（检测技术与自动化装置专业论文）基于图像处理的纸浆纤维测量技术研究.pdf

山东轻t 业学院硕十学位论文 摘要 纸浆纤维的长度、宽度、弯曲度是纸浆纤维的重要参数，纤维特性不仅影响 到纸浆的质量，还直接关系到成品纸的产品质量。实现对纸浆长度等参数自动检 测，准确快速的获得结果，以便用其指导生产过程，提高成纸质量，具有重要的理论指 导意义和广阔的应用前景。 本文对图像检测技术在纸浆纤维长度参数测量应用进行了研究。在对纸浆纤 维的测量中，由于c c d 摄像机一次检测的范围受到限制，无法对长纤维进行一次 成像，影响纤维检测精度和速度的问题，提出在检测系统中添加图像拼接技术。 简单介绍了目前的图像处理技术和图像拼接技术的应用情况，然后详细介绍 了图像检测系统及软件结构、数字图像处理主要内容、数字图像预处理方法。通 过对数字图像处理技术的应用现状做了广泛的研究和对比，结合纤维自身的特点， 逐步确立了纤维图像处理方法。 结合图像拼接的流程图，重点阐述几何变形校正、图像配准和图像合并这三 项图像拼接过程中的关键技术。编写了g a u s s l a p l a c e 算子、r o b e r t 算子、s o b e l 算子、p r e w i t t 算、k r i s c h 算子的v c 程序代码，通过比较试验，确定了适合于纸 浆纤维检测的算子。确定了m a r q u a r d t l e v e n b e r g 算法作为核心算法，该算法对相 邻图像之间运动没有严格的限制，比较适合纤维检测要求。软件方面，使用 l a b v i e w 进行了平台的搭建，通过v i s u a l c + + 编写算法，实现了纸浆纤维图像读 取、灰度值转换、边缘检测、阈值分割、滤波等图像处理算法，最后进行了d l l 封装，实现算法的l a b v i e w 调用。 关键词：纸浆纤维；图像处理；图像拼接；l a b v i e w i i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h el e n g t h ，w i d t h ，a n db e n d i n go fp u l pf i b r ei st h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r f i b r o u s p r o p e r t yn o to n l ya f f e c t st h ep u l pq u a l i t yb u t a l s oh a v et h ep e r f o r m a n c eo ft h eq u a l i t yo f p a p e r t h er e a l i z a t i o no fa u t o m a t i cm e a s u r e m e n to f s u c h k i n d o fm o r p h o l o g y p a r a m e t e r si na na c c u r a t ea n df a s tw a yi sf u n d a m e n t a l t og u i d et h ep a p e rm a k i n g p r o c e s s ，a n dt h e ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fp a p e r s oi th a sg r e a ts i g n i f i c a n c ei n t h e o r ya n dab r o a dm a r k e tp r o s p e c t t h er e s e a r c ho nt e c h n i q u eo fd e t e c t i o no fp u l pf i b r eb a s e do nd i g i t a li m a g ep r o c e s s h a sb e e nm a d ei nt h et h e s i s ，b e c a u s eo ft h el i m i t e dv i s i o no fc c dv i d i c o n ，i tc a n tt a k e t h ew h o l ep i c t u r eo ft h el o n gf i b r eo n c ea n da f f e c t st h ep r e c i s i o na n ds p e e do ft h e d e t e c t i o no ft h ef i b r e s oi m a g em o s a i c i n gi su s e di nt h ed e t e c t i o ns y s t e m t h ea p p l i c a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h ei m a g ed e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n d i m a g em a t c h i n gt e c h n o l o g y a r eg e n e r a l l yi n t r o d u c e d ，e s p e c i a l l yt h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ec o n s t r u c t i o no fd e t e c t i o n s y s t e m ，t h ec o n t e n ta n dm e t h o d o fi m a g e p r e p r o c e s s i n ga r ei n t r o d u c e di nd e t a i l s a f t e ral o to fr e s e a r c ha n dc o n t r a s to nt h e a p p l i c a t i o no fi m a g ep r o c e s s i n g ，w ep r o p o s e t h ep r o p e rm e t h o df o r t h em e a s u r e m e n to f m o r p h o l o g yp a r a m e t e r so fp u l pf i b r e a c c o r d i n gt ot h ef l o wc h a r to fi m a g em o s a i c i n g ，t h r e ek e yt e c h n o l o g i e sa r e e x p a t i a t e di nt h ep r o c e d u r eo fi m a g em o s a i c i n gw h i c hi n c l u d i n gi m a g ea c q u i s i t i o n ， g e o m e t r i cc o r r e c t i o n ，a n di m a g er e g i s t r a t i o na n db l e n d i n g t h eg a u s s - l a p l a c eo p e r a t o r , r o b e r to p e r a t o r , s o b e lo p e r a t o r , p r e w i t to p e r a t o ra n dk r i s c ho p e r a t o rh a v eb e e nd o n ea s v cp r o g r a m s t h r o u g ht h ec o m p a r a t i v es t u d yo fd i f f e r e n tm e t h o d s ，w ea d a p tt h em o s t s u i t e do n ef o rt h ed e t e c t i o n - s y s t e m b e c a u s eo ft h el o wl i m i ti nm o t i o nb e t w e e nt h e i m a g e s ，w ec h o o s i n gt h em a r q u a r d t - l e v e n b e r gm e t h o da st h em a i nm e t h o d ，w h i c hi s m o s ts u i t e df o rt h ed e t e c t i o n s y s t e m o nt h es o f t w a r e ，t h el a b v i e wi sb eu s e dt o c o n s t r u c tt h ep l a t f o r mf o rt h es y s t e m t h es y s t e mp r o g r a m ss u c ha sr e a d i n gt h ei m a g e o fp u l pf i b r e ，t h ec o n v e r t i o no fg r a yv a l u e ，t h et e s to ft h ee d g e ，t h es e p a r a t i o no f t h r e s h o l d ，w a v ef i l t e r i n g ，a r ed e s i g n e da n de n c a p s u l a t e di nd l lb yv i s u a lc + + f i n a l l y t h ep r o g r a m sa r ea p p l i c a t e di nl a b v i e w k e y w o r d s ：p u l pf i b r e ；i m a g ep r o c e s s i n g ；i m a g em o s a i c i n g ；l a b v i e w i v 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文中 引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上己 属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工业 学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专 利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名 单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名：丝童兰墨 导师签名： 山东轻t 业学院硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 人类传递信息的主要媒介是语音和图像。据统计，在人类接收的信息中，听 觉信息占2 0 ，视觉信息占6 0 ，其他如味觉、触觉、嗅觉总的加起来不过2 0 。由此看出，作为传递信息的重要媒体和手段图像信息是十分重要的【l 】。数 字图像处理是一门内容十分丰富，并且发展迅速的新学科，它研究利用计算机完 成图像信息各种处理的基本理论和方法，是人类从客观世界获取信息的重要来源， 是人类视觉延续的重要手段，也对国计民生有重要意义。 图像处理技术基本可以分成两大类：模拟图像处理( a n a l o gi m a g ep r o c e s s i n g ) 和数字图像处理( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) 。数字图像处理是指将图像信号转换成 数字信号并利用计算机进行处理的过程。其优点是处理精度高，处理内容丰富， 可进行复杂的非线性处理，有灵活的变通能力，一般来说只要改变软件就可以处 理内容【2 1 。 视觉是人类最重要的感知手段，图像又是视觉的基础【3 】。数字图像处理技术主 要包括如下内容：几何处理( g e o m e t r i c a lp r o c e s s i n g ) 、算术处理( a r i t h m e t i c p r o c e s s i n g ) 、图像增强( i m a g ee n h a n c e m e n t ) 、图像复原( i m a g er e s t o r a t i o n ) 、图 像重建( i m a g er e c o n s t r u c t i o n ) 、图像编码( i m a g ee n c o d i n g ) 、图像识，j l j ( i m a g e r e c o g n i t i o n ) 、图像理解( i m a g eu n d e r s t a n d i n g ) 。数字图像处理技术的发展涉及信 息科学、计算机科学、数学、物理学以及生物学等学科【4 】，因此数理及相关的边缘 学科对图像处理科学的发展有越来越大的影响。近年来，数字图像处理技术日趋 成熟，它广泛应用于空间探测、遥感、生物医学、人工智能以及工业检测等许多 领域，并促使这些学科产生了新的发展。 1 2 图像检测技术与图像拼接的应用现状 数字图像检测技术是数字图像处理运用在检测技术领域的一个重要分支，是 将计算机图像处理技术应用于工业检测问题的- - i - j 交叉学科。利用这一技术可以 解决许多工业检测环节的问题，取代落后的人工手动检测。如几何尺寸测量及自 动检测1 5 】；流体力学图片的阻力和升力分析以及在显微医学图像【6 】【7 1 、红外成像检 测等。很多部门也开发出针对不同图像检测软件，如哈尔滨工程大学的基于数字 图像处理的颗粒细度检测系统1 8 1 ；南京师范大学的基于数字图像处理的椭圆形孔径 自动检测系统等 9 1 ，这些图像检测软件的出现推动了数字图像与检测的发展，同时 也使更多的领域可以使用图像检测的方法来代替传统的方法。 第l 章绪论 在人们实际生活和工作中往往需要获得宽视角、高分辨率的全景图像，但是 由于摄像设备的机械限制，一般只能得到局部的成像，而得到全景图像的硬件设 备( 全景相机、广角镜头等) 一般比较昂贵，不适合普遍应用，于是人们提出了 利用计算机进行图像拼接来获得全景图的方法。图像拼接技术广泛应用于数字视 频、运动分析、虚拟现实技术、医学图像分析、遥感图像处理等领域。 图像拼接技术原理是根据图像重叠部分将多张衔接的图像拼合成一张高分辨 率全景图。这些有重叠部分的图像一般由两种方法获得，一种是固定照相机的转 轴，然后绕轴旋转所拍摄的照片；另一种是固定照相机的光心，水平摇动镜头所 拍摄的照片【l0 1 ，其中，前者主要用于远景或遥感图像的获取，后者主要用于显微 图像的获取，他们共同的特点就是获得有重叠的二维图像。本课题使用显微镜自 动拍照获得的图片即属于第二种情况。 图像拼接技术应用的领域十分广阔，因此受到不少研究人员的关注，目前图 像拼接已经成为图像处理领域的一个重要研究方向【1 1 j 。提高图像的分辨率和获得 更大视野是进行图像拼接的两个直接的和主要的目的【l2 1 3 】。很多专家学者都提出 了拼接的方法，但是目前还没有通用的拼接技术可以同时满足精度和速度的要求， 大部分拼接技术需要人工的干预，无法做到全自动拼接。图像拼接方法一般可分 为基于区域和基于特征两种方法，基于区域的拼接方法利用的是图像的大部分灰 度信息，而基于特征的方法则是通过提取图像中的点、边缘、轮廓等特征进行匹 配，运算量相对较少，受噪声的影响较小，因此近年来的研究主要是针对图像的 特征。国内图像拼接处理技术相对起步较晚【1 4 15 、1 6 】，但近几年来，在我国的一些科 研院所和高等院校，有不少科研人员做这个方向的研究与实践。 最早的基于区域的拼接方法是模板匹配法【17 1 ，该方法通过比较两张图像覆盖 区域各个像素的匹配程度，进行所有可能的平移之后选择最匹配的一种情况，该 方法算法简单，运算量大，速度慢。东南大学工程力学系康新、何小元等及中南 大学的朱远平、夏利民等在图像匹配和拼接方面的研究【l 1 9 】。 主要是利用模板匹配的方法进行搜索来确定重叠区边界或者最佳匹配位置， 从而获得拼接图像。这种拼接方法一般要求相邻图像的重叠部分比较大，由于拼 接的精度不高，通常用在图像的粗匹配阶段。 中国科学院理学研究所的赵唯、李端义和湖南大学的刘政权等对基于小波变 换的图像拼接方法进行研究【2 0 、2 1 1 ，小波变化的方法有匹配准确率高和拼接效果好等 优点，但也有计算量大和受噪声干扰影响大的缺点。 北京航空航天大学的候在克、电子科技大学的刘金根、吴志鹏等则对基于轮 廓特征的图像拼接算法进行了研究【2 2 _ 3 1 ，基于轮廓特征的拼接方法具有速度快、 精度高的优点，但是受到特征量的选择、特征提取等因素的影响，使这种方法使 用受到限制，主要应用于纯粹的图像配准应用中【2 4 、2 5 1 。 2 山东轻t 业学院硕上学位论文 一个完整的图像拼接过程通常包括图像采集、图像校正、图相匹配和图像合 并四个步骤。图形采集的优劣直接影响到图像校正的难易，会造成图像几何畸变 和灰度差异。图形的匹配是在图像经过几何校正的前提下进行的。图像融合就是 将两幅经过校正且通过匹配确定重叠区域的图像合并为一幅图像。一个好的图像 拼接系统能够根据实际应用有效的整合各个技术环节，提高图像拼接的效率、减 少处理时间和增强拼接系统的适应性。 1 3 课题意义 造纸工业作为全球第三大制造业，虽然也像其他传统产业有着浓厚的色彩， 但随着图像处理技术的广泛应用，大大推动和提高了造纸工业的自动测量、自动 控制的水平【2 6 1 。从8 0 年代起，计算机图像处理技术被逐步应用到了造纸工业领域。 它可以广泛应用于分析检测木质纤维、浆料纤维、纸页成型、填料、涂料结构和 分布、纸张性能等伫7 1 。总的来说，图像处理技术在造纸行业上的应用是通过两种 方式来体现的，一是脱机应用，如均度的测定和尘埃度、印刷斑纹及纸页平滑度 的分析等；另一个就是联机在线监测，如网部纸幅变化、纸幅针眼监测以及涂布 过程中徒步条文的监测等【2 8 】。 纸浆纤维的长度、宽度、弯曲度以及各长度的分布密度是纸浆纤维的重要参 数【2 9 1 ，纤维特性不仅影响到纸浆的质量，还直接关系到成品纸的产品质量。传统 上，纤维形状的测量很大程度受样品制备和数据分析中人为因素的影响。 纤维长度是最重要形态参数。它对成纸性质具有非常强烈的影响。比如较长 的纤维长度可以获得较高的撕裂强度、抗张强度和耐折强度，但同时也会增加纤 维絮聚的危险，从而降低成纸匀度。 因为任何纤维原料中每根纤维长度并不完全相同，因此，需要采用不同纤维 的平均值做为参数从宏观上衡量纤维的长度特性。通常采用的平均方法有算术平 均值、长度加权平均值和质量加权平均值【3 0 】。 算术平均值： ，：坐! 生 式( 1 1 ) “ n ： 长度加权平均值： ：竺! 垡 式( 1 2 ) 艺n ， 质量加权平均值： k ：搿 式( 1 3 ) 公式中m 为所测各组纤维的根数，厶为各组纤维的平均长度。 分布频率( d ) 指不同长度范围内的纤维分布情况。其计算方法如下： 第l 章绪论 d = 矗1 0 0 式l 4 ) 造纸用纤维的形态参数除了常用的纤维长度及其分布外，还有纤维的卷曲 ( c u r l ) 和扭结( k i n k ) t 3 1 】【3 2 】【3 3 1 。由于纤维的抄造与成纸特性在很大程度上取决于纤维 的形态参数，所以，在制浆造纸过程中，对纤维形态参数及其变化的测量是非常 重要的。 纤维卷曲，是指纤维平直方向的弯曲。单根纤维卷曲的程度可以由卷曲指数 c ，( c u r ii n d e x ) 来表示。其定义如下： c ，：导一1 式( 1 5 ) f 式中c ，卷曲指数 纤维的真实长度 z 纤维的投影长度 平均卷曲指数： 数学平均： c ，：骅一l 虮6 ) 式中c ，数学平均卷曲指数 厶第f 根纤维的真实长度 t 第f 根纤维的投影长度 长度加权平均： c ：弩 虮7 ) 式中q ，加权平均卷曲指数 厶第f 根纤维的真实长度 正第f 根纤维的投影长度 纤维的扭结是指由于纤维细胞壁受损而产生的突然而生硬的转折。现在普遍 采用k i b b l e w h i t e 所定义的方法来表征纤维的扭结程度。k i b b l e w h i t e 发现，扭结程度 高的纤维在纸张的物理性质，如抗张强度、撕裂强度等方面会受到较大的削弱。 扭结指数的k i b b l e w h i t e 公式定义如下【3 4 】： 足，：生业土坐型霉竺竺型竺k 业 式( 1 8 ) l l o t 口l 式中k ，扭结指数 ( 。) 定角度范围内的扭结个数 乞枷总纤维数 纤维的粗度指l o o m 纤维总长度中纤维的质量，以m g 表示，或m g l o o m 表 示。纤维的粗度同时包括了3 个方面的影响因素3 5 】：纤维细胞壁厚的影响； 4 山东轻工业学院硕士学位论文 纤维胞腔的影响；纤维中各组分密度影响。粗度在抄纸中与纤维长度一样重要， 但由于其测量较难而很少应用。造纸用的最粗纤维，其粗度可超过3 0 m g 10 0 m ， 而极细小纤维则小于l o m g l o o m t 如j 。 我们可以通过评价纤维参数对制浆造纸的影响，进而确定纤维特征与纸张性 能。纸浆纤维的平均长度与纸张综合强度存在着密切的相关性【3 7 】，长纤维可以提 供更大的结合面积与更好的作用应力分布，在纤维之间产生更多的键结合，使得 纤维网络强度更大。湿纸页的强度随纤维长度的增加而迅速增加。抗张强度、撕 裂度、耐破度业虽纤维长度提高而改善。但长度增加到一定程度时，在纸浆悬浮 液中极易絮聚成团，对纸页匀度有负面作用，甚至降低纸页强度。 纤维的长度、粗度和强度是造纸纤维的三个基本性质，与纸张的性能有着密 切的关系。前两者反映了纤维形态的基本特征，纤维长度和强度的变化主要影响 纸页的强度，而纤维粗度的影响几乎遍及所有纸页的性质f 3 列。粗度对纸张的多数 强度性能、空气和液体渗透性以及表面平滑度均有重要的影响。粗度与每克重的 纤维数之间有一个相反的关系，它可影响纸张的许多强度性能。维强度对纸页强 度的影响也与纤维结合程度有关。【3 9 】对结合较差的纸页，其影响程度很小，因为 纸页断裂主要发生在结合部位，并不是纤维断裂；而对结合良好的纸页，纤维强 度大大地影响受纤维裂断控制的那些强度性质，纤维强度的降低会导致抗张强度、 耐破度、耐折度和撕裂度的明显下降，尤其是耐折度下降更多。由于绝大多数纸 页都是结合很好的，纤维强度直接影响到纸的强度，因此在工艺过程中，应将纤 维强度的损失降低到最小限度【4 0 1 。 随着计算机影像分析技术的发展，使纤维形态参数的快速测量成为可能。根 据对纸浆纤维的物理特性与形状特征分析，设计了基于计算机视觉的纸浆纤维分 析仪，在传统方法的基础上结合图像分析理论，提出了精度较高的纤维图像处理 算法，提高了识别精度与准确率，为纤维的形态测量开辟了一条新途径。 本课题的重点在于实现一个有应用价值的图像拼接软件的同时，对图像拼接 的相关技术进行了研究和改进。尤其是将图像拼接技术运用于本纸浆纤维参数检 测中，是课题的一大尝试，具有很多特殊性。所以针对本课题的特殊性，一方面 利用图像拼接增加图像检测系统检测精度；另一方面使得图像拼接中计算量大和 误配率高的问题在一定程度上得到解决，为进一步开发应用纸浆纤维参数自动检 测系统提供了理论和技术准备。 1 4 课题研究的主要内容 1 4 1 本文的研究课题及任务 目前国内没有研究成果，而国外的相关技术存在保密性，所以在本课题的研 第1 章绪论 究中，主要借鉴数字图像处理在颗粒细度、羊毛纤维检测中的方法和在生物医学 工程方面的应用，同时结合纸浆纤维本身的卷曲、扭结、絮聚等特殊性，根据我 们硬件的实际情况，结合本课题的需要，设计出检测系统的系统结构。然后从理 论和实用两方面探讨，并解决纸浆纤维形态参数的检测中图像拼接所遇到的一些 共性问题，主要包括图像检测系统的正确采集、预处理和图像拼接等。 在课题的软件设计方面，以l a b v l e w 为开发平台。l a b v i e w ( l a b o r a t o r y v i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是实验室虚拟仪器开发平台的简称。专 门用于虚拟仪器开发的图形化软件编程的开放式开发平台，提供了d l l 接口和 c i n 接口，同时还以图形方式提供了大量的显示和按钮控件，利用此软件平台可 大大降低成本，缩短项目丌发时刚4 。 主要的数字图像处理算法采用v i s u a lc + + 6 0 进行编写，把数据和对数据的处 理方法封装在一个类中。实现了数据封装和数据抽象，程序的可维护性好，代码 重复利用率提高【4 2 1 。 所做的研究工作如下所列： ( 1 ) 根据项目要求，构造检测系统的的系统结构，包括硬件和软件两部分。 对核心部件的工作原理和性能进行了阐述。 ( 2 ) 在l a b v i e w 平台下编写非n i 模块( 和利时电机运动控制卡、大恒图像 采集卡) 的控制程序，完成步进电机扫描的机械动作和图像采集的要求。 ( 3 ) 介绍图像预处理的主要方法，结合图像处理技术与造纸工业应用现状， 提出本课题的主要研究方法。 ( 4 ) 对于原始图像对比度差，噪声干扰明显，尺寸、位置不匹配的情况，对 比了多种图像锐化算子的特点，研究了图像拼接前的预处理算法，包括图像增强、 提取边缘等一系列算法。使经过预处理后的纸浆图像消除典型噪声的影响，为图 像的后续处理做好准备。 ( 5 ) 将预处理后的图像拼接成完整的纤维图像。要达到实际检测所需要的标 准，就需要对各种图像拼接的算法进行评估和筛选，并对可行的算法根据实际需 要加以改进，本课题针对几种典型的拼接算法进行研究和比较，同时使用典型样 本对这些算法的参数和结构进行了优化、调节，完成图像拼接，便于后续处理。 ( 6 ) 在课题的研究过程中，对所用到的算法都编写相应程序，经过多次调试 与修改，使之完善。 1 4 2 本文结构 本文按照先原理与方法后算法与实现的顺序，依照纤维图像检测系统的开发 过程，分七章阐述本课题的研究工作情况。 第l 章绪论 6 山东轻工业学院硕上学位论文 阐述数字图像处理与数字图像检测技术的概念、发展与应用，图像拼接技术应 用情况。介绍了本课题的选题背景、研究的主要内容、及本文的结构； 第2 章纸浆纤维测量系统设计 提出检测系统的硬件结构和软件结构的设计。主要介绍纸浆纤维测量系统的 构成、工作原理，对硬件结构的各个组成及相应性能，软件模块的各个功能结合 课题提出了设计要求。在l a b v i e w 平台下编写非n i 模块的控制程序，实现快速 开发，节约成本的效果。 第3 章图像预处理 本章对图像拼接中所涉及到的图像处理方法进行介绍，图像直方图均衡、边 缘检测，分析了图像采集中常见的噪声，以及如何消除噪声，加强有用信息，为 下一步图像分割做好准备。 第4 章图像拼接技术 本章介绍了图像拼接技术中的一些基本概念，以及图像拼接算法，通过研究 这些算法，提出了改进算法。介绍了图像分割的内容、步骤。结合本课题纤维的特 殊性，选择了合适的图像拼接技术，给出了图像匹配中基于模板匹配的一般算法 及改进措施。 第5 章数字图像拼接编程 在l a b v i e w 平台下进行开发，运用面向对象的v c + + 高级语言编写出图像拼 接所需要的算法程序，并介绍本纤维图像拼接的相关界面及图像拼接测试的结果。 第6 章结论 本章对本课题的研究进行了简短的总结，并分析指出今后有必要开展的相关 研究工作。 7 第2 章纸浆纤维测量系统设计 第2 章纸浆纤维测量系统设计 2 1 纸浆纤维测量系统的构成 纸浆纤维测量系统一般包括两个方面，硬件部分和软件部分，硬件部分主要 指数字图像采集部分，包括如显微镜、c c d 摄像头、图像采集卡等数字图像采集 工具，在软件部分，很多公司都根据不同的图像处理功能需要，而丌发出不同的 图像处理软件。 一般来讲，数字图像处理系统主要有图像采集系统、计算机图像处理系统和 图像输出设备三部分构成。如图2 1 所示： 自然图像 图像采集 系统 计算机处理 系统 图2 1 图像处理系统框图 2 2 纸浆纤维测量系统工作原理 所示： 图像输出 系统 数字图像 针对纸浆纤维图像检测的具体情况，我们设计了一个图像检测系统，如图2 2 图2 2 纸浆纤维测量系统原理图 步进电机控制载物台按一定顺序运动，工业c c d 摄像头通过显微镜采集载 玻片上放大的纤维图像，经图像采集卡进行a d 转换，转换成数字图像，然后通 过上位机处理，得到需要的图像信息。 山东轻t 业学院硕士学位论文 2 3 纸浆纤维测量系统硬件组成 纸浆纤维测量系统硬件部分主要由显微镜、工业c c d 摄像头、图像采集卡、 步进电机、图像存储单元、计算机等设备组成。 现在对该系统各主要部分进行详细说明。 2 3 1 显微镜 显微镜是观测的核心部分，其性能的好坏直接关系到后面的处理过程。图像 观测的显微镜精确度越高，可以取得越好的观测图像，对于数字图像的下一步处 理有更好的效果。可以更好的本系统采用强盛公司的显微镜。图像采集系统将显 微镜摄取的显微图像转换为数字信号，存入计算机内存中，以便于下一步的数字 图像处理。 2 3 2 工业c c d 摄像头 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) ，称为电荷耦合器件，是七十年代初发展起来的新 型半导体器件。它是美国b e l l 实验室的w s b n o y l e 和g e s m i t h 于1 9 7 0 年首先提 出来的，后来很快被a m a l l o 等人的试验所证实，建立了非稳态c c d 基本理论。 c c d 应用技术是集光学、电子学、精密机械及计算机技术为一体的综合性技术。 不同于以电压或者电流为信号的其他大多数器件，电荷耦合器件的突出特点是以 电荷为信号。c c d 的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此，c c d 工作过程 的主要问题就是电荷的产生、存储、传输和检测。 本图像采集系统应用c c d 摄像头将显微镜摄取的纤维图像的模拟信号接入图 像采集卡进行图像采集工作。采用的c c d 摄像头为日本j v c 公司的t k c 1 3 1 8 型 号，主要性能指标有：成像设备1 2 英寸；成像区域，4 4 0 ，0 0 0 像素 7 5 2 ( h ) ，5 8 2 ( v ) ； 扫描频率，1 5 6 2 5 k h z ( h ) ，5 0 0 h z ( v ) ；信噪比，4 8 d b ；分辨力，4 7 0 t v ( h ) ；供电 电源，a c 2 3 0 v ，6 0 m a ，5 0 h z 。 2 3 3 图像采集卡 v i d e o - p c i - x r 是北京大恒图像视觉有限公司设计的、基于p c i 总线的高速 黑白图像采集卡，图像传输速度可达4 0 m b s ，实现数据的实时传送。可实时采集单 场、单帧，连续场、连续帧以及间隔任意场和帧等多种方式灵活采集图像；支持 标准黑白视频视频信号输入( p a l 、n t s c ) ；支持v g a 所有显示方式及9 种图像采 集格式；亮度、对比度、饱和度、色度以及画面大小比例，均可软件调节。采集 图像在计算机显示器上显示，实现图像和图形同屏显示的工作方式。 9 第2 章纸浆纤维测量系统设计 2 3 4 步进电机及驱动器 本系统中所用驱动器为北京和利时电机技术有限公司的两相混合式步进电机 细分驱动器，型号为s h 一2 4 0 2 a 。通过驱动器面板上六位拨码开关中的第1 、2 、3 位可以设定其运行模式，通过第4 、5 、6 位则可设定其输出电流的大小。驱动器 输入信号主要包括：公共端，脉冲信号输入，方向信号输入，脱机信号输入。 本系统所采用的两个电机均为北京和利时电机技术有限公司的两相混合式步 进电机，具有体积小，高转矩，低振动的特点。一个为2 8 系列，型号2 8 b y g 2 2 5 b 。b a m r s l 0 0 7 1 ，另一个3 5 系列，型号3 5 b y g 2 5 0 b b a s s m q 0 0 8 1 。 本检测系统电机的控制如下图所示： 计算机 6 0 3 0 电机 步进 八 步进 控制卡 驱动器v电机 图2 3 本系统中的电机控制示意图 计算机通过控制软件对电机控制卡进行读写操作，并向控制卡发出位移、速 度、加速度等命令；6 0 3 0 电机控制卡根据计算机的命令产生脉冲序列，脉冲个数 ( 位置) 、频率( 速度) 及频率变化率( d n 速度) 均受计算机控制；步进驱动器的 作用就是能把输入的脉冲转换成环形脉冲，以便控制步进电机，每个脉冲将使电 机转动一个固定的步距角度，根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道最初 位置，便可知道步进电机的最终位置。 6 0 3 0 系列电机控制卡包括一块6 0 3 0 p c i 主板和一块6 0 3 0 端子板，最高脉冲发 生率可达l ，0 0 0 ，0 0 0s t e p s s e c 。要使用6 0 3 0 板卡的控制软件，应先将6 0 3 0 动态 链接库文件拷贝到w i n d o w s 系统目录下( c ：w i n d o w s s y s t e m 3 2 ) ，或者系统的工作 目录。将d f j z h 6 0 3 0 a p i 1 i b 及头文件d f j z h 6 0 3 0 a p i h 包含在工程项目中，这样就可 以使用6 0 3 0 的库函数了。 2 3 5 计算机 计算机最低硬件配置要求，系统支持w i n9 x 和n t 核心，w i n d o w s9 5 ，9 8 ， 2 0 0 0 ，2 0 0 3 ，x p ，内存2 5 6 m b 以上，显卡显存1 2 8 m b 以上，c p ui n t e lp e n t i u m l v 。 这样基本可以满足数字图像拼接、图像分析的要求。 2 4 纸浆纤维测量系统软件组成 纸浆纤维测量系统软件主要包括：电机控制、图像采集、图像拼接、图像处 1 0 山东轻工业学院硕士学位论文 理等几个功能模块。 2 4 1 电机控制 为了使拼接的图像精确度高，运算速度快，我们对整个纸浆纤维测量系统的 成像系统进行软件和硬件两方面的控制。编写电机控制模块，从软件方面对载物 台的移动进行精确的控制，通过调整初始速度、驱动速度、运动方向等运动参数， 以及位置坐标、响应时间、运动方式等几个方面进行控制。 2 4 2 图像采集 将载物台位置归零后，把做好的纸浆试样放在载物台上固定好，系统开始按 照一定的次序扫描载玻片，执行纸浆试样图像的采集和图像预处理。图像采集对 要采集的图像进行采集方式、存储方式以及显示方式的参数设置，为下一步的图 像拼接、图像处理、图像分析等做准备。图像的预处理包括图像的狄度变换、图 像的滤波、噪声的抑制、图像的锐化及边缘检测等。经过预处理得到的图像消除 噪声、强化有用信息，便于下一步的处理。 2 4 3 图像拼接 为了提高图像的分辨率和受限于c c d 摄像头的有效域，系统每次检测的范围 很小，这样对于纸浆试样中的较长纤维无法一次成像。图像拼接功能就是把前面 采集到的区域部分的图像，拼接成一幅完整的图像以便进行图像处理和图像分析， 达到最佳图像处理效果，提高检测的准确率。 2 4 4 图像处理 图像处理针对图像拼接后的图像的进一步的优化处理，主要包括：图像加运 算、灰度调整、平滑滤波、中值滤波、锐化、边缘检测、图像腐蚀、图像膨胀、 图像细化等处理，使图像达到最佳观看效果，从而剔除不必要的测量结果，减少 误差，使测量结果准确，更好的完成纸浆纤维的测量工作。 2 5l a b v i e w 下非n i 模块程序编写 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r d b e n c h ) 是实验室虚拟 仪器开发平台的简称。它是美国n i 公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t c o m p a n y , 美国国家 仪器公司) 8 0 年代推出的一种基于g 语言( g r a p h i c s - l a n g u a g e ，图形化编程语言) 的虚拟仪器软件丌发平台。 l a b v i e w 是专门用于虚拟仪器开发的图形化软件编程平台，目前最新版本为 8 5 。图形化的表示方式是比文本代码更为自然的设计表示法，在这个平台上，用 户通过定义和连接代表各种功能模块的图标来方便迅速地建立起自己的应用程 第2 章纸浆纤维测量系统设计 序。在这个软件环境中，用户只要连接各个逻辑框图即可构成系统。同时，l a b v i e w 还以图形方式提供了大量的显示和按钮控件，利用此软件平台可大大缩短项目开 发时间。作为一个开放式开发平台，l a b v i e w 提供了d l l 接口和c i n 接口，用 户在l a b v i e w 平台上能调用其他软件平台编译的模块，并提供对对象链接和嵌入 技术( 简称o l e ) 的支持。 l a b v i e w 强大的界面编辑功能以及它能够调用w i n d o w s 3 2 动态连接库的特 点，首先在v c 编译环境中将编写好的动态链接库文件按照功能块区分，封装成子 v i 文件。在l a b v i e w 环境中编写程序主界面时，调用封装好的子v i 文件来编写所 需的处理程序。 其主要过程如图5 1 所示。 硬什驱动程将函数封装 编写l a b v i e w 程序封装e x e 文件， 序库函数 成d l l 文件 斗 调用d l l 文件 打包发布 图2 4 程序编写流程 2 5 1 和利时6 0 3 0 电机运动控制卡程序开发 根据试验要求，我们设计了步进电机运动控制系统。在设计过程中，6 0 3 0 电 机控制卡的动态链接库是标准的w i n d o w s 3 2 位动态链接库，选用的开发工具应支持 w i n d o w s 标准的3 2 位d l l 调用。我们在v c 编译环境中编译出运动控制所需要的动 态链接库文件，( & j d l l 格式) ，将编写好的动态链接库文件，调用编程后，封装成 l a b v i e w 的子v i 功能模块，易于维护，方便调用【4 引。在l a b v i e w 将环境中编写程 序主界面时，调用封装好的子v i 功能模块来编写所需的运动控制程序。 在开发中使用l a b v i e w 8 2 中文版本，较8 0 有很大的改进。首先在l a b v i e w 的后面板中选择互连接口中的库与可执行程序，然后选择调用库函数，将其拖到 适当的位置。在新建的空库函数中选择配置，正确配置d l l 参数。本文以6 0 3 0 电机控制卡函数库中的s t o p函数为例做一下详细介绍，如图25示：move6030 1 2 糸轻r 十# 镕i 龋k 蕾z 幽_ i _ r t 肿“ol i 撼 刊咤慧珊o _ _ i _ _ i _ ，i 图2 5 选择库函数 库名或路径下，选择d l l 路径c ：w i n d o w s b y s t e m 3 2 d l j z h 6 0 3 0 a p id 1 ，在 函数名下选择封装好的功能函数s t o p，在右侧菜单线程选项中选择“在_move6030 u i 线程叶1 运行”，在调用规范巾选择应与j ；i jc + + 语言编写的动盎库的编译模式相一 致。如果c + l 的调t j 方式为e x t e r n ”c ”d e c l s p c c ( d 】l e x p o m ，那么c a l l i n g c o n v e n t i o n s 的选项为c _ 如果调川方式为e x t e m d e c l s p e c ( d l l e x p o r t ) s t d c a l l ，则c o n v e n t i o n s 的选 项为默认值“s t d c a l l ( w i n a p i ) ”，此处一定要设定正确，啬则会出现小可预知的错 误。在第二项参数选项中，设置好对应的参数值，此雨数有3 个参数，r e t u m v a l u e ， v a l u e ，a x i s ，在参数选项中设置完成后，可以在函数原型下显示出来。最后在回调 中选择需要的回调函数。如图2 6 所不： 誓出皿颤瞄瞄簟_ o t n e 口j 圜口 一 n # 掌 哼= 眷“ 自a * j 0 f h m h m k 剧2 6 设置参数 第2 章纸浆纤维测量系统世* 经过编译后的6 0 3 0 电机功能函数就可以被l a b v i e w 调用了。为了分发时简 单，可以更方便打包发布，我们将d l l 文件封装成子v i 模块方式，这样分发程 序时只需要个e x e 文件就可以了。封装好的l a b v i e w 子v i 模块如图27 所示： 团园匝 t * 功川b y ? 圈圈匿 e w $ i 4 口 腰$ 目 圈圈匿 圆 圈 圜 圈 团 图27 封装6 0 3 0 功能函数于v i 将功能函数配胃好，打包封装成l a b v i e w 的子v i 后，我们町以像使用基本 函数一样调用这些函数了。针对自动控制的要求，为了实现对载物台的移动进行 精确的控制，通过调整柳始速度、驱动速度、运动方向等运动参数，以及位置坐 标、响应时间、运动方式等几个方面进行控制。部分程序如下图2 8 所示：