（模式识别与智能系统专业论文）多轴运动控制系统人机界面设计与控制策略的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 多轴协调运动控制与复杂曲面、曲轴的加工、缠绕机械、多轴联动数控机 床等设备密切相关。这些设备无论是在国防、航空航天还是在工业、民用等产 品的加工制造领域都是不可或缺的，因此，对其相关问题的研究一直得到诸如 自动控制、机械自动化等相关领域研究人员的高度关注。本文对其中的两方面 问题进行了研究：一是关于多轴运动控制系统使用过程中的人机界面的设计； 另一方面涉及有关多轴运动控制系统的协调控制策略的研究。 人机界面是正确使用多轴运动控制系统的基础，一个优秀的人机界面既要 满足功能需要，又要有友好的界面，易于操作基于以上原则，本文利用p c 机和p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t ia x i sc o n t r o l l e r ) 控制卡，并在v i s u a lc + + 环境 下设计了四轴运动控制系统平台的人机界面。所设计的人机界面具有如下功能： ( i ) p c 机与p m a c 卡的通讯；( 2 ) 参数设置；( 3 ) 程序以及控制参数的下载与状态 量的上传；( 4 ) 手动与自动控制功能；( 5 ) - - 维仿真运行。除此之外，作为一个应 用实例，本文还对具有图像文件输入形式的p c b 线路板雕刻机的路径生成组件 进行了编写。 多轴协调控制策略是多轴运动控制系统的核心，它直接决定了运动控制系 统的性能。传统的多轴运动控制系统在解决各轴之间运动轨迹的耦合方面多采 用p i d 控制策略。尽管这种控制策略有一定程度的鲁棒性，但由于它只能实现 稳态工作点处的局部稳定，因而难以满足调速范围较宽且扰动幅度较大的复杂 曲面或曲线的加工要求。为此，本文对多轴控制器的非线性运动控制策略进行 了研究，旨在改善多轴运动控制系统的性能。论文在回顾传统多轴运动控制方 法的基础上，分别对直角坐标系和极坐标下两轴运动控制系统的非线性f 霹步控 制和协调控制策略进行了研究。所设计的控制策略具有较强的鲁棒性和全局稳 定性，在一定程度上改善了系统的性能，仿真结果验证了上述方案的有效性。 关键词：多轴运动控制系统，p m a c ，协调控制，交叉耦合控制 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i - a x i s c o o r d i n a t em o t i o nc o n l r o lh a sc l o s er e l a t i o n sw i t hp r o c e s s i n go f c u r v i n gb t r f a c eo fa x i s ，t w i s t e r sa n dm u l t i - a x i sl i n k a g en u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e t o o l s t h e s ee q u i p m e n t sa r ei n d i s p e n s a b l en o to n l yt ot h ea r e a o fn a t i o n a ld o f e n c e ， a e r o n a u t i c sa n da s u o n a u t i c s ，b u ta l s ot ot h ea r e ao fm a n u f a c t u r ef o ri n d u s t r ya n d c i v i lu s e s oi t sp r o b l e m sr e l a t e dh a v eb e e np a i dm u c ha t t e n t i o nt ob ym a n y r e s e a r c h e r si nt h ea r e ao fa u t o m a t i cc o n s u la n dm a c h i n ea u t o m a t i o n t w oa s p e c t s h a v eb e e ns t u d i e di nt h i st h e s i s o n ei sm u n - m a c h i n ei n t e r f a c eo ft h em u l t i a x i s c o n t r o ls y s t e m ，t h eo t h e ri ss t u d ya b o u tc o o r d i n a t ec o n l r o lm u l t i - a x i ss 扛a t e g i e so f m u l t i - a x i sc o n t r o ls y s t e m m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ei st h ef o u n d a t i o no fc o f f e e f l yu s i n gt h em u l d - a x i s c o n t r o ls y s t e m a ne x c e h e n tm a n - m a c h i n ei n t e r f a c en o to n l ys a t i s f i e st h es p e c i a l f u n c t i o nr e q u i r e m e n t s ，b u ta l s oh a sf r i e n d l yi n t e r f a c ef o rc o n v e n i e n to p e r a t i o n s b a s e0 1 1t h ep r i n c i p l ea b o v e , u s i n gp ca n dp m a c ，m a n - m a c h i n ei n t e r f a c eo ft h e f o u r - a x i sc o n l r o ls y s t e mi sd e s i g n e di nt h ee n v i r o n m e n to fv i s u a lc + + i tr e a l i z e s f o l l o w i n gf u n c t i o n s ：( 1 ) s y s t e mc o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n dp m a c ；( 2 ) p a r a m e t e r ss e t t i n g ；( 3 ) p r o g r a m sa n dc o n t r o lp a r a m e t e r sd o w n l o a d , s t a t ep a r a m e t e r s u p l o a d ；( 4 ) h a n d l ea n da u t o m a t i cc o n t r o lp a n e l ；( 5 ) t h r e ed i m e n s i o n ss i m u l a t i o na n d s oo n i na d d i t i o nt ot h e s ef u n c t i o n s ，ap c bc i r c u i tb o a r dc a r v i n gp r o c e s sc o d e c r e a t i n gm o d u l ei sd e s i g n e di nt h i s t h e s i sw h i c hi sb a s e do nn u m e r i ci m a g e p r o c e s s i n g m u l t i - a x i sc o o r d i n a t ec o n t r o ls t r a t e g yi st h ec o r eo ft h em u l t i - a x i sm o t i o n c o n t r o ls y s t e m i ti n f l u e n c e sp e r f o r m a n c e so ft h em o t i o nc o n t r o ls y s t e md i r e c t l y a i m i n ga ts o l v i n gt h ec o u p l i n gp r o b l e mb e t w e e ne a c ha x i s c o n v e n t i o n a ls w a t e g yi s p i di nt h em u l t i - a x i sm o t i o nc o n 缸o ls y s t e m t h i ss t r a t e g yi sr o b u s tt os o m ee x t e n t ， b u ti to n l yr e a l i z e sl o c a ls t a b i l i z a t i o na r o u n dt h es t a b l es t a t ep o i n t s oi th a r d l y s a t i s f i e sw i d es p e e da d j u s t m e n ta n dd i s t u r b a n c er a n g e r e q u i r e m e n t si np r o c e s s i n go f c o m p l e xc u r v i n gl i n e so r s l l r f a c e s t h en o n l i n e a rm o t i o nc o n t r o l s t r a t e g i e sa r e s t u d i e di nt h i st h e s i si no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e so ft h em u l t i a x i sm o t i o n c o n n o ls y s t e m d e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h es t r a t e g i e si sr e v i e w e di nt h i st h e s i s a 山东大学硕士学位论文 c o n t r o ll a wt h a ta c h i e v e ss i m u l t a n e o u sw a c l d n gf o rag r o u po fs y s t e mi nf i n i t et i m e b a s e do nc a r t e s i a nc o o r d i n a t e sa n dc o n t o u r i n gc o n l r o lo fb i a x i a ls y s t e m sb a s e d0 1 1 p o l a rc o o r d i n a t e s a r cd i s c u s s e di nd e t a i l t h es t r a t e g i e sa r o b u s ta n dg l o b a ls t a b l e a n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c e so ft h es y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o o ft h e v a l i d i t yo ft h es c h e m e sm e n t i o n e da b o v e k e y w o r d s ：m u l t i a x i sc o n t r o l s y s t e m ，p m a c ，c o o r d i n a t ec o n t r o l ， c r o s s - c o u p l i n gc o n t r o l 附件一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：壶垡! 绽 日期：鲨 1 0 0 0 0 x 表示将1 号电动机分配给x 轴，1 0 0 0 0 代表1 0 0 0 0 个脉冲计数 为一个用户单位。譬如用户使用2 5 线码盘反馈，则经过p m a c4 倍频译码 为每转1 0 0 0 0 个脉冲，如果用户采用的是滚珠丝杠+ 直连这种方式连接，丝杠导 程为l m m ，那么用户的编程单位就是毫米。 ( 2 ) 运动程序语法 运动程序指令包括模态指令、运动指令、流程控制指令和辅助指令。 模态指令：指明运动的模式，指定将产生什么样的轨迹。如l i n e a r ( 直线插 补) 、r a p i d ( 快速运动模式) 、c i r c l e ( 圆弧插补) 、p v t ( 位置速度时间模式一厄米特 样条插补) 、s p l i n e ( - - - 次样条插补) 等。 山东大学硕士学位论文 运动指令：由单字母轴定义符和数字组成，如x 3 y 4 表示x 轴进给3 个用 户单位，y 轴进给4 个用户单位； 流程控制指令：用于控制程序执行的过程，如：w h i l e ，f f ，g o t o ，g o s u b ， c a l l 等； 辅助指令：一些常用控制指令如i n c ( 增量模式) 、a b s ( 绝对模式) 、d w e l l ( 延 时) 、f 【指定迸给速度) 、h m ( 回零) 等； 运算符及函数：提供常用函数及运算操作如s m ( 正弦函数) 、c o s ( 余弦函 数) 、e x p ( 指数函数) 等，操作符有= 、l _ ( 不等) 、一( 约等于) 等。 ( 3 ) 运动程序结构 p m a c 运动程序一般是运动描述语句、计算语句和逻辑语句的组合运动 描述语句是用来生成各个轴的轨迹命令；计算语句用来决定给运动语句描述的 参数；逻辑语句则被用来决定什么时间执行哪一个运动运动程序基本的框架 结构如下： o p e nw o gnc l e a r 打开n 号程序缓冲区并清空其中内容，写入程序主体； c l o 辩关闭程序缓冲区运动程序将一次写入缓冲区中，编写工作主要在程序主体 中。 除了上面基本的程序结构，其中也可加入逻辑、变量和计算，以使语言的 功能变得更加强大。下面的一个例子就是在程序中加入一些小的逻辑功能来创 建一个循环。 f 5 0 0 0 p l = 0 w h i l e ( p 1 1 0 0 ) x 1 0 d 0 l o d w e l l l 0 0 0 x 0 。 d w e l l l 0 0 0 p i = p i + i e n dw h i l e f 5 0 0 0 不在循环之内，p m a c 不必在每一次执行循环时都要中断并执行该 语句，它是一个模态的语句，所以它的作用在程序运动过程中将一直保持不变。 使用变量和代数运算，使运动程序能够具有更大的灵活性。若在程序中不 山东大学硕士学位论文 是每一次执行时都将用同样的时间执行同样的运动，即假如该程序的任意参数 需要改变的话，通过使用变量代替常量，只需要改变变量的值就可以改变程序 的运动，而不必将整个程序重新输入。 - 。fa p 2 ) p 1 = 0 w h i l e ( p l = 0 d w d e v i c e x 书2 y # 3 z ；坐标系统1 ；确保所有缓存关闭 ；1 舟电机定义为x 轴 o p e n p r o g1；打开缓存 c l e a r；清除缓存内容 l i n e a r；线性插补运动方式 。 ， a b $；绝对方式 t a s 0 0 ；设置5 0 0 m s 的加速时间 f 5 0 0 0 ；设置进给速度 x o y o z 0；回零位 d w e l l 5 0 0；停顿5 0 0 m s 程序的中间部分是有图像的行程编码得到的，图像的黑色部分表示要加工 的部分，白色部分表示不需要加工的部分，需要加工的部分在z 轴方向上进刀， 不需要加工的让z 轴回到零位比如图3 1 1 ，生成的第一行加工代码为： z o x l 9 ；不加工，x 方向上行进1 9 z 3 0 x 8 1；加工部分，x 方向上行进8 1 x o y i z 0；进入下一行，y 方向上进1 d w e l l s 0 0 ；停顿5 0 0 m s 如此下去，在每一行加工代码生成以后，在结尾部分加上程序结束标志 c l o s e ，写在文件的最后一行，一个完整的加工程序代码就完成了 3 3s q ls e r v e r 与a d o 技术在软件中的应用 实时位置跟踪与信息存储模块用到的主要技术是数据库编程，尽管数据记 录比较少，但是考虑到系统的可靠性和可扩展性，我们采用了s q ls e r v e r ，并 采用了数据库的a d o 技术进行数据库操作 2 1 1 。 3 3 。1s q l s e r v e r 简介 s q ls e r v e r 是m i c r o s o f t 公司推出的数据库管理系统，是当前非常流行的数 据库管理系统之一，拥有较大的市场占有率和广泛的用户群体，具有以下优点： 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 与操作系统的良好兼容性。s q ls e r v e r 作为w i n d o w s 操作系统的自然扩 展，能与操作系统紧密结合，使用户无需担心数据库系统与操作系统的兼容性 问题。 ( 2 ) 方便的安装与维护性。数据库系统安装简单、方便，避免了出现与数据 库管理有关的复杂的配置任务，在系统的安装过程中，系统自动对所需的数据 库安装任务进行配置，并为数据库管理提供图形计算功能，方便了数据库管理 员日常对数据库的维护和管理。 ( 3 ) 良好的扩展性。可以随着软件的发展，对系统进行相应的功能模块扩展， 随时享用软件技术发展的最新成果，如最新版本的s q ls e r v e r 具有实用的发送 信息和管理登录安全性的功能。 $ q ls e r v e r 提供了很多实用的管理和开发工具，使用它们可以方便地对数 据库进行管理和维护，其中最重要的是企业管理器，它是数据库管理的核心， 其他s q ls e r v e r 工具都可以通过企业管理器调用执行。在企业管理器中可以查 看到注册的服务器，一个s q ls e r v e r 服务器下可以创建多个数据库，每个数据 库又由表、视图、用户等数据库对象组成，在企业管理器中，可以对这些对象 进行添加、修改、删除、查看等管理。 3 _ 3 2s q ls e r v e r 数据库管理 s q ls e r v e r 中，数据库由包含数据的表集合和其他对象( 如视图、索引等) 组成一个s q ls e r v e r 服务器中，可以存在多个数据库，其中包括系统数据库和 用户数据库 s q ls e r v e r 有四种系统数据库，分别为m a s t e r 数据库、t e m p d b 数据库、 m o d e l 数据库和m s d b 数据库还有两个示例数据库n o r t h w i n d 和p u b s 。在安装完 s q ls e r v e r 后，可以在企业管理器中看到6 个数据库。 系统数据库是s q l s e r v e r 用来保存系统数据的，如果用户需要保存自己的 数据，就需要创建用户数据库。在创建数据库之前，需要确定数据库的名称， 所有者、大小以及用于存储该数据库的文件和文件组等信息。数据库文件包括 下面3 种类型：主文件、次要文件和事务日志 具体的数据库的创建是在s q ls e r v e r 企事业管理器中选择要创建数据库的 服务器实例，右击。数据库”结点，然后选择“新建数据库”命令，根据系统 的提示创建自己的数据库。当不再需要数据库时，可以将该数据库删除。数据 库删除后，文件及其数据都从服务器上的磁盘删除。 2 5 山东大学硕士学位论文 数据库的备份是保障数据安全性的有效手段，s q ls e r v e r 提供四种备份方 式，分别为完全、差异、事务日志以及文件和文件组。 3 3 3 使用a d o 访问数据库， 本软件中使用v i s u a lc + + 作为前台开发工具，s q ls e r v e r 作为后台数据库。 v i s u a lc + + 是一种面向对象的可视化的编程工具，它提供了多种访问数据库的 工具和方法，其中a d o 是最新的数据库访问技术，它是使用更加简单，更加 灵活的对象模型，它提供以下访问数据库的方法： 1 连接到数据库； 2 指定访问数据源的命令，同时可带变量参数； 3 执行命令，例如一个s e l e c t 脚本； 4 如果此命令使数据按表中行的形式返回，则将这此行存储在易于检查、 操作或者更改的缓存中； 5 。可以把缓存行的更改内容写回到数据库中，更新数据源； 6 提供常规的方法检查建立连接或执行命令时造成的错误。 默认情况下，v i s u a lc + + 不支持a d o 对象，要在程序中使用a d o 对象， 需要使用* i m p o r t 命令将库文件导入到工程中，代码如下： # i m p o r t 。c ：、i r o g r a m f i l e s c o m m o n f i l e s l s y s t e m x a d o x m s a d o l 5 d l l n o _ n a m e s p a c er e n a m e ( ”e o f , a d o e o f 。) r e n a m e ( ”b o f , a d o b o f ”) 支持a d o 编程的库文件是m s a d o l 5 d u ，它的默认保存c ：k o r o 孕a m f i l e s c o m m o nf n c 姻y s t e m 训、目录下参数n o _ n a m e s p a c e 表示不使用a d o 的 名字空间，为了避免常量名冲突，将e o f 改名为a d o e o f ，将b o f 改为班l o b o f 。 。如果工程比较小，可以将代码添加到使用a d o 的文件中，本设计使用专门的 连接数据库类，其中包含了连接数据库代码 a d o 包含3 个基本接口，_ c o n n e c f i o n p 接口c o m m a n d p l r 接口和 _ r e c o r d s e t p t r 接口，它们分别对应c o n n e c t i o n 对象，c o m m a n d 对象和r e c o r d s e t 对象。 使用控件访问数据库是一种比较简单的访问数据库的方法，因为控件中已经 完成了访问数据库的功能，而且有比较友好的用户界面，只需要简单的配置就可 以使用，我们用到了a d od a t a 控件、d a t a g r i d 控件，默认情况下，控件并不 出现在v i s u a lc + + 的控件工具栏中，需要用户将其加到工程中。 a d od a t a 控件是使用a d o 技术访问数据库的具体实现，它可以快速地 山东大学硕士学位论文 创建一个到数据库的连接，使用r e c o r d s e t 对象提供对存储在数据库中的数据的 访问，并允许从一个记录移动到另一个记录，显示和操纵记录数据，还可以执 行大部分数据库访问操作，但是它不能显示数据的内容，通常需要和其它控件 结合使用，这些与a d od a t a 控件结合使用的控件，称为。数据觉察控件”， 常用的数据觉察控件包括d a t a l i s t 控件、d a t a c o m b o 控件和d a t a g r i d 控件等， 当a d od a t a 控件中当前记录发生变化时，数据觉察控件的内容也会随之发生 变化 3 4o p e n g l 技术在软件中的应用 o p e n g l 是美国高级图形和高性能计算机系统公司( s g d 开发的三维图形 库，目前已成为开放式的国际三维图形程序标准 出色的动画效果是o p e n g l 的一大特色，三维动画是通过一系列帧的极快 的速度播放，利用人的视觉暂停，从而实现动画效果。o p e n g l 利用双缓存技 术实现动画绘制，就是指程序先将图像绘制到后台缓冲区中，然后通过交换缓 冲区将后台缓冲区绘制好的图像送到前台缓冲区中，由系统显示功能完成屏幕 的显示。， 在m f c 中实现o p e n g l 编程进行以下的几项操作：添加o p e n g l 头文件 和连接库；设置窗口属性；窗e l 初始化。o p e n g l 的辅助库提供了绘制1 1 种基 本几何图形的函数；实用库函数可以绘制圆柱、圆锥、球等简单三维物体；工 具库中的函数可绘制较复杂的物体的函数。对于无法利用库函数绘制的实体， 则可利用o p e n g l 的几何基本图元点线及多边形来建立。 在”o b j t j l i b r a r ym o d u l e s 。选项中的开始处( 在k e r n e l 3 2 1 i b 前) 增加 o p e n g l 3 2 1 i bg l u 3 2 1 i b 和g l a u x f i b 后单击o k 按钮，就可以开始编写 o p e n g l 程序了，某些版本的v c 需要将b o o l 改成b o o l ，l r u e 改成t r u e 。 f a l s e 改成f a l s e t 翻 开发框架，其步骤为： 1 首先在视图类的p r e c r e a t e w i n d o w 函数内设置窗口类型，防止在窗口 重叠时把图形绘制到子窗口和兄弟窗口。实现代码如下： c s s t y l ei = w s _ c l m c m l d r e n iw s _ c l p s i u n g s ： 2 然后在视图类的o n c r e a t e 函数下面进行o p e n g l 的初始化工作，这部 分是此框架里最主要的代码，具体包括：获取视图设备描述表、设置合适的象 素格式和调色板、创建绘制描述表并将其设置为当前r c 其实现代码见后面 山东大学硕士学位论文 的例程( 这部分的代码基本上所有的程序都一致) 。这一步完成后即可进行图 形的绘制工作。 3 在视图类的o n s i z e 函数下面进行视口变换，代码见后面例程。 4 如果需要定时器的数据驱动，那么可以在视图类的o n t i m e r 下修改数 据并调用o n d r a w 函数即可。 5 在o n d e s t r o y 函数执行r c 及d c 的销毁工作，释放资源。详见后面 的代码。 由上面的框架可以看出，所有的关于o p e n g l 的程序操作都是在指定的视 图类中完成的，核心就是o n c r e a m 内的函数代码，而这部分的代码在大部分程 序里面是雷同的，所以后面例程的代码具有很大的通用性。另外，虽然上面只 是讨论了多文档的情况，实际上单文档的开发框架与其完全类似 典型代码及说明： g l p u s h m a u i x 0 ；绘制底座 g l t r a n s l a t e f ( 6 5 f , 一1 0 o f ，0 o f ) ； g l p o l y g o n m o d e ( g l - f r o n t _ a n d _ b a c k ，g l _ _ f 儿l ) ； b u i l d b o x ( 2 4 o f , 1 o f , 4 0 o f ) ； g l p o p m a u i x 0 ； g l p u s h m a t r i x 0 ；圆锥 g l c o l o r 3 f ( 1 2 8 0 f 2 5 5 眠1 3 8 0 f 2 5 5 0 f , 1 3 5 0 f 2 5 5 o f ) 颜色 g l t r a n s l a t e f ( - 6 o f , o o f , o o f ) ； g l r o t a t e f ( 9 0 ，0 0 ，1 0 ，0 o ) ； g l u c y l i n d e r ( p p ，0 0 ，0 5 ，1 5 ，5 0 ，5 0 ) 圆柱外表面 g l p o p m a u i x 0 ； ，置黑色背景 g l c l e a r c o l o r ( mc l e a r c o l o r r e d , m _ c l e a r c o l o r g r e e n , m _ c l e a r c o l o r b l u e ，1 o f ) ； g l c i e a r ( g lc o l o r _ b u f f e r _ b i t i g ld e p t hb u f f e r b i t ) ； g l s h a d e m o d e l ( g l _ s m o o t h ) 0 | e n a b l es m o o t hs h a d i n g ，设置混色函数取得半透明效果 g l b l e n d f u n c ( g l _ s r c _ a l p h a ，g l _ o n e ) ； g l e n a b l e ( g l _ b l e n d ) ； | | 平渑线条 2 8 山东大学硕士学位论文 g l e n a b l e ( g l _ l i n e _ s m o o t h ) ； ，初始化反走样为r g b a 模式，同时包括a l p h a 混合，提示的设置 g l b l e n d f u n c ( g l _ s r c a l p h a ，g lo n e _ m i n u s _ s r c _ a l p h a ) ； 腕许深度测试 g l e n a b l e ( g l _ d e p t h _ t e s t ) ； g l d e p t h f u n c ( g l _ l e q u a l ) ； | | 燃光 g l f l o a tm a t # p e c u l a r 1 = t o ，1 o , 1 010 1 ； g l f l o a tm a t j h l n l n e s s = 0 0 1 ； g l f l o a tl i g h t _ p o s i t i o n 口= 2 0 0 ，2 0 0 , 2 0 0 ，0 o ； g l b l a t e f i a l f v ( g l j r o n t ，g l _ s p e c u l a r , m a t _ s p e c u l a r ) ； g l m a t e r i a l f v ( g l j r o n t ，g l _ s 姗s s , m a t j h i l i n e s s ) ； g l l i g h t f v ( g l _ l i g h t 0 ，g l _ j o s m 0 n , 】i g h t _ p o s i t i o n ) ； g l e n a b l e ( g l _ l i g h t i n g ) ； g l e n a b l e ( g l _ l i g h t 0 ) ； 3 5 数字图像处理技术在软件中的应用 数字图像处理技术起源于2 0 世纪2 0 年f 匕经过半个多世纪的发展，目前 已经广泛地应用于工业、医疗保健、航空航天、军事等各个领域，在国民经济 中发挥着越来越大的作用。本节介绍了软件涉及的几个数字图像处理功能是如 何实现的。 3 5 1 设备无关位图 d i b 是d e v i c e - h d e p d tb “m 项设备无关位图) 的缩写，它自带颜色信息， 因此调色板管理非常容易。d i b 也使打印时的灰度阴影的控制更加容易。任何 运行w i n d o w s 的计算机都可以处理d i b ，它通常以b m p 文件的形式保存在磁 盘中。一个b m p 文件大体上包括位图文件头、位图信息头、调色板和d i b 图 像数据四个部分。 i b m p 文件头 w o r d b f t y p e ；位图文件的类型，必须为b m d w o r d b f s i z e ；位图文件的大小，以字节为单位 w o r d b f r e s e r v e d l ；，位图文件保留字，必须为0 山东大学硕士学位论文 w o r d b f r e s c r v e d 2 ； d w o r db f o f f b i t s ； 2 位图信息头 d w o r db i s i z v ； l o n g b i w i d t h ； l o n g b i h e i g h t ； w o r d b i p l a n e s ； w o r db i b i t c o u n t d w o r db i c o m p r e s s i o n ； d w o r db i s i z c i m a g e ； l o n g b i x p e l s p c r m e t 比, l o n g b i y p e l s p e r m e t e n d w o r db i c l r u s e d ； d w o r db i c l r i m p o r t a n t ； 3 调色板 b y t e r g b b l u e ； b y t e r g b c j r e e n ； b y t e r g b r c d ； b y t e r g b r e s e r v e d ； 4 位图数据 ，位图文件保留字，必须为0 ，位图数据的起始位置，以相对于位图 ，本结构所占用字节数 ，位图的宽度，以像素为单位 ，位图的高度，以像素为单位 ，目标设备的级别，必须为1 ，每个缘素所需的位数 ，位图压缩类型 ，位图的大小，以字节为单位 ，位图水平分辨率，每米像素数 ，位图垂直分辨率，每米像素数 ，位图实际使用的颜色表中的颜色数 ，位图显示过程中重要的颜色数 ，蓝色的亮度( 值范围为0 - 2 5 5 ) ，绿色的亮度( 值范围为o - 2 5 5 ) ，红色的亮度( 值范围为0 - 2 5 5 ) ，保留，必须为0 位图数据记录了位图的每一个像素值，记录顺序是在扫描行内是从左到右， 扫描行之间是从下到上 位图是一个矩阵点阵，每一个点称为一个像素，像素是位图的基本元素。 本文就是利用像素的信息来生成加工文件。位图图像的处理其实就是对像素进 行编辑的过程，通常可以以下三个方面着手： 1 像素的数量：像素的数量也称为像素的尺寸，位图图像是用像素的数目 来描述其高度和宽度的，通过图像分辨率的设置，编辑数字图像像素的数量， 同时也决定了图像文件的大小和图像的品质。 2 像素的数值：对于用到调色板的位图，图像数据就是该像素颜色在调色 板中的索引值，对于真彩色图，图像数据就是实际的r g b 值。 对于2 色位图，用1 位就可以表示该像素的颜色( 一般0 表示黑岛1 表示 山东大学硕士学位论文 白色) ，所以一个字节可以表示8 个像素。 对于1 6 色位图，用4 位可以表示一个像素的颜色，所以1 个字节可以表示 2 个像素 对于2 5 6 色位图，1 个字节刚好可以表示1 个像素 对于真彩色图，不需要调色板，3 个字节才能表示1 个像素。 3 像素的位置：是指对像素当前位置运用拉伸、平移、旋转等算法进行变 换，使像素的位置发生变化，从而产生一种特殊的图像效果。 3 5 2 图像的点运算 点运算是一种简单又重要的技术，它能让用户改变图像数据占据的灰度范 围。一幅图像经过点运算后将产生一幅新的输出图像，由输入像素点的像素值 决定输出点的像素值，点运算可以按照预定的方式改变一幅图像的灰度直方图。 除了灰度级的改变是根据某种特定的灰度变换函数进行之外，点运算可以看作 是。从像素到像素”的复制操作。如果输入图像为a 伍y ) ，输出图像为b ( x ，y )