（光学工程专业论文）基于cmos图像传感器的水准仪自动安平系统研究.pdf

浙江大学硕：f ：学位论立 摘要 本论文详细论述了一种基于c m o s 图像传感器的水准仪自动安平系统。由 c m o s 图像传感器扶取的水准器图像信号经过单片机及其外削电路的处理，得到 水准器中水泡的位置。单片机根据所得到的数据判断水准仪是否处丁水平位置并 控制步进电机将水准仪调节至水平位置。文章还讨论了系统的分辨精度和调节精 度，以及提高精度的方法。实验结果表明该自动安平系统能较好地实现水准仪的 自动安平，该系统将使用大地测量仪器的安平步骡大大简化，进行测量更加简单 方便。 本论文具体描述了该自动安平系统的硬件及软件组成。硬件部分主要包括图 像传感器、中央处理器及其外围电路和电机驱动三个部分。软件组成主要包括 c m o s 图像传感器的图像采集、图像信号处理、单片机1 0 口模拟i i c 总线传输 数据和电机驱动的嵌入式程序。 论文对该系统以后的改进也作了一些论述。 j 关键词水准器、c m o s 图像传感器、自动安平、图像处理 塑垩奎兰塑：! 堂堡堡兰 一 a b s t r a c t a na u t ol e v e l i n gi n s t r u m e n ts y s t e mb a s e do nc m o si m a g es e n s o r si sd e s c r i b e di n t h i st h e s i s t h em c ua n di t so u t s i d ec i r c u i t sh a n d l et h ei m a g es i g n a l so b t a i n e db y c m o si m a g es e n s o r s ，t ol o c a t et h ep o s i t i o n so ft h eb u b b l e si nt h e p l a t el e v e l i n a d d i t i o n ，t h em c uj u d g e sw h e t h e rt h ep l a t e l e v e lh a sb e e nah o r i z o n t a l p l a c e a c c o r d i n gt ot h e s ed a t a ，a n dt h e nc o n t r o lt h es t e p p i n gm o t o rt om a k et h ei n s t r u m e n t l e v e l t o p i c so nt h es y s t e md i s t i n g u i s h i n gp r e c i s i o na n dt h ea d j u s t a b l ep r e c i s i o na r e a l s od i s c u s s e di nt h i st h e s i s ，a sw e l la st h em e t h o dt o i m p r o v et h ep r e c i s i o n t h e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h i sa u t ol e v e l i n gs y s t e mc a na c h i e v et h eg o a lo fa u t o l e v e l i n gf a i r l yw e l l ，w h a ti sm o r e ，s u c hs y s t e mg r e a t l ys i m p l i f yt h el e v e l i n gs t e p si n g e o m e t r i ci n s t r u m e n t ，m a k i n gi tm o r ec o n v e n i e n ti nm e a s u r e m e n t t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e c o m p o n e n t sa r e i n t r o d u c e da t l e n g t h i n t h i st h e s i s t h a r d w a r ec o m f ) 如e n t sc o n s i s to ft h ei m a g es e n s o r s ，t h em c ua n di t so u t s i d ec i r c u i t s a n dt h em o t o rd r i v i n g s o f t w a r ec o m p o n e n t sp r i m a r i l yi n c l u d et h e i m a g ec o l l e c t i o n o fc m o s i m a g es e n s o r s ，i m a g es i g n a lp r o c e s s i n g ，d a t at r a n s m i s s i o ns i m u l a t i o no ft h e l i eb u si nt h em c u si 0p o r t s ，a n dt h ee m b e d d e dc o d e so f m o t o r d r i v i n g 。 t h ep o s s i b l ei m p r o v e m e n t so ft h ec u r r e n ts y s t e ma r ep r o v i d e di nt h ee n d k e y w o r d ：p l a t el e v e l ，c m o si m a g es e n s o r , a u t ol e v e l i n g 。i m a g ep r o c e s s i n g 4 浙江大学硕上学位沦文 引言 随者计算机技术、微电子技术、激光技术等新技术的发展，传统的测绘技术 体系正在发生根本性变化。8 0 年代以来出现了许多先进的光电子大地测量仪器， 如红外测距仪、电子经纬仪、全站仪、电子水准仪、激光扫乎仪、g p s 接收机等， 单一传统产品发展为多功能高效率光机电算一体化产品及数字化测绘技术体系， 为测量r 作向电子化、自动化、现代化方向发展创造良好条件。 自动安平水准仪利用仪器内部的自动安平补偿器，就能获得视线水平时的正 确读数，省略了精平过程，从i 而n _ n t 观测速度和整平精度。数字水准仪用光f 巳 传感器代替人眼：数字水准仪与其相应条码水准标尺配用。仪器内装有图像识别 器；采用数字图像处理技术，这些都是传统水准仪所没有的；同一根编码标尺上 的条码宽度不同，各型数字水准仪的条码尺有自己的编码规律，但均含有黑白两 种条块，这与传统水准标尺不同。 无论是自动安平水准仪还是数字水准仪都没有使用自动调节使系统安平的 装置，所以本文主要研究一种基于c m o s 图像传感器的水准仪自动安平系统， 该系统能够快速、准确、方便的实现系统的自动安平。经过一年多的研究和丌发， 确定了图像处理的方法，完成了该系统的电路设计和调试，实现了使用低速单片 机来采集和处理高速图像信号，并且可以根据需要任意采集输出图像的任一行或 是儿行的数据，这是一种使用c m o s 图像传感器的新方法。 。 论文主要由以下六个部分组成。 1 、水准仪的介绍 2 、水准器图像的边缘检测方法 3 、系统的硬件组成 4 、系统的具体实现 5 、试验结果及分析 6 、今后的改进 浙江大学颁士学位论文 第一章水准仪 水准测量是精密测量地面点高程的最主要方法，2 0 世纪4 0 年代，自动安平 水准仪的问世，标志着水准测量自动化的丌端。2 0 世纪9 0 年代，出现了数字水 准仪，它具有测量速度快、读数客观、能减轻劳动强度、精度高、测量数据便于 输入计算机等优点，具有很大的发展前景。水准仪按其构造可分为微倾式水准仪、 自动安平水准仪和数字水准仪等。i t 水准仪的主要作用是为测量高差提供一条水平视线吼 一、水准器的用途、工作原理及分类 水准器是利用液体受重力作用后气泡居最高处的特性，使水准器的一条特定 的直线位于水平或竖直位置的种装置【3 5 1 。 1 、水准器的用途 水准器足用来指示仪器的某一轴线处于水平或是铅垂位置的器具。在大i e 狈, q 量仪器中，水准器有如下几个作用： ( 1 ) 使仪器的竖轴整置于铅垂位置，这 种水准器称为竖轴水准器或照准部 ， 水准器。 ( 2 ) 使望远镜的视准轴位于水平位置， 这种水准器成为望远镜水准器。 ( 3 ) 使竖直度判指标处于零位，这种水 准器成为竖直指标水准器。 水准器也用来精确地测量微小倾角，如测量 经纬仪横轴倾斜角的跨水准器。在天文观测中， 用纬度水准器使望远镜设置在某一不变的高度 角( 或天顶距) 。 水准器在精密机械设备的安装中使用也比较广泛， 发电机士轴的安装、矿井大型提升机主轴的安装等等。 图l i 长水泡 如精密机床的安装、大型 塑坚奎兰塑兰堡堕兰一一 2 、水准器的分类 大地测量仪器用的水准器可分为两类，圆形水准器和管状水准器( 通称水准 管) 。管状水准器又可分为三种：普通式管状水准器：补偿式管状水准器和隔章 式管状水准器。 普通式管状水准器如图1 1 所示。为了减小气泡长度随温度变化对灵敏度 的影响，在补偿式水准器中放一玻璃片或玻璃棒，以减小液体体积受温度变化的 影响，从而使气泡的长度的变化也减小。 图l 一2 圆水泡 圆形水准器如图l 一2 所示，上部玻璃片的内表面为一均匀的圆球面，中央 刻有一小圆圈，下部为一带封嘴的玻璃座，两者用专门的合成胶胶合在一起，或 者将上玻璃片与玻璃座进行熔接，以免脱胶。 管状水准器和圆水准器一般均采用烧制过的石膏固结在水准器座上，高精度 的水准器应当用弹性套固定，以防止因变形而降低精度。为了提高水泡的利度， 在水准器底部垫一层白纸或涂以白漆，在两侧衬上黑纸。 3 、水准器的工作原理 水准器的结构如图1 一l 所示，它的内部工作面( 上内表面) 是玻璃管( 或 片) ，将其研磨成一定曲率的球面或旋转圆弧面，里面灌有液体，并留有一个空 隙即所谓气泡。由于重力作用，气泡必定位于工作面的最高位置，若从气泡的中 心作1 _ = 作面的切线( 或切面) 则此线一定是水平线( 或水平面) 。 浙江大学硕士学位论文 通过水准器中点0 对管内圆弧所作的切线三三，称为水准器轴，它与通过0 点的铅垂线0 0 垂直。为了指示气泡的位置，管状水准器上一般刻有分划，分划 线间距，人眼观察用的水准器规定为2 毫米。因水准器倾斜而使气泡位置变动一 格时的倾斜角称为水准器的角值。 水准器的角值r 是每格分划( 2 m m ) 所对应的圆心角，即 f = 竿叫= i 2 叫。 式中：r 为圆弧半径，单位为毫米；p ”= 2 0 6 t 1 0 5 。 由上式可以看出一与| r 成反比，所以从几何尺、j 上讲，r 值是水准器精度的 决定因素，当r ”= l ”时，r = 4 1 2 5 3 m ；当f = 6 0 时，r = 0 1 1 5 m 。 圆水准器的角值有8 、1 5 、3 0 1 、6 0 等。 长水准器的角值有4 ”、6 ”、1 0 ”、2 0 ”、3 0 ”、1 、2 、3 、6 、1 0 t 、1 5 、3 0 r 筹。 二、微1 顷式水准仪 微倾式水准仪有四条主要轴线，即视准轴c c 、水准管轴l l 、圆水准器轴三。上 和仪器竖轴v v ，如图l 一3 所示。 水准仪之所以能提供一条水平视线 在轴线间应满足的几何条件【6 】为： 1 、圆水准器轴平行于竖轴； 2 、十字丝横丝垂直予竖轴； 3 、水准管轴平行于视准轴。 视线的水平，由调节微倾螺旋 使水准管居中来实现，所以第三个 条件l l h c c 是主条件。由图1 1 可知，若水准仪的主条件不满足， 必将给观测数据带来误差，它与观 取决于仪器本身的构造特点，主要表现 n瓜 矗 f i em翻 勒乙 国雁 ：，。耶岳盖田 譬龌 o r 旧i 叱7 一 一 钞绷丝 1尸 矿l 。 图1 3 微倾式水准仪 测距离成正比。若观测时保持前后视距离相等，则可消除该项误差对所测高差的 影响。为了保证能够使用微倾螺旋使管水准器气泡居中，并加快精确整平的过程， c 浙江大学硕士学位论文 首先要使圆水准器气泡居中，保证仪器竖轴v v 竖直( 粗平) 。 三、自动安平原理 在水准测量中川8 胴，要求水准仪的望远镜视准轴在观测过程中呈水平状态， 当仪器用圆水准器后，仪器的视准轴爿三相对于水平光线“b 还存在一一微小倾角 曰，也就是十字丝中心没有瞄准标尺上水平方向的读数l 0 ，而相差一段距离 止5l - l o 如图l 一4 所示。如果在水平入射光线上的k 点设置一个可以受重力 控制而摆动的反光镜，它摆动的角度恰好能使水平光线偏折。角达到十字丝中 心，在十字丝中心的读数就是水平视线上的标尺读数，从而达到自动安予视准轴 的目的。以光学判读来讲，相当于把十字丝中心从三点安放到了“点。我们称能 使水平光线在k 点屈折的一整套零件为补偿器。 l 标尺 图l - - 4 自动安平原理 物镜 a 自动补偿所要求的影响移动量，是通过仪器内部可摆动的光学零件相对丁仪 器的角位移或线性位移产生的。这种光学零件是补偿器中的补偿元件，它们可以 是棱镜、反光镜或玻璃平板。这些零件的位移将使通过它的光线因折射或反射而 产生偏移，利用液体表面的折射或反射作用也可以达到同样目的。补偿元件的摆 动，是由于补偿器灵敏元件受重力作用移向新的平衡位移而产生的，并且通过阻 尼元件的作用使之迅速停止摆动。 浙江大学硕士学位论文 四、自动安平水准仪 自动安平水准仪( 3 j 【4 】( 9 】的特点是没有管水准器和微倾螺旋，在粗略整平之后， 即在圆水准器气泡居中的条件下，利用仪器内部的自动安平补偿器，就能获得视 线水平时的正确读数，省略了精平过程，从而提高了观测速度和整平精度。 自动安平水准仪的竖轴是由小圆水准器以及三个脚螺旋或快速置平头近似 安置成垂直的。视线的水平是由望远镜内部补偿残余倾斜的补偿器完成的。这个 补偿器基本上是悬挂的反射镜或折射镜。补偿器能使水平通过物镜光心进入望远 镜的光线偏转至十字丝板的十字丝交点上。因此，若竖轴偏离垂线在几分以内( 即 补偿器的工作范围) ，视准轴能自动得到改正。这样就无需使用管水准器。只要 竖轴在任何方向的倾斜角都不超过补偿器的工作范围，则望远镜照准的所有方 向，都能得到有效的补偿。 五、数字水准仪 数字水准仪又称电子水准仪m 】，它是在自动安平水准仪的基础上 发展起来的。数字水准仪的构造主要包括光学系统、机械系统和电子信息处理系 统。其光学系统和机械系统两部分的工作原理与普通水准仪基本相同，冈此，数 字水准仪亦可和普通水准仪的测量原理一样，瞄准一般水准尺进行光学读数。在 进行数字化水准测量时，应使用编码的专用水准尺，此时，水准尺上宽度不同的 条码通过望远镜成像到像平面的c c d 传感器上，c c d 传感器将黑白相问的条码 图像转换成模拟视频信号，再经仪器内部的数字图像处理，可获得望远镜中十字 丝在水准尺上的读数。此数据一方面显示在屏幕上，另一方面可存储在仪器内的 存储器中。它采用条码标尺，各厂家标尺编码的条码图案不相同，不能互换使用。 目前照准标尺和调焦仍需目视进行。人工完成照准和调焦之后，标尺条码方面 被成像在望远镜分化板上，供目视观测，另一方面通过望远镜的分光镜，标尺条 码又被成像在光电探测器( 传感器) 上，如线阵c c d 器件上，供电子读数，如图 l 一5 所示。因此，如果使用传统水准标尺，数字水准仪又可以象普通自动安平 水准仪一样使用。不过这时的测量精度低于电子测量的精度。特别是精密数字水 准仪，由于没有光学测微器，当成普通自动安平水准仪使用时，其精度更低。 浙江大学硕士学位沦文 图1 5 数字水准仪的原理结构 条码标尺的典型结构如图i 一6 所示，刻度图案m 1 的刻度间距为刻度图案 m 2 间距的一半，在刻度图案m 1 、m 2 的右侧，标记有3 位刻度数值b ，它们以 每! o 毫米为间距表示。例如，标记3 0 0 意味着它位于离开标尺底端的3 0 0 0 毫米 处。在刻度图案m 1 、m 2 的左侧，标记有刻度数值a ，分为刻度数值a f 和a r ， a f 为黑色并且表示每1 0 0 毫米的量级，a r 为黑底反衬的白色并且表示每1 0 0 0 毫米的量级。条码标尺的这种图像作为数字化的图像信号存储在图像存储器中。 c p u 将沿布置刻度图案m 1 、m 2 的竖直方向，进行图像信号的傅立叶变换。当 把周期性函数进行傅立叶变换时，能得到一个高频的频谱，而非周期性函数，仅 能得到一个低频的频谱。因此，当就高周期性的刻度图案m i 部分进行傅立时变 换时，能得到一个高频率n 的频谱，如图1 7 所示，当就刻度图案m 2 进行傅 立叶变换时，能得到一个频率f 2 ( 是频率f l 的1 2 ) 的频谱。其中标记有刻度数 值a 、b 的部分周期性较低，因此仅能得到低频组f i d 的频谱。如果就条码标尺 的图像信号从左到右连续的进行傅立叶变换，则由傅立叶变换得到的频谱如图1 8 所示。从图l 一8 可以看出，通过在条码标尺2 的整个宽度上重复傅立叶变 换，就能得到图案m 1 、m 2 的位置，根据此位置，对刻度数值a 和b 之一的图 浙江大学硕士学位沦文 矗t 2f 1 频率 图1 7 高频频谱 图1 - - 6 条码标尺 图l - - 8 条码标尺频谱 像信号进行字符识别，获得刻度数值。当望远镜与标尺之间的距离较大时，对赢 了_ i _ 刻度图案m i 、m 2 的图像信号的间距比较细小，结果频率f l 、f 2 都较高。相 反，若望远镜与标尺之间的距离较小时，频率f l 、f 2 都较低。因此，由频率f 1 、 f 2 可以获得望远镜与标尺之间的距离，测得视距。如果该距离比预先设置的预定 距离长，则刻度数值为a ，如果该距离比预定距离短，则刻度数值为b ，这样可 以提高字符的识别精度。 1 9 9 0 年，徕卡( l e i c a ) 首先研制出数字水准仪n a 2 0 0 0 ，1 9 9 4 年蔡司( t r i m b l e ) 研制出了数字水准仪d i n i l 0 2 0 ，同年拓普康( y o p e o n ) 也研制出了电子水准仪 d l l 0 1 1 0 2 ，其性能参数见表1 。各厂家在研制过程中采用了不同的数据处理方 法，徕卡n a 系列采用相关法；蔡司d i n i 系列采用，l 何法；拓普康d l 系列采 用相位法。由丁：数据处理方法的不同，给观测结果的精度也带来不同的影响。徕 卡n a 系列数字水准仪的望远镜照准标尺并调焦后，标尺的伪随机码图像经分光 镜成像在线阵传感器上，该传感器利用入射的红外波段来处理测量信号，同时入 射光谱的可见光部分成像在分划板上，供目视观测。在电子测量中，标尺条码成 像在线阵传感器上( 该传感器长约6 5 m m ，由2 5 6 个口径为2 5um 的光敏二极 浙江大学坝士学位论文 管组成) ，线阵传感器将收到的图像转换成模拟信号，由读出电子部件将视频信 号放大和数字化，形成测量信号。该信号与仪器内部存储的已知代码( 代表水准 条码标尺的伪随机码，即参考信号) 进行比较，这就是相关法的相关过程。当两 信号处丁最侍相关位置时，即获得标尺读数和视距读数。 蔡司d i n i 系列采用几何法读数，其标尺采用双相位码，当条码被照准厉， 成像经分光镜，一路成像在分划板上，供目视观测；一路成像在线阵c c d 上， 供电子读数。标尺的条码划分为2 c m 的间距，每个码条构成一个码词，每个测 量间距的边界由黑黄过渡线构成，其下边界到标尺底部的高度，可由该测量间距 中的码词判读出来。标尺截距固定为3 0 c m ，在成像面的c c d 上读取该截距的像 高，由物象比例求得视距。 拓普康d l 系列采用相位法，标尺的条码像经分光镜后，分成两路，一路成 像在c c d 线阵上，用于进行光电转换，另一路成像在分划板上，供目视观测。 其条码标尺为等间距分划，由三种条码组成，尺码为等宽的三道黑条码构成一组， 每组相距3 c m ，a 码，b 码各为一道条码组成的两种亮度波，望远镜截取该亮度 波后，由c c d 转换成电信号，再经过f f t ，可以获得相位差，由于相位差与标 尺高度是一一对应的，所以中丝读数可以确定。望远镜截取的尺码个数与c c d 输出的频率相对应，由此可以确定视距。 表l 一1 部分厂家出品的电子水准仪及性能参数 指标d l l 0 1 cd l l 0 2 cd i n i l 2d i n j 2 2n a 2 0 0 2n a 3 0 0 3 望远镜放人倍率3 2 3 0 3 2 2 6 2 4 2 4 物镜口径 4 5 r a m4 5 r a m4 0 r a m4 0 r a m3 6 r a m3 6 r a m 补偿器t 作范同 1 2 1 5 士1 5 。1 1 5 士1 0 4 - 1 0 补偿器安平精度 士o3 ”1 0 5 ”o2 “4 - 0 5 ”08 ”土0 4 ” 高程测景电子因瓦尺纤维尺精密测量精密测景因瓦尺网瓦尺 精度测量0 4 r a m1 o m mo 3 r a m0 7 r a m09 r a ml5 r a m m m 八( m ，光学1 0 m m15 m m1 5 r a m20 r a m2 0 r a m2o m m 双程测量 距离测节精度 l c m 5 c mi c m 5 c m2 0 m m 2 0 m2 5 m m 2 0 mi c m - 5 c ml c m 5 c m 距离测量最程 2 m 一1 0 0 m2 m 1 0 0 mi 5 m 1 0 0 m1 5 m 1 0 0 m1 8 m 一1 0 0 ml8 m l o o m 圆水准器角值8 2 m m 1 0 2 m m8 ，2 m m8 ，2 m m8 2 m m 8 2 r a m 六、水准仪自动安平的新方案 目前商业化的数字水准仪只是实现了数字化读数，它受外部光线强弱的影响 浙江大学硕士学位论文 较大，并且水准器的调节仍需人t 操作。本课题提供一种实现水准器自动调节的 方案，使用本方案的水准仪试验装置如图l 一9 所示 处理单霾 ； j 传动机构 图1 9 水准仪新方案结构示意图 甲板 本课题研究一种成本低、精度高、能自动调节水准器至水平位置的水准器分 析调节系统。包括水准器图像传感和信号处理系统及水准器调节系统。水准器图 像传感和信号处理系统包括水准器、光电传感器、图像存储器、中央处理器、程 序存储器和数据存储器等；水准器调节装置系统包括步进电机及其驱动电路。 调节时，图像传感器采集水准器图像，以数字图像形式存储在图像存储器中， 中央处理器( c p u ) 对采集到的图像进行处理，并与水准器位于水平位置时的参考 数据进行比较，判断当前水准器位置是否在水平位置。如果判断到水准器位于水 平位置，则安装该水准器的测量仪器( 例如水准仪) 进行测量：如果判断到水准 器没有在水平位置，此时中央处理器( c p u ) 根据参考数据得到当前水准器相对于 水平位置的偏移距离，并根据此偏移距离通过驱动电路驱动步进电机运动，步进 电机的运动实现对平板的调节，调整水准器至水平位置。水准器的调节是一个反 馈过程，需要光电传感器多次采集图像，并由中央处理器( c p u ) 多次进行处理 计算，最终驱动电机调整水准器至水平位置。 为了实现水准器的二维调节，本课题中采用两个相互垂直的步进电机，一个 步进电机只对一个方向上进行调节，这样分别实现x 方向和y 方向的调节，组合 起来实现装置水准器的平板的二维调节。 本装置中的水准器可以是一个圆水准器，也可以是一个管水准器，当采用一 个管水准器时，只能实现一维方向的调节。还可以采用两个管水准器，此时一个 4 浙江大学颁士学位沦文 管水准器沿一维方向( x 方向) 安装，另一个管水准器沿另一维方向( y 方向) 安装，相麻的光电传感器也需要两个，同样相互垂直对准两个管水准器，采集相 应管水准器的图像，从而实现二维方向调节。 为了满足商业化的需要，提出了解决方案，整个方案注意了图象处理的方法、 处理时间、硬件的成本和功耗，具体的细节将在以后的章节中进行描述。 浙江大学硕士学位论文 第二章水泡位置检测算法研究 要准确抉得不同水平位置时水准器所处的位置，对成像器件获得的图像进行 处理分析至关重要，这个过程可通过边缘提取来实现1 5 1 1 16 1 。本章将详细论述图 像处理方法的选择。 图2 1 是一幅水准器中水泡的图像。 图2 1 水准器中水泡的图像 从上图中可以看出，要确定水准器中水泡边界位置，只需在x 方向进行边 缘检测的计算即可。通过观察，图像在x 方向的灰度是渐变的，边界位置较其 他位置的灰度变化强烈，只要确定出这个位置，便可以求得水泡的位置。 一、边缘检测 利用计算机进行图像处理有两个目的：一是产生更适合观察和识别的 图像；二是希望能由计算机自动识别和理解图像。无论为了哪种目的，图像处理 中关键的一步，就是对包含有大量各式各样景物信息的图像进行分解。分解的最 终结果是图像被分解成一些具有某种特征的最小成分，称为像素单元。相对丁整 幅图象来说，这种基元更容易被快速处理。 图像的特征指图像场中可用作标志的属性。它可分为图像的统计特征和图像 的视觉特征两类。图像的统计特征是指一些人为定义的特征，通过变换才能得到， 如图像的直方图、矩、频谱等等；图像的视觉特征是指认得视觉可直接感受到的 1 6 浙江大学坝十学位睑文 自然特征，如区域的亮度、纹理或轮廓等。利用这两类特征把图像分解成一系列 有意义的日标或区域的过程称为图像的分割。 图像的边缘是图像的蛙基本特征。所谓边缘( 或边沿) 是指其周围像素灰度 有阶跃变化或屋顶变化的那些像素的集合。边缘广泛存在于物体与背景之问、物 体与物体之间、基元与基元之间。因此，它是图像分割所依赖的重要特征。在本 节中，我们将介绍图像边缘的检测和提取技术。 7 匕：虹：f i r r d e n v m ”睑： 物体的边缘是由灰度不连续性所反映的。经典的边缘提取方法是考察图像的 每个像素在某个邻域内灰度的变化，利用边缘邻近阶或二阶方向导数变化规 律，用简单的方法检测边缘。这种方法称为边缘检测局部算子法。 边缘的种类可以分为两种：一种称为节约性边缘，它两边的像素的灰度值有 着显著的不同；另一种称为屋顶状边缘，它位于灰度值从增加到减少的变化转折 点。对于阶跃性边缘，二阶方向导数在边缘处呈零交叉；而对丁屋顶状边缘，二 阶方向导数在边缘处取极值。 对于阶跃型边缘，灰度值的一阶导数在图像由暗变明的位置处有个向上的 阶跃，而在其他位置都近似为零。这表明可用一阶导数的幅度值来检测边缘的存 在，幅度峰值一般对应边缘位置。对灰度值的二阶导数在一阶导数的阶跃上升区 有一个向上的脉冲，而在一阶导数的阶跃下降区有一个向下的脉冲。在这两个阶 跃之间有一个过零点，他的位置正对应原图像中边缘的位置。水准器中水泡的位 置就类似丁阶跃型边缘，但是边缘变化比较缓慢。 屋顶状边缘可看作是将脉冲边缘底部展开得到的，所以它的一阶导数是将脉 冲的一阶导数的上升沿和下降沿展开得到的，而它的二阶导数是将脉冲剖面的二 阶导数上升沿和下降沿拉开得到的。通过检测屋顶状边缘的一阶导数过零点可以 7 塑堡查兰塑兰堂垡堡壅 确定屋顶位置。 边缘的检测可借助空域微分算子通过卷积完成。实际上数字图像中求导数是 利用差分近似微分来进行，具体可以分为一阶导数算子和二阶导数算子。 1 、一阶导数算子 一阶导数边缘检测算子也称作梯度算子，它是对个连续函数，( t y ) 在位 置( x ，y ) 的梯度表示为一个矢量。 v f ( w ) = g r a ，刊要娶j l u “o ，j 这个矢量的幅度和方向角分别为： m 昭( v ) = g ：+ g 2 r 议x ，n = a r c t a n ( g vf g 。、 以上三式中的偏导数需对每个像素位置计算，在实际中常用小区域模板卷积 来近似计算对g ，和g ，各用一个模板，所以需要两个模板组合起来以构成一个 一阶导数算子。根掘模板的大小，其中元素( 系数) 值的不同，人们已经提出了 许多种不同的算子。 1 1 r o b e r t 边缘检测算子 r o b 。n 边缘检测算子是最简单的阶导数算子。它由下式给出： g ( z ，) 。( 、，孑彳；i 歹i n 5 彳；j _ 丽】2 + 【、丽一、j 彳；_ = j 而 z ，： r o b e r t 算子也被称作r o b e r t 交义算子。 口圈 图2 - - 3r o b e r t 算子 使用该方法对于阶跃性边缘有效，但前提是边缘的变化幅度大，而水准 器中水泡的边界位置变化幅度相对较小，所以该方法理论上不适合用作水泡 的边缘检测。 浙江大学硕士学位沧立 i 2p r e w i t t 算子 图2 4 所示的两个卷积核组成了p r e w i t t 边缘算子。它对图像中的每个 点都用这两个核进行卷积，取最大值作为输出。p r e w i t t 算子产生一副边缘 幅度图像。 111 oo0 ll l io1 l0 】 l01 图2 - 4p r e w i t t 算子 使用该方法处理阶跃性边界较之r o b e r t 算子有效，冈为它取的是像素两 边灰度值的变化量，并且在两个方向上进行计算，适合丁灰度变化相对小的 边缘检测，也就适合丁检测水泡位置。由于只需对x 方向上求水泡边缘， 所以计算中仅需要用x 方向模板即可。 1 3s o b e l 算子 图2 5 所示的两个卷积核形成了s o b e l 算子，图像中的每个点都用这两 个核做卷积，一个核对通常的垂直边缘响应最大，而另一个对水平边缘响应 最大。两个卷积的最大值做为该点的输出位。运算结果是- n 边缘幅度图像。 12一l o0o l21 101 20 2 101 图2 5s o b e l 算子 由图2 5 可以看出，s o b e l 算子的形式与p r e w i t t 算子十分类似，但是 在中心方向的系数要比p r e w i t t 算子大，分别为2 和一2 ，这样就使在该方向 的边缘响应变大，更容易分辨出边界，理论上非常适合于确定水泡的位置。 与p r e w i t t 算子一样，使用该方法也可以只采用x 方向模板。 l ，4k i r s c h 边缘算子 图2 6 所示的8 个卷积和组成了k i r s c h 边缘算子。图像中的每个点都 用8 个掩模进行卷积，每个掩模都对某个特定边缘方向作出最大响应，所有 8 个方向中的最大值做为边缘幅度的输出。最大响应掩模的序号构成了边缘 浙江大学硕士学位沧文 方向的编码。该算法对于边缘的响应度大，有利于确定水泡的位置，但是它 对于噪声的响廊度也非常大，给边界的确定带来了困难。 + 5+ 5+ 5 ，303 3 33 33+ 5 30 + 5 33+ 5 33 3 30。3 + 5+ 5+ 5 + 53 3 + 50 3 + 53 3 3十5+ 5 3o+ 5 333 333 3o+ 5 3+ 5 + 5 33- 3 + 5o- 3 1 + 5+ 53 i + 5+ 53 + 5o 3 333 图2 - 6 k i r s e h 算子 1 5 比较结果 根据以上论述可知，确定水准器中水泡的位置主要需要在x 方向求边 界，根据算子的模板，r o b e r t 算子主要是对于像素的4 5 。方向角进行一阶 导数运算，所以理论上r o b e r t 算子不适合于本课题；而k i r s c h 是对8 个方 浙江大学颐士学位论文 向进行一阶导数运算，需要的运算量很大，而且其中的7 个方向并不需要； s o b e l 算子和p r e w i t t 算子的计算方法比较符合计算水泡图像边界位置的要 求。相对k i r s c h 算子要简单许多，s o b e l 算子更加符合确定水准器中水泡位 置的需要，冈为s o b e l 算子在x 方向上的一阶导数元素值( 系数) 要比p r e w i t t 算子大，理论上得到的梯度值差别要明显，所求得的梯度图像要好丁p r e w i t t 算子。所以理论上s o b e l 算子是一阶导数算子中最适于本课题的边壕检测方 法。 2 、二阶导数算子 拉普拉斯算子是对二维函数进行运算的二阶导数算子，对一个连续函数 f ( x ，y ) ，它在位置( x ，y ) 的拉普拉斯值定义如下： vz ，：塑+ 塑 玉2 匆2 在数字图像中，计算函数的拉普拉斯值也可以借助各种模板实现。这里对横 板的基本要求是对应中心像素的系数应是正值，而对应中心像素的邻近像素应是 负值，且他们的和为零。 通常使用的拉普拉斯算子如图2 7 所示。 倒2 - - 7 局斯一拉普拉斯算子 实际中还常根据二阶导数算子过零点的性质来确定边缘的位置。我们可 将图像与高斯函数的拉普拉斯运算相卷积： 坼川一卜等 其中口是高斯分布函数的均方差。如果令，2 ：z z + yz ，那么拉普拉斯 值的定义为： v 2 畔等b 号， 浙江大学硕j ：学位论文 这是一个轴对称函数，它在r = + o - 处过零点，在卜 盯l 时为负。另外可以证明这个算子的平均值为零，如果将它与图像卷积不会改 变图像的整体动态范围。但由于它相当平滑，如果将它与图像卷积会模糊图 像，并且其模糊程度是正比于口的。因为v2 h 的平滑性质能减少噪声的影响 所以当边缘模糊或噪声较大时，利用v2 h 检测过零点能提供较可靠的边缘位 置。 由于噪声点对边沿有一定影响，所以高斯拉普拉斯算子是效果较好的边 沿检测器。它把高斯平滑滤波器和拉普拉斯锐化滤波器结合了起来，先平滑 掉噪声，在进行边沿检测，所以效果更好。常用的高斯拉普拉斯算子是5 5 模板为： 一2 4 40 48 40 24 4 4 2 804 2 484 8o一4 4 4 2 结论：使用该方法对于边界响应非常好，但是计算复杂度高。而且水准 器中水泡的边界位置相对简单，属于阶跃型边缘，在本课题中使用该方法进 行边缘检测并不是非常合适。 3 、图像锐化 当我们对图像求出梯度以后，可以对图像边缘进行加强，这称为图像的 锐化。我们可采用一个适当的梯度门限丁( 丁0 ) ，可以想象对于图像的边界 其梯度g ( x ，y ) 虑大丁| 丁，而对于图像内部，则c ( x ，y ) 虑小丁t 。锐化后的 图像函数为g ( x ，) ，可以用下面的方法产生： 出川= q 笼瓣7 1 也可根据需要指定一个灰度级： 浙江大学颁士学位硷文 ，、i l g ，o ( x ，y ) 丁 默训) 2 1m ，_ y ) ，其它 工g 是指定的一个灰度级。 二、阈值分割 在边缘提取之后，就要对图像进行阈值分割 2 0 】，将图像- n 4 t ，使 边缘信息和背景完全分离。 在对图像进行闽值分割时一般都对图像 有如下假设：图像是由具有单峰灰度分布的 目标和背景组成，在目标或背景内部的相邻 像素间的灰度值是高度相关的，但在目标和 背景交界处两边的像素在灰度值上有很大的 差别。如果一幅图像满足这些条件，它的灰 度直方图基本上可看作是由分别对应目标和 像素数目 t狄度俏 图2 8 灰度_ t 力图 背景的两个单峰直方图混合而成。此时如果这两个分布大小接近月均值相 距足够远，而且均方差也足够小，则直方图应是双峰的，如图2 6 所示。 对这类图像采取阈值分割能得到较好的结果。 如图2 8 所示，只要选取一个适当的灰度值作为分割阈值，比如灰度 值t 作为分割闽值，然后将图像中的每个像素灰度和t 进行比较，灰度值 大于t 的像素重新分配以最大灰度( 比如1 ) ，灰度值小丁t 的像素分配以 最小灰度( 比如0 ) ，那么就可以得到一个新的二值图像，并成功地把日标 从背景中分割出来。 当然，并非所有图像的目标和背景都具有截然不同的灰度【“1 实际上， 一幅图像的目标和背景往往在一定程度上是相互重叠的。n cf ，闽值选取是 否合适将严重影响图像分割的质量，闽值取得太高时，将把许多背景点误分 类成目标：反之，当闽值取得太低时，将有许多目标点被错误分类成背景。 因此，图像的阈值分割中有一个最佳闽值的选择问题。 浙江大学坝l 学位沦文 三、几种边缘检测算法的效果比较 根据以上对各种算法的描述和讨论，我们已经从理论上对算法进行了选 择：一阶导数算子中的s o b e l 算子应当是最适合于检测水准器中水泡的边界 位置。但实际中s o b e l 算子是否适合于水准器中水泡位置的检测还需要具体 的实验进行验证。为此，应当对这儿种算法进行实际的比较，来验证这个结 论。所以，使用c 语言在v i s u a lc + + 6 0 的开发平台下，对几种算法进行了 程序设计，以结果来确定应该选择哪种算法进行检测。 图2 9 是使用v i s u a lc + + 6 0 开发的图像处理程序的界面，里面已经打 丌了一幅水准器的图像。 图2 - 9 图像处理程序界面 由c m o s 图像传感器获得的水准器图像如图2 1 0 所示( 以管水准器 为例) 。其中a 为水准器向右倾斜时的图像，b 为居中时的图像，c 为向左 倾斜时的图像。 ab c 图2 1 0 使用数码相机拍摄的水准器图像 a 右倾b _ j 吾中c 左倾 浙江大学硕士学位论义 通过对图2 一】0 中三幅图像经过以上6 种算子和直接阈值分割的方法进 行处理，得到的结果如表2 1 所示。 表2 1 几砷边缘提取算法( j 比较 算法名称能否分辨边界边界对比度背景噪声 r o b e r t 算子 否很小弱 s o b e l 算子能大弱 p r e w i t t 算子能小弱 k i r s c h 算子能小强 高斯一拉普拉斯算子能大弱 图像锐化能 大弱 直接阈值分割 能大 弱 从处理的结果来看，使用s o b e l 算子、p r e w i t t 算子和高斯一拉普拉斯算 子产生的结果水准器中水泡的边界位置与噪声之间有比较大的灰度差别，比 较适合于使用闽值分割来确定边界；而k r i s c h 算子和图像锐化的结果虽然 可以用肉眼分辨出水准器中水泡的位置，但是灰度噪音很大，不遁合使用闽 值分割的方法来确定边界。 由于高斯一拉普拉斯算子是一个5 5 的矩阵模板，产生的运算量远远大 于3 3 模板的运算量，在产生相同边界图像的情况下，尽量选择运算量小的 算法，所以不选择高斯一拉普拉斯算子做为求水准器中水泡位置的算法。 图2 1l 是阕值分割s o b e l 算子处理过的图像的结果，阈值t = 2 0 0 。 ab c 图2 11 利用s o b e l 算子经过闽值分割后的结果 图2 一1 2 是阈值分割p r e w i t t 算子处理过的图像的结果，闽值t ：2 0 0 厂f l 塑坚查兰堡主兰垡墼一 a b c 图2 一1 2 利用p r e w i t t 算子经过阈值分割斤的结果 想通过数字图像处理的方法得到水准器中水泡的准确位置，经过处理的 图像应当满足下面几个条件： 边界清晰，与周围灰度差别大 噪声尽量小，最好可以通过阈值分割的方法将其去掉 边界像素尽量少 从以上的处理方法来看，直接阈值分割方法、使用s o b e l 算子后再进行 阈值分割方法、使用p r e w i t t 算子后再进行阈值分割方法都可以得到水准器 中水泡的位置。 四、几种算法占用内存空间和运算时间的比较 在一个脱机系统当中，系统的成本和反应时间是衡量这个系统好坏的重要指 标。 在水准器自动调节系统中，使用的是a t m e l 出品的a t 8 9 c 5 1 单片机作为 核心处理器。这个处理器的最大r a m 寻址空间为6 4 k b y t e ，外扩r a m 的成本 比较高：指令周期为l u s ，一般的指令需要2 3 个指令周期。 1 、占用r a m 空阃的比较 使用s o b e l 算子和p r e w i t t 算子来确定水准器中水泡位置时，至少需要 三行图像数据才可以得到，需要的外扩r a m 空间是1 9 2 0 b y t e ；如果需要提 高精度，就至少需要5 彳亍的图像数据来处理，总共就需要3 2 k b y t e r a m 。 由此可知，采用s o b e l 算子或是p r e w i t t 算子做为边缘检测的算法来确定水 准器中水泡位置是，一般需要系统外扩4 k b y t e 的r a m 。 ：一 一 一 一 一，厂 浙江大学硕士学位论文 使用直接阈值分割方法，只需要一行的像素值便可以确定水准器中水泡 的位置，需要的外扩r a m 空间大小为6 4 0 b y t e ；为了提高精度，可以采用 二三行的数据进行优化，总共需要i9 2 0 b y t e 。由此可知，采用直接阈值分割 方法时，系统硬件中外扩2 k b y t e 的r a m 空间就可以满足需要。 2 、系统处理时间的比较 对系统处理时间的比较我们是通过软件模拟器来进行的，使用的是伟福 软件模拟器【2 2 】。 图2 一1 3 是伟福软件模拟的设置界面，我们设置该软件模拟器模拟的硬 件环境为： c p u ：9 7 5 1 处理器 晶振：1 2 m h z 模拟的硬件环境和需要开发的核心环境是一致的，所虬得到的数据与真 实环境下是一致的。编写图像处理程序的语言为k e i lc 5 0 ，程序运行时需 要先将图像的数据放入模拟器的外部r a m 中，以保证数据读取的速度与硬 件环境完全一致。 图2 一1 3 伟耦软什仿真器设置界面 模拟处理使用的是图2 1 0 b 中的水准器图像。 浙江大学钡一l 学位睑文 使用s o b e l 算子和p r e w i t t 算子做为算法进行模拟，利用3 行图像数据 求出边界所需要的时间为7 0 8 ，9 0 7 u s ，利用5 行图像数据求出边界所需要 的时间为2 ，1 2