汉) 有限公司生产出 型号为z d l 7 0 0 的数字水准仪；北京博飞仪器股份有限公司生产出型号为 d a l l 5 2 8 r 的数字水准仪；苏一光仪器有限公司生产出型号为e l l 0 0 的数字水 准仪；南方测绘仪器公司生产出型号为d l 3 0 1 的数字水准仪；西安三科数码光 电有限责任公司生产出型号为d l 3 2 0 的数字水准仪。上述单位均声称打破国外 的技术垄断，填补国内的技术空白，生产出了拥有自主知识产权的产品，但从 国家专利局网站上查询不到相关信息。此外，浙江宁波舜宇集团、西安利达光 电仪器有限公司等单位也正在研发数字水准仪。 1 4 论文的章节安排 本文共七章，各章主要内容如下： 第1 章指出本课题的研究背景及研究意义，综述数字水准仪标尺编码理论 与识别技术的国内外发展现状，针对目前国内研究中存在的问题，给出本课题 研究的主要内容和研究成果。 第2 章分析水准标尺条码的模拟量编码和数字式编码两种信息承载方式， 以及模块组配法和宽度调节法等编码方法，探讨水准标尺条码维数的选择问题， 提出衡量条码优劣的三项评价指标条码的最大信息密度、条码图像的分辨 率和条码信息的纠错能力，这些研究成果组成水准标尺条码的编码理论。 第3 章基于宽度调节法提出n k m 编码方式研究水准标尺条码总数n 、 条空宽度比变化种类k 与一个码区内的条码单元数m 之间的最佳匹配问题；