（计算机应用技术专业论文）高保真大幅书画拍摄技术及装置的设计与开发.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 古代书画文物的数字化获取和存储一直是计算机辅助文物数字化领域里的 重要课题，具有重要的实际意义，而在书画数字化获取领域，大幅书画的高保真 获取又是一个一直以来的难题。本文系统分析了当前世界上大幅书画获取设备， 提出并实现了一种基于分块拍摄并高保真图像拼接的数字化获取方法。针对大幅 书画幅面较大，获取精度要求较高的要求，本系统采用高精度分块自动拍摄，高 精度拼接的方法来进行获取。 本文是针对大幅书画的高保真数字化获取，最大拍摄幅面达到了4 米x8 米， 由于幅面较大，因而设计出了一套稳定高效的、可以精确移动并且精确控制的移 动控制系统来进行分块拍摄。本文的移动控制系统采用三菱电机驱动，通过v c 串口通信的方式来驱动p l c 控制移动系统的精确运动，从而实现了基于可编程控 制器件p l c 的移动控制系统。 在移动精确控制的基础上，本文使用高精度数码相机厂商提供的s d k 开发 了计算机控制的远程自动拍摄模块，可以通过计算机来控制相机进行远程的照片 自动拍摄和传输。 为了获取的图像满足高保真的要求，本文对分块拍照的相机进行了标定，并 且基于标定结果进行了照片的透视畸变校正，在校正的图片的基础上进行图像的 无缝拼接，从而形成了大幅书画文物的高保真的数字化图像。 目前，本文的高保真大幅书画拍摄拼接系统已经取得了包括敦煌壁画在内的 实际的应用，最大精度达到6 0 0 p p i ，支持3 6 0 0 p p i 的高精度打印输出，取得了较 为理想的效果。 关键词：图像拼接，移动控制，自动拍摄控制，相机标定，透视畸变矫正 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i g i t a lc a p t u r ea n ds t o r a g ef o r t h ea n c i e n tp a i n t i n g sa n dc a l i g r a p h i e sh a sa l w a y s b e e na l li m p o r t a n tp a r to ft h ec o m p u t e ra i d e dr e l i cp r o t e c t i o n , a n di so f g r e a tp r a c t i c a l m e a n i n g f u lv a l u e o n em a j o rd i f f i c u l t yi nt h a tf i e l dl i e si nt h el a r g o - a r e ap a i n t i n g sa n d c a l l i g r a p h i e s d i g i t a lc a p t u r e i nt h i sp a p e r , w ea n a l y s e dt h ec u r r e n tl a r g e - s c a l ec a p t u r e e q u i p m e n t , m o s to fw h i c ha r es c a l l l l 0 1 8 w et h e np r o p o s e da n di m p l e m e n t e dac a p t u r e s y s t e mt h a ti sb a s e do np a r t l yp i c t u r e - t a k i n ga n dp i c t u r ec o m b i n a t i o n s i n c et h ea r e a s o m e t i m e si sv e r yl a r g e , a n dt h er e q u i r e dp r e c i s i o ni sp 1 翻：t yh i g h , o u rs y s t e mt a k et h e r e l a t i v e l ys m a l l - a r e ap i c t u r e so n eb yo n e , a n dt h e nc o m b i n et h e mi nap r e c i s ew a y o u r s y s t e m i s d e s i g n e dp a r t i c u l a r l y f o rt h e l a r g e - a r e ap a i n t i n g s a n d c a l l i g r a p h i e s t h el a r g e s ta r e ac 觚b e4 m 8 m ，8 0i ti sv e r yn e c e s s a r yt op r o p o s ea s t e a d y , r e l i a b l em o v i n gc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hc a nb ep r e c i s e l yc o n t r o l l e dt om o v ea n d t a k ep i c t u r e si ne v e r ys m a l la r e a o u rm o v i n gs y s t e mi nt h i sp a p e ri sb a s e do nt h e m i t s u b i s h im o t o r t h ed r i v i n gc o n t r o li sb a s e do nt h em i t s u b i s h ip r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l ( p l c ) b a s e do nt h ec o n t r o ls y s t e m ，w ei m p l e m e n t e dt h ea u t o m a t i cp i c t u r e - t a k i n ga n d t r a n s f e r a t i o ns y s t e m u s i n gt h a ts y s t e m ，w es u c c e s s f u l l yc a p t u r e da n dt r a n s f e r r e dt h e p i c t u r e sf r o mt h er e m o t ec a m e ma n ds t o r e dt h e mi nt h ec o m p u t e r i nt h i sp a p e rw ea l s od i dt h ec a m e r ac a l i b r a t i o np r o c e s s u s i n gt h ec a l i b r a t i o n r e s u l t ，w ed i dt h ep e r s p e c t i v ea b e r r a t i o nr e c t i f i c a t i o n a f t e rt h ep i c t u r e sa r er e c t i f i e d ，w e d i dt h ec o m b i n a t i o ni na na u t o m a t i ca n dp r e c i s ew a y o u r s y s t e m h a sb e e nm a d ei n t o p r a c t i c a lu $ e ，i n c l u d i n g t h e d u n h u a n g c a l l i g r a p h i e s t h el a r g e s tp r e c i s i o nc a nb eu pt o6 0 0p p i ，w h i l et h el a r g e s tp r i n t i n g p r e c i s i o nc a l lb e3 6 0 0p p i t h er e s u l to ft h el a r g e - a r e ap a i n t i n g sa n dc a l l i g r a p h i e si s s a t i s f a c t o r y k e y w o r d s ：p i c t u r ec o m b i n a t i o n , s e r i a lc o m m u n i c a t i o n , c a m e r ac a l i b r a t i o n , p e r s p e c t i v e a b e r r a t i o nr e c t i 6 c a t i o n 浙江大学硕士学位论文图目录 图目录 图1 1 德国c s2 8 5s t 超级大平台扫描仪2 图2 1 相机成像针孔模型3 图2 2 相机标定一般流程4 图3 1 拍摄装置的移动控制平台7 图3 2 串口通信开发流程图1 0 图3 3 相机s d k 库的子结构1 3 图3 4 应用相机s d k 编写w i n d o w s 应用程序的基本体系结构1 4 图4 1 角点提取结果。2 1 图4 2 定标带。2 2 图4 3 角点提取后的定标带2 3 图5 1 相机坐标系和定标坐标系2 5 图5 2 世界坐标系2 5 图5 3 校正前的照片2 9 图5 4 几何校正后的照片。3 0 图5 5 拼接好后的敦煌壁画3l 图5 6 拼接好后的世界地图3 2 图6 1 软件系统程序主界面3 4 图6 2 拍摄过程中软件界面3 5 图6 3 相机初始化菜单3 6 图6 4 保存路径3 7 图6 5 保存路径设定3 7 图6 6 幅面设置菜单。3 9 图6 7 拼接好后的敦煌三窟北壁壁画4 0 图6 8 拼接好后的世界地图一4 0 i i i 塑江大学硕士学位论文 表目录 表目录 表3 1 三菱p l c 串口通信格式8 i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸江盘鲎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谢意。 学位论文作者签名：弓伙签字日期：勿钟月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘鲎有权保留并向国家有关部门或机构 送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝望盘堂可 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和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 孑劣 签字日期：力矽夕年月厂日 u 月厶u 锄胖 氰 期 堑 旧 蜊 浮 剥 签 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 第l 章绪论 1 1 课题背景 古代书画文物的数字化获取和存储一直是计算机辅助文物数字化领域里的 重要课题，具有重要的实际意义。从商业的角度，主要可以用于高精度仿制的赝 品制作。从文物保护的角度，特别是对于大量正在日益遭受各种病害侵袭的古代 书法与绘画文物，可以在现阶段尽可能地在电脑上保留其原貌。从欣赏与研究的 角度，一旦获取到计算机中，还能通过网络传输到世界各地，极大地方便学者、 爱好者和收藏家观赏与研究，并且同时不会对书法与绘画文物造成任何破坏。而 数字化获取存储的首要任务便是对书画文物的扫描重构。 当前，多种通用的大幅数字化获取技术，如大幅面扫描仪，高精度数码相机 等，已在文物保护与数字化、逆向工程、医疗重建等领域中有广泛的应用，创造 出很大的社会和经济效益。 一般来说，平面文物的数字化获取任务大都通过扫描仪来完成。 当今市面上最常用的获取设备是大平台扫描仪，目前最大的是此类扫描仪是 德国c r u s e 的c s2 8 5s t 超级大平台扫描仪。如图1 1 ，扫描幅面可达1 5 0 厘米 乘2 2 5 厘米：最大分辨率：1 0 0 0 0 乘1 5 0 0 0 像素，在真彩色时最大文件尺寸为 4 5 0 m b ，特别适合大型书法、古画、油画、花布的扫描、复制。但是此类扫描仪 有几大缺点，其一是由于其图像获取方式是每次获取一条线，然后在另一个方向 作步进运动，最后把获取的许多线拼接成一幅完整的图像来实现的。受制于c c d 长度的限制，幅面很难进一步做大，例如现在最大的只能达到1 5 0 厘米。其二是 受到内部图像处理引擎的限制，对于扫描的分辨率与文件尺寸存在限制，而这与 高精度获取存在着巨大的矛盾。最后，这种实现方式的可扩展性较差，与使用数 码相机的数字化获取方法比较，这种方法的升级就比较困难，因而严重的制约了 设备的使用生命周期。 浙江人学硕士学位论文第1 章绪论 图1 1 德国c s2 8 5s t 超级人平台扫描仪 另一种获取方式就是通过把书画作品平铺在获取平台上，根据获取的精度要 求分块拍摄作品，最后利用拼接软件自动缝合成该书画作品的数字拷贝。上面大 平台扫描仪的几大缺点就迎刃而解。但是，为了保证能够获得完美的拼接效果， 必须保证拍摄时相机与书画作品平行，而且每次相机必须按照一定的距离移动， 同时相机不能有任何的旋转运动，显然，如果依靠纯手工方式来移动相机，而且 一般专业摄影器材非常笨重，很难满足上述要求，难以获得完美的拼接效果，因 此，单纯依靠简单的手动拼接劳动强度很大且效果很难达到高保真数字化获取的 要求。 1 2 本文工作 本文考察了当前流行的针对大幅书画的扫描获取设备，并对主流扫描仪原理 和性能进行了分析，并设计开发了一套针对大幅书画的高保真获取系统。该系统 硬件包括一个通过串口通讯控制的电机驱动的移动模块，一个由高精度专业数码 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 相机及连接计算机的数据线组成的拍照模块。软件部分通过串口通信控制移动模 块在垂直的两个方向上通过计算机远程控制移动和定点移动，结合高精度数码相 机厂商提供的s d k ，实现了计算机远程精确移动控制以及拍摄的功能，对相机进 行了标定，并根据标定的相机内外参实现了照片的拍摄位置和镜头畸变校正，利 用现有拼接软件实现了照片的拼接，并利用m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o2 0 0 5 开 发了一套软件系统。 实现本文提出的大幅书画的高保真获取系统，需要满足以下条件： 通过串口通信实现的高精度的二维移动，满足移动精度精确到毫米级。 计算机远程控制的相机自动拍摄。 相机内外参数的标定。 照片的拍摄位置校正和镜头畸变校正。 图片的高保真自动拼接。 根据这些要求，本文首先实现了拍摄装置的控制。首先架设好硬件平台。具 体的说，包括：水平导轨，横梁能在计算机的控制下沿水平导轨移动，从而实现 相机在一个方向上的移动；横梁，垂直导轨能在计算机的控制下沿横梁移动，从 而实现相机在另一个方向上的移动；垂直导轨，云台能在计算机的控制下沿垂直 导轨上下移动，从而实现相机离书画承载平台高度的调整。 硬件平台架设好后是拍摄装置的设计实现，具体包括相机自动拍摄模块和电 机脉冲驱动的移动控制模块。相机自动拍摄模块是基于高精度数码相机s d k 来完 成的，电机脉冲驱动的移动控制模块是基于p l c 串口通信来完成的。 然后是根据拍摄的照片进行相机的内参和外参的标定。具体的说，首先是对 相机内参进行标定，使用了i n t e l 公司开源的o p e n e r 系统。对外参的标定使用 了本文独立设计的定标带，在定标带上标有刻度和数字，并且根据这些刻度和数 字对棋盘格进行了角点提取，根据前面取得的内参，计算出相机的外参数。 根据标定出的相机的内外参数，对照片进行拍摄位置校正。校正后的照片能 够很大程度上提高拼接的成功率。 最后本文实现了融合了上述功能的一套软件系统，并取得了实际的应用。 3 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 各个环节的具体内容将在后续章节中进行介绍。 1 3 本文结构 第一章论述项目背景和意义，指出本文的研究重点，介绍本文工作。 第二章简单介绍高保真大幅书画数字化获取中，各个环节所设计的技术问 题，并在此基础上对关键内容进行分析。 第三章介绍拍摄装置的设计与开发。具体包括p l c 串口驱动的脉冲移动控制 系统以及基于高精度数码相机s d k 的自动照片拍摄。 第四章介绍了相机标定方法。具体包括了相机内参和外参的标定，提出了一 种基于定标带棋盘格的相机外参标定方法，以及由h a r r i s 算子进行的相机内参 标定法。 第五章介绍了相机几何校正的方法。主要是根据第四章确定的相机内外参， 对相机拍摄位置和镜头畸变进行了校正，使得相片更容易拼接成功。 第六章介绍了系统开发及总结和工作展望。 1 4 小结 本章首先介绍项目背景和意义，讨论了高保真大幅书画获取在社会生活中越 来越重要的地位，指出研究高保真、大幅面的书画数字化获取系统的必要性。然 后，介绍本文的主要工作，即通过分块拍摄，自动拼接的方法来进行大幅书画的 高保真获取技术。最后介绍了本文的文章结构，给读者以整体印象。 4 浙江大学硕士学位论文第2 章高保真大幅拍摄获取技术综述 第2 章高保真大幅拍摄获取技术综述 2 1 扫描设备技术综述 扫描仪的种类比较多，较为常见的有以下几类： 手持式扫描仪：手持式扫描仪一般用来手持进行室外扫描。手持式扫描 仪绝大多数采用c i s 技术，光学分辨率为2 0 0 d p i ，有黑白、灰度、彩色 多种类型，其中彩色类型一般为1 8 位彩色。也有个别高档产品采用c c d 作为感光器件，可实现位真彩色，扫描效果较好。 小滚筒式扫描仪：这是手持式扫描仪和平台式扫描仪的中间产品，绝大 多数采用c i s 技术，光学分辨率为3 0 0 d p i ，有彩色和灰度两种，彩色型 号一般为2 4 位彩色。也有极少数小滚筒式扫描仪采用c c d 技术，扫描效 果明显优于c i s 技术的产品，但由于结构限制，体积一般明显大于c i s 技术的产品。滚筒式的设计是将扫描仪的镜头固定，而移动要扫描的物 件通过镜头来扫描，要扫描的物件必须穿过机器再送出，因此，被扫描 的物体不可以太厚。这种扫描仪最大的好处就是体积很小，但是由于使 用起来有多种局限，例如只能扫描如纸张厚度的物体，范围还不能超过 扫描仪的大小。 平板式扫描仪：目前在市面上大部分的扫描仪都属于平板式扫描仪。这 类扫描仪光学分辩率在3 0 0 d p i - 8 0 0 0 d p i 之间，色彩位数从2 4 位到4 8 位， 扫描幅面一般为a 4 或者a 3 。平板式的好处在于使用方便，只要把扫描 仪的上盖打开，不管是书本、报纸、杂志、照片底片都可以放上去扫描， 而且扫描出的效果也是所有常见类型扫描仪中最好的。 除了以上的几种扫描仪外，其它的还有笔式扫描仪、条码扫描仪、底片扫描 仪、实物扫描仪，还有主要用于印刷排版领域的滚筒式扫描仪等很多。 以上市场常见的扫描仪都是由光源、聚焦透镜和线性电荷耦合器件c c d 阵列 组成，c c d 阵列制成棒状结构。扫描原理一般是原件面朝下放在扫描仪的玻璃台 上，扫描仪内灯管发出光线照射原件，反射光线经一组平面镜和透镜回到c c d ， 浙江大学硕士学位论文第2 章高保真大幅拍摄获取技术综述 c c d 所产生的电量和所接收的光量成正比。c c d 的电量送到模数转换器中，将电 压转换成代表每个像素色调或颜色的数字值。步进电机驱动扫描头沿平台作微增 量运动，每移动一步，即获得一行像素值。 上述扫描仪都是采用c c d 阵列作为基元扫描元件的。由于c c d 阵列的大小限 制，普通扫描仪的扫描幅面就十分有限。这样的扫描幅面可以满足扫描普通平面 物体的要求，但是对于我国古代大幅面书画来说，无论是扫描精度还是扫描幅面 都无法满足要求。因此，针对超大幅面的古代书画文物的数字化获取，本文实现 的双轴移动拍照式扫描仪可以在扫描幅面和扫描精度上达到要求。 2 2 相机标定技术综述 相机标定是数字化获取技术的基础，标定的主要目的就是精确计算相机的内 外部参数。内部参数是指和镜头相关的焦距等信息，外部参数指照相机和世界坐 标系之间的相关信息。目前，标定技术主要有自标定和定标物标定两种方法，本 文的获取系统采用定标带作为定标物进行标定。标定的过程主要难点在于角点的 提取n 1 。 标定主要完成获取摄像机的两组参数：内部参数以及外部参数嘲。 内部参数主要完成图像坐标系中的象素点与空间摄像机坐标系的转换，一般 可以称为摄像机内部参数矩阵，用k 来表示，如公式( 1 1 ) 所示。 k i k = 10 i 【- 0 公式( 1 1 ) 图像坐标系的中心点( 原点) m o = 【v o r 。，单位是象素，一般近似相等于 图像的中心点，但是由于摄像机制作工艺的限制，使得一般会有一些偏差口1 。 焦距口，一般转换为象素单位，在某些文献中通常会用1 ，= o c p 来表示 象素的形状( 正方形或者矩形) 。 图像坐标系“轴与，轴夹角：9 ，通常为9 0 。 通用的相机成像模型近似满足针孔模型，如图2 1 所示。 2 1j p 秒 似口。 吨 浙江大学硕士学位论文第2 章高保真大幅拍摄获取技术综述 旋转矩阵弓。，为一个正交矩阵似r r = r r r = 1 ) ，r 矩阵中的列向量分别对应 尾、兀的结果，则旋转矩阵r 与吒、a 、兀的关系可以表示为式( 卜2 ) r=：z-cosiny：2疆cos。,by：-so岛l三cos0弘，sin兰ax0 s i n f l y 0 c o s p y 0 - s i n a j 公式。2 ， l - o 1 ，c o s q j 厶n l 纠 它的展开示如下所示。 l c o s 岛c o s y ：一c o s 岛s i n t ： s i n 岛 i is i n a ，c o s 只c o s y = + c o s 口xs i n 7 = 一s i n c z xs i n 岛s i n y ：+ c o s ，c o s t = 一s i n a ，c o s 岛i 【一c o s g ，s i i l 岛c o s t = + s i n c r xs i n y ：c o s g fs i n 矽s i n 以+ s i n c r ，c o s t = c o s o t xc o s 岛j 平移矩阵互。的物理意义是世界坐标系原点在摄像机坐标系的坐标值口1 ，表示 浙江大学硕士学位论文 第2 章高保真大幅拍摄获取技术综述 为示( 1 - 3 ) 。 丁= c 弓z r 公式( 1 3 ) 总体来说，相机定标的一般流程可由图2 2 所示。 图2 2 相机标定一般流程 4 浙江大学硕士学位论文 第2 章高保真大幅拍摄获取技术综述 2 3 图像拼接技术综述 在日常生活中，使用普通相机来获取宽视野的场景图像时，人们必须通过调 节相机焦距才可以摄取完整的场景，但这样所获取的全景照片的分辨率相对较 低，这是因为相机的分辨率是一定的，拍摄的场景越大，得到的图像的分辨率就 越低哺1 。因此人们只能通过缩放相机镜头减小拍摄的视野以换取高分辨的场景照 片。另外，由于距离的限制，某些超大尺寸的物体无法用一张照片拍摄下来，利 用广角镜头和扫描式相机可部分解决视角不足这一问题，但这些设备价钱昂贵， 使用复杂，而且广角镜头的边缘难免会产生扭曲变形。为了在不降低图像分辨率 的条件下获取大视野范围的场景照片，人们提出了图像拼接技术，将普通图像或 视频图像进行无缝拼接，得到超宽视角甚至3 6 0 0 的全景图，这样就可以用普通 相机实现场面宏大的景物拍摄。 图像拼接技术主要包括图像配准和图像融合两个关键环节嘲。图像配准是图 像拼接的核心部分，其目标是找出对齐的两幅或多幅重叠图像之间的运动情况， 图像配准直接关系到图像拼接算法的成功率和运行速度。经过多年发展，人们已 经提出了很多配准方法，如灰度相关法、相位相关法、基于特征的方法n 们等。其 中，基于特征的方法首先在两幅输入图像中分别提取具有不变性的特征点，然后 通过搜索比较得到一组匹配的特征点对，并利用这些特征对之间的对应关系估计 出全局变换参数，最后借助估算出的变换模型将两幅图像校正到同一平面上，从 而实现配准。相对于其他方法，基于特征的配准方法能够容忍更大的图像差异， 有助于获取稳定的配准结果。而且，由于所提取的特征点个数一般远小于图像中 的像素数，所以基于特征的方法通常也有助于加快配准过程的运算速度。但当前 已有的基于特征的图像配准方法，存在一个共同的问题：它们所采用的特征点的 不变性一般较差，特别是通常并不具备对仿射或透视投影变换的不变性。1 9 9 9 年， l o w e 提出了s i f t 方法n ，并于2 0 0 4 在文献 1 2 中改进了这一方法。s i f r 方法 所提取的特征点不仅对图像缩放、平移和旋转变换具有不变性，而且对光照变化 以及复杂的仿射和投影变换也具有部分不变性，因此是图像配准方法中较为常用 的一种。图像融合技术是用来消除由于几何校正、动态的场景或光照变化引起的 浙江大学硕士学位论文 第2 章高保真大幅拍摄获取技术综述 相邻图像间的强度或颜色不连续问题，将两幅经过匹配确定出重叠区域的图像合 并为一幅无缝图像。 2 4 小结 本章首先对大幅面数字化获取技术进行概览，指出本文所用的基本原理和关 键技术，为后续章节的行文打下只是铺垫，同时对影响高保真大幅面书画拍摄装 置技术的因素进行分析与综述。 6 浙江大学硕士学位论文 第3 章拍摄装置的控制技术 第3 章拍摄装置的控制技术 3 1 拍摄装置的移动控制技术 由于本系统是针对大幅书画的数字化获取而开发，最大拍摄幅面达到了4 米 8 米，因而设计一套稳定高效的、可以精确移动并且精确控制的移动系统就是 本文获取系统的基础。本文设计开发的移动系统采用三菱电机驱动，架设了一根 导轨，使相机可以沿导轨横向移动，同时这根导轨位于可以可移动的轨道之上， 从而实现了沿两个不同方向移动的目标。硬件架构如图3 1 图3 1 拍摄装置的移动控制平台 导轨和轨道都是由三菱p l c 驱动电机实现移动的，通过串口通信控制p l c ， 移动系统实现了精确定位和计算机控制移动的目标。除了硬件的搭建，本移动系 统设计开发的关键之处就是通过串口通信来控制p l c 对电机进行移动控制的模 块。 可编程逻辑控制器p l c 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算 新江大学硕士学位论文第3 章拍摄装置的控制技术 操作的电子装置【1 3 1 。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑 运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟 式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。p l c 及其有关的外围设备易 于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能。p l c 是一种控制器，主要实 现直接对对象的控制可作为下位机。要实现对生产过程的监控，还必须配以计 算机等人机接口界面作为上位机。本文运用m i c r o s o f tv i s u a lc + + 8 0 编制操作界 面和通信功能，实现了控制移动系统的。 与大多数p l c 厂商一样，三菱p l c 配置了与上位计算机进行通信的模块。 三菱p l c 与计算机之间的通信是通过r s 2 3 2 接口来实现的【1 4 1 。p l c 接受计算机 中的各种控制信息，分析处理后转化为p l c 中软元件的状态和数据；p l c 又将所 有软元件的数据和状态送入计算机由计算机采集这些数据进行分析及运行状 态监测用计算机改变p l c 的初始值和设定值从而实现计算机对p l c 的直接 控制。 三菱p l c 与计算机之间的通信是建立在以r s 2 3 2 标准为基础的异步双向通 信上的，它有其特定的通信格式，整个通信系统采用上位机主动的通信方式【1 5 】计 算机直接对物理通信地址进行操作。通信过程中，传输字符和命令字以a s ci i 码为准【1 6 】，常用的字符及a s c i i 码对应关系如表3 1 所示。 表3 1 三菱p l c 串口通信格式 字符a s ci i 码含义 s t x0 2 h 数据块的起始标志 e t x 0 3 h 数据块的结束标志 e n q 0 5 h 来自计算机的查询信号 a c k0 6 h 无校验错误时p l c 对e n q 的应答信号 n a k1 5 h 校验到错误时p l c 对e n q 的应答信号 在进行通讯时，计算机和p l c 之间是以帧为单位交换信息的，其中控制字符 e n q 、a c k 、n a k 是按单字符帧发送和接收的，其余的信息都是由字符s t x 、 命令字、数据、字符e t x 、和校验五部分组成。命令字可以为“0 、“1 、“7 ”、 8 浙江大学硕士学位论文第3 章拍摄装置的控制技术 “8 等，分别代表对p l c 相关单元的读、写、置位和复位操作，相关单元为x 、 y 、m 、s 、t 、c ，而读写还可对d 数据寄存器进行操作。校验是在信息帧的最 后，用来判别传输是否正确。计算机和p l c 出错的概率较小，所以一般采用和校 验法，即可满足要求。将命令字到e t x 之间的所有字符的a s ci i 码相加，所得 和的最低2 位数作为和校验码。 利用m i c r o s o f tv i s u a lc + + 8 0 实现串口通信的控制模块有两种方法，一种是 直接使用m i c r o s o f t 提供的控件m s c o m m 1 7 1 ，这种方法使用比较简单，但是扩展 性不高，使用不灵活。另一种方法是调用a p i 函数来实现串口通讯【1 8 】，这种方法 扩展性强，使用方便灵活，便于二次开发。本系统使用的是调用a p i 函数的方法 来完成串口通信的。 串口通信应用程序的设计步骤一般都分为四步：打开串口；配置串口；读写 串口；关闭串口，。程序设计的总体思路是：首先确定要打开的串口名；然后是 对串口进行配置，包括波特率、奇偶校验方式、数据位、停止位、输人输出缓冲 区大小、超时设置、读取数据格式等；接着就是在串口设置基本完成以后，对串 口进行读写操作；最后关闭串口。 开发流程图如图3 2 ： 9 浙江大学硕士学位论文第3 章拍摄装置的控制技术 图3 2 串口通信开发流程图 3 2 移动控制模块的实现 本系统要求移动控制模块达到如下要求：能够得到当前的精确位置和两个轴 的速度，可以方便的实现两个轴同时或者分别沿两个方向移动，以及定点移动。 针对这些要求，串口通信模块对上层系统直接调用来说仍然过于复杂，因此，本 文实现的移动控制系统针对这一缺点对串口通信模块进行了封装，对上层提供了 一种简洁明了的接口，使得上层系统实现移动控制可以直接在该接口上进行，从 而实现了对串口通信层的封装，提高了上层模块的效率。 具体的说，移动控制模块实现了如下封装：封装了串口初始化的过程( 包括 打开串口，设置波特率、数据位、停止位、缓冲区大小、读取数据格式等) ，向 上层提供了一个简单以用的移动控制模块初始化功能( m o v e c o n t r o l i n i t ) ；封装 了发送和接收数据的过程，并且根据发送和接收的数据类型，抽象出了两个轴沿 l o 浙江大学硕士学位论文第3 章拍摄装置的控制技术 两个方向的移动 ( m o v e _ x _ f o r w a r d ，m o v e y o r w a r d ) 、停止 ( m o v e _ x _ s t o p ，m o v e 二u t o p ) 、当前两个轴移动的移动速度的获取 ( g e t _ ) 【- s p e e d ，g e t 二y - s p e e d ) 、 当前位置的获取 ( g e t x - p o s i t i o n ，g e t 二y _ p o s i t i o n ) 、两个轴的运动状态是运动还是停止 ( c h e c k m o v e s t a t u s ) ，以及定点移动( s e tp o s i t i o n ) 的功能。 通过封装串口通信模块，使得上层系统调用的代码简洁易读，方便了后续整 个系统的开发和调试，很大程度上加快了系统开发的进度并且提高了后续开发的 灵活性。 一般的p l c 厂商提供两种方式支持运动控制。一种是相对脉冲移动的方法， 一种是绝对脉冲移动的方法。相对脉冲移动，首先是把当前位置对应的脉冲数读 取出来，然后判断目标位置与当前位置的关系，根据目标位置与当前位置来决定 是发送一定脉冲往前移动还是发送一定脉冲往后移动。绝对脉冲移动，就是直接 发送一定的脉冲数，使得移动一定位置。 本文的做法是，通过脉冲移动控制将相机移动至左下角，将逻辑位置置为o 位，读取该位置对应的脉冲数，然后移动至右上角，将逻辑位置置位最大值( 即 拍摄幅面的最大值) ，同样记录下该位置的脉冲数。然后量出横向和纵向两个方 向的长度，再分别除以两个方向相差的脉冲数，就可以得到实际长度和脉冲数的 对应比例关系，这样就可以通过发送一定脉冲数来实现精确位置的定位了。 在实现了脉冲控制的精确定位以后，本文所要求的相机移动的精确控制定位 就可以实现了，结合高精度数码相机厂商提供的s d k ，就可以实现大幅书画的高 精度的自动分块拍摄。 3 3 相机远程自动拍摄模块的实现 本文所使用的高精度数码相机提供了一种基于s d k 的a p i 进行远程相机控制 拍摄( a p is o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ，s d k ) 。该s d k 提供的a p i 编程接口提供了 可供上层调用的d l l 的出口函数，以及可以直接调用的s d k 模块。安装好相机的 驱动，并且正确用数据线正确连接相机和计算机后，应用该模块的上层接口，可 浙江大学硕士学位论文 第3 章拍摄装置的控制技术 以直接编写应用程序。 相机s d k 提供了接口来实现如下功能： 访问数码相机拍摄到的图片。 获取远程相机拍摄到的图片。 将远程相机拍摄到的图片传输到计算机。 令在计算机上显示或者存储远程计算机拍摄传输的图片。 获取源格式( r a w ) 的图片，并且转换成常用的图片格式。 设置拍摄参数，如白平衡，曝光时间。 通过计算机控制远程相机拍摄照片。 本文主要使用了相机s d k 提供的设置拍摄参数、远程控制拍摄、传输拍摄图 片等功能。 计算机通过控制相机拍摄参数，可以得到并且更改照相机的各个参数。相机 拍摄参数并不保存于安装相机s d k 的计算机上，而是保存在远程相机的存储卡中。 与相机获取到的照片或者其他文件不同，相机参数并不存在于存储卡的可删除存 储器中，而是位于相机的内部存储器，因此，相机参数只可以修改或者保存，并 不能完全删除。 远程控制拍摄照片和照片文件的传输是本文用到的相机s d k 提供的两种重要 接口。远程控制拍摄和照片文件的传输是通过相机s d k 提供的事件回调函数机制 ( e v e n tc a l l b a c kf u n c t i o n ) 来完成的。相机s d k 首先允许我们注册回调函数， 不同的回调函数处理不同的事件。当某个事件一比如开始拍摄照片、传输照片， 在远程相机上发生，客户端程序将通过相机s d k 接收该事件的事件通知消息，当 相机s d k 接收到该消息后，客户端程序执行已经注册过的回调函数，来完成对应 的操作。事件回调函数通过设置不同的参数来完成不同的事件响应。 相机s d k 库的子结构如下： 令a p ii n t e r f a c e 提供了上层应用程序接口。 o b j e c tl a p p e r 将r c - s d k 的a p i 转换成s d k 的底层a p i 。 s d km a i nb o d y 处理上层传输来的s d k 命令。 1 2 浙江大学硕士学位论文第3 章拍摄装置的控制技术 c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e 来处理远程相机的a p i 命令。 r a wd e v e l o p m e n tl i b r a r y 来进行源格式图片的处理。 f i l ep a r s i n gl i b r a r y 来进行各种文件格式的处理。 p r o p e r t yh a n d li n gl i b r a r y 来进行相机格式的处理。 完整的相机s d k 库的子结构如图3 3 所示： 图3 3 相机s d k 库的子结构 应用相机s d k 编写w i n d o w s 应用程序的基本体系结构如图3 4 所示： 1 3 浙江大学硕士学位论文第3 章拍摄装置的控制技术 喁f i n d o w $ w i n d o w s 卸p - t c a t t 。n - - - - - b - - - - 丫 m m 滁如蛔 0 l c 一鼍麓秽n 。 0 lc o u m l n m t e r 础f n c 七m f o h r ；“i s f i 、，u 盯s 。 e s 盯m o d eu s e l l m o d e s i n i d r i v e rf o rs i n i d r i v e rf o r u s b i e e e1 3 9 4 一丫一 一一- 一习；一一- ： u s e t m o d eu s e rs o d e s i n i d r i v e rf o r i v l _ r t i d r i v d rf o r u s bi e e e1 3 9 4 k c t r n c ls o d eb u sd r i v 仃s t a c k rs d k 、 图3 4 应用相机s d k 编写w i n d o w s 应用程序的基本体系结构 相机s d k 提供了基于u s b 口或者1 3 9 4 口的微驱动用户态最底层接口，这些 接口通过使用i s t i l l l m a g ec o m 接口来访问底层操作系统接口。 3 4 小结 本章讨论了拍摄装置的控制技术实现。主要包括移动控制模块和照片的远程 自动拍摄控制模块。移动模块讨论了基于p l c 的串口通信的实现，这是实现移动 控制模块的基础。在串口通信的基础上，本文实现了对底层控制命令的封装，向 上层提供了直观简便易用的接口，为上层移动模块的实现奠定了基础。相机的远 程自动拍摄模块主要基于数码相机厂商提供的r c - s d k 来完成，通过事件消息的 回调函数处理机制，实现了通过客户端应用程序来控制远程相机自动拍摄照片以 及传送照片的功能。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第4 章相机内外参数的标定 第4 章相机内外参数的标定 4 1 角点提取算法分析 相机内存和外参的标定中，核心问题就是定标物特征点即角点的提取。 在数字图像中，物体所占区域边界的角点是一种重要的局部特征，一般来说 它是目标轮廓线上曲率的局部极大点n 训，对掌握目标轮廓特征具有决定作用。角 点特征具有计算量少，匹配简单以及旋转、平移、放缩不变的性质，因此角点在 图像配准与匹配、目标识别、运动分析、目标跟踪等应用领域都起着非常重要的 作用。 在计算机视觉领域，到目前为止，关于角点还没有很好的数学定义。在不同 的角点检测方法中，对角点都有自己的定义。目前对角点比较具体的描述主要有 以下几种： 1 ) 角点是一阶导数( 即灰度的梯度) 的局部最大所对应的点； 2 ) 角点是指两条以上边缘的交点； 3 ) 角点指示了物体边缘变化不连续的方向； 4 ) 角点处的一阶导数最大，而且二阶导数为零； 5 ) 角点处不仅梯度的数值大，而且梯度方向的变化速率也很大；也就是说， 角点指示了图像在两维空间内灰度变化剧烈的地方，是和周围邻点有着 明显差异的点。 常用的角点提取算法主要分为两大类：一类是直接基于图像灰度的角点检测 算法，主要通过计算曲率及梯度来达到检测角点的目的。另一类是基于边缘的角 点提取算法，其基本思想是角点是两条或多条边缘的交点。 4 1 1 基于图像灰度的角点提取算法 基于图像灰度的角点检测算法，主要通过计算曲率及梯度来达到检测角点的 目的。由于不需要进行边缘提取，在实际中得到了广泛的应用。在此基础上发展 1 5 浙江大学硕士学位论文第4 章相机内外参数的标定 了很多算法，比较著名的有m o r a v e c 算子嘲、h a r r i s 算子2 、s u s a n 算子蚴。 1 ) m o r a v e c 算子 m o r a v e c 提出了“兴趣算子 提取角点的算法。该算子计算各像素沿不同方 向的平均灰度变化，选取最小值作为对应像素点的角点响应函数( 即兴趣值) ，定 义在一定范围内具有最大角点响应的像素为角点。 m o r a v e c 算子的具体实现为：确定图像中的一个局部窗口，通过窗口在图像 中的移动，确定图像的灰度变化值。在移动的过程中有三种可能：如果窗