（机械设计及理论专业论文）基于ccd技术的平面机构运动研究.pdf

摘要 机构运动分析和动力学研究是机构分析与综合的重要工作。由于研究工作中 经常需要获取真实运动参数数据辅助分析，因此获得真实构件上点的位移、轨迹、 速度和加速度以及构件的角位移、角速度和角加速度非常必要。为此，本文提出 基于c c d 技术及数字图像处理技术获取平面机构构件运动参数的方法，并编写 了相应的计算机处理程序。c c d ( c h a r g ec o u p l e d d e v i c e s ，电荷耦合器件) 作为 一种新型的光电器件在测量测试领域中得到了广泛的应用，其制造技术及应用技 术的研究也取得了惊人的进展。利用这一技术和数字图像处理技术，本文针对平 面机构中典型的曲柄滑块机构，对c c d 采集的机构运动时变j y - n 图像加以处理， 得到构件上标记点不同时刻的坐标，利用数值方法计算出构件的速度、加速度等 运动参数。该方法与其他检测方法相比，凸现了c c d 的非接触测量的优点，弥 补了其他传感器的使用局限。同时，非接触式智能测量构件位移等参数方面的研 究成果还可以应用于零部件位置检测、自动定位、智能制造等领域中。 本文以计算机数字图像处理理论和数值分析理论为基础，应用b o r l a n d 公司 优秀的软件开发平台d e l p h i 7 编写了数字图像处理程序，对以c c d 为主要元器 件的数字摄像机采集到的机构运动图像进行了二值化处理及二值化后处理，充分 去除了图像中的干扰景物，在比较复杂的背景条件下，分离出前景标记，并确定 出了机构上前景标记点的相对位置。最后通过对几种数值计算方法在计算机上进 行实际计算比较，确定采用基于最小二乘原则的f o u r i e r 级数拟合方法计算出机 构的运动参数。 本文在对采集到的数字图像进行计算机处理的过程中，针对所处理对象的特 殊性，研究了便于处理且有效的融合全局二值化和局部二值化思想的改进的图像 二值化处理方法和算法：确定了在比较复杂的背景下提取有用的前景信息的数字 图像代数运算方法和离散干扰点的去除判别准则，并编写程序实现了这一算法， 建立了比较有效快速的处理系统；探讨了相关处理方法在解决实际应用问题时的 适用性。 从测量角度，本文利用贴有标记的机构在运动过程中，其标记的几何中心不 变的特性，采用了非常简便易行的投影法，比较精确地确定了标记的几何中心在 图像中的准确的相对位置，为机构的运动分析奠定了基础。 关键词：c c d ；丰几构运动分析；曲柄滑块机构；数字图像处理：二值化 a b s t r a c t k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sr e s e a r c h i n go fm e c h a n i s mi si m p o r t a n ti na n a l y s i s a n ds y n t h e s i so fm e c h a n i s m n a ta c q u i r i n gt h ed i s p l a c e m e n t ，l o c u s ，v e l o c i t ya n d a c c e l e r a t i o no fp o i n t so nt h ec o m p o n e n ta n da n g u l a rd i s p l a c e m e n t ，a n g u l a rv e l o c i t y a n d a n g u l a ra c c e l e r a t i o n o fc o m p o n e n t si sv e r yn e c e s s a r yb e c a u s er e a lm o t i o n p a r a m e t e r sa r eo f t e nr e q u i s i t ef o ra n a l y s i si nt h er e s e a r c h i n g t h e r e f o r et h em e t h o d ， a c q u i r i n gt h em o t i o np a r a m e t e r so fc o m p o n e n t so fp l a n a rm e c h a n i s m ，b a s e do nc c d a n dd i g i t a li m a g e sp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r p r o g r a mf o rt h i s i sa l s o w r i t t e n ，c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) i su s e dw i d e l yi nt h ea r e ao f m e a s u r e m e n ta n dt e s t i n ga san e w - s t y l ep h o t o e l e c t r i cd e v i c e t h er e s e a r c h i n ga b o u t m a n u f a c t u r i n ga n da p p l y i n go fc c d i sa l s oe v o l v e dw o n d e r f u l l y i nt h i sp a p e r , w i t h c c da n dd 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 , t h et i m e - - c h a n g e - s e q u e n c ei m a g e so f s l i d e r - c r a n km e c h a n i s mw h i c hi sak i n do ft y p i c a lp l a n a rm e c h a n i s ma r ep r o c e s s e d ， a n dt h e s ei m a g e sa r eg a t h e r e db yc c dc a m e r a t h ec o o r d i n a t eo fm a r k so nt h e c o m p o n e n ti sg o t t e n a td i f f e r e n tm o m e n ta n dt h en u m e r i c a lm e t h o di su s e dt o c a l c u l a t et h ep a r a m e t e r ss u c ha sv e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o n c o m p a r e dw i t ht h eo t h e r d e t e c t i n gm e t h o d s ，t h i sm e t h o d c o v e r st h es h o r t a g eo fo t h e rt r a n s d u c e r sa n ds h o w st h e a d v a n t a g eo fn o n c o n t a c tm e a s u r e m e n to fc c d a tt h es a l t l et i m e ，t h er e s e a r c h i n g f i n d i n g sa b o u tt h i sm e t h o dc a na l s ob ea p p l i e di nt h ea r e ao fl o c a t i o nd e t e c t i n go f c o m p o n e n t sa n dp a r t s ，a u t o m a t i cl o c a t i o n ，i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n ga n d s oo n b a s e do nt h et h e o r yo fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n ga n dn u m e r i c a la n a l y s i s ，d i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n gp r o g r a ma r ew r i t t e nb yd e l p h i 7o fb o r l a n d b i n a r yp r o c e s s i n ga n d p o s t p r o c e s s i n ga r ea p p l i e dt ot r a n s f o r mt h ei m a g e sg a t h e r e db yc c dc a m e r at ot h e b i n a r yi m a g e sb yt h ep r o g r a m i nt h ec o m p l e xb a c k g r o u n d ，i n t e r f e r e n c es c e n e r yo f i m a g e si sw i p e df u l l yo f f , f o r e g r o u n di ss e p a r a t e da n dt h er e l a t i v ep o s i t i o n so fb e n c h m a r k so nt h em e c h a n i s ma r ed e t e r m i n e d a f t e rc o m p a r e dw i t ho t h e rs e v e r a ln u m e r i c a l a n a l y s i sm e t h o d s ，f o u r i e rs e r i e sf i t t i n gm e t h o di sa p p l i e dt oc a l c u l a t et h ep a r a m e t e r s o f m o t i o no f t h em e c h a n i s m i nt h ep r o c e s so fp r o c e s s i n gt h ed i g i t a li m a g e s ，am o d i f i e d ，e a s ya n dv a l i d a l g o r i t h mb e t w e e ng l o b a lb i n a r i z a t i o na n dl o c a lb i n a r i z a t i o na r er e s e a r c h e di nc a s e t h a tt h ep r o c e s s i n go b j e c t sa r e s p e c i f i c i n t h i s p a p e r d i g i t a li m a g e sa l g e b r m c o p e r a t i o na n dg u i d el i n ef o rw i p i n gt h ed i s c r e t eo f f e n d i n gp o i n t sa r ec o n f i r m e d n o t o n l yt h ep r o g r a mt h a tc a nr e a l i z et h ea l g o r i t h mb u ta l s oh a n d l i n gs y s t e mi sb u i l t n e a p p l i c a b i l i t yt h a tt h er e l a t i v ep r o c e s s i n gm e t h o di s u s e dt os o l v et h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o np r o b l e m si sd i s c u s s e d b e c a u s et h eg e o m e t r yc e n t e ro ft h em a r ki sc o n s t a n ti nt h ec o u r s eo fm o v e m e n t p r o j e c t i o nm e t h o di su s e di n t h i sp a p e rt od e f i n ee x a c t l yt h ec o m p a r a t i v el o c a t i o no f t h eg e o m e t r yc e n t e ro ft h em a r k t i i se s t a b l i s h e st h eb a s i sf o rt h em o t i o na n a l y s i so f m e c h a n i s m k e y w o r d s ：c c d ：m o t i o na n a l y s i so fm e c h a n i s m ；s l i d e r c r a n km e c h a n i s m ； d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ；b i n a r i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：豢度 签字吼州年月即日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阔。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 雾蕊 导师签名： 彻也峭 签字日期：年2 月弦日 签字日期：加6 年2 月2 2 目 学位论文的主要创新点 一、在实验基础上，建立了融合全局二值化和局部二值化思想的 改进二值化图像处理算法，对采集到的灰度图像在较少人为干预下自 动搜索进行二值化处理，有效地分离了背景和前景。 二、运用数字图像代数运算，大面积的去除了背景景物；并针对 大面积去除了背景景物的图像仍留有少量干扰点的问题，建立了适当 的判别准则在小范围内去除干扰点，完整地保留了前景景物( 即标 记) 。 三、在用面阵c c d 摄像头采集图像时，利用轴对称标记在旋转 过程中几何中心的不变性，计算图像中标记( 前景景物) 的相对位置。 第一章绪论 1 1 课题的提出及意义 第一章绪论 众所周知，即使是非常复杂的机器，其机械部分也是由一些常用的机构组合 而成，进行机构的设计就成为机械设计的主要工作之一。因此，对机构的运动和 工作特性进行分析和研究，则是十分必要的。 进行机构研究时需要解决两类相关的问题，即机构的分析与机构的综合f lj 。 二者密切相关，在很多情况下，通过对机构的分析，在对机构特性有了较多了解 的基础上，才能选择出理想的机构。而在机构综合时，有时也需要必要的机构分 析，才能最终完成机构的设计。 机构的分析是对已有的机构进行运动学和动力学分析。其中，机构的运动分 析的目的是为机械运动性能和动力性能研究提供必要的依据，是了解、剖析现有 机械，优化、综合新机械的重要内容。所谓机构的运动分析，就是在几何参数已 知的机构中，根据原动件的已知运动规律，撇开力的作用，仅从几何关系上来分 析该机构其他构件上某些点的位移、轨迹、速度和加速度，以及这些构件的角位 移、角速度和角加速度【2 3 1 。这些，无论是对于设计新机械，还是了解现有机械 的运动性能，都是十分必要的。 例如，通过对机构的位移和轨迹分析，可考察某构件或构件上某点能否实现 预定的位置和轨迹要求，并可确定从动件的行程所需的运动空间，据此判断运动 中是否产生干涉或确定机器的外壳尺寸。对机构的速度分析是加速度分析及确定 机械动能和功率的基础，通过速度分析可以了解从动件的速度变化规律能否满足 工作要求；在功率已知的条件下，通过速度分析还可以了解机构的受力情况。通 过对机构的加速度分析，可以确定各构件及构件上某些点的加速度，了解机构加 速度的变化规律这是计算构件惯性力和研究机械动力性能的必要前提。 机构运动分析的理论方法很多，主要有图解法和解析法。图解法实质是通过 按比例作图来求得解答，可直接从图上量取所需尺寸和运动参数，具有形象直观 的特点，但结果不够精确。解析法实质是建立已知参数和待求参数的方程式，然 后通过解方程求得所需参数。其特点是，具有较高的精确度，一旦建立了正确的 方程式后，在机构分析中，就可以方便的获得一系列不同的机构位置的待求运动 参数。 机构分析的理论方法，在长期的应用实践中得到广泛的认可。但是，在实际 中，机器的运动规律是由构成机器的各构件的质量、转动惯量和作用于各构件上 第一章绪论 的力等因素来决定的，同时又受到各种外界干扰，因此实际情况经常与理论分析 存在差别。此外，在进行新机械设计时，有时需要生产出样机，通过对样机的机 构分析来检验理论设计的可行性、合理性，从而找到理论设计的偏差，加以改进， 并最终完善设计。很明显，通过切实有效的实验方法，可以获得真实的机构运动 参数，从而对理论分析加以验证；又可以直接测量机构的构件上某些点的位移或 轨迹，对样机做出直接的分析评判。 利用c c d 技术进行测量是计算机视觉技术的主要应用之一，目前在机械领 域中已经得到一定的研究和应用1 4 叫”。随着c c d 技术和计算机图像处理技术的 发展，数码摄像机的解析度越来越高、曝光时间越来越短，各种数字图像处理方 法得到广泛而深入的研究，这些为c c d 技术的应用提供了保证。同时，以c c d 作为传感器进行测量测试，在某些方面上弥补了传统传感器的不足，所以这一技 术必将在机械领域中得到更加广泛的应用。为此，本文提出采用以c c d 技术和 计算机数字图像处理技术为主的实验方法，进行平面机构的运动分析研究。 本课题从实验方法出发，利用视频信号( 时变序列图像) 检测平面机构的构 件或物体运动，即把记录下的一段时间内机构或物体运动的时变图像数字化，利 用计算机数字图像处理技术获得目标的运动参数。这种运动检测和分析技术具有 非接触检测、直接获得平面运动构件的运动参数、直接获得机构构件间的相对位 置和相对位移的优点。所以，利用时变序列图像分析机构构件或物体的运动，可 以弥补传统传感器的不足。 除此之外，对于某些特殊的加工工艺方法，为了获得最佳质量的产品，在进 行工艺研究的时候，也会考虑加工设备对产品质量的影响。有时加工设备的执行 部件的运动，会对产品质量产生巨大的影响。例如，我国某大型企业在生产具有 复杂型面的产品零件时，始终寻求不到最佳的成型工艺参数，虽然从国外进口了 具有世界先进水平的大型成型设备，但工艺始终不过关。其瓶颈是对产品质量具 有重要影响的执行部件的运动参数的确定。为了解决这一问题，该企业希望通过 自行测绘的办法，结合工艺理论获得执行部件的最佳运动参数。但是，由于这台 进口设备结构非常复杂，采用传统的测量方法工作难度很大，虽然最终解决了问 题，但是耗时费力。如果采用c c d 技术进行测量，将可能起到事半功倍的效果。 另外，从生产自动化的发展趋势来看，智能化的生产制造已经成为许多机械 生产厂商和研究机构关注的热点。美、日已经将机器视觉应用到了汽车装配线上， 利用机器视觉辅助焊接控制也已经得到很好的研究，目前已有能够用于实际生产 的产品问世。 可见，在生产实际中，也存在一些比较特殊的情况或者需要应用具有更高“智 能”的控制手段的场合。特别是，面对很多传统传感器无能为力或者较难应用的 情况，c c d 传感器的自身特点使其具备了更好的适用性以解决这些难题。 第一章绪论 本文研究的结果不仅可以给出机构运动的参数和构件上某些点的位置、位 移，为机构运动分析和动力学研究的理论研究提供直接依据，而且可以在一定程 度上对理论分析结果进行检验。此外，本文的研究结果在一定程度上可以作为未 来有关机器视觉研究的基础，研究成果可以在机构运动分析、动力学研究、精密 机械的定位和质检工序等智能化制造方面得到实际应用。同时，这项研究成果还 提供了一种检测平面物体运动、构件问相对位置和相对位移甚至变形的新方法。 1 2 相关领域的研究及发展现状 1 2 1c c d 技术的进展与应用 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) ，即电荷耦合器件是二十世纪七十年代初发 展起来的新型半导体集成光电器件。它能将感测到的光转换成电荷信号，然后再 把电子数位化，加以处理，就像储存一般电子信号一样储存起来，是目前以固态 影像元件应用在摄影机上的最尖端的技术。c c d 是由美国贝尔电话实验室的 w s b o y l e 和g e s m i t h 于1 9 7 0 年首先提出的，在经历了一段时间研究之后，建 立了以一维势阱模型为基础的非稳态c c d 理论。同年，日本的s o n y 公司也开 始研究。 1 9 7 3 年1 月，s o n y 中央研究所在它的研究发表会上，展出了以9 6 个像元 并以线性感知的二次元影像感测器“8 h 8 v ( 6 4 像元) f t 方式三相c c d ”。同 年1 1 月，开始进行固态影像元件的开发计划，这是以s o n y 半导体技术为主的 计划。1 9 7 4 年6 月，3 2 h 6 4 v 的f t 方式彩色影像c c d 研究成功，像元大幅增 加。1 9 7 6 年7 月，制造出水平像元为1 4 2 的单晶片彩色摄影机c c d 。1 9 7 7 年开 发了垂直像元方式的彩色摄影机。1 9 7 8 年3 月，s o n y 中央研究所发表了使用 11 万个像元的i t 方式c c d 。但这种c c d 由于暗电流大，取像时随着温度升高， 暗电流马上就增加，使得影像的效果很差。为了避免发生画质不良，在当时均外 加冷却效果以防止画质劣化。同年，s o n y 中央研究所的开发团队开发了m c z 的结晶方法。但初期在影像上仍有白点的缺陷产生，经不断的努力，终将此缺陷 克服。1 9 8 0 年s o n y 发布了全世界第一个商品化的c c d 摄影机，1 9 8 1 年发布 了2 8 万个像元的c c d ，1 9 8 3 年1 9 万个像元的i t 方式c c d 批量生产成功，1 9 8 4 年发布了低污点高解析度的c c d ，9 0 年代制造出百万像元高解析度c c d 。近三 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捷。目前，c c d 应用技术已成为集光学、电子 学、精密机械与计算机技术为一体的综合性技术，在现代光子学、光电检测技术 和现代测试技术领域中成果累累，方兴未艾【1 2 】。 第一章绪论 从1 9 9 8 年日本出版的技术市场杂志获悉，世界上已把c c d 列为未来 1 0 年可能增益1 0 0 倍的高技术产品。据国外专家统计，1 9 9 7 年c c d 世界市场规 划为1 6 亿美元。而实际上，1 9 9 7 年为5 0 亿美元，1 9 9 8 年为6 5 亿美元。 c c d 发展之快，主要是c c d 的市场应用范围非常广泛，如监视、工厂自动 化、广播、医疗、电影、个人计算机、预警系统、电子照相、多媒体等方面【l ”， 集中在汽车领域、公共设施、家用设施三大方面。各种车辆加装c c d 摄像机， 可以使驾驶人员借助车内c c d 摄像机和车后的后视镜系统及驾驶员面前的显示 器，观察车内和车后情况。在摄录机领域，广播级c c d 摄像机与摄像管摄录机 平分秋色；在机器视觉领域，主要用于产品的表面质量检测、半导体芯片的检测、 线路板的检测、自动焊接等；c c d 作为传感器在医疗领域的应用潜力也很大， 主要应用在内窥镜等医疗设备上；在闭路脏视领域，c c d 主要用于交通、银行、 商店、博物馆等重点保护区域的状况监视。 随着半导体技术的不断进步和人们对c c d 器件的要求的提高，c c d 的发展 也同新月异。目前的c c d 摄像机使用了逆光补强、自动电子快门、外同步等技 术。大体上，c c d 将朝着以下几方面发展：c c d 传感器的像面尺寸向集成化和 轻量化方向发展；c c d 传感器向高像素数、多制式发展( 目前c c d 像元数已从 1 0 0 万像元提高到2 0 0 0 万像元以上，加拿大d a l s a 公司、荷兰飞利浦成像技术公 司、美国e g & g r e f i o n 和亚里桑那大学、欧洲南部天文台等都先后研制出了超 高分辨率的c c d 1 4 叫7 】) ；降低c c d 传感器的工作电压，减少功耗；提高c c d 摄像机的制造效率。 目前，c c d 在工业检测中的诸多应用，主要为四类：一是尺寸检测，二是 位置检测，三是形状检测，四是剐度或位移检测l l 。 1 2 2 计算机数字图像处理技术及计算机视觉技术的研究与应用 上世纪，国内的视觉系统大多是随着国外跨国企业的生产线进入中国。经过 数年发展，现在国内许多自动化设备制造商正将机器视觉技术用于其产品设计， 以提高功能及性能档次，改善产品及加工质量。业界正逐步采用s d k 等进行二 次开发。 一、国内外农业生产中机器视觉的应用【i 圳 瓜果品质的无损检测技术。目前，国外对利用机器视觉进行果实品质自动识 别研究的对象非常广泛。t a y l o r 等( 1 9 8 4 ) 首先报道了分别利用线扫描和模拟摄像 机检测苹果损伤的试验，结论为利用数字图像技术检测苹果损伤可以达到人工分 级的精度：r e h k u g l e r 和k r o p ( 1 9 8 6 ) 研究了利用机器视觉进行苹果表面碰压伤检 测，研制成了利用机器视觉进行缺陷检测和分级的苹果处理设备。在国内，王江 第一章绪论 枫、罗锡文等f 1 9 9 9 ) 探讨了应用计算机视觉技术进行芒果重量及果皮损坏检测的 方法，确立了所需图像区域的算法，建立了芒果重量与其投影图像的相互关系； 杨秀坤等( 1 9 9 7 ) 提出了应用计算机视觉技术检测苹果表面缺陷的方法；陈晓光等 f 1 9 9 7 ) 设计了用于综合评价苹果果型的计算机视觉系统。在机器识别黄花梨果形 的研究中，研究人员研究了不规则果品的形状描述方法，提出采用f o u r i e r 变换 与f o u r i e r 反变换对来描述果形，其识别的精确率可达9 0 。 可以预见，将人工智能技术和图像处理技术相结合，是今后应用计算机视觉 技术进行水果品质评价的重要发展方向。 机器视觉在大米、小麦、玉米以及其他谷物的识别和分级的研究中也取得很 大进展。例如根据应力裂纹、形态、染色后颜色特征等，应用神经网络、高速滤 波等技术来进行识别和分类。 研究人员研究了烤烟烟叶质量的检测方法，用h l s 颜色模型对大量烟叶样 本进行颜色分析，得到各类样本颜色特征值的分布情况；采用轮廓跟踪算法对烟 叶的整体图像外型轮廓进行提取，采用链码表示法进行描述；通过烟叶对光的透 过特性，对叶片结构和身份特征进行综合提取和描述；采用b p 神经网络对烟叶 成熟度与其他因素的关系建立数学模型。 此外，农产品分选机械是机器视觉技术在农业机械中应用最早、最多的一个 方面。主要是利用该项技术进行无损检测，即利用农产品表面所反映出的一些基 本物理特性对产品按一定的标准进行质量评估和分级。农产品加工机械视觉技术 的研究工作是在2 0 世纪9 0 年代开展的，主要用于在农产品加工过程中进行品质 自动检测及反馈控制。机器视觉技术在收获机械中的应用研究始于2 0 世纪8 0 年 代中后期，是近年来最热门的研究课题之一，主要研究集中在农产品收获自动化 ( 包括蔬菜、水果的收获) 。其基本原理都是在收获机械上配备摄像系统，采集田 问或果树上作业区域图像，运用图像处理与分析的方法判别图像中是否有目标 ( 如水果、蔬菜等) 出现。发现目标后，引导机械手完成采摘。机器视觉技术在动 植物生长情况监测中也得以应用，可以精确自动地监测动植物生长情况。在农业 生产机器人上用于对作业对象的正确识别。 二、工业生产中机器视觉的应用 采用面阵c c d 器件检测纸张匀度。获取被测纸张的数字图像，然后应用计 算机视觉理论与方法，结合纸张匀度测试理论，对图像中的相关信息进行分析。 不仅能模拟人类视觉，对整个测定面积内的纤维、絮块在纸面上的分布状况进行 分析和描述，而且能综合各种参数，确定一个更加全面、正确的匀度指数。 在机动车辆车牌自动识别的应用中，1 彩色图像灰度化、平滑、二值化、去除 噪声、字符分割等方法得到研究。二值化方法用以将有意义的特征或需要应用的 特征提取出来。 第一章绪论 综合运用光学、机械、电子、计算机图像处理等相关技术，研制了基于视觉 检测的p c b 板自动定位钻孔系统，解决了关键的定位靶标非接触在线精确检测 及定位钻孔的原理和技术实现问题 1 9 j 。 垫隔粉微粒喷洒密度和均匀性自动检测系统及其图像处理的研究中，通过计 算机图像分析，提取出颗粒，利用快速微粒计数算法，得到微粒的分布密度和均 匀性分布。彩色瓷砖自动分类系统，使用低端采像设备，提出了一种矩形物体图 像分割的简易算法，实现精确色彩测量。 在钢板表面缺陷的无损检测技术与应用中，利用绝大多数表面缺陷的光学特 性之间存在着明显差异的特点，取得了较好的使用结果 1 舛。视觉技术在工业无损 检测领域已得到普及。基于机器视觉钢板形位检测系统，根据现场情况，采用多 台面阵c c d 摄像机获取整块钢板的图像，由计算机灰度图像预处理，完成边缘 提取、人工标记的自动识别，从而得到钢板的长宽尺寸i l 州。 在基于机器视觉的汽车仪表板智能检测方法的研究中，应用小波分析，精确 描述了仪表板指针与刻度间的相对位置。基于机器视觉的螺纹检验仪的研究，设 计了理解图像并提取螺纹参数的算法和螺纹图像边缘的提取算法【l 9 】。 基于机器视觉的芯片管脚尺寸自动检测设备，模拟人眼进行检测，实现非接 触式的测量。机器视觉技术用于电子网板( 彩色显象管的重要部件) 检测，由二 维视觉检测系统检测待测参数。 在其他行业中，机器视觉应用于细胞分析来找出包含异常细胞概率最高的标 本；用激光作为照射源，c c d 作为检测器，从图像上计算出对应景物点的三维 信息；原木体积非接触测量系统的研究针对原木枝多的特点，采用结构光方法， 实现对运动状态下单根原木体积进行非接触在线测量。 计算机视觉以其信息量大、精度高、检测范围大等特点，在焊接领域也得到 了广泛应用，为实现焊接操作自动化提供了有力手段。借助c c d 摄像机、红外 摄像仪、x 光探伤仪、高速摄像机等图像传感设备及智能化的图像处理方法，许 多机器人及特定的自动焊机也具备了一定的视觉功f 毙t 2 0 j 。它们不仅可以模拟熟练 焊工的视觉感知能力，而且可以超越人的局限，完成诸如获取并处理强弧光及飞 溅干扰下的焊缝图像、实时提取焊接熔池特征参数等工作，实现人类难以直接作 业的特殊场合( 如水下、空间核辐射环境等) 的自动焊接施工。 在国内外研究人员的共同努力下，计算机视觉广泛应用于焊缝跟踪、熔池形 状与熔透控制、焊道形貌检测与控制等领域，为焊接生产和过程自动化、智能化 作出了重要贡献。展望未来，采用最新的计算机视觉理论，开发焊接机器人视觉 传感与控制技术，研制能够识别目标环境、随时精确跟踪轨迹并调整焊接参数的 智能焊接机器人已经成为焊接领域的重要发展趋势之一。国外知名的焊接机器人 厂家如k u k a ，g m f ，m o t o m a n ，a d e p t 等相继开发出装备有新型视觉传感系统 第一章绪论 的机器人。国内也相继开发出具有视觉传感功能的智能化的特种机器人产品。具 有视觉功能的机器人已经应用于汽车、航天和重型构件的生产及锅炉、管道、大 型球罐的焊接生产。 日本在机器视觉研究上较为领先，从工业产品的制造、质量控制到农产品、 水产品的检查和分级等广泛领域，已有很多的机器视觉应用软件被实际使用| l 。 具体的典型应用事例如下： 形状及表面缺陷检查( s u r f a c e i n s p e c t i o n ) ：电视显像管的缺陷检查( 日立， 东芝，富士通) ；螺钉形状的检查( 大阪府) ；钢铁、不锈钢的缺陷检查( 神户制钢， 东芝，欧姆龙) ；发动机内壁的损伤检查( 冈山县工技能中心，三菱电机) ；精密 测量( 高岳制作所) ；焊锡检查( 富士通，日立，欧姆龙，松下电工) 。 非破坏性检验( n o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o n ) ：焊接部位x 线照片( 东大，三 菱重工) ；超声波探伤( 东大，三菱电机，日立，新日铁) ；连接部检查( 三菱重工， 日立建横，川崎重工，富士重工) 。 工业机器人视觉( i n d u s t r i a l v i s i o n ) ：机器人视觉( 佳能，东芝，丰田，三菱 重工) ；位移、畸变测量( 日产自动车，滨松，n k k ) ；距离测量( 佳能，丰田， 中京大) ；焊接机器人( 东芝，三菱重工) ；物体的识别( 目立) ；零部件组装( 东芝， n t t ，精工电子，三协精密机械，日本电装) 。 产品区分( i n d u s t r i a la s s o r t m e n t ) ：新鲜食品的区分( 三菱电气) ；医药品的 区分( 富士电气) ；光敏器件的区分( 日电) ；机械零部件的区分( 丰田) 。 文献 4 “ 报道了c c d 摄像机在热成型工艺、机械系统研究及有关测量 技术中的应用，这些应用一般是采用线阵c c d 建立相应的测量系统。并且，通 常都给定了个相对单一的背景条件。 综上所述，借助c c d 摄像机的计算机视觉技术，在许多领域都得到了广泛 的应用，并取得了较多的成果，这些成果为该领域的深入研究提供了有价值的借 鉴。但是，在机械领域应用中，这项技术的应用还比较有限，特别是使用面阵 c c d 并在复杂背景条件下对机构构件或物体运动参数及其相对位置和相对位移 进行非接触检测和分析方面，尚未见相关报道。 第二章c c d 技术及其成像盼基本原理 第二章c c d 技术及其成像的基本原理 如1 1 所述，对平面机构进行运动分析具有重要的理论价值和应用价值。本 文应用c c d 技术，结合数字图像处理技术，通过实验对平面机构进行运动分析。 c c d 技术的核心是c c d 这一新型半导体集成光电器件。它能将感测到的光 转换成电荷信号，再把电子数位化并加以处理，是目前固态影像元件应用在摄影 机中的最尖端的技术。 2 1c c d 器件的工作原理 c c d 的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或 者电压作为信号。c c d 的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。c c d 有两种基 本类型，即表面沟道c c d ( 简称s c c d ) 和体沟道或埋沟道器件( 简称b c c d ) 。 c c d 器件作为一种光电传感器件，光电特性是其重要特性。光波仅仅是电 磁波中的一小部分，它包括的波长区间约从几纳米到一毫米，即1 0 一1 0 - 3 m 的 范围。在这个范围内，只有0 3 8 0 7 8 , u m 的光才能被人眼所见。c c d 器件的光 谱响应范围宽于人眼的视觉范围，一般在o 2 1 1 u m 的波长范围内。特种材料 的红外c c d 的波长响应可扩展到几微米，即c c d 的光谱响应范围从远紫外光、 近紫外光、可见光到近红外区，甚至到中红外区。 光的度量有两种方式：一种是物理的计量方式，称为辐射度学或称辐射度参 数，它适用于整个电磁辐射谱区；另一种是从生理的角度，以人眼所见的光辐射 对大脑的刺激程度来进行计量的度量方式，称光度学或光度参数。光度参数只适 用于o 3 8 0 7 8 , u r n 的可见光谱区，超过这个谱区，就没有任何意义。 对于c c d 器件，首先给出两个有用的概念定义。 对可见光，照射到物体表面某一面元的光通量d 西r 除以该面元面积幽，称 为照度西，即 e ，：d r 9 v 7 拟 ( 2 1 ) 曝光量指照射物体表面某一点面元接收的光照度所在时间f 内的积分，即 h r = f e r d t 2 1 1c c d 器件中电荷的存储 ( 2 2 ) 第二章c c d 技术及其成像的基本原理 构成c c d 的基本单元是m o s ( 金属一氧化物一半导体) 结构。在栅极g 施加正偏压( 如图2 - 1 ) ，当大于阈值电压后，半导体与绝缘体界面上 的表面势略变得非常之高，以致于将半导体内的电子( 少数载流子) 吸引到表 面，形成一层极薄的( 约1 0 。2 9 m ) 但电荷浓度很高的反型层。反型层电荷的存在， 表明了m o s 结构存储电荷的功能。 “ 氧鬻霄甫 p 萎半导体 ( a ) 耗尽区 ( b ) 度型层 ( c ) 图2 一l 单个c c d 栅极电压变化对耗尽区的影响 ( a ) 栅极电压为零；( b ) 栅极电压小于闽值电压；( c ) 栅极电压大于阈值电压 2 1 2 电荷的注入和检测( 输出方式) c c d 摄像器件的光敏单元为光注入式。 当光注射到c c d 硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子一空穴对，其 多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。光注 入电荷为 鳓= r q a n 。爿疋 ( 2 3 ) 式中，_ 为材料的量子效率；g 为电子电荷量；一为入射光的光子流速率：a 为 光敏单元的受光面积：死为光注入时间。 当c c d 确定以后，孙q 及a 均为常数，注入到势阱中的信号电荷缈与入 射光的光子流速率一”。及注入时间乃成正比。注入时间殆由c c d 驱动器的转 移脉冲的周期t s t t 决定。当所设计的驱动器能够保证其注入时问稳定不变时，注 入到c c d 势阱中的信号电荷只与入射辐射的光子流速率彳成正比。 目前，c c d 的输出方式主要有电流输出、浮置扩散放大器输出和浮置栅放 大器输出1 1 2 i 。前两种输出均为破坏性的一次性输出，后一种输出可以实现电荷在 转移过程中进萼亍非破坏性检测。但无论何种输出方式，输出量与注入到二极管中 的电荷量均基本呈线性关系。像敏面将照在每一像敏单元上的图像照度信号转变 为少数载流子密度信号存储在像敏单元( m o s 电容) 中。然后，再转移到c c d 的移位寄存器( 转移电极下的势阱) 中，在驱动脉冲的作用下顺序的转移出器件， 成为视频信号。 第二章c c d 技术及其成像的基本原理 2 1 3c c d 像元的采样f 2 1 1 考虑到c c d 输出的可分离性，为简便起见，仅以一维c c d 像元情况为例加 以阐述。设x 轴与c c d 的阵列平行，假定c c d 的有效像元是尺寸为a 的矩形， 其像元间距也为a 。，f 御为照射到c c d 上的信号强度分布。采样过程中，落到每 个像元上的强度是由锄在0 一a 2 ) 至l j ( x + a 2 ) f 司隔内积分获得的( 为像元中心坐标) 。 因此每个c c d 采得的信号强度囟鲫可以表示成五娜与矩形函数的卷积 ，m 】= ，f ，) 女r e c t ( x 2 ) ( 2 4 ) 由此可以得到整个c c d 阵列输出信号的强度分布而倒为 圹k ，蝥x ( 唧) = ( x ) * r e c t ( 瓤窆艿( x - n a - q ，t j ：- - x) 5 ) ”h j lj 式中，妒为肠与采样函数的相对位置( 也就是输入信号与c c d 像元之间的位相) 。 假设取如下形式 1 f = l + a lc o s ( 2 n f x ) ( 2 6 ) 式中，厂为输入信号的空间频率。 现在考察一下在锄与像元卷积后它的对比度变化情况。新的幅度也由 & c o s ( 2 c x ) 在整个像元内取平均获得。当像元中心位于余弦曲线峰值上时，应在 x = - a 2 到a 2 取平均。如果余弦曲线峰不与像元中心准直，峰值将偏离像元中心 妒，则应在o + a 2 到妒一a 2 之间取平均，即 a 2 = 二i 一ac o s ( 2 z 咖c ) d x 4 ，、( 2 7 ) = 嘉p n f ( 妒+ 争- s i n 2 n f ( 妒- 争= d 1 c o s ( 2 r i f e ) s i n ( 加) 由上式可以看出：输入信号与c c d 像元之间的位相妒对每个c c d 像元输出 信号的幅值有影响，因此对整个c c d 阵列的m t f ( m o d u l a t i o n t r a n s f e r f u n c t i o n ， 调制传递函数) 也势必有直接影响。 2 2 电荷耦合摄像器件及其工作过程和相关特性 2 2 1 面阵c c d 摄像器件的工作过程 电荷耦合摄像器件就是用于摄像或像敏的c c d ，简称i c c d ，它的功能是把 二维光学图像信号转变为一维视频信号输出。 i c c d 有线型和面型两大类，二者都需要用光学成像系统将景物图像成像在 c c d 的像敏面上。面扫描式相机成像部分的核心是c c d 感光芯片。c c d 感光 芯片是一片由许多光敏感性材料制成的像元组合成的二维面阵。此种光敏感性材 第二章c c d 技术及其成像的基本原理 料可以将入射光线中的光量子转变成电子，并累积成电荷。c c d 曝光之后，相 机再将c c d 芯片中每一个像元的电荷按行提出，送入一个缓冲区。这一过程在 图像获取模块，即一片由光敏