（检测技术与自动化装置专业论文）气门小端面气孔缺陷图像自动识别技术的研究.pdf

摘要 摘要 刚刚过去的二十多年，图像自动识别技术的研究蓬勃兴起。目前， 在众多领域，图像自动识别技术应用日益成熟。本文提出气门小端面气 孔缺陷图像自动识别技术的研究课题，旨在利用图像自动识别技术和先 进控制技术解决工业生产中气门小端面缺陷检测的实际问题。 课题首先对研究对象一气门小端面缺陷，进行了特征统计分析，得出 气门小端面缺陷的分布特征、形状特征；通过分析，发掘出缺陷气门与 合格气门成像上的差异，从而为基于图像识别技术的气门小端面缺陷检 测系统研制提供了设计依据。 课题设计了一套实验装置，包括图像实时采集系统和图像缺陷识别 系统，用于采集气门小端面图像并进行自动识别的研究。图像实时采集 系统主要由光源、摄像机、图像采集卡和p c 主机以及在p c 机上开发的 采集程序构成；图像缺陷识别系统主要是利用图像预处理和缺陷识别算 法开发的软件程序。图像采集程序是在p c 机上利用v c 对图像采集卡进 行二次开发，进行图像实时采集并且可以适当调节图像质量；图像缺陷 识别程序则是利用c c + + 语言设计出图像识别算法，计算出缺陷合格产 品的数字判据，进行最终判断。 课题利用研制的实验装置，对若干气门进行了实物测试。测试内容 主要包括：( 1 ) 混合测试。将混有合格气门的各类缺陷气门混合成一组样 品，进行缺陷检测；( 2 ) 重复性测试。对每个气门样品，分别采集四张不 同方位、不同角度的小端面图像，进行缺陷检测。实验测试结果表明， 实验装置的精度、准确度均达到了较高的技术指标。因此，课题所设计 的图像采集系统、图像缺陷识别方法是完全可行的。 最后，对研制实用化的气门小端面气孔缺陷图像自动识别装置进行 了展望，提出了若干改进思路，期待在后续工作中完成。 广东工业大学硕士学位论文 关键词：气门小端面；图像识别技术；图像采集卡；图像预处理 图像扫描 i i 摘要 a b s tr a c t i nt h ep a s t t w e n t yy e a r s ， t h er e s e a r c ho ft h et e c h n o l o g yo f i m a g ea u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nr o s eh e a l t h i l y t h ea p p l i c a t i o n s o ft h ist e c h n o l o g yi nm a n yf i e l d sa r em o r em a t u r en o w a d a v s t h e g o a lo ft h i s p a p e ra r o u si n gt h er e s e a r c ht a s ko fi m a g ea u t o m a ti c i d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g y o nv a l v es m a l le n d f a c e p o r e d i s f i g u r e m e n t ， ist or e s o l v eap r a c t i c eis s u eo nh o wt oc h e c ks m a l l e n d f a c ep o r ed is f i g u r e m e n ti nt h ei n d u s t r yp r o d u c ep r o c e s s ，u s i n g t h et e c h n o l o g i e so fi m a g ea u t o m a t i ci d e n t i f ic a t i o na n da d v a n c e d c o n t r 0 1 t h i sp a p e r ， f i r s t l y ， m a k e sas t a t is t i c a lc o m p a r is o no nt h e c h a r a c t e ro fv a l v es m a l le n d f a c ed is f i g u r e m e n t ， a n do b t a i n st h e r u l e so fh o wt h ed is f i g u r e m e n td i s t r i b u t e a n dt h er u l e so fw h a t t h e f i g u r e sa r e t h e nw et a k em a n yp h o t o so nt h e v a l v e s m a l l e n d f a c eu n d e rs p e c i a l s e t t i n g w ea n a l y s ea n dc o m p a r et h e s e i m a g es ，d i go u tt h ei m a g ed i f f e r e n c eo nr e g u l a ra n di r r e g u l a rv a l v e a n ds op r o v i d et h ed e s i g nb a s eo fd e v e l o p m e n to fm e a s u r ed e v i c e o nt h ev a l v es m a l le n df a c e d i s f i g u r e m e n to nb a s eo f i m a g e a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n t h ep a p e rd e s i g nas u i t 。fe x p e r i m e n td e v i c e ， i n c l u d i n gi m a g e r e a lt i m e c o l l e c t i o n s y s t e m a n d i m a g e d is f i g u r e m e n t i d e n t i f ic a t i o n s y s t e 珊， t oc 0 1 1 e c t i m a g e a n d i d e n t i f yt h e d i s f i g u r e m e n ti nt h ei m a g e t h ei m a g er e a l t i m ec o l l e c t i o ns y s t e m a r ec o m p o s e do fl a m p h o u s e ， v i d i c o n ， i m a g ec o l l e c t i o nc a r d ， p c a n dt h e i m a g e c 0 1 1 e c t i o n p r o g r a m r u n n i n g o n p c i m a g e d is f i g u r e m e n t i d e n t i f i c a t i o n s y s t e m m a k e su s eo f i m a g e p r e p r o c e s sa r i t h m e t i c a n di i n a g ei d e n t i f i c a t i o na r i t h m e t i ct o d e v e l o pa ni m a g ei d e n t i f i c a t i o np r o g r a t 玎t h ej m a g ec o l l e c t i o n p r o g r a misd e v e l o p e do np cb yv cb a s e do nt h ei m a g ec 0 1l e c ti o nc a r d ， t t t 广东工业大学硕士学位硷文 w h i c hc a nt a k et h et a s k so fi m a g ec 0 1 l e c t i o nr e a lt i m ea n dc a n a d j u s tt h ei m a g eq u a l i t yb yc h a n g i n gt h eb r i g h t n e s sa n dc o n t r a s t r e a s o n a b l y i m a g ed is f i g u r e m e n tid e n t i f i c a t i o np r o g r a md e s i g n s i d e n t i f i c a t i o na r i t h m e t i cb yu s i n gc c + + p r o g r a l a n g u a g e ，a n d c o u n t st h en u m e r a lc r i t e r i o no ft h er e g u l a r i r r e g u l a rv a lv e s a n dt h e nd r a w sac o n c l u s i o n b yt h i se x p e r i m e n td e v i c e ，t h ep a p e rm a k e sap r a c t i c a l i t yt e s t t os o m ev a l v e s t h ec o n t e n ta r e ：( 1 ) m i x t e s t w em i xt h er e g u l a r a n di r r e g u l a rv a l v e si n t oas e t d i s f i g u r e m e n ti nt h i ss a m p l e d i f f e r e n ti m a g e so fe a c hs a m p l e o fs a m p l e ，a n dc h e c kt h ep o t e n t i a l ( 2 )r e p e t i t 工0 n t e s t w et a k ef o u r f r o md i f f e r e n tp l a c ea n dd i f f e r e n t a z i m u t h ， a n dc h e c kt h ep o t e n t i a ld is f i g u r e m e n t t h is e x p e r i m e n t s h o w st h em a jnt a r g e t so ft h ed e v i c e ，r o re x a m p l e ， p r e c is i o na n d v e r a c i t y ， a c h i e v et oas a t is f i e dl e v e l s ow h a t t h ep a p e ra r o u s e s a n d h o wt or e s o l v et h ei s s u ea r ec o m p l e t e l yr e a s o n a b l ea n d s i g n i f i c a t i v e f i n a l l y ，w em a k eag o o de x p e c t a t i o na b o u tap r a c t i c a lm e a s u r e d e v i c ef r o mo u re x p e r i m e n to n ea n ds o m ew o n d e r f u ls u g g e s t i o ni s a l s og i v e n w eh o p ei tw o u l db e f i n is h e di nt h ef u t u r e k e yw o r d s ： v a l v es m a l le n d f a c e ： i m a g ei d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g y ：i m a g ec 0 1 1e c t i o nc a r d ：i m a g ep r e p r o c e s s ：i m a g es c a n v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 气门小端面缺陷分析 内燃机车气门是发动机配气机构的主要运动部件，其性能直接影响 到发动机的可靠性、安全性。图卜l 所示为j h 7 0 l j 9 0 型气门实物图。 图卜1j h 7 0 l j 9 0 型气门实物图 f i g 1 一l j h 7 0 l j 9 0v a l v ep r a c t i c a lc h a r t 气门的工作条件十分恶劣，除承受高温燃气的腐蚀外，还要承受气缸 内的爆发压力、气门弹簧作用下的落座力、堆焊层的热箍力、阀盘的热 应力的综合作用，同时还缺乏必要的润滑，这就要求气门必须具有高的高 温强度、高温硬度和耐腐蚀性能。为了提高气门耐高温高压、抗热腐蚀、 抗疲劳和耐磨性，提高使用可靠性和使用寿命，在制造过程中通常采用 堆焊工艺对气门杆端面( 或称小端面) 进行堆焊处理，如图卜2 所示气 门的关键部位。然而由于工艺和材料等因素，在进行堆焊处理时有时会 造成焊接部位的气孔、夹渣、缩松等缺陷”5 。最常见的缺陷为气孔， 其成因不仅与材料的气体含量有关，同时与操作工艺密切相关。气门小端 面出现气孔、磨损或疤痕，往往使端面不平。当气门顶起时，挺杆( 或 摇臂) 作用力将产生侧向力，使气门杆歪斜，气门关闭不严，从而直接 广东工业大学硕士学位论文 影响发动机的经济性能和动力性能，导致发动机启动困难，功率下降， 燃烧不完全，积炭严重，甚至引起个别气缸不工作。因此，在制造过程中 是需要严格检测小端面气孔缺陷并剔除不良品的。 ( ) 图卜2 气门几个关键部位 f i g 1 2s o m ek e yp l a c e si nv a l v e 不同规格的气门尺寸有所差异，主要差异在气门杆的长度 l ( 6 5 哪9 0 m m ) ，气门头部直径中( 2 2 m m 2 4 m m ) ，杆端面直径o ( 5 m m 5 5 m m ) 。图1 所示的j h 7 0 l j 9 0 型气门，其长度为l = 6 5 0 m m ，头 部圆面直径巾= 2 2 o 咖，杆端面直径中= 5 5 m m 。利用c c d 摄像机对图1 气门小端面进行连续放大拍照，获得气门小端面气孑l 缺陷图，如图卜3 所示，为放大5 0 倍后的效果图。 图卜3 气门小端面气孔缺陷图( 1 ：5 0 比例) f i g 1 3v a l v es m a l le n d f a c ep o r ed is f i g u r e m e n tc h a r t 图卜3 给出了几种典型的小端面气孔缺陷分布情况，主要特征为： ( 1 ) 气孔数量不定，单空或多孔；( 2 ) 气孔孔径大小不等，主要分布在 几十微米到几百微米之问；( 3 ) 气孔位置不定，表面上或边沿上随机出 第一章绪论 现。( 4 ) 气孔深度不一。 1 2 基于图像识别技术的气门缺陷检测系统设计原理 关于气门小端面缺陷检测，目前主要是依靠人工目测和手工分拣。 人工目测和分拣的检测方法，主要问题在于速度慢，漏检，劳动强度大( 视 力疲劳) ，质量控制不稳定等。基于计算机图像识别技术的气门缺陷检测 系统，首先由气门进给装置将待检测气门输送至特定的像场位置，利用 c c d 摄像机实时采集气门小端面图像，通过专业图像采集卡输入计算机， 然后由计算机按照预先设定的图像识别方法，经过识别处理，获得对图 像某种特征的评估，得出最终结论( 合格缺陷) ，最后发送分拣指令至 分拣装置进行气门分拣，从而实现自动进给、自动采集、自动识别、自 动分拣的全自动化流水线检测目标。 本课题所要解决的问题，简单地说，就是要把气门小端面的气孔缺 陷检测出来，然后运用自动控制手段进行自动分拣。最关键的是如何将 缺陷检测出来，什么样的小端面图像是有缺陷图像，什么样的小端面图 像是无缺陷图像，如何区分呢? 首先看下面图卜4 ： a 无缺陷小端面图b 有缺陷小端面图 图卜4 气门缺陷显现力图示 f i g 1 4v a l v ed is f i g u r e m e n ts h o w 以上图像是在普通环型荧光灯照明下，在黑色背景上，用面阵c c d 摄像机采集的气门小端面图像。可见，无缺陷的小端面图像像素灰度分 广东工业大学硕士学位论文 布相对均匀，而有缺陷的图像像素灰度突变或者分布不均匀。 根据这种差异，我们就可以通过软件对采集到的图像进行处理，最 后识别出有缺陷图像和无缺陷图像。 1 3 课题的研究意义和创新之处 气门小端面气孔缺陷的自动化检测意义重大。国内目前专业生产各 类气门、年产量在数百万支以上乃至数千万支以上的厂家约3 0 家左右， 各类气门年产量在一亿支以上。因此，对生产线上气门小端面进行在线 实时检测，具有很大应用价值，是本课题的研究意义之一。 传统工业无损检测，主要方法有“3 ：v t 一肉眼观察法，p t 一渗透检 测法，u t 一超声波检测法，r t 一射线检测法。基于机器视觉( 图像识别) 的检测方法是一种新的方法，国际上从上世纪8 0 年代已经开始开发应 用，目前机器视觉技术应用日益成熟。国内近几年才开始有成功的应用 案例。因此，进一步在国内开展机器视觉的实践研究，吸收国外先进的 技术与学术思想，拓宽机器视觉的应用领域，具有非常重要的意义，也 是本课题的研究意义之二。 通过查阅2 0 0 6 年以前的大量期刊资料，以及对国内近2 0 家主要气 门生产厂调研的反馈信息显示： ( 1 ) 国内目前尚未见到关于图像识别技术在气门小端面的气7 l 缺陷 检测方面的研究报道，工业上尚无应用案例。 ( 2 ) 国内目前已经见到利用磁力探伤和超声波探伤技术应用在气门 小端面裂纹检测和气门堆焊层缺陷探伤方面研究报道，但尚未见到利用 这些技术对气门小端面缺陷检测的应用案例或实用化装置。一个主要原 因是磁力探伤和超声波探伤，属于深度检测技术，常用于肉眼不能直接 检测出的场合；另一个重要原因是，磁力探伤和超声波探伤需要使用专 用的检测设备，检测工序复杂，对现场环境要求高，不易实现检测自动 化，因而未见其在气门小端面气孔缺陷检测方面的实践应用。 因此，本课题提出利用计算机图像识别技术实现对气门小端面气孔 缺陷进行识别这一设计方案，利用相关实验条件设计出简易实验装置和 4 第一章绪论 软件平台，具有技术应用上的创新之处。 1 4 课题的难点和主要研究工作 本课题要求对气门小端面缺陷进行检测，有关参数情况如表卜1 所 示。 表卜l ：研究对象参数情况 t a b l el 一1 ：t h er e s e a r c ho b j e c tp a r a m e t e rs 工件形状圆形 工件大小4 5 m 中 5 5 m m 镀层情况镀镍，无镀层 缺陷种类圆孑l ( 0 5 m m 4 8 d b 3 1 2 图像采集卡工作原理 图像采集卡，又称视频捕捉卡，是视频卡的一种类型，其它的视频 卡还有视频叠加卡、电视编码卡、m p e g 卡等。图像采集卡完成的主要功 1 4 第三章图像实时采集系统设计 汀话鼷黼啁! 一一 i 藤l 翅到蚓受野吲蓍窿 i 灞酮黉鞴j 网! l ：! j 世熏嫩1 厂东工业大学硕士学位论文 y u v 4 ：2 ：2 ，r g b 2 4 ，r g b l 6 ，等多种图像形式的存储和显示。 在实际的选择过程中，一个重要的指标是图像采集卡的软件支持能 力，是否具有一个优秀的开发平台对系统来说是至关重要的事情。德加 拉a v e 2 0 0 0 x 卡提供完整的s d k 开发包，可以在w i n d o w s 9 8 n t 2 0 0 0 x p 平台下进行二次开发。 3 1 3 照明光源及照明系统2 4 ，2 5 ，2 6 】 光源是c c d 应用技术中的重要部分，选好光源是c c d 应用的重要环 节。在本系统中对于光源及照明系统的设计主要考虑以下几点： 1 金属电镀表面的反射率相当高，接近于镜面反射。如此高的反射 率会使得面阵c c d 光敏面上的曝光量超过其饱和曝光量。所成画面亮度 失真，淹没所要检测的缺陷信息。因此要合理设计光源。 2 气门小端面表面缺陷种类较多，因此照明光源必须能够满足各种 缺陷的表现都很好，不能丢失信息。 3 要保证被检测区域得到稳定而均匀的照明。 3 1 3 1c c d 成像系统照度的匹配 c c d 器件是积分型器件，输出电流信号既和c c d 器件光敏面上的照 度有关，也和两次取样的问隔时间，即积分时间有关。若以i 代表其输 出屯流信号，e 代表光敏面的照度，t 代表两次取样的间隔时问，则在正 常工作范围内有 i = k e t = k o( 3 3 ) 式中：k 为比例常数；q = e t ，称为曝光量，单位为1 x s 对于既定元件，曝光量应限定在一定的范围之内，其上限为饱和曝 光量q 。对于摄像机和以光度测量为基础的c c d 应用系统，光敏面上 任何光敏单元上的曝光量q 均应低于q 。，否则将产生画面亮度失真， 淹没所要检测的缺陷信息。 因为q = e t ，所以可通过适当选择c c d 器件光敏面上照度e 和两次采 样时间间隔t 两个参数来达到q q 。但是，采样间隔时间t 一般由驱 6 第三章图像实时采集系统设计 动器的转移脉冲周期t 。确定，常为 通过调节c c d 光敏面上的光照来实现。 足式3 4 e 堡 f 确定值。所以调节曝光量通常是 要求光敏面上任何点的照度应满 ( 3 4 ) 光敏面的照度也不能太低。如果某些点的照度低于c c d 器件的灵敏 阈，这些较暗部便无法测出，从而降低画面亮度的层次或产生测量误差。 最好是把光敏面上的最大照度e 调节为略低于堡，以充分利用器件的 f 动态范围。 对于c c d 应用系统，c c d 器件光敏面的照度就是经光学系统成像的 像面照度或者经光学系统进行傅里叶变换后的谱面照度。 发光特性接近余弦辐射体的物体经光学系统成像，其轴上像点的照 度e 。和轴外像点照度e 可分别利用35 、3 6 两式表示 e ：= ( 旦) 世碰跏2 u ( 3 5 ) 行 e 。= e ：c o s 4 国 ( 3 6 ) 式中：船和n 分别为光学系统的像方和物方介质的折射率：k 为光学系统 的透射率；l 为物体的亮度；u 为像方孔径角；d 为所考虑点对应的视 场角。 对于观察或测量自然景物，由于景物的亮度不易改变，一般靠选取 u 角取得适合的像面照度。对于观察无限远景物，应使用望远镜，这时 s i n u 2 号，轴上像点的照度为 e j ：等母) j ( 3 7 ) 可见这种隋况下像面照度与相晰临乃瑚平方成正比主要靠选择 广东工业大学硕士学位论文 望远镜的相对孔径达到像面照度与c c d 光敏面特性相匹配。 对于观测人工照明目标，则可用合理选择照明光源的功率及照明系 统的参数来调节被观钡4 对象的亮度值l ，并配以合适的观测光学系统来 保持所需的像面照度。 3 1 3 2 光滑金属表面对面阵c c d 成像的影响 本系统用于强反射复杂表面随机缺陷检测时，由于工件表面是光滑 金属镀层，表面的反射光极强，强照度下使得c c d 成像的画面亮度失真， 对c c d 扫描成像有很大的影响。并且工件表面宏观和微观几何形状变化 多样，表面层的形成种类也很多，表面缺陷是随机的，其形状和尺寸千 差万别。也给自动检测工作带来了很大的困难。因此光学系统是整个系 统的重要组成部分，对于c c d 成像和后期的图像处理、缺陷识别工作都 具有重要的影响。在检测复杂表面随机缺陷时光源选取及用光方面应遵 循：( 1 ) 消除强镜面反射光对成像质量的影响；( 2 ) 消除某些缺陷产生的 各向异性并且最大限度地获得各类缺陷的图像信息。 光照射到不透明物体表面时，会产生漫反射、折射、吸收等，还会 有镜面反射光存在，根据物体表面对光的反射情况，可将物体分为光滑、 半光滑和不光滑物体。图像中像素的亮度处决于多种因素，其中包括物 体的几何形状、光的入射角和发光强度、传感器的观察方向及物体表面 的反射。根据不透明物体对光线反射效果分为光滑、不光滑、半光滑， 不同的物体要求不同的光源及视觉提条件，而不同的光学条件又影响测 量效果。 当被检工件表面为光滑金属时采用一般的照明方法很难完成任务。 原因主要为：光滑金属镀层表面的镜面反射光极强。有金属镀层的工件 属于半光滑物体，不是理想的漫反射体。采用漫反射光可以使光线均匀 照射到比较粗糙的物体表面时，其表面固定点的明暗程度不随观察位置 而改变。这样在采集图像上背景灰度高且均匀，物体边缘突出，便于提 取。 3 1 3 3 平行照射光与均匀散射光比较 平行光源是c c d 取像常用照明光源之一。由平行光管发射出的光束 第三章图像实时采集系统设计 是准平行的，等效于由无穷远射来的光束。平行光具有良好的方向性和 准直性。用平行光作为光源时，为了消除镜面反射光的影响，投影光轴 与成像光轴要成一定的角度。平行光照射到五缺陷的光滑表面时，反射 光中的绝大部分为镜面反射光。镜面反射光进入c c d 成像，从而消除了 镜面反射光的影响。在缺陷处，反射光将改变方向，使得反射光投影到 c c d 上，在c c d 的像敏面上成像，所得到的图像灰度级差别较大、对比 度高，图像比较清晰。 但由于平行光具有良好的方向性，其辐射亮度在各方向上是不均匀 的。因此对各种缺陷的表现力不同。在相同条件下，当缺陷方向与平行 光入射方向垂直时，图像中缺陷表现最清晰，而当缺陷走向与入射光方 向一致时，在图像中几乎看不到这种缺陷。这样有可能在后期的工作中 无论采用什么样的处理方法都检测不到这种缺陷。 为了避免信息的丢失，考虑使用均匀散射光作为c c d 的照明光源。 在一般情况下，面光源表面各处的辐射亮度以及该面光源各方向上的辐 射亮度都是不相同的，在某点处的亮度是方向角目的函数。如果有这样 的面光源。它在各个方向的辐射亮度都相同，称为余弦辐射体或均匀散 射体。余弦辐射体的辐射亮度从各方向上看都是一样的，表面粗糙的自 身发射体和被照明的散射体接近余弦辐射体。 与平行光相比较，均匀散射光的光线是非定向的，散射区域较大， 从而会产生一种比较均匀的照明。结果是所取得图像的边缘柔化，灰度 差和对比度会相对小些，但是对各种缺陷的综合表现力却较好，不会丢 失信息，这对于后期的处理工作非常有利。因此在本试验系统中所用的 光源为均匀散射光源，并且，采用均匀散射光照明被测工件时，能使照 明系统对工件的抖动不敏感，也就是说工件在传输带上的抖动对正常的 检测影响不是很大。 3 1 3 4 实验装置所用光源及其特征 本课题通过试验测试，选择普通环形荧光灯管作为照明光源。环形 光源可以提供稳定的均匀散射照明，在气门小端面强反射表面成像比较 理想；在光源照度上，通过反复调节光源、镜头和被检工件表面的距离， 广东工业大学硒! + 学位论文 最终获得较理想的定位拍摄装置。调整光源、c c d 镜头和拍摄物的相对 位置和角度，使得均匀散射光源在物体表面成镜面反射的大部分光线不 得进入c c d 镜头成像，而漫反射部分的光线大部分都进入c c d 镜头，从 而使物体成像均匀。图3 3 为实验设备q 1 使用的环形照明光源及缺陷表 面成像光路示意图。其中环形光源的土要参数如下： 内径：1 8 5 m m ，外径：2 3 5 m m ，光管截而直径2 5 m m ； 工作电压：a c 2 2 0 v ，频率：5 0 h z ，功率：1 5 w ，配置调光器可以连续调节 亮度。 图3 3 实验所用环形光源及缺陷表面成像光路图 f jg 3 3t h ed i a g r a mo ft h er i n gl a ph o u s e l m a g jn gc o u t s e 31 4 图像背景的选取 如前文所示，在某些情况下，比如工业检测应用，对环境进行适度 控制的检测有时是可能的。有经验的图像处理系统工程师总是将相当大 的注意力集中在这类口j 能向上。图像背景的人为设置就是对环境控制调 节的一种方法，为的是降低后续图像处理、识别的难度，使识别算法尽 可能简单化。 本课题实验装置中，对图像背景的设置准则是使得目标与背景边缘 对比突出，便于后续目标分割算法的实现。图3 4 分别给出在黑色和白 色两种背景下采集的图像。经过实验分析比较，实验最后选择黑色背景 作为图像采集的背景色。 第三章图像实时采集系统设计 a 黑色背景下成品气门小端面图像 b 白色背景下成品气门小端面图像 图3 4 不同背景下气门图像 f i g 3 4 、r a l v ei m a g eu n d e rd i f f e r e n tb a c k g r o u n d 3 1 5 图像采集系统实验装置及其相关参数 根据以上所述的设计原理，设计出实验装置，如图3 5 所示。 图3 5 系统硬件实验装置实物图 f i g 3 5t h ep r a c t i c a ld i a g r a mo ft h es y s t e mh a r d w a r ee x p e r i m e n td e v i c e 图像采集装置，通过调试，固定摄像机镜头与被测气门小端面的垂 2 i 直距离为1 7 0 m m 时，聚焦最理想，成像最清晰；光源应水平安装，并保 持距离成像物垂直距离3 5 0 m m 一4 0 0 m 处。 3 2 图像采集系统应用程序设计 3 2 1 图像采集卡的工作流程 图像采集卡在进行图像采集的过程中经历的流程大致为：开始( 初始 化) 一一参数设置一一采集图像到屏幕或内存一一结束( 释放资源) 。如 图3 6 所示。 开始( 鲫始健精寇设 餐， i l 请资源) 上 i 参数漩嚣( 视频采集衡【j 、源蹴。 i制式、数据格式薄) 。i 上 聚馔圈缘判婀钰采集圈；像到屏幕 ( 聚震、停_ ：、( 袋粲、缪l ! = ， 读取、存铭)读取、存储) l 山 i 结嗪( 释放资源) 图3 6 图像采集卡工作流程图 f i g 3 6t h ew o r k f l o wc h a r to fi m a g ec 0 1 1e c t i o nc a r d 注意事项：一般情况，图像卡的开始操作和初始化参数设置最好在 用户应用程序初始化中完成，图像卡的结束操作应在应用程序退出前执 行。图像卡采集图像数据，不占用计算机c p u 时间，支持图像的实时处 理。采集图像到屏幕和采集图像到内存的操作不能同时进行，即同一时 刻图像卡只能采集图像到屏幕，或者内存。 第三章图像实时采集系统设计 3 2 2 图像采集卡的应用接口函数 t h a k r a l 系列a v e 2 0 0 0 x s p r o 图像采集卡应用接口库提供了丰富的应 用功能和扩充功能。应用功能模块包括图像采集卡的控制，采集图像到 屏幕，采集图像到内存，错误处理等功能。扩充功能模块包括采集图像 到屏幕控制，采集图像到内存控制，数据传递等功能。 应用程序中使用到的主要接口函数，结构及定义如下： u l o n g a v e 2 k l i b 一0 p e n c a r d ( i n tn c a r d n u m ) ；描述：打开卡。成功则 返回一个h a n d l e ，应用程序在任何应用中都能保存h a n d l e 。如果指定的 设备号不存在，则返回n u l l 。这也可以用来判断是否还有其它类型的卡。 参数，n c a r d n u m ：卡数，从1 开始。 i n ta v e 2 k l i br e g is t e r w i n d o w ( u l 。o n gl h a n d l e ，i n tn c h a n n e l ，h w n d h w n d ，u n i tm s g ) ；描述：注册后记录数据。参数，l h a n d l e ：卡的旬柄； n c h a n n e l ：路数；h w n d ：接收数据的窗口句柄；m s g ：记录数据。 i n ta v e 2 k l i bc l o s e c a r d ( u l o n gl h a n d l e ) ：描述：关闭卡。参数， l h a n d l e ：卡的句柄。 i n ta v e 2 k l i b p r e p a r e s c r e e n ( p a v e 2 k l i b d i s p l a yp a r a m e t e r p p a r a ，i n t 术p m o d e ) ； 苗烫基：p r e p a r es c r e e nf o rp r e v ie wd r a w i n g 参 数，p m o d e ：p o in t e rt oai n t e g e rw h i c hc o n t a i nt h er e q u e s t e ds c r e e n m o d e ；p p a r a ：指向显示参数结构，不能自行更改。 i n ta v e 2 k l i b s e t d is p l a y p a r a ( u l o n gl h a n d l e ， p a v e 2 k l i b d i s p a l y p a r a m e t e rp d is p l a y p a r a ) ：描述：设置显示区域位 置，颜色深度及屏幕大小。参数，l h a n d l e ：卡的旬柄；p d i s p l a y p a r a ： 指向显示参数结构；定义p a v e 2 k l i bd i s p l a yp a r a m e t e r ： 广东工业大学硕士学位论文 u l o n gv 1 r t u a l a d d r e s s ： u l o n gb it c o u n t ： a v e 2 k l i bd i s p l a yp a r a m e t r ， 术p a v e 2 k l i bd i s p l a y p a r a m e t e r ： w i d t h ：屏幕宽度 h e i 曲t ：屏幕高度 d e p t h ：颜色深度，2 意味着6 4 k 颜色，3 则为2 4 位颜色，4 位3 2 位颜色。 p i t c h ：相邻区域的地址偏移量 v i r t u a l a d d r e s s ：左上角像素的虚拟地址 b i t c o u n t ：c o l o rb i tc o u n to fe a c hd i x e l i n ta v e 2 k l i br e l e a s e s c r e e n ( ) ：描述：调用之后释放窗口。 i n ta v e 2 k l i b s e t d u a l o v e r l a y w i n d o w ( u l o n gl h a n d l e ， p a v e 2 k l i b d u a l w i n d 0 wp d u a l w i n d o w ) ：描述：开关调整o v e r l a y 窗口。 参数，l h a n d l e ：卡的句柄；p d u a l w i n d o w ：指向0 v e r l a y 参数结构； 定义p a v e 2 k l i bd u a l w i n d o w ： t y p e d e fs t r u c t u l o n gt o p ： u l o n gl e f t ： u l o n gr i g h t ： u i 0 n gb o t t o m ： u l o n g u l o n g u l o n g u l o n g u l o n g u l o n g o p e n c l o s e ： t o p 2 ： l e f t 2 ： r i 曲t 2 ： b o t t o m 2 ： o p e n c l o s e 2 a v e 2 k l i b 一0 v e r l a y w i n d o w ，术p a v e 2 k l i b o v e r l a y w i n d o w ： t o p ，l e f t ，r i g h ta n db o t t o m ：f o u rl i m i to fo v e r l a yw i n d o wr e l a t i v e t ou p p e r l e f tc o r n e ro fs c r e e ni np i x e l s o p e n c l o s e ：1 代表第一路o v e r l a y 窗口打开，0 则为关； o p e n c l o s e 2 ：1 代表第二路o v e r l a y 窗口打开，o 则为关： 2 4 第三章图像实时采集系统设计 设置正确的显示参数后，可用此函数打开0 v e r l a y 窗口，却窗口大小和 位置可调，但高度不能超出原始的尺寸( p a l 为5 7 6 ，n t s c 为4 8 0 ) 。控制 应按顺序进行，即旧窗口关闭之后才能关闭0 v e r l a y 窗口，新窗口建立 之后才能打开o v e r l a y 窗口。 i n ta v e 2 k l i b s e t o v e r l a y w i n d o w ( u n l o n gl h a n d l e ，i n t n c h a n n e l ，r e c t4 p w i n d o w ，b 0 0 lb o p e n ) ：描述：开、关、调整其中的一个 0 v e r l a y 窗口。参数，l h a n d l e ：卡的句柄；n c h a n n e l ：路数：p w i n d w o w ： 指向包含o v e r l a y 参数的r e c t 结构t h ep o i n t e rt ot h er e c ts t r u c t u r e w h ic hc o n t a i no v e r l a yw i n d o wp o s t i o np a r a m e t e r s b o p e n ：t r u e 为打 开窗口，f a l s e 为关闭窗口。 另外，还有两个函数用来调整视频图像的亮度、饱和度、对比度和 色调。分别是： i n ta v e 2 k l i b s e t v id e o p a r a m e t e r ( u l o n gl h a n d l e ，i n t n c h a n n e l ，p a v e