（机械电子工程专业论文）基于灰度匹配的非接触速度长度检测系统.pdf

摘要 摘要 目前在纺织行业里，生产线上的布料长度在线测量或采用机械式滚轮测量 仪，或采用激光测速测长仪。这两种方法各有优缺点，前者利用滚轮与运动布匹 间的摩擦力带动滚轮转动计数，成本低，操作简便，但是若布料比较柔软和光滑， 则滚轮易打滑，造成计数不准，误差较大；由于是接触式测量，布料及滚轮自身 都会产生不可恢复的磨损，影响布匹质量和测量精度。后者可实现非接触式的测 量，测量精度高，但其对应用场合和被测物性质有特殊要求，而且成本较高，很 难在大规模的生产线上普遍使用。 不管是机械轮式测量法还是激光多普勒测速法，在实际应用过程中都具有一 定的局限性。为了改善纺织行业布匹长度计量的检测精度，本文在研究测速测长 领域现有接触和非接触方法的基础上，提出了一种基于图像像素灰度匹配的非接 触速度长度检测方法。该方法综合运用了光电检测、数字图像处理等技术知识， 利用红色激光在被测物表面的反射光，进入c m o s 图像传感器中成像，再根据 设计的基于灰度匹配的序贯相似性检测算法对前后两帧图像进行匹配和分析，进 而得到被测物的运动状态信息如运动方向、位移等。 基于上述方法，本文设计了一个实际卷布机生产线上布料卷绕速度及卷绕长 度的非接触检测系统，完成了图像采集模块、图像匹配处理模块、l c m 显示模 块、控制模块等的软硬件设计和实物开发。模拟纺织行业的布匹卷绕生产线，搭 建了测试平台，在对系统物像比例关系标定的基础上，在不同速度下对不同材质、 颜色的布料长度进行了检测。实验结果表明，系统在一定的速度检测范围内，能 够满足布料长度检测的精度和实时性要求，并具有非接触、准确、简单、稳定性 好、无需增加补偿电路等特点。 关键词：速度长度非接触检测灰度匹配 a b s t r a c t a bs t r a c t hc u r r e n tt e x t i l ei n d u s t r y , l e n g t hd e t e c t i o no fc l o t l ai np r o d u c t i o nl i n em a i n l yr e l i e s 0 1 1m e c h a n i c a lw h e e l so rl a s e rd e t e c t i o ni n s t r u m e n t s b o t hm e t h o d sh a v ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e s t h ef o r m e ru s e sf r i c t i o nb e t w e e nw h e e l sa n dc l o t ht od r i v ew h e e l s r o l la n dc o u n t , w h i c hi so fl o wc o s ta n de a s yt oo p e r a t e h o w e v e r , i ft h ec l o t hi ss o f t a n ds m o o t kw h e e l sa r el i k e l yt os l i p ，r e s u l t i n gi nw r o n gc o u n t i n ga r i de r r o r a n d b e c a u s eo fc o n t a c tm e a s u r e m e n t , b o t ht h ec l o t ha n dw h e e l ss u f f e rf r o mu n r e c o v e r a b l e w e a l a n dt e a r ，i n f l u e n c i n gq u a l i t yo ft h ee l o t l aa n dm e a s u r e m e n ta c c u r a c y t h el a t t e r , ai l o n c o n t a c tm e a s u r e m e n t , h a sh i g h e rm e a s u r c m e l l ta c c u r a c y , b u ti tr e q u i r e st h a tt h e m e a s u r e do b j e c ts h o u l dh a v es p e c i f i cf e a t u r e sa n di tc a no n l yb ea p p l i e di nc e r t a i n c i r c u m s t a n c e s p l u s ，i tc o s t st o oh i g ht ob ew i d e l yu s e di nl a r g e s c a l ep r o d u c t i o nl i n e b o t hm e c h a n i c a lw h e e l sa n dl a s e rd o p p l e rv e l o c i m e t e rh a v ec e r t a i nl i m i t a t i o n si n t h ea c t u a la p p l i c a t i o np r o c e s s i no r d e rt oi m p r o v em e a s u r c m c i l ta c c u r a c yo fc l o t h l e n g t h , m e rs t u d y i n ga n dr e s e a r c h i n ge x i s t i n gc o n t a c ta n dn o n - c o n t a c tm e t h o d si n v e l o c i t ya n dl e r l g t t ld e t e c t i o nf i e l d s ，al i o n c o n t a c td e t e c t i o nm e t h o db a s e d0 1 1g r a y m a t c h i n gh a sb e e np r o p o s e d t h i sm e t h o d i n t e g r a t e du s eo fp h o t o e l e c t r i cd e t e c t i o n t e c h n o l o g y ，a 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 ya n ds oo n ，u s e st h er e f l e c t e dl i g h t , w h i c hi sp r o d u c e db yr e dl a s e ri l l u m i n a t i n gt h em e a s u r e do b j e c t ss u r f a c e ，e n t e ri n t o t h ec m o si m a g es e n s o rt of o r ma l li m a g eo ft h em e a s u r e do b j e c t t h e nu s i n g p r e d e s i g n e ds e q u e n t i a ls i m i l a r i t yd e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e d0 1 3 g r a ym a t c h i n g ，t w o s u c c e s s i v ei m a g e sa r em a t c h e da n da n a l y z e d g i v i n gm e a s u r e do b j e c t sm o t i o ns t a t e i n f o r m a t i o ns u c h 笛d i r e c t i o no fm o v e m e n ta n dd i s p l a c e m e n t b a s e do nt h ea b o v em e t h o d , t h i sp a p e rd e s i g n sal i o n c o n t a c tc l o t hw i n d i n gv e l o c i t y a n d1 e n 蚰d e t e c t i o ns y s t e ma p p l i e di na l la c t u a lw i n d i n gm a c h i n e h a r d w a r ea n d $ o 如v a r ed e s i g no ft h ei m a g ea c q u i s i t i o nm o d u l e ，i m a g em a t c h i n gp r o c e s s i n gm o d u l e ， l c dm o d u l ea n dc o n t r o l l i n gm o d u l ea r es u c c e s s f u l l yc o m p l e t e d s i m u l a t i n gt h e p r o d u c t i o nl i n eo fw i l a d i n gm a c h i n ei l at e x t i l ei n d u s t r y ，at e s tp l a t f o r mi sb u i l t a 脑 a b s t r a c t d e t e c t i n gt h ep r o p o r t i o no fo b j e c t st oi m a g e so ft h es y s t e m ，u n d e rd i f f e r e n ts p e e d s ， c l o t hw i n d i n gl e n g t ho fd i f f e r e n tm a t e r i a l sa n dc o l o r sa r ed e t e c t e d e x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t et h a tt h es y s t e m ，w h i c hi sn o n c o n t a c t , a c c u r a t e ，s i m p l e ，o fg o o d s t a b i l i t ya n d w i t h o u te x t r ac o m p e n s a t i o nc i r c u i t s ，c a nm e e tl e n g t hd e t e c t i o nd e m a n d s o fp r e c i s i o na n dt i m e l i n e si nac e r t a i nr a n g eo fs p e e d s k e yw o r d s ：v e l o c i t ya n dl e n g t h ；n o n - c o ，n t a c td e t e c t i o n ；g r a ym a t c h i n g m 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 检测技术是一门应用非常广泛的技术，在许多领域都会对各种工件、各种 运动物体进行检测，以保证产品符合相应的规格要求和质量要求，保证产品的合 格率，提高生产、生活的安全性。在现代制造系统中，控制产品质量的手段已 经从传统的“被动 、“静态 检测生产加工好的产品，扩展到检测和监控整个 生产系统的运行过程，进而实现全面的、最佳的自适应调整和控制n 1 。生产过 程中的在线自动测量是实现现代制造过程最优控制的前提条件。例如，在工业 应用过程中，有时需要检测物体间的相对运动状态包括运动方向和运动速度等， 如监控起吊设备的运行速度。另外，在某些行业的工业生产中，流水线上产品 长度的实时检测也可归结为运动物体的移动长度检测问题，如钢轨、板材长度 的在线切割，纺织行业里对卷布机卷绕布匹长度的实时测量等。 目前，在测长测速领域，主要有接触式和非接触式两类测量方法。接触式 测量方法主要是利用靠轮等机械设备，而非接触式测量方法主要是利用各类光 电传感器。这两类方法各有利弊，前者原理简单、安装简便、数据处理容易、 价格低廉，但受各种因素影响，测量精度不高，同时在一些特殊场合无法应用。 后者由于非接触测量，干扰较少、响应较快、精度较高，性能更加可靠，能够 应用在更多的场合，但是测量信号的后续数据处理比较复杂，价格也比较高， 很难在生产线上大规模使用。 下面分别以机械轮式测量法和激光多普勒测速法作为接触式和非接触式测 量方法的代表进行简要的介绍。 1 2 速度长度常见测量方法 1 2 1 机械轮式测量法 机械式靠轮是传统的接触式测速测长工具，被广泛应用于织造、印染、化 纤、服装等纺织，皮革，塑料，电缆电线，钢管，纸张生产领域。两种常见的 1 基于灰度匹配的非接触速度长度检测系统 轮式测量仪如图1 1 所示，其实际应用场景如图1 2 所示。其工作原理是：将靠 轮与被测物表面直接接触，当被测物运动时，依靠相互接触两者间的摩擦力带 动靠轮转动计数。机械靠轮转动的圈数乘以轮子的圆周长即为被测物的运动长 度，若再与相应的运动时间相除即可得到物体的平均运动速度。 图l o l 两种常见的轮式测量仪 一 缫辫麟。妻雾i i i 图1 2 机械式靠轮在工业场合的实际应用 这种利用靠轮计长的机械式测量方法原理非常简单，操作也极其方便，但 是由于受以下几个因素的影响，测量精度较低，结果缺乏可靠性，易给生产企 业造成损失： ( 1 ) 滑动误差。该种测量方法对靠轮和被测物表面的纹理有一定的要求， 如果两者的表面都比较光滑，那么在测量过程中极易发生打滑现象，影响靠轮 的正常转动和计数，造成滑动误差，降低测量精度。同时，随着使用时间的增 司 遴一鼎矿 ；。一掺 紫 黧 -爵。， 第一章绪论 加，靠轮表面会不可避免地因为磨损而变得越来越光滑，滑动误差越来越大， 需要注意定期更换。 ( 2 ) 靠轮磨损。为了减少打滑，靠轮一般都采用较为柔软的材料制作眨3 ， 如橡胶等。这就使得轮子在长期使用过程中会发生磨损，导致轮子直径变小， 而利用靠轮测得的数据就会比实际尺寸大，造成误差。 ( 3 ) 靠轮直径增加。由于被测物上的碎片、渣滓粘附在靠轮上，使得轮子 的直径增加，导致测量值与实际值不符。 其中滑动误差是造成靠轮式测长仪测量精度低的主要原因，另外两个因素 都可通过定期更换靠轮进行改善。通常情况下，靠轮式测量仪的精度在1 一2 之间阮1 。这种测量仪器虽然价格便宜操作简便，但是由于上述原因导致长度测 量不准而造成的损失是无法估量的。而且，除了测量精度不高的弊病，接触式 测量还会给被测物体造成不可修复的磨损，在某些对产品外观、表面尺寸有特 殊要求的工业场合无法应用。 1 2 2 激光多普勒测速法 如同声波多普勒效应一样，光源与物体发生相对运动时也具有多普勒效应， 具体表现为：当一束静止的光照射到一个运动物体上时，物体接收到的光波频 率与光源频率会有差异，其增减的多少与物体运动速度以及照射光与速度方向 之间的夹角有关。如果用一个静止的光检测器( 例如光电倍增管) 来接收运动 物体发出的散射光，那么观察到的光波频率就经历了两次多普勒效应b 。 激光多普勒测速法就是利用激光多普勒效应来测量流体或固体运动速度的 一种方法。但是由于流体分子的散射光很弱，为了得到足够的光强，必须在流 体中散播适当尺寸和浓度的微粒作为示踪粒子，因此激光多普勒测速法实际上 是依靠液体或固体微粒的散射光来获得多普勒频移的，其实际测得的是微粒的 运动速度，同流体或固体的运动速度并不完全一致。所幸的是，大多数的自然 微粒( 如空气中的尘埃、自来水中的悬浮粒子) 在流体中一般都能较好地跟随 流动。如果确实需要人工播粒，微米数量级的粒子即可兼顾满足流动跟随性以 及测量的要求。 典型的激光测速系统即激光多普勒测速仪l d v ( l a s e rd o p p l e rv e l o e i m e t e r ) 如图1 3 所示，主要由以下几个部分组成口： 3 基于灰度匹配的非接触速度长度检测系统 图1 3 典型的激光测速系统 ( 1 ) 激光器。频谱窄、能量集中的单色相干激光的出现为利用光波多普勒 效应创造了条件。为了满足长时间测量的要求，一般都采用连续气体激光器， 如小功率的氦一氖( h e - n e ) 激光器( 功率为几毫瓦至几十毫瓦) 和大功率的氩 ( m ) 离子激光器( 功率为一瓦至十几瓦) 。 ( 2 ) 入射光学单元。它的功能是将激光束按照一定的要求分成多束互相平 行的照射光束，并通过聚集透镜会聚到测量点。图1 3 表示由两束入射光组成 的典型的一维双光束单元。只要确定两束入射光的半交角k ，就能由多普勒频 移频率f d 确定光束平面内垂直于交角平行线方向的速度u v 。 ( 3 ) 接收或收集光学单元。它的作用是收集运动微粒通过测量点时向四周 发出的散射光，再经过光学外差和光电转换过程得到具有多普勒频移频率的光 电流信号。 ( 4 ) 多普勒信号处理器。由于运动微粒到达测量点的时刻和位置，以及微 粒尺寸和浓度的随机特性，光电流信号的振幅也是随机变化的。此外，流速本 身的脉动所产生的频率变化以及频率加宽和多粒子叠加引起的相位噪声等混杂 在一起，更增加了电信号形式的复杂性，使用通用的频率分析仪难以满足要求。 针对不同的流动场合，可以使用如频率跟踪器、计数式处理器、光子相关器以 及以数字瞬态快速记录储存为特点的数字相关处理器和数字快速傅里叶变换处 理器等，可大大提高激光测速系统的信号处理速度和抗噪声能力。大多数信号 处理器的任务是将多普勒频率量转换成与其成比例的模拟量或数字量。 ( 5 ) 数据处理系统。由于激光测速信号的特殊性，通常难以在很宽的速度 范围内用一台信号处理器就得到所需的各种运动信息，因此，激光测速系统还 4 第一章绪论 需要数据处理器来分析和处理各种数据。数据处理器的主要任务就是对信号处 理器输出的模拟量或数字量进行二次处理，得到各种运动参数。随着微处理器 技术的发展，整个数据处理过程如参数设置、采样控制、数据演算和文件管理 等都已实现软件智能化管理，以微处理器为核心的数据采集和处理系统已成为 激光测速系统必不可少的一部分。 若将光源0 、运动微粒p 和静止的光检测器s 布置成如图1 4 所示位置， 就可以得到最简单形式的激光多普勒频移表达式： f d = _ 2 s i - n k ：l u ，i ( 1 1 ) 式中：u v 为速度u 在y 轴的分量；k 为入射光和散射光向量之间的半交角。 由上式可知，只要k 和波长九给定，多普勒频移与速度就成线性关系，通过多 普勒频移就可以换算出微粒的运动速度，即流体的速度。 。 多夕 誓0 舌 ，一 ， ， 图1 4 特定的光源、粒子和光检测器的位置 自1 9 6 4 年首次应用激光多普勒效应测得流体速度以来，激光测速技术已经 历经了近5 0 年的发生、发展和广泛应用。随着科学技术的发展，具有非接触测 量、线性特性、较高的空间分辨率和快速动态响应优点的激光多普勒测速法已 经广泛应用于航空航天、机械、石油能源、动力冶金、水利、钢铁、化工轻工、 医学等各个领域和部门。当然由于测量方法的特殊性，在应用过程中激光测速 法也有局限性。例如，测量区域必须是光线可及的，而且要存在适当的散射颗 粒。在信号处理方面，虽然多普勒频移的线性公式很简单，但是实际上，有限 测量体积的存在、各种频率加宽、偏置和噪声等都会影响最终的测量精度3 。 另外，激光测速系统成本偏高，很难在大规模的工业生产线上普遍使用。 5 基于灰度匹配的非接触速度长度检测系统 1 3 本论文的研究工作 我国是一个纺织品生产和出口大国。目前在纺织行业里，生产线上的布料 长度在线测量，多采用的是橡胶滚轮式计数器，也称码布表。该种计数器利用 橡胶滚轮与运动布匹间的摩擦力带动滚轮转动进行计数，有明显的缺陷：若被 测布料比较柔软和光滑，那么滚轮易打滑，造成计数不准，误差较大，给纺织 企业造成损失；由于采用接触式测量方法，滚轮会对布料产生不可恢复的磨损， 影响布匹质量；长期使用的滚轮自身也会发生磨损，造成测量误差。当然，除 了接触式的测量方法，也有些生产线采用了非接触的测速测长方法如激光多普 勒测速法、激光相位法等完成相关检测。非接触的测量方法虽然改善了测量精 度，但是其对应用场合和被测物性质有特殊要求，而且成本较高，很难在大规 模的生产线上普遍使用。 综上所述，不管是机械轮式测量法还是激光多普勒测速法，在工业实际应 用过程中都具有一定的局限性。为了改善纺织行业中布匹长度在线计量的检测 精度，本文在研究测速测长领域现有的接触和非接触方法基础上，提出了一种 基于图像像素灰度匹配的非接触速度长度检测方法。在对纺织企业生产线实地 考察的基础上，研究相关检测需求和精度要求，设计了一个实际卷布机生产线 上布料卷绕速度及卷绕长度的非接触检测系统，通过搭建测试平台，设计相应 的试验方案对该系统进行了不同参数下的测试，对实验结果和精度影响因素进 行了详细的分析，并提出了今后的一些改进意见。完成的主要工作包括： ( 1 ) 通过查阅文献和资料，研究工业生产线上测速测长领域的现有方法， 包括接触式和非接触式两大类。以机械轮式测量法和激光多普勒测速法为代表， 分析了两种方法的优缺点及各自适合的应用场合。 ( 2 ) 综合利用光电检测知识、图像匹配技术、数字信号处理技术及相关的 控制技术，提出了一种基于灰度匹配的非接触速度长度检测方法，并详细分析 了该方法的原理。 ( 3 ) 采用何种图像匹配算法决定了该检测方法的效率和精度高低。在传统 的基于像素灰度相关的图像匹配算法基础上，综合比较选择了最适合的相似性 度量，并辅以加速算法，在保证检测精度的前提下提高匹配效率，更好地满足 检测的实时性要求。 6 第章绪论 ( 4 ) 设计了一个实际卷布机生产线上布料卷绕速度及卷绕长度的非接触检 测系统，完成了图像采集模块、图像匹配处理模块、l c m 显示模块、控制模块 等的软硬件设计及实物开发。 ( 5 ) 模拟纺织行业的布匹卷绕生产线，搭建测试平台，设计相应的实验方 案，对系统进行了物像比例标定及多种参数测试，对实验数据和结果进行了详细 分析，验证了基于灰度匹配的非接触检测方法的可行性，并对今后的努力和改进 方向提出了展望。 1 4 本章小结 本章首先介绍了本文的研究背景，即产品的在线测量已成为实现工业自动 最优控制的重要环节。本文正是在这样的背景下，以纺织行业布料长度及速度 在线测量为切入点展开研究。接着以机械轮式测量法和激光多普勒测速法为例， 介绍了速度长度在线测量领域现有的接触式和非接触式两类方法，分析了各自 的优缺点。最后，介绍了本文完成的主要研究工作。 7 。、 基于灰度匹配的非接触速度长度检测系统 第二章基于灰度匹配的非接触检测方法分析 2 1 基本原理分析 当一个物体运动时，用一台摄像机对其连续不间断地摄像，即可记录其整 个运动过程，得到若干帧该物体在某一时刻的静态图像。若对所拍得的前后两 帧图像的灰度变化进行比较，即可提取出运动物体移动的特征，包括运动方向 和运动长度等，经过相应的计算还可以得到物体的运动速度。这就是本文利用 灰度匹配测量运动速度及长度的基本思想，与静态背景下运动目标实时跟踪检 测的方法有相似之处。 不同之处在于运动目标检测的应用场合通常是利用摄像头对某一场景进行 监控，它需要在一定的背景下提取运动区域并对背景和目标加以分割，再根据 运动目标的轮廓或可提取的外形特征对其进行追踪h 1 。如下图2 1 所示，摄像头 所拍摄到的街道一角是静态背景，在街道上行驶的汽车则是需要实时跟踪检测 的运动目标。而与之不同的是，在工业生产流水线上如板材、纸张、布匹等的 在线测量切割，如图2 2 所示，被测物没有明显可辨识的外部特征或完整可提 取的轮廓，单纯利用运动目标检测的方法来获取运动信息是行不通的，需要在 运用基本测量原理的基础上，针对工业生产流水线的特点，关注板材、纸张、 布匹等待测产品的一些特有细节特征，运用新的方法检测运动状态，满足测量 要求。 图2 1 静止背景下运动目标检测 国 第二章基于灰度匹配的非接触检测方法分析 图2 2 工业流水线上板材在线测量切割 由以上对不同应用背景的分析可知，既然在某些工业场合中运动目标难以 提取完整的轮廓和外部特征，那么可以关注运动目标的细节特点如毛皮、绒布 等纺织品的图案和花纹，钢轨、木材、纸张等的纹路。通过提高“拍照 频率、 缩短拍摄距离等方法，可以连续获得被测物表面图案或纹路的微小位移图像， 再利用相应的图像匹配算法比较前后两帧图像运动目标的灰度微小变化，即可 获得被测物的运动状态信息。这就是本文提出的基于灰度匹配的非接触速度长 度检测方法的基本原理。如下图2 3 所示，即是运用该种方法获取的光滑纸张 的纹路图像。 图2 3 光滑纸张的纹路图像 根据这样的设计思想，利用光源、透镜、成像器件组成一台“摄像机，对 运动物体连续不断地“拍照 ：高亮度光源发出的光束照射到被测的运动物体表 面，这些光在被测物表面反射后通过透镜会聚，再进入成像器件，形成帧图像。 得到图像帧后，图像传感器将其转换为二维矩阵电信号再传送给相应的数字信 函 基于灰度匹配的非接触速度长度检测系统 号器件处理。信号处理器件根据预先设定的图像匹配算法，将此帧图像与其储 存的上一帧图像进行灰度对比计算及匹配，即可得到在这段微小的采样间隔时 间内，被测物相应的运动方向和位移。 如果需要计算被测物在某段连续时间内的运动长度及运动速度，并利用这 些数据实现一定的应用及控制功能，则可按照相关的通信协议要求，将数字图 像处理器得到的运动状态信息，以一定的频率和格式发送给控制芯片进行后续 的数据计算及处理，并实现相应的功能。 通过以上对基于灰度匹配的非接触速度长度检测方法的基本原理分析，可 以得知整个检测系统应该分为两部分，即光学传感子系统和控制子系统。前者 是整个检测系统的核心部分，利用光学通道、图像传感器、信号处理器件完成 运动物体的图像跟踪拍摄、处理及分析，取得物体运动方向、位移等基本参数； 后者完成数据处理、结果输出及系统协调。整个检测系统的结构和组成可以用 图2 4 来表示。 2 2 高亮度光源二二同冗厦兀爆 图2 4 非接触测速测长系统结构图 就像摄像机需要摄影灯一样，为了对运动物体的相对位移进行图像采集， 系统必不可少地需要光源的支持。如果没有足够的光线亮度，拍摄的图像将是 模糊不清甚至是黑暗无光的，这样的图像无法进行后续的处理。同时，为了满 1 0 第二章基于灰度匹配的非接触检测方法分析 足非接触测量的要求，测速测长系统和被测物体之间必须有一定的安装距离， 这样以来对光源的质量和亮度提出了更高的要求。所以，为了保证图像的拍摄 质量，速度长度检测系统必须有一个合适的光源，以保证其工作环境有足够的 光照。目前电路设计中常用的光源有l e d 光源和激光光源两种： l e d 是冷光源，工作电压低、光效高，被认为是2 1 世纪照明的新光源侣1 。 然而，l e d 光源虽然应用比较早，技术比较成熟且价格便宜，但是其光斑质量 不高，光束很分散，同时寿命也不长。当l e d 光束照射到被测物体上时，被测 物粗糙的表面所产生的阴影会通过漫反射进入光学透镜组件，进而摄入图像传 感器中成像。这样的工作原理使得进入图像传感器的光线数量较少，亮度不够， 降低图像的清晰度。 激光是相干光，其发射原理及产生过程的特殊性决定了激光具有普通光所不 具有的特点：即三好( 单色性好、相干性好、方向性好) 一高( 亮度高) 旧。正 是由于这样的特点，激光现在已经广泛应用于医疗保健，军事，鉴伪安防，舞台 红绿蓝灯光，各种电动工具，测量类仪器设备( 如水平尺、定位仪、测距仪、测 温仪、激光标线仪等) ，各种板材切割成型机、石材机械、木工机械、金属锯床、 包装机械等的对刀、放线，服装类器材( 如缝纫机、裁剪机、自动手动断布机、 开袋机、套结机、拉布机、绣花机、印花机、钉珠机、钉扣机、铆钉机等) 、鼠 标u 盘、摄像机、手机、投影教学翻页笔、激光笔、工艺品、室内外装饰、手电 筒、礼品玩具类产品中。激光光源方便快捷、直观实用、易于安装、稳定可靠， 能较大幅度的提高工作效率。 激光定向发光的特点使得激光光束发散度极小、亮度极高、方向性极好， 几乎单一的波长使得光线即使经过长距离传播依然能够保持强度和波形。若在 测速测长系统中采用激光光源，那么光束在被测物表面反射后会在不同位置形 成不同的干涉条纹，这些干涉条纹形成的光斑点进入图像传感器后成像，可以 表征被测物体不同的表面性质。因此，激光能对表面的图像产生更大的反差口3 ， 这样获得的图像品质更好更清晰，便于后续的图像处理和计算，提高系统的工 作性能。 图2 5 及图2 6 分别是l e d 光源和激光光源照射在同一物体表面所成的像。 通过这样直观的比较，可以明显看出利用激光光源采集到的图像要清晰、精细 基于灰度匹配的非接触速度长度检测系统 得多。因此，不管是从光源亮度还是工作原理出发，激光都更适合作为本系统 的光源。当然，激光器件种类很多，分为固体激光器、气体激光器、半导体激 光器等，每类激光器所产生的激光波段也有所不同，应根据实际需求选择最恰 当的激光器。 图2 5l e d 光源照射到物体表面的成像 图2 6 激光光源照射到物体表面的成像 1 2 第二章基于灰度匹配的非接触检测方法分析 2 3 光学透镜组件 当入射光线在被测物体表面反射后，这些反射光需要光学透镜组件将其会 聚后再通过感光眼进入图像传感器成像。因此，合适的光学透镜对于整个系统 也是非常重要的。 透镜一般分为凸透镜和凹透镜，凸透镜对光线主要起会聚作用，其成像规 律是：当发光物体处于焦点之外时，在凸透镜的另一侧成倒立的实像。根据 物距的不同，实像有缩小、等大、放大的区别，物距越小，像距越大，实 像也就越大。当发光物体放置在焦点之内时，在凸透镜同一侧会形成正立 放大的虚像，物距越小，像距越小，虚像也越小。在光学中，由实际光线 会聚成的像，称为实像，能用光屏承接；反之，则称为虚像，只能由眼睛 感觉。凸透镜成像规律可由图2 7 和表2 1 清晰地表示： 大) 图2 7 凸透镜成像规律 大) 由凸透镜成像规律可知：当发光物体放置在凸透镜的二倍焦距点上时，在 凸透镜另一侧的二倍焦距点上会形成一个与物体等大的倒立的实像。如果此时 1 3 基于灰度匹配的非接触速度长度检测系统 用一个光屏放置在像点处，光屏即可接收到该实像。对于本文设计的测速测长 系统，图像传感器的光敏器件相当于光屏，当入射光束在被测物表面反射后由 凸透镜会聚，通过感光眼进入图像传感器成像于光敏器件上。被测的运动目标 与透镜组件的位置关系很重要，它们之间的距离即物距的大小关系到成像的大 小，会改变图像的分辨率，同时还会对测量精度和追踪范围造成影响。因此， 在测速测长系统工作前，应该对被测物和透镜的位置进行调整，标定相应的物 像比，便于对数据进行后续的计算和处理。 表2 1 凸透镜成像规律 物距( u )像距( v )倒立正立 放大缩小虚像实像 应用 u 2 ff v 2 f ， 倒立缩小实像照相机 u = 2 fv = 2 f 倒立 等大 实像 大小分界点 f u 2 f 倒立放大实像幻灯机 u = fv = 8 不成像虚实分界点 u u 正立放大虚像放大镜 在实际应用中也可以灵活地运用凸透镜的成像规律，通过调整物距实现一 些特殊的检测要求。比如当运动目标与透镜之间的距离在二倍焦距以上时，成 像会比实物小，且距离越大成像越小。这样一来，在相同的光屏上可以接收范 围更大的发光物体的像，也就是说增大了采样范围。在这种情况下，假设被测 物移动了l m ，那么反映到成像上可能只移动了l m m ，通过调整透镜与被测物 表面的距离，可以使测速测长系统的追踪速度成倍增加，增强系统检测的实时 性。相反的，当运动目标与透镜之间的距离大于一倍焦距而小于二倍焦距时， 成像较实物会放大，且距离越短成像越大。如果被测物的表面特征如纹路等不 够明显，则可以采取这样的方式放大被测特征，便于图像匹配。当然成像放大 后也会造成别的问题，那就是被测物可能只移动了微小距离也会造成图像产生 较大位移，甚至位移过大以至于在捕捉到的前后两帧图像间找不到相似部分， 导致匹配失败。因此，在这种情况下，为了保证测量精度，图像传感器需要提 高采样频率( 即“拍照频率 ) ，数字信号处理器件需要提高图像处理的速度， 以保证捕捉的前后两帧图像具有相似点，对系统的硬件提出了更高的要求。 1 4 第二章基于灰度匹配的非接触检测方法分析 综上所述，在测速测长系统的实际应用过程中，应该综合考虑采样频率、 采样范围、追踪速度、成像质量等多方面的要求，调整合适的物距，使得对运 动物体表面的采样既能保证一定的精度，又能满足实时性的要求。 透镜的材料主要分为塑胶和玻璃两种。光学玻璃具有透光率高、耐温高等 优点，但是一般体积较大、质量较重、易碎且成本高阳1 。光学p c ( p o l y c a r b o n a t e 聚碳酸酯) 属于塑胶类材料，其优点是价格便宜、易于购买，缺点在于应用环 境的温度不能高于1 1 0 。虽然光学p c 材料的透光率比光学玻璃稍低，但其性 价比较高，在一般的不太恶劣的工业环境中都能应用。因此，综合考虑需求， 本文选择了光学p c 透镜。 2 4 图像传感技术 图像传感技术是利用光电器件的光电转换原理，将可视图像转换为电信号 的一种技术。实现这项技术的图像传感器一般是在半导体衬底上布设若干光敏 单元和移位寄存器，当光束投射到光敏器件上时，图像传感器将光学图像转换 成电信号“图像”，即将光强的空间分布转换成与光强成比例的大小不等的电荷 包空间分布，利用移位寄存器的移位功能将这些电荷包在时间脉冲的控制下实 现读取和输出，形成一系列幅值不等的时间脉冲序列一1 。常用的图像传感器分 为c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，电荷耦合器件) 和c m o s ( c o m p l e m e n t a r y m e t a l - o x i d es e m i c o n d u c t o r ，互补金属氧化物半导体元件) 两大类。 ( 1 ) c c d 图像传感器 一个完整的c c d 器件由光敏单元( 感光二极管) 、转移栅、移位寄存器及 一些辅助输入、输出电路组成。c c d 工作时，在设定的积分时间内由光敏单元 对光信号进行采样，将光的强弱转换为各光敏单元电荷的多少。取样结束后各 光敏单元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中。移位寄存器在驱动时 钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。将输出信号传送到示波器、图像 显示器或其他信号存储、处理设备中，就可对信号再现或进行存储处理。 ( 2 ) c m o s 图像传感器 c m o s 传感器一般由光敏单元阵列、行选通逻辑、列选通逻辑、定时和控 制电路、模拟信号处理器构成，更高端的c m o s 传感器还集成了在片模数转 1 5 基于灰度匹配的非接触速度长度检测系统 换器a d c ( a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e r ) 。c m o s 传感器的工作原理与c c d 传 感器相同，都是利用感光二极管进行光电转换，将光学图像转换为数字电信号。 两者的主要差别是数字数据的传送方式不同n 们。 ( 3 ) 两者的区别及优缺点 c c d 传感器中每一行每一个感光元件的模拟电荷数据都会不经处理，就依 次传送到下一个感光元件的存储单元中，依次类推，直到由最底端的最后一个 感光元件输出。由于感光元件生成的电信号很微弱，无法直接进行模数转换， 因此这些电信号必须由传感器边缘的放大器进行放大输出，再由专门的模数转 换芯片进行处理，最终以二进制数字图像矩阵的形式输出给专门的d s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ) 处理芯片。 而在c m o s 传感器中，每一个感光元件都直接整合了放大器和模数转换逻 辑。在光敏二极管接受光照、产生模拟的电信号之后，电信号首先被该感光元 件中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信号。这些数字信号可以被直 接送交给数字信号处理器d s p 芯片处理。 由于数据传送方式的不同，c c d 和c m o s 传感器在性能和应用方面也有 诸多差异：c c d 传感器在捕光灵敏度、图像分辨率、噪声控制等方面优于c m o s 传感器，而c m o s 传感器则在制造成本、功能集成、功耗特性方面更具有优势。 随着亚微米工艺技术的发展和器件结构的不断改进，通过增大传感器尺寸、增 强光学输入能力和改进放大器逻辑，c m o s 传感器在发展初期所具有的捕光灵 敏度弱、分辨率较低以及噪声较严重的问题逐步得到解决，其图像质量获得了 大大改善，已经不逊于c c d 的捕获图像品质。 在保证捕获图像品质的基础上，综合考虑本文设计的速度长度非接触检测 系统对高集成度、低功耗、高性价比的要求，本文在成像技术方面选用了c m o s 图像传感器。 2 5 图像数字处理 经过图像传感器的处理后，光学图像被转换成了二进制的数字图像。为了 有效地利用这些二进制的图像信息完成相关的分析和检测，需要运用数字图像 技术加以处理和计算。所谓数字图像处理，就是利用数字计算机或者其他数字 1 6 第二章基于灰度匹配的非接触检测方法分析 硬件，对图像进行加工和分析，以期提高图像的实用性，达到人们要求的某些 预期效果。 数字图像处理技术起源于2 0 世纪2 0 年代，当时采用了数字压缩技术，通 过海底电缆将一幅照片由英国伦敦传输到了美国纽约n 1 1 。1 9 6 4 年美国的喷气推 进实验室( j e l ) 用计算机处理了太空船“徘徊者七号”发回的大量月球照片， 标志着数字图像处理技术开始得到实际应用。此后几年时间内，数字图像处理 技术继续应用于空间研究计划中，从而大大促进了这门技术的发展。与此同时， 该技术也逐渐在生物医学、工业生产、军事侦察等其他领域中得到了应用。到 六十年代末，数字图像处理技术已经形成了比较完整的理论体系，成为一门新 兴学科。六十年代至七十年代，由于离散数学理论的创立和完善，数字图像处 理技术得到了迅猛发展，理论和方法进一步完善，应用范围更加广泛。七十年 代后期，我国学者开始对数字图像处理技术展开较大规模的研究，使我国的该 项技术也逐渐跻身于世界先进行列n 刳。近年来，各应用领域对数字图像处理技 术提出了越来越高的要求，比如图像处理的实时性、图像处理和分析的智能化 等，从而促使该学科的研究向更高级的方向发展。随着计算机技术的不断发展， 尤其是第五代计算机的研究和使用，必将使数字图像处理技术拥有更大的发展 空间和应用范围。同时，计算机硬件设备包括高速处理器、海量存储器、图像 数字化仪器、图像显示及打印设备等的不断降价，也成为数字图像发展的另一 个推力。 数字图像处理技术的迅速发展为人类社会带来了巨大的社会效益和经济效 益：指纹识别技术成功应用于安全防范、人员考勤等领域；卫星遥感数字图像 处理技术实用于全球环境气候监测，还可以广泛地应用到所有与地球资源相关 的农、林、地、矿、油等领域；c t ( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ) 、核磁共振等技术 已经在医学领域应用于临床诊断中。总之，数字图像处理技术已经融入到科学 研究的各个领域，对自然科学甚至人类社会的发展都具有深远的意义。 按照处理目的来划分，数字图像处理技术一般分为三大类：一类是增强有 用信息，抑制无用信息，提高图像的视觉质量，以便计算机对其做进一步的处 理；一类是提取、描述、分析图像所包含的某些特征或特殊的信息，以便计算 机对图像做进一步的分析和理解，经常作为模式识别、计算机视觉等的预处理 1 7 基于灰度匹配的非接触速度长度检测系统 步骤；另一类是图像数据的编码和压缩，以减少图像信息的数据量，方便图像 数据的存取和传输n 3 1 。 按照抽象程度来划分，数字图像处理技术又可分为三个层次：图像预处理、 图像分析和图像理解n 钔。图像预处理主要是在像素级上对图像进行变换以改善 图像的视觉质量并为后续的分析和理解打基础，是比较低层的操作，处理的数 据量非常大；图像分析是图像处理的中级层次，主要是对图像中感兴趣的目标 进行检测和测量，以获得它们的客观信息从而建立对图像的描述；图像理解是 图像处理的高级层次，其重点是在图像分析的基础上，进一步研究图像中各目 标的性质和它们之间的相互联系，并得出对原始成像客观场景的解释，从而指 导和规划行动。总体来讲，随着抽象程度的提高，处理的数据量也逐渐减少。 数字图像处理是一门系统、完善、知识体系庞大的科学n 割，具体说来它包 含图像编码、图像增强、图像分割、图像复原、图像识别等分支。 ( 1 ) 图像数字化和压缩编码 图像数字化，就是把连续的图像信号通过采样和量化转变为离散的数字信 号的过程，这是任何数字图像处理技术的前提n 。具体来说，就是把一幅图像 分割成一个个小区域( 像元或像素) ，并将各小区域的灰度用整数来表示，这样 便形成了一幅数字图像。 压缩编码技术，即研究图像数据的编码方法，以期望用最少的数据量表示 信号源发出的图像信号，使数据得到压缩，减少图像数据占用的信号空间和能 量，以便节省传输和处理时间，降低信号处理的复杂程度。图像数据的特点之 一是数据量大。大数据量的图像信息会给存储器的存储容量、通信干线信道的 带宽以及计算机的处理速度带来极大的压力。例如5 1 2 x 5 1 2 x 8 b i t x 3 色的电视图 像，以9 6 0 0 的波特率在电话线上传输，单幅图像传输就需要1 1 分钟左右，时 间耗费过大。然而要想解决上述问题，单凭增加存储器的容量，或者增加信道 带宽和提高计算机的处理速度都是不现实的。在信道带宽、通信链路容量一定 的前提下，采用压缩编码技术，减少数据传输量，才是提高通信速度的最重要 手段。 图像数据的另一个特点是冗余度大，为图像