（机械制造及其自动化专业论文）基于ccd相机的中远距离位移距离测量平台的设计.pdf

摘要 摘要 随着近代工业的快速发展，对计量测试技术要求越来越高，航空、军 工、机械、建筑等各个领域中的许多测量要求在特殊的条件下进行，如高 温、高压、高速、放射性及强腐蚀等恶劣环境，因此，开发研究远距离非 接触测量具有重要的现实意义。 自从非接触测量受关注以来，基于激光和超声波的测量技术是最常用 的方法。但是基于激光和超声波的测量方法的测量精度在很大程度上依赖 于被测物表面的反射能力，如果测量表面不理想，那么测量系统通常会表 现很差，由于测量系统存在这些问题会产生测量精度丢失，因此采用基于 激光的测量仪器进行标定就会有一定的影响，而且这些测量方法在进行测 量时对目标图像的记录存在一定的难度。于是出现基于图像测量技术的位 移、距离以及从摄影图像中获取目标几何特征的图像测量技术。由于能够 提供丰富的测量环境信息资源，图像测量方法获得了广泛的应用。 然而，传统基于立体视觉的系统通常要求两台相机置于同一水平不同 位置来获取两张不同的图像来作进一步的分析。采用图像方法测量时需要 模式识别和图像分析来对图像中特征进行提取和匹配，因此该测量系统也 就需要大容量和高速度的数字信号处理器，这也不可避免的导致该测量系 统在系统的复杂性、处理的速度以及成本方面的不足。由于处理速度受到 限制，采用模式识别和图片分析方法的实时测量的表现一般令人不满意， 尤其是在嵌入式应用方面。 本文基于数字图像处理技术，提出了以图像像素数来计算被测目标距 离和位移的图像测量方法，并在此基础上设计了由相机图片数据采集系统、 单片机图像数据控制系统和图像计算处理部分组成的位移、距离测量平台。 包括以下部分的开发研究： 1 设计并制作了基于单片机的图像数据读取、传输的控制系统。它采用 a t 8 9 s 5 2 作为控制系统的微处理器控制芯片，使得整个控制系统简单， 高效。考虑到a t 8 9 s 5 2 不能直接读取相机中的图片数据，本文选择 c h 3 7 5 芯片作为数据通信的桥接芯片。针对所采集的图像数据量大，不 广东工业大学硕士学位论丈 利于a t 8 9 s 5 2 读取和传输的问题，本文采用了函数重定向的方法，将数 据采集系统获得的图片直接发送到图像处理部分。 2 提出了以像素数来计算位移、距离的测量方法。基于被测目标平移，像 素数不变的原理，在被测目标上进行参考点距离标定，通过被测目标位 移与参考点之间的像素数比例关系来计算被测目标的位移。通过沿拍摄 方向前后平移相机，来获得两参考点之间的像素数差，从而推导出距离 测量的计算方法。 3 实验分析了测量距离对位移和距离测量精度的影响；并考察了光轴偏角 对位移测量精度的影响；通过对沿拍摄方向距离差研究分析，得到了该 距离差与距离测量精度之间的关系。 关键词：像素数；图像处理；距离测量；远距离 i i a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r y ，t h er e q u i r e m e n to fm e a s u r e m e n ti s h i g h e ra n dh i g h e r m a n y m e a s u r e m e n t sa r et a k e np l a c ea tas p e c i a lc o n d i t i o ni n a v i a t i o n ，m i l i t a r y ，m a c h i n e r y a n dc o n s t r u c t i o n ，s u c h a s ，h i g ht e m p e r a t u r e ，h i g h p r e s s u r e ，h i g hv e l o c i t y ，r a d i o a c t i v i t ya n ds t r o n gc o r r o s i v ee n v i r o n m e n t ，e t c i ti s a n i m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et od e v e l o pl o n g - d i s t a n c en o n c o n t a c tm e a s u r e m e n t a sf a ra sn o n c o n t a c td i s t a n c em e a s u r e m e n ti sc o n c e r n e d ，u l t r a s o n i c - b a s e da n d l a s e r b a s e dt e c h n i q u e sa r ea m o n gt h em o s tc o m m o n l yu s e dm e t h o d s u n f o r t u n a t e l y ， m e a s u r e m e n ta c c u r a c yv i at h el a s e r a n du l t r a s o n i cb a s e dm e t h o d sh e a v i l yd e p e n d e do n s u r f a c er e f l e c t i v i t yo ft h eo he c tu n d e rm e a s u r e m e n t i ft h er e f l e c t i o ns u r f a c ei s u n d e s i r e d ，t h em e a s u r i n gs y s t e mg e n e r a l l yp e r f o r m e dp o o r l y t h e c a l i b r a t i o no f l a s e r b a s e di n s t r u m e n ti sn o tat r i v i a li s s u ee i t h e rs i n c es y s t e m a t i ct r e n d sc o u l d p r o d u c et h el o s to fa c c u r a c y f u r t h e r m o r e ，t h e s em e t h o d sh a v ed i f f i c u l t i e si nr e c o r d i n g i m a g e s o ft h e o b je c t s w h i l et a k i n gm e a s u r e m e n t a l t e r n a t i v e l y ，p h o t o g r a m m e t r i c m e t h o d sh a v eb e e np r o p o s e df o rm e a s u r i n gd i s t a n c ea sw e l la sd e t e r m i n i n gg e o m e t r i c p r o p e r t i e so fo b j e c t sf r o mp h o t o g r a p h i ci m a g e s t h a n k st ot h ea d v a n t a g e si np r o v i d i n g ar i c hs o u r c eo fe n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o n ，p h o t o g r a m m e t r i cm e t h o d sh a v eb e e nw i d e l y a d o p t e di nv a r i o u sa p p l i c a t i o n s h o w e v e r ，t r a d i t i o n a ls t e r e ov i s i o n b a s e ds y s t e m sg e n e r a l l yr e q u i r e dt w o c a m e r a s d i s p l a c e dh o r i z o n t a l l y f r o mo n ea n o t h e rt oc a p t u r et w od i f f e r e n tp i c t u r e sf o rf u r t h e r a n a l y s i s a sar e s u l t ，p a t t e r nr e c o g n i t i o no ri m a g ea n a l y s i so faw h o l ei m a g ef r a m ea r e r e q u i r e dt oe x t r a c ta n dm a t c hf e a t u r e sf r o mt h ei m a g e sf o ro b t a i n i n g t h ed i s t a n c e m e a s u r e m e n t t h u s ，h u g ea m o u n t so fs t o r a g ec a p a c i t ya n dh i g h - s p e e dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r sa r er e q u i r e df o rs y s t e ms oe s t a b l i s h e d ，i n e v i t a b l yr e s u l t i n gi nd i s a d v a n t a g e s i nt e r m so fs y s t e mc o m p l e x i t y ，p r o c e s s i n gs p e e d ，a n de s t a b l i s h m e n tc o s t a sar e s u l t ， p e r f o r m a n c eo fr e a l - t i m em e a s u r e m e n tv i at h ep a t t e r nr e c o g n i t i o no ri m a g ea n a l y s i s m e t h o d sw a sg e n e r a l l yn o ts a t i sf a c t o r y ，p a r t i c u l a r l yf o re m b e d d e da p p l i c a t i o n s ， b e c a u s eo ft h es p e e dc o n s t r a i n t t h i sp a p e rp r o p o s e saw a yo fd i s p l a c e m e n t ，d i s t a n c em e a s u r e m e n tw i t hp i x e l i i i 广东工业大学硕士学位论文 i i !i _ 目_ c o u n t sb a s e do n d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，a n dd e s i g nad i s p l a c e m e n t ， d i s t a n c em e a s u r e m e n tp l a t f o r mw h i c hi s c o m p o s e do fi m a g ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ， i m a g ed a t ac o n t r o l l i n gs y s t e ma n di m a g ec a l c u l a t i n ga n dp r o c e s s i n gp a r t t h i sp a p e r i n c l u d e st h e s er e s e a r c h e s ： 1 c o n t r o l l i n gs y s t e mo fi m a g ed a t ar e a d i n ga n dt r a n s m i s s i o nb a s eo ns c mi sd e s i g n e d a n dd o n e i tu s e sa t 8 9 s 5 2a sm c u c h i p ，w h i c hm a k et h ew h o l ec o n t r o l l i n g s y s t e ms i m p l ea n de f f e c t i v e w ec h o o s ec h 3 7 5a st h eb r i d g eo f d a t a c o m m u n i c a t i o nb e c a u s ea t 8 9 s 5 2c a n n o tr e a dt h ei m a g ed a t ao ft h ec a m e r a d i r e c t l y b e c a u s et h ei m a g ed a t ai st o ol a r g e ，w h i c hi sd i s a d v a n t a g ef o r a t 8 9 s 5 2t or e a da n dt r a n s p o r t ，w eu s er e - d i r e c t i o n a lo ff u n c t i o nt or e s o l v e t h i sp r o b l e ma n dt h ec o n t r o l l i n g s y s t e mw i l ls e n dt h ei m a g ed a t at ot h e i m a g ep r o c e s s i n gp a r td i r e c t l y 2 t h i sp a p e rp r o p o s e saw a yo fd i s p l a c e m e n t ，d i s t a n c em e a s u r e m e n tw i t hp i x e lc o u n t s b e c a u s ep i x e lc o u n t si sn o tc h a n g ew h i l et h em e a s u r e do b je c ts u r f a c eh o r i z o n t a l m o v e ，w ec h o o s et w op r e f e r e n c ep o i n t so nt h em e a s u r e do b j e c ts u r f a c ea n d c a l c u l a t et h e d i s p l a c e m e n to fm e a s u r e do b je c tw i t ht h ep r o p o r t i o nr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ed i s p l a c e m e n to fm e a s u r e do b je c ta n dp i x e lc o u n t so fr e f e r e n c ep o i n t s m o v i n gt h ec a m e r aa tt h ep h o t o g r a p h i n gd i r e c t i o nb a c ka n df o r t h ，w ec a ng e tt h e v a r i a t i o no fp i x e lc o u n t sb e t w e e nt w or e f e r e n c ep o i n t sa n dd e r i v a t et h ew a yo f c a l c u l a t i n gt h em e a s u r e dd i s t a n c e 3 e x p e r i m e n ta n a l y s i st h ee f f e c to fm e a s u r i n gd i s t a n c eo na c c u r a c yo fm e a s u r i n g d i s t a n c ea n dt h ee f f e c to fo p t i c a la x i sd e v i a t i n ga n g l eo na c c u r a c yo fd i s p l a c e m e n t m e a s u r e m e n t a n a l y s i s t h ev a r i a t i o no f p h o t o g r a p h i n gd i s t a n c e ，w eg e t t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nv a r i a t i o no fp h o t o g r a p h i n gd i s t a n c ea n dm e a s u r i n ga c c u r a c y k e y w o r d s ：p i x e lc o u n t s ；i m a g ep r o c e s s ；d i s t a n c em e a s u r e m e n t ；l o n g - d i s t a n c e i v 广东工业大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( i nc h i n e s e ) i a b s t r a c t i i i c o n t e n t s ( i nc h i n e s e ) v c o n t e n t s v i i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 i is i g n i f i c a n c eo ft h i ss u b j e c t 1 1 2 1 2r e s e a r c hs t a t e 2 1 2 1 l o n g d i s t a n c en o n c o n t a c tm e a s u r e m e n t 2 1 2 2d i g i t a li m a g em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y 4 1 3c o n t e n t so ft h es u b j e c t 7 c h a p t e r2d e s i g na n dc o m p o s i n go fm e a s u r e m e n t p l a t f o r m 8 2 1m a i nd e s i g no fm e a s u r e m e n tp l a t f o r m 8 2 2c o m p o s i n ga n df u n c t i o no fm e a s u r e m e n tp l a t f o r m 9 ：! 2 1i m a g ea c q u i s i t i o np a r t 9 ：z 2 2c o n t r o l l i n gs y s t e m 9 ：! 2 3 i m a g ep r o c e s sp a r t 9 2 3 s u m m a r y 10 c h a p t e r3p r i n c i p l ea n dm e t h o do fm e a s u r e m e n t 11 3 。1m e a s u r i n gp r i n c i p l e l1 3 1 1 p r i n c i p l eo fh o r i z o n t a lm o v i n gw i t h o u tc h a n g i n g 11 3 1 2m e t h o do fd i s p l a c e m e n tm e a s u r i n g 1 2 3 1 3m e t h o do fd i s t a n c em e a s u r i n g 1 3 3 1 4c a l c u l a t i o no f d i s t a n c eb e t w e eo p t i c a l o r i g i na n df r o n to f c a m e r ah s 15 3 2c a l c u l a t i o no fp i x e lc o u n t sb e t w e e nr e f e r e n c ep o i n t s 1 6 3 。2 1e x t r a c t i o no fc h a r a c t e r i s t i cr e g i o no fr e f e r e n c ep o i n t s 1 7 3 2 2b o u n d a r ye x t r a c t i o no fr e f e r e n c ep o i n t s 1 8 v i i i c o h 哪兀 s 3 2 3c a l c u l a t i o no fc e n t r o i dc o o r d i n a t e so fr e f e r e n c ep o i n t s 。1 9 3 2 4f l o wc h a r to f c e n t r o i dc o o r d i n a t e sc a l c u l a t i n g 2 0 3 3 s u m m a r y 2 1 c h a r p t e r 4d e s i g no fc o n t r o l l i n gs y s t e m o f m e a s u r e m t n tl a t f o r m 2 2 4 1s e l e c t i o no fp r o c e s s o rc h i p 2 2 4 1 1s e l e c t i o no fm i c r o p r o c e s s o rc h i p 2 2 4 】【2s e l e c t i o no fs c mc h i p 2 3 4 1 3m i n m u ms y s t e mo fa t 8 9 s 5 2 2 5 4 2s e l e c t i o no fd a t ac o m m u n i c a t i o nc h i p 2 6 4 2 1i n t r o d u c t i o no fd a t ac o m m u n i c a t i o nc h i p 2 6 4 2 2s e l e c t i o no fd a t ac o m m u n i c a t i o nb r i d g ec h i p 2 7 4 3 2d e s i g no fc h 3 7 5c r u i t - 2 8 4 1 3d e s i g no fc o n t r o l l i n gs o f t w a r e 2 9 4 3 1r e a d i n go fi m a g ed a t a 7 2 9 4 4 2t r a n s m i s s i o no fi m a g ed a t a 3 0 j 4 1 5 s u m m a r y 31 c h a r p t e r5e x p e r i m e n to fm e a s u r e m e n t a n da n a l y s i s 3 2 5 1i n t r o d u c t i o no fm e a s u r e m e n ts y s t e ma n de x p e r i m e n tc o n d i t i o n 3 2 5 2a n a l y s i so fe x p e r i m e n td a t ao fd i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t 3 3 5 2 1 d i s p l a c e m e n tm e a s u r i n ge x p e r i m e n t a tv a r i o u sd i s t a n c ea n d e f f e c to fd i s t a n c eo nd i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t 3 3 5 2 2e f f e c t o fo p t i c a la x i sd e v i a t i n ga n g l eo nd i s p l a c e m e n t m e a s u r e m e n t 3 5 5 2 3e f f e c to fd i s t a n c eb e t w e e nr e f e r e n c ep o i n t so nd i s p l a c e m e n t m e a s u r e m e n t 3 8 5 3a n a l y s i so fe x p e r i m e n td a t ao fd i s t a n c em e a s u r e m e n t 。3 9 5 3 1d i s t a n c em e a s u r i n ge x p e r i m e n ta tv a r i o u sd i s t a n c ea n de f f e c t o fd i s t a n c eo nd i s t a n c em e a s u r e m e n t 3 9 i x 广东工业大学硕士擘位论文 5 3 2e f f e c to fa ho nd i s t a n c em e a s u r e m e n t 4 0 5 3 3e f f e c to f d i s t a n c eb e t w e e nr e f e r e n c e p o i n t s o nd i s t a n c e m e a s u r e m e n t 4 ：1 5 4s u m m a r y 4 ：； c o n c l u s i o n 4 4 r e f e r e n c e s 4 6 p u b l i c a t i o n sd u r i n gs t u d y 。5 0 d e c l a r e 51 a c k n o w l e d g e m e n t 。5 2 x 第一章绪论 i i 研究背景及意义 第一章绪论 一切物体，大至星系、恒星，小到分子、原子，只要它存在，无论静 止或者运动，都会存在测量的问题；目前，高度工业化的国家把全部劳动 力的约10 用来担任测量任务，其中6 0 9 6 - - 9 0 的工作量用于几何变量的检 测。 随着科学技术的发展，各类产品的生产和各种装备的制造对加工精度 要求越来越高，精密加工和超精密加工技术水平已经成为国家科学技术水 平发展的重要标志。这也为测量技术提供了新的机遇与挑战。尤其是近年 来纳米技术的不断发展，对测量精度提出要求的同时也为其提供了进步的 手段1 * 1 。高精度的测量慢慢成为工业生产和科研中不可缺少的重要部分。 现代测量方法在计量、工程测量和现代武器、空间技术等的发展中发挥了 重要作用，测量的精度和效率在一定程度上决定了测量技术乃至科学技术 发展的水平。 随着近代工业的快速发展，对计量测试技术要求越来越高，航空、军 工、机械、建筑等各个领域中的许多测量要求在特殊的条件下进行，如高 温、高压、高速、放射性及强腐蚀等恶劣环境，因此，开发研究远距离非 接触测量具有重要的现实意义。远距离位移测量主要分两个方面，一是对 室外远距离的大型目标的形变检测h ，；二是普通目标的非接触性位移测量。 在第一方面典型应用包括对滑坡地区的山体检测1 4 1 ，对桥梁等建筑的变形 检测，从而为灾害预防提供可靠依据，或采用基于g p s 定位的方法随1 。在 另一方面，主要是应用于数控机床的位置检测、材料的热变形、生产线的 移动监测等方面。主要是利用磁、光、波等的手段，实现远距离测量1 。 因此，对高精度和效率的测量技术深入研究，进行远距离非接触测量 装备设计及控制系统的开发，是当前迫切需要解决和发展的应用技术，对 于促进我国的高新技术发展，提升国际综合竞争力，具有十分重要的理论 意义和现实意义。 l 广东工业大学硕士学位论文 1 2 国内外相关研究现状 1 2 1 远距离非接触测量 位移、距离测量主要是通过将位移、距离转化成电磁信号、光信号、 力的变化等方式检验物体的移动与否，同时定量分析所转化信号的大小从 而间接计算出其位移量。下面是几种常见的远距离非接触测量装置的介绍 g p s 测量技术 7 - 1 0 1 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，通常简称g p s ) ，又称全球 卫星定位系统，是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面 绝大部分地区( 9 8 ) 提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。系统 由美国国防部研制和维护，可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用 户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。g p s 具有以下特点： 第一，全天候，不受任何天气的影响；第二，全球覆盖( 高达9 8 ) ；第三， 三维定点定速定时高精度；第四，测站间无需通视；第五，快速、省时、 高效率；第六，应用广泛、多功能；第七，可移动定位。 基于g p s 以上特点，越来越多基于g p s 的测量技术广泛应用于我们的 工作和生活中。在道路、桥梁、隧道的施工中虽然已经采用电子全站仪等 先进仪器设备，但常规测量方法受横向通视和作业条件的限制，作业强度 大，且效率低，大大延长了设计周期，因此在当前的工程项目中大量采用 g p s 设备进行工程测量。除了工程施工，在野外勘探及城区规划中的测量， 个人旅游及野外探险的定位和车辆防盗系统等都大量采用了g p s 测量技 术。g p s 测量技术在远距离和超远距离的测量都能达到很高的精度，但是 在几十米的测量范围内该测量方法就有其局限性了。 磁尺测量i 磁尺作为一种精度比较高的测量装置，它由磁性标尺、磁头和检测电 路组成。利用录磁原理将一定周期变化的方波、正弦波或脉冲电信号，用 录磁磁头记录在磁性标尺的磁膜上，作为测量的基准。检测时，用拾磁磁 头将磁性标尺上的磁信号转化为电信号，经过检测电路处理后用以计量磁 头相对磁尺之间的位移量。磁尺按其结构可分为直线磁尺和圆型磁尺，分 2 第一幸绪论 别用于直线位移和角度位移的测量。磁性标尺制作简单、安装调整方便， 对使用环境的条件较低：如对周围电磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉 尘较多的场合下使用有较好的稳定性。高精度的磁尺位置检测装置可用于 各种测量机、精密机床和数控机床。 磁尺检测是模拟测量，检出信号是一模拟量，必须经检测电路处理变 换，才能获得表示位移量的脉冲信号。检测线路包括激磁电路、信号滤波、 放大、整形、倍频、数字化等电路环节。根据该测量技术开发的磁致伸缩 位移传感器不适用于强电磁辐射场所且价格相对其他位移传感器较为昂 贵。 激光干涉测量m 。， 激光是一种新兴的光源，它有高度的相干性；波长频率宽度窄，是一 种单色光，光度极高；光束的发散角小于1 0 4 r a d 以下，有很好的方向性。 由于激光有这些特性，因而广泛用于长距离、高精度的位置检测，测量中 通常都是采用氦氖激光，其频谱宽度为1 5 x1 0 3 m h z ，波长五为0 6 3 2 8 a m 。激 光测距利用光的干涉原理，使两束激光产生明暗相间的干涉条纹，由光电 元件接受并转换成电信号，经处理后由计数器计数，从而实现对位移的测 量，由于激光的波长短，单色性好，波长稳定准确，测量的分辨率至少可 达州2 ，如果利用倍频等电子技术还能获得更高的分辨率。 ， 中国计量科学研究院研制的纵向塞曼h e - n e 激光干涉仪，其稳频点选 在两条激光增益曲线之间，产生一对频差10 8 0 m h z 的左、右旋偏振光( 这 两个偏振光不在同一增益曲线上) ，合成波长为2 7 8 m m 。利用光栅测量干涉 的剩余相位。系统测量长度可达l o o m ，测量精度为_ 4 - ( 4 0 + 1 5 1 0 6 ) 。中 国清华大学梁晋文教授及博士生朱勤等人进行c o ：激光器绝对距离测量研 究。采用反射光栅构成色散腔进行线序选择，用等光强方法进行频率稳定。 用双波长混合探测得到合成拍波信号，通过谐波对准法进行小数级次的测 量，得到4 1o _ 的测量精度。 激光干涉仪的计量精度和分辨率都很高，但是它对使用环境的要求高， 测量使用以及调试比较繁琐，而且价格也比较贵。 超声波测量 1 6 1 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡( 横 3 广东工业大学硕士学位论文 波) 及纵向振荡( 纵波) 。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在 气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现 象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般 为几十k h z ，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快， 而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做 成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置。超 声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道 距离。超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑工地、工业现场等的距离测 量，虽然目前测距量程上能达到百米，但测量的精度较低。 1 2 2 数字图像测量技术 自从非接触测量受关注以来，基于激光l 和超声波“”3 ，的测量技术是 最常用的方法。但是基于激光和超声波的测量方法的测量精度在很大程度 上依赖于被测物表面的反射能力，如果测量表面不理想，那么测量系统通 常会表现很差，由于测量系统存在这些问题会产生测量精度丢失，因此采 用基于激光的测量仪器进行标定就会有一定的影响，而且这些测量方法在 进行测量时对目标图像的记录存在一定的难度。于是基于图像测量技术n ， 的位移、距离以及从摄影图像中获取目标几何特征的图像测量技术应运而 生。 图像测量技术是近些来在测量领域中出现的一种比较新型的高性能 测量技术。它以光学成像技术为基础，将激光技术、计算机技术、电子学、 数字图像处理技术等多种现代科学技术融为一体，构成光、机、电综合的 测量系统。所谓图像测量技术，就是把测量的对象图像当作检测和传递信 息的手段或载体加以利用的精确测量技术。其目的是从图像中提取有用的 信号。它通过对所获得的二维或三维图像进行处理和分析，最终实现测量 的目的。光电摄像器件的产生和普及是图像测量技术成为可能，特别是电 荷耦合器件技术的发展，机一部促进了图像测量技术的形成和发展。 电荷耦合元件h ( c c d ，c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ) 是一种集成电路， 上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由 4 第一章绪论 外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。四十 年来，c c d 器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传 感和非接触测量领域的发展更为迅速。随着c c d 技术和理论的不断发展， c c d 技术应用的广度与深度必将越来越大。c c d 图像传感器作为一种新型 光电转换器现已被广泛应用于摄像、图像采集、扫描仪以及工业测量等领 域。作为摄像器件，与摄像管相比，c c d 图像传感器有体积小、重量轻、 分辨率高、灵敏度高、动态范围宽、光敏元件的几何精度高、光谱响应范 围宽、工作电压低、功耗小、寿命长、抗震性和抗冲击性好、不受电磁场 干扰和可靠性高等一系列优点。 图像测量技术受到越来越广泛的应用是因为其具备以下特点m ，：1 非 接触的测量方式：对被测量目标和测量者都不会产生任何损伤，具备其他 测量方式无法比拟的安全性能。2 提高测量的精度：利用不同图像被测目 标模式定位方法，尤其是亚像素定位技术，可以十分显著地提高被测目标 的定位精度。3 能测量传统测量方法不易于测量的物理量：许多肉眼无法 分别的物理量。例如与被测相位有关的干涉条纹的亮度变化量，不规则区 域的面积，连续变化的亮度、色彩场、条纹方位场、等都可以利用采用图 像测量技术来实现；还有人无法长时间或者在恶劣环境下测量的目标，也 可以通过图像测量技术进行研究。4 对成像系统的高精度标定和修正：成 像标定和误差修正是精密测量的重要环节之一。用数字图像处理技术可以 实现对拍摄系统高精度的标定和误差修正，为高精度图像测量提供坚实的 基础。5 自动化程度高：随着计算机技术的不断发展，各类图像采集、处 理新硬件的出现为图像测量技术提供的新的方法和手段，再加上处理算法 和自动化程度效率的提高，使得图像测量技术的处理分析的自动化程度有 了很大的提高，这样极大地减少了计算处理的工作量和时间，为在线测量 赢得了时间。 图像测量技术在国内外发展很快，由于能够提供丰富的测量环境信息 资源，图像测量方法获得了广泛的应用，例如，机器人的定位控制n 、交 通事故调查、法医工程中的症状表面三维分析1 等。相关应用领域的不断 发展促使图像测量技术突飞猛进，数字图像技术和计算机技术的飞速发展 使得图像测量技术的日益完善。廉价的微处理器支持的并行处理技术，用 5 广东工业大学硕士学位论文 于图像数字化的低成本的图像卡，用于大容量、低成本存储阵列的新存储 技术，以及低成本、高分辨率的彩色显示系统等更进一步刺激着这一技术 领域的迅速成长。在科技高速发展的今天它将起着越来越重要的作用。 上海交通大学的刘伟文，赵辉 等人为提高在刚度测量中位移测量的 精度，提出一种基于图形技术的微位移测量方法。该方法采用边界拟合和 “路径匹配 技术，通过该方法位移测量精度达到了亚微米级。该位移测 量方法已用于弹性元件刚度测量仪中，并采用激光干涉仪进行测量结果的 标定。结果表明，该位移测量方法稳定性好，速度快且测量精度能达到0 1 l im 。 天津大学的孙学珠、付维乔h 等人开发的高精度c c d 光电测径系统， 可以直接显示测量的结果，并且能够对次品进行自动筛选，对于直径处于 o 8 8 m m 之间的物体，测量时间不超过5 秒，测量精度可以达到o 0 3 m m 。 中科院上海技术研究所的钱思明桂林电子工业学院