（计算机应用技术专业论文）船体变形测量系统软件研究.pdf

摘要 航天测量船在执行测控任务时，需要配备船体变形测量设备来修正 船体变形量对船载外测设备数据的影响。本文的研究内容是以航天测量 船的船体变形量作为测量对象，通过光学测量系统将船体挠曲角度变化 量转化为光电信号在c c d 靶面上的位置变化量，由线阵c c d 器件对成像 在靶面上光电信号进行实时转换，得到数字图像数据，将获得的数字图 像数据进行处理后，计算得出船体的变形量，并将这些数据传送到航天 测量船上的中心计算机。 本文简要介绍了系统的原理及硬件组成。对系统软件的设计和实现 进行了全面详尽的描述。其中重点介绍了基于线阵c c d 的数字图像处理 技术，提出了精确确定光斑中心位置的重心判读法；提出了在网络故障 状态下进行数据外推的算法。此外还介绍了串口通讯技术和线程同步技 术在软件实现过程中的具体应用。 船体变形测量系统软件采用v i s u a lc + + 6 0 开发平台开发。应用软 件在同步控制脉冲的触发下工作。采用多线程和内存分区管理技术编写 应用程序，满足了系统应用程序的多任务工作模式的需要。 关键词：航天测量船船体变形测量软件实现 a b s t r a c t n 蛇s p a c e c r a f tn w a s u r es h i pn e e dt ob ee x l u i p p e dw i t ht h eh u l ld i s t o r t m e a s u r ee q u i p m e n to fas e to fh i g ha c c u r a c yt or e v i s eh u l ld e f l e c t i o n , i s o u t s i d ef o rs h i py i e l dt om e 嬲, u r et h ei n f l u e n c eo fd a t a t h em a i nc o n t e n to f t h i sp a p e rt a k et h eh u l ld e f l e c t i o na sm e a s u r es u b j e c t , t r a n s f o mt h eh u l l f l e x i b i l i t ya n g l et ot h ep o s i t i o nv a r i a b l eo fp h o t o e l e c t r i cs i g n a lo nt h ec c d b u l l t h el i n ec c de q u i p m e n t sd ot h er e a lt i m et r a n s f o r mo ft h e p h o t o e l e c t r i cs i g n a lo nt h ec c db u l l ，a n dt h e no b t a i nt h ed i g i t a li m a g ed a t a , p r o c e s st h ed a t aa n dc o m p u t et h eh u l ld e f l e c t i o n , l a s tt r a n s p o r tt h ed a t at o t h ec e n t r a lc o m p u t e ro nt h em e a s l f f es h i p t 1 l i sp a p e rg i v e sa l lo u t l i n eo ft h et h e o r ya n dh a r d w a r ec o n s t i t u t i o no f t h e s y s t e m , p a r t i c u l a r l y d e s c r i b e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h e s o f t w a r e d i s c u s st h ed i g i t a li m a g ep r o c e s st e c h n o l o g yo f t h el i n ec c d ，p u t f o r w a r dt h eg r a v i t ym e t h o do fh o wt oc o n f i r mt h ec e n t r a lp o s i t i o no ft h e f a c u l a r ；p u tf o r w a r dt h ea l g o r i t h ma b o u td a t ae x t r a p o l a t eu n d e rt h en e t w o r k f a u l ts t a t e m o r e o v e r , i n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o no f t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u ea n dt h r e a ds y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u ei nt h es o r w a r er e a l i z a t i o n p r o c e s s 7 】 ee x p l o i tp l a t f o r mo ft h ed u l ld e f l e c t i o nm 龆铡撑s y s t e mb a s e do n v i s u a lc 十嗡0 a p p l i c a t i o n sw o r d su n d e rt h es p r i n go fs y n c h r o n o u sc o n t r o l i m p u l s e a p p l i c a t i o n s t i t l e c o m p i l e db ym u l t i p l e t h r e a d sa n dm e m o r y s u b a r e am a n a g e m e n tt e c h n i q u e n l 鳅t h en e e do ft h es y s t e ma p p l i c a t i o n p r o g r a mu n d e rt h ew o r km o d e lo f m u l t i p l et a s k s k e y w o r d s ：s p a c e c r a f tm e a s u r es h i p ；d u l ld e f l e c t i o nm e a s u r e ； s o f t w a r ea p p l i c a t i o n 长春理工大学硕士( 或博士) 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士( 或博士) 学位论文，船体变 形测量系统软件研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。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作品成果。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。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 年月1 2 1 3 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、 博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有 关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：落i 鲞丝塑z 年月丑日 指导导师躲茎萄型钍月翠日 1 1 研究背景 第一章绪论 1 测控系统简介 远望号测量船“1 是我国航天测控网的重要组成部分，多次出色完成国 家重大科研试验和国际航天商业卫星发射的海上测控任务。测量船的任 务是完成对飞行目标的跟踪测量和控制，完成载人飞行器船天问通信： 对船的位置和姿态进行精确测量；实时计算飞行器的弹道、轨道，处理 各种工程和物理遥测参数，为指挥控制提供各种显示画面。 测量船上的测控系统由跟踪测量系统、船姿船位测量系统、中心机 及指挥显示系统组成。 ( 1 ) 跟踪测量系统 跟踪测量系统是指直接对目标进行跟踪测量的所有设备。 ( 2 ) 船姿船位测量系统 船姿船位测量系统由惯性导航系统、g p s 接收机、船体变形测量设 备组成，用于测量船位置和姿态数据。惯导主要用于测量船的姿态，g p s 接收机用于测量船的位置，变形测量设备用于测量有弹道测量功能设备 基座与惯导基座阃的船体变形。 ( 3 ) 中心计算机及指挥显示系统 中心计算机的任务是接收测控设备的测量数据，实时计算飞行器的 弹道、轨道；处理遥测参数；控制遥控设备向航天器发送遥控指令，向 测控设备发送引导信息，完成与测控中心的信息交换。指挥显示系统显 示飞行目标的有关信息及测控设备的状态信息，为指挥员决策提供依据。 2 船体变形测量系统简介 ( 1 ) 概述 测控设备在航天测量船上是按照艏艉线纵向布局的，并且固连在船 体甲板上。这些测量设备均需要以惯导提供的地平真北的大地坐标作为 基准。测控设备在坞内标校时，设备的坐标系相互对准取齐。各测量设 备之间均有十多米的距离，由于船体并不是一个刚体，出坞后在海上受 到载荷的变化、风浪的作用、阳光对船不同方向照射及温差引起的船膨 胀收缩，均会导致船体产生扭曲和相对弹性变形，就使得各设备测量坐 标系与惯导坐标系的对应轴不平行。发生三自由度角偏移，即船体变形 量。 船体变形量以三个角度量。1 来描述：见图1 1 ，船艏艉绕节线( z 轴) 的相对转角甲b ，称纵挠角；船艏艉绕艏艉线( x 轴) 的相对转角0 b ，称横 扭角；船艏艉绕甲板垂线( y 轴) 的相对转角，称艏挠角。船体姿态是 由惯性导航设备测量的，惯导测量的船体姿态值，实际上只是惯导基座 的姿态值，不代表其它部位的姿态值，两者之间的差值即为船体变形量。 图1 1 船体三个变形角示意图 由于航天测量船的外弹道测量采用单站测量体制，测量元素中包括 e 、a 两个角度量，测量设备基座与惯导基座之间的船体变形量直接影响 e 、a 的测量精度，影响外测设备定轨数据的精度。因此，测量船上有弹 道测量功能的设备，都要在其基座与惯导基座之间建立船体变形测量， 在数据处理时，进行变形量的修正，测出它们之间的角度变化量。在处 理外测数据时，利用获得的船体变形测量数据进行修正，以消除船体变 形对船载外测数据的影响。 ( 2 ) 测量方法 测量船上各测控设备间存在船体变形，所以需要在它们之间，建立 精密的光学联系，测出由于船的变形引起的相对三自由度变化角。船体 变形测量系统是一套光电测量设备，包括发射光管、接收光管、测扭 光管、信号采集器( 线阵c c d 像机及其采集与控制模块) 等组成。通过 准直或自准直测量光学系统将船体挠曲角度变化量转化为光电信号在 c c d 靶面上的位置变化量，由高分辨率、高速度的线阵c c d 器件对成 像在靶面上光电信号进行实时光电转换“1 ，将获得的数字图像数据进行 处理后，由主控台传送到航天测量船上的中心计算机。 2 1 2 国内外研究的发展及现状 从生产发展历史来看，机械加工精度的提高总是与测量技术的发展 水平紧密相关的。几何量测量技术也是随着科学技术的发展而发展，随 着加工精度的提高而完善的。直到二十世纪初，大部分几何量测量仍然 使用机械式测量器具。5 0 年代以后，加工精度达到0 1 u m 时，采用了光 学和电动量仪。而后又逐渐应用了光学显微镜、投影仪，光波干涉仪等。 7 0 年代以来，我国大力研究了光栅、磁栅、感应同步器等测量器件，开 发了激光大位移测量系统、三坐标测量机等测量仪器。新的精密测量技 术还包括激光干涉技术、全息照相测量技术、光导纤维测量技术等。现 代工业制造业的发展对精密复杂零件的几何参数的精密测量在速度和精 度上都提出了更高的要求。零件形状的复杂性和测量的现场性都对传统 的精密测量技术提出了新的挑战。 最近二十多年来，随着激光技术、精密计量光栅制造技术、计算机 技术以及图像处理技术的发展，并运用到精密测量领域，形成了一种新 的精密测量技术图像测量技术。图像测量技术把被测对象的图像当 作检测和传递信息的手段，从中提取有用信号。数字图像处理技术的应 用是图像测量技术的核心问题。图像( 视觉) 信息是人们由客观世界获得信 息的主要来源。它是人们依靠五官由外界得到信息总量的8 0 。而图像 处理就是人类视觉延续的主要手段。以数字图像处理技术为其核心的图 像测量技术的形成和发展使精密测量技术进入了一个全新的信息化时 代。 图像测量技术在国内外发展很快，已广泛应用到几何量的尺寸测量， 航空遥感测量，精密复杂零件的微尺寸测量和外观检测，以及光波干涉 图、应力应变场状态分布图等许多方面。图像测量技术的迅速崛起和发 展除了由于应用领域的不断拓展，还得益于计算机技术的突飞猛进和数 字图像处理技术的日臻完善。由低价位微处理器支持的并行处理技术； 用于图像数字化的低成本的电荷耦合器件( c c d ) ”；用于大容量、低成 本存储阵列的新存储技术；以及低成本、高分辨率的彩色显示系统”1 等 等，更进一步刺激着这一技术领域的成长。 图像测量技术的高分辨率、高灵敏度、光谱响应宽、动态范围大、 结构紧凑等特性是传统测量仪所无法比拟的”1 。而且无须配置复杂的机 械运动机构。减少了产生系统误差的来源。图像测量技术对环境也没有 特殊要求，非常适合于一些传统测量手段难以实现的现场使用。图像测 量技术使高精度、高稳定性、高效率的几何参数动态实时精密测量成为 可能。 1 3 论文的组织内容 1 论文的主要工作 本文的主要工作是对船体变形测量系统软件的设计和实现。按照实 时性由强到弱分为三部分内容： ( 1 ) 实时通讯与数据处理。由实时操作线程来执行，以2 0 f s 的速率通 过网络交换机实时接收八路光电探测端子采集的线阵c c d 数字图像数 据以及工作状态信息；对获得的图像数据进行处理，获取变形量数据并 计算变形量；实时采集b 码终端产生的绝对时间数据；实时向中心机输 出系统获得的测量数据及相关信息。 ( 2 ) 状态与数据显示。将变形测量数据和从通讯端1 ：3 获得的外部设备 故障及工作状态信息，以不低于每秒一次的刷新速率显示在计算机屏幕 上。 ( 3 ) 操作与事务处理。处理用户界面操作指令，控制系统的校正、调 零及测量状态的变更；实现测量数据的实时存储；提供测量数据的浏览 窗口。 2 论文的结构 论文内容主要分为四个部分。具体如下： 第一章绪论。对系统的研究背景、国内外发展及现状和论文的组织 内容作了介绍。 第二章船体变形测量系统。对系统进行总体概述，简要介绍系统的 功能及硬件组成。 第三章船体变形测量系统软件总体设计。对系统软件进行需求分析 和总体设计，描述了数字图像处理技术在系统中的应用。 第四章船体变形测量系统的软件研究及实现。对系统软件的各模块 进行介绍，详细地描述了各个功能模块的基本操作流程和具体实现过程， 以及在系统软件的实现过程中使用到的串口通讯技术和线程同步技术。 第五章总结。对系统软件的整个开发情况进行总结。 4 2 1 系统概述 第二章船体变形测量系统 1 系统的用途 系统用于测量s 波段统一测控系统( u s b ) 与惯导( 变形i ) 、c 波 段统一测控系统( u c b ) 与惯导( 变形i i ) 基座之问由于船体变形带来 的纵挠角、艏挠角、横扭角变化量，进而修正船体变形量对船载外测设 备的测量数据的影响。 2 系统的组成 变形测量系统主要由光电测量系统、大钢管及其支撑座、中央控制 台等部分组成。 3 系统的结构布局 测量变形时，在能反应测控系统( u s b 、u c b ) 基座发生角变化的 支承上安装固定发射光管，在能反应惯导基座发生角变化的支承上安装 固定接收光管。通过c c d 接收传给计算机控制系统，进行变形角的测量 及实时输出剐。 测量扭转变形的设备在测控系统基座下以及惯导支承上分别固定测 扭光管，在圆筒的两端部分别安装固定平面反射镜，用自准法测量船体 扭转变形引起的惯导基座同测控系统基座之间角偏差。 由于各设备的间隔很远，为精确测量变形，需要建立一个中间参考 基准，即大钢管组件。一方面大钢管为发射管和接收管对船纵挠和艏挠 方向变形角进行测量提供了光通道，消除远距离的气流抖动，使测量精 度得到保证。另一方面主要对设备扭转角进行精密测量时提供一个长的 光学平尺。当船在海上作摇摆运动及船甲板有复杂变形时，该光管作到 两侧的反射镜面在扭转方向的平行度始终在2 角秒以内，以此作为测扭 转角的参考基准。系统机构布局见下图： 6 黪簿 藤爵潦搿 n 躲爵氍辫 拳薄凇靠澎 n 麓帮赫降 匿_l料谌整雌焉；海斟勘 4 系统的特点 系统在继承以往经验的基础上，采用了高分辨率，高速度线阵c c d 技术，加上成熟的光机结构等综合技术驯“”，其主要特点如下： ( 1 ) 各类测角光管体积较小，这给拆卸、维修带来极大的方便，在发 生故障时可考虑整个测量光管的快速更换，保证基准轴不变。 ( 2 ) 采用先进的线阵c c d 集成处理技术，使设备处理数据更快，更 可靠。 ( 3 ) 电系统利用成熟的技术和产品，采用模块化设计思想，提升了系 统的整体性能。 ( 4 、采用先进的通讯与控制模式将各测量端获得的图像数据集中到 中心控制台，利用性能优良的计算机集中处理和显示各测量端的测量数 据。 ( 5 ) 采用了数据集中处理模式，所有的校准工作均由中心控制台来统 一完成，测量点标校可在中央控制台集中操作，降低了因人员及环境因 素导致的测量误差。 2 2 船体变形测量系统硬件设计 2 2 1 系统硬件结构图 系统的硬件实现主要包括两部分：光电探测系统和中心控制台。具 体结构见图2 2 7 f 一一i 不芫苫哥三i 一一。j 硒泵磊 i ，o - 、i 2 2 2 光电测量子系统 中心时统b 码 图2 2 系统硬件结构图 1 光电测量子系统组成 光电测量子系统光管包括三个部分，发射光管、接收光管、测扭光 管。由于各设备之间距离较远，因此采用非接触测量。各光管采用光学 准直测量原理。系统需要完成三组变形量( 纵挠角、艏挠角、横扭角 及) 测量，由于均采用以线阵c c d 对狭缝光学成像进行测量的方式“” “”，因此八组光电探测系统采用了相同的设计结构。光电探测系统的组 成如图2 3 所示： 8 !控制盒： l 一一一- - 二= 一= ：一j 图2 3 光电探测系统组成框图 台 各光管结构设计紧凑，装船时通过严格的装调程序保证这一方案的 实现，光源方向与其狭缝的中点光轴对齐，调整接收光管角方向，使其 c c d 中心与发射管狭缝中点同光轴。发射管与接收管中心连线事先已 与船的艏艉线保持平行“”，其各自角方向的调整由于其位置变化量很小 不影响其与艏艉线的取齐。 灯源采用6 v 、1 5 w 的卤钨灯，降压使用，这样可杜绝由热漂移而 引起的信号不稳定现象，并可减少换灯次数，使测量精度及使用寿命大 大提高 n 1 发射光管 船上共安放4 个发射光管，分别安装在u c b 、刚性支架、u s b 和 c 波段雷达下方，发射光管发出的光经过大钢管孔通道，将光传输给接 收光管接收。 ( 2 ) 接收光管 船上共设置4 个接收光管，分别安装在u c b 、刚性支架、u s b 和 c 波段雷达下方。接收光管采用准直式光电测角方式，它接收发射光管 发出的平行光。当有变形角偏移时，由狭缝所在的c c d 像元位置测出 角偏移量。 ( 3 ) 侧扭光管 船上共安装4 个测扭光管。分别安装在u s b 、u c b ，标校经纬仪、 c 波段雷达下方。它们分别各自对准安装于大钢管两端的反射镜，当有 变形角偏移时，由狭缝像所在的c c d 像元位置测出角偏移值。 2 光电传感器设计 本系统采用的光电传感器件为数字线阵c c d 像机，在对光电探测 系统进行设计时采用了模块化、通用化设计，对于挠曲变形和扭转变形 9 均采用同一类型光电传感器件来实现测量。 参照技术指标中对测量范围的要求，系统选择了加拿大d a l s a 公 司p i r a n h a 2 系列的p 2 2 1 0 4 1 g 0 型线阵c c d 像机，该像机采用紧 凑式设计，可通过编程实现像素校正、积分时间、线速率、增益、偏置、 比特深度、测试图案和故障诊断等功能。 图像采集与传输控制模块采用d a l s a 公司的n e t l i n k 像机远程控 制模块，该模块可以通过网络提供c a m e r a l i n k 接口像机的远程访问与 控制功能。 2 2 3 中心控制台设计 中心控制台主要由计算机、网络交换机、打印机、显示器、u p s 电 源、鼠标键盘以及相应的控制柜等部分组成。 主要功能： l 、以2 0 f s 的速率通过网络交换机实时接收八路光电探测端子采集 的线阵c c d 数字图像数据以及工作状态信息，并对获得的图像数据进 行处理，获取变形量数据； 2 、配置有b 码终端，能够接收并解调中心时统送来的b ( d c ) 码， 得到所需的绝对时和标准脉冲信号； 3 ，实时采集b 码终端产生的绝对时问数据，并根据协议要求通过 以太网实时输出系统获得的测量数据及相关信息； 4 、实时存储并可以事后浏览打印测量数据； 5 、对变形测量数据进行字符显示，并直观显示测量图像； 6 、实时显示系统状态及故障信息，具有系统自检功能； 7 、能够为各测量端子提供2 2 0 v 交流稳压电源。 2 2 4b 码时统设计 时统卡的主要功能是为军事和高精度民用系统提供统一系统时间， 从而提高系统的时间精度和准确度，并可以提供精确的标准脉冲信号。 b 码时统发生器在时统设备的外秒信号同步下工作，在无外时统同 步信号时，自身可以根据内时钟给出同步信号及时问信息。b 码时统卡 工作原理如图2 4 所示 l o 图2 4b 码时统卡工作原理图 时统设备的发射信号分两路分别送给时统发生器和工控机，时统发 生器接收t r l 信号，当接收到该信号的上升沿时，将时间码记忆到双 端口的某一固定地址中，工控机将发射信号t r l 电平信号转换为 r s 2 3 2 标准信号，再转接到工控机异步通讯口，计算机程序读该状态， 当该信号由低电平变到高电平时，系统响应到事件的发生，通过双端口 到相应固定地址读取发射信号变化瞬间的时间码，该时间码作为发射零 点。 时统发生器同时为工控机提供1 0 0 h z 、1 h z 及c c d 帧同步脉冲。 第三章船体变形测量系统软件总体设计 3 1 数字图像处理技术在系统中的应用 3 1 1 概述 船体变形测量系统是一套光电测量设备。通过测量光学系统将船体 挠曲角度变化量转化为光电信号在c c d 靶面上的位置变化量，由商分 辨率、高速度的线阵c c d 器件对成像在靶面上光电信号进行实时光电 转换，将获得的数字图像数据进行一系列算法处理后，由主控台传送到 远望号航天测量船上的中心计算机。对线阵c c d 所获得图像的处理结 果“，直接影响到整个设备的精度，因此对数字图像处理技术在船体变 形测量中的算法研究是很有必要的“”。 在本系统中对图像数据的处理主要包括以下内容： 1 图像增强 系统在主界面上对每个像机的图像进行实时显示，为了显示图像的 效果，在图像显示之前对图像进行增强处理。图像的增强处理包括中值 滤波和灰度拉伸两项工作。通过中值滤波可以尽量减少噪声对图像的干 扰；灰度拉伸可以显著改善图像质量。 2 图像的预处理 对图像进行预处理的主要目的是为了在计算变形量时能够使结果 更准确。系统中对图像的预处理主要是指对图像的二值化。在二值化的 过程中所需要的阈值使用的是浮动阈值，阈值是采用迭代法求出的。 3 重心判读法 在系统中进行变形量测量时，要确定变形图像的中心位置，这个位 置与图像坐标中点的距离差即为变形量。图像的中心位置的确定使用的 就是重心判读法。通过重心判读计算出的变形结果可以达到误差小、精 度高、稳定性好的效果。 3 1 2 图像增强 由于噪声、光照等外界环境或设备本身的原因，图像质量不可避免 的降低了。因此，在对图像进行分析之前，必须要对图像质量进行改善， 一般情况下改善的方法有两类：图像增强和图像复原。图像增强不考虑 图像质量下降的原因，只将图像中感兴趣的特征有选择的突出，而衰减 不需要的特征，它的目的主要是提高图像的可懂度。图像增强一方面可 以改善图像的视觉效果，同时也可以提高边缘检测或图像分割的质量， 突出图像的特征，便于计算机更有效地对图像进行识别和分析“。 在本系统中采用的图像增强方法主要包括中值滤波和灰度拉伸。 1 中值滤波 中值滤波是一种非线性信号处理方法，与其对应的中值滤波器当然 也就是一种非线性滤波器。中值滤波在算法设计上使与周围像素灰度值 相差较大的点处理后能和周围的像素值比较接近，由于在处理时并不是 简单的取均值，因此产生的模糊要少得多，对滤除脉冲干扰及图像噪声 的去除更为有效。 由于变形测量系统采用线阵c c d 测量，在一维情况下，中值滤波 器是一个含有若干个像素的滑动窗口。将窗口中各点灰度值的中值来替 代指定点( 一般是窗口的中心点) 的灰度值，对于奇数个元素，中值是 指按大小排序后中阃元素的灰度值；对于偶数个元素，中值是指排序后 中间的两个元素灰度值的平均值。 设有一个一维序列j ”t 2 j ，一、，对此一维序列进行中值滤波，就是 用一个滑动窗口，设窗口长度为m ，从输入序列中相继抽出m 个数， 一，一， ，工m ，j j + v ，再将这m 个数按其数值大小排序，取其序号 为中心点那个数作为滤波输出，用数学公式表示为： 只= m e d f , 。，z ，z 。 f z ( 3 1 ) 上式中v = ( m 一1 ) 2 ，z 表示所有自然数的集合。 其具体操作步骤如下： ( 1 ) 将模扳在图像中漫游，并将模板中心与图中某个像素位置重合； ( 2 ) 读取模板下各对应像素的灰度值； ( 3 ) 将这些灰度值从4 , n 大排成一列； ( 4 ) 找出这些值中排在中间的一个； 只= p y 2 ：凳鬟 q z ， ( 5 ) 将这个中间值赋给对应模板中心位置的像素。 2 灰度拉伸 简单的说，灰度拉伸就是指对图像上各个像素点的灰度值x 按某个 函数t ( ) 变换到y 。由于外界因素造成图像对比度不足、细节分辨不 清时，对图像进行灰度线性拉伸常能显著改善图像质量。 变形测量系统中对变形图像的灰度拉伸主要使用的是分段( 三段) 线性灰度拉伸技术。 分段线性灰度拉伸的基本思想是对原图像中不同灰度范围的像素 值放大或缩小不同的倍数。一般采用三段线性变换。假设原图像厦x ，y ) 的灰度范围为【a ，b 】，希望变换后的图像g ( x ，y ) 的灰度范围为【c ，d 1 ，则在 数学上可采用下述线性变换来实现，如图3 1 所示： g ( k y m i d c a bm f 坟x ，y ) 图3 1 分段线性灰度拉伸示意图 分段线性灰度拉伸的数学表达式为： 她力= 三m ，y ) - d - c l 厂 力一明+ c d a 笨朋+ j o f ( x , y ) ( a a t k ( 3 5 ) 式中z ( i ，1 ) 是图像上( i ，1 ) 点的灰度值，n ( i ，1 ) 是( i ，1 ) 点的权重系 数，一般n ( i ，1 ) = 1 0 。 ( 3 ) 求出新的弛 = 华 ( 3 6 ) ( 4 ) 如果t k = t k + i 或者迭代次数达到2 5 6 次，则程序结束，否则 k 卜k + 1 ，转第( 2 ) 步。 2 图像的二值化 图像的二值化处理就是将一幅图像上的点的灰度置为0 或2 5 5 ，也 就是将整个图像呈现出明显的黑自效果。即将2 5 6 个亮度等级的灰度图 像通过适当的阈值选取而转换为仍然可以反映图像整体和局部特征的 二值化图像。将所有灰度大于或等于阈值的像素被判定为属于特定物 体，其灰度值为2 5 5 表示，否则将这些像素点被排除在物体区域以外， 灰度值为0 ，表示背景或者另外的物体区域。如果某特定物体在内部有 均匀一致的灰度值，并且其处在一个具有其他等级灰度值的均匀背景 下，使用阈值法就可以得到比较好的分割效果。 根据阈值进行二值化的公式如下： 灰度值= 2 i 5 萎耋鲁；雾墨 c ，乃 3 1 4 重心判读法 利用线阵c c d 进行位移测量可划分为静态测量和动态测量。静态 测量是指c c d 各个像元接收到的光信号在时域上是不变的或者变化足 够慢以致可以忽略；动态测量是指c c d 各个像元接收到的光信号在时 域上变化很快，即在相同积分时间内这种变化不能忽略“。 船体变形测量系统中线阵c c d 进行的位移测量属于动态测量啪3 ， 由于光斑呈一定的宽度，c c d 信号处理电路必须有一定的积分时间间 隔。”。所以，在动态测量中c c d 输出信号不具有理想的对称性。 线阵c c d 进行位移测量是根据c c d 靶面上成像光斑位置来确定的 2 1 。光斑的重心是指光斑的几何中心点，在重心检测法中，借助信号的 对称性来判断光斑的中心相应的像元或像素1 。 重心判读是一种自动判读方式，重心判读是通过求取目标的数字图 像灰度分布重心来判别物体位置，实质上是计算重心、统计平均的过程， 它算出来的重心位置，并不是个别最亮的位置或扫描随机碰到的某一点 位置，而是图像中各个像元加权平均的位置1 ，所以重心判读误差小、 精度高、稳定性好。 光斑光强的理想分布为圆对称的高斯分布。如果光斑有效面积落在 线阵c c d 探测器的光敏面内，用如下方法可计算光斑能量重心坐标： i 。e 。 壮苛 ( 3 8 ) i 。是像素i 的灰度值，e 。是单位像素在x 方向上的长度当量，具体 数值可定标测出。为避免累加计算中出现计数溢出，以图像的几何中心 为坐标原点计算。 3 2 需求分析 3 2 1 系统软件的用途 变形测量系统软件的主要功能是在系统同步信号( 2 0 e s ) 控制下， 1 6 通过线阵c c d 像机获取变形图像数据，并计算船体变形量；实时获取时 问码信息；通过网络通讯将计算结果发送给中心计算机。 3 2 2 系统软件的功能需求 1 系统启动功能 系统启动功能主要用于系统启动时根据系统需要的配置系统运行 环境。系统启动模块的数据流程图如图3 2 所示： 图3 2 系统启动模块数据流程图 2 系统参数设置功能 ( 1 ) 功能需求 完成对线阵c c d 像机及网络传输模块基本参数的设置。工作人员 可以在像机选项中设置积分时间、工作模式、帧频，在网络选项中设置 设备i p 地址、设备出厂号( m a c ) 、设备名称。 像机设置数据流程图如图3 3 所示，网络设置数据流程图如图3 4 所示。 图3 3 像机设置数据流程图 1 7 图3 4 网络设置数据流程图 ( 2 ) 质量特性 能够适用于变形测量系统所采用的d a l s a 公司p m a n h a 2 系列 的p 2 2 2 0 4 k 3 0 型线阵c c d 像机，及配用的n e t l i n k 像机远程控制模块， 要求对系统参数的配置准确。 对像机无依从性，脱离像机可运行调试，并指示没找到像机；容错 性强，可提示出错信息；设有密码保护，防止误操作；程序提供数据备 份，方便数据恢复。 3 参数调节及图像特性显示功能 ( 1 ) 功能需求 计算船体变形常值，对变形常值具有记忆功能； 标定船体变形的初始位置，确定在船体坐墩( 或系泊) 状态下， 变形系统的初始状态，对标定值具有记忆功能； 根据用户选择对应显示所选图像的灰度直方图和图像的各特征 值。 参数调节及图像特性显示功能数据流程图如图3 5 所示。 图3 5 参数调节及图像特性显示功能数据流程图 ( 2 ) 质量特性 通过参数调节可根据需要随时更新当前的变形常值( 当前一段时 间内变形量的均值) 和船体变形的初始位置； 功能对像机无依从性，脱离像机可运行调试，并指示没找到像机； 容错性强，可提示出错信息，提供数据越界保护，防止误操作， 1 8 程序提供数据备份，方便数据恢复。 4 船体变形测量功能 ( 1 ) 功能需求 实时采集图像数据及时间数据，并对图像进行实时处理，根据测量 数据获得船体变形数据，并将测量结果实时传送至中心计算机。 船体变形测量功能数据流程图如图3 6 所示。 显示测 图3 6 船体变形测量功能数据流程图 但) 质量特性 可实时准确地提取变形图像和时间信息，对图像进行预处理，然 后通过图形统计计算得出船体变形数据，同时向中心计算机发送测量结 果； 对像机无依从性，脱离像机可运行调试，并指示没找到像机； 容错性较强，并可提示出错信息，具备数据外推运算、变形常值 统计及数据平滑功能； 系统c p u 占用率不高于4 0 ，内存占用率不高于3 0 ；每次内 存占用后，要及时释放内存。 5 数据显示功能 ( 1 ) 功能需求 显示变形测量图像、变形数据、时间信息、系统工作状态等信息。 实时数据显示功能数据流程图如图3 7 所示。 1 9 图3 7 数据显示功能数据流程图 ( 2 ) 质量特性 可正确显示变形测量图像、变形数据、时间信息、系统工作状态、 系统故障等信息； 系统c p u 占用率不高于4 0 ，内存占用率不高于3 0 ；每次内 存占用后，要及时释放内存。 6 数据存储功能 ( 1 ) 功能需求 存储变形测量数据。数据存储功能数据流程图如图3 8 所示。 至叵 图3 8 数据存储功能数据流程图 ( 2 ) 质量特性 可实时存储变形测量数据和数据的获取时间； 系统c p u 占用率不高于4 0 ，内存占用率不高于3 0 ；每次内 存占用后，要及时释放内存。 7 数据浏览功能 ( 1 ) 功能需求 浏览变形测量数据。数据浏览功能数据流程图如图3 9 所示。 2 0 一，!l!，一 变形溯量数据卜_ 一 数据浏览 | 1j【，一 图3 9 数据浏览功能数据流程图 ( 2 ) 质量特性 可根据需要打开变形测量数据文件； 系统c p u 占用率不高于4 0 ，内存占用率不高于3 0 ；每次内 存占用后，要及时释放内存。 3 2 3 系统软件的运行环境 结合测控台计算机的硬件配置，变形测量系统的软件环境如下： 中心控制台管理计算机采用高性能工业控制计算机，采用p i v 2 0 以上的c p u ，内存5 1 2 m b ( d d r ) ，硬盘8 0 g b ，具备l o m 1 0 0 m 网络通讯 接口，安装高性能1 0 0 0 m 网卡作为与网络交换机的接口以获取图像数 据，计算机内部安装有串行通讯卡，接收标校经纬仪b 码系统发送的时 俩信息。 采用w i n d o w s2 0 0 0 中文操作系统；软件开发工具采用v i s u a l c + + 6 o 、c c d 像机及n e t l i n k 像机远程控制模块驱动与控制软件。 3 3 总体设计 3 3 1 系统概述 船体变形测量系统的软件部分通过编程实现像机与计算机之间的 连接、图像传输；对图像进行处理并将处理后的图像显示出来；根据图 像对船体的变形量进行计算；将数据信息及计算结果实时的显示并存储 起来，并能够对数据访问等。 软件部分主要包括七部分功能模块：系统启动模块、系统参数设置 模块、参数调节和图像特性显示模块、船体变形测量模块、数据显示模 块、数据存储模块和数据浏览模块。 系统软件的功能模块图如下： 2 l 3 3 2 功能设计 图3 1 0 变形测量系统软件功能模块图 i 系统启动功能 系统启动功能主要用于系统启动时对串口通讯卡和网络通讯进行 初始化、装载系统参数配置文件、读取图像参数、程序主界面的启动以 及线程的启动等功能。系统启动模块功能模块图如下： 图3 1 1 系统启动模块功能模块图 2 系统参数设置功能 ( 1 ) 概述 系统参数设置功能主要完成对线阵c c d 像机及网络传输模块基本 参数的设置。c c d 像机设置功能主要完成像机积分时间、工作模式、 帧频的设置：网络传输模块设置功能主要完成网络m 地址、设备出厂 号( m a c ) 和设备名称的设置。 系统参数设置功能只是在系统初装、更换设备和配置文件丢失的情 况下进行调用。本功能在实现的工程中生成一个系统配置文件用来存储 所有的参数配置信息。在正常情况下，系统再次启动的时候可直接访问 配置文件进行配置，就不再需要重新进行参数配置。 系统参数设置功能模块图如下： 图3 1 2 系统参数设置功能模块图 ( 2 ) 添加设备 主要是在增加像机或者是更换像机时，对新c c d 像机进行初始化， 与系统连接，并将新像机的配置参数存入系统配置文件，更新系统配置 文件。 f 3 ) 删除设备 当船上像机出现故障需要更换时，使用该功能，将故障像机的信息 从系统配置文件中删除，更新系统配置文件。 h ) 参数更改 此处的参数主要指的是根据c c d 像机的具体情况为每个像机配置 了曲线拟合参数，用来调节像机的数据，这些参数是由用户直接输入的， 当像机性能调整或像机更换时，要对像机的参数进行更新。 3 参数调节和图像特性显示功能 ( 1 ) 概述 计算变形量的常值同时将数据存入数据文件进行备份；标定船体变 形的初始位置同时将数据存入数据文件进行备份；根据用户选择对应显 示所选图像的图像特性。 参数调节和图像特性显示功能模块图如下： j 参数调节和图像特性显示j 1 1 。+ 。1 。1 。1 。1 。1 + 。1 1 1 _ j 厂1 _ 自圈田 i 形j 位l 像 l 常il 置i 特l 值ii 初ji 性i i 计1i 始l 显i i 算il 标i 示 u剧u 图3 1 3 参数调节和图像特性显示功能模块图 ( 2 ) 参数调节 变形常值的计算。分别针对各个像机的输出图像进行变形量的常值 计算，对变形常值具有记忆功能。 变形初始位置标定。标定船体变形的初始位置，确定在船体坐墩( 或 系泊) 状态下，变形系统的初始状态，对标定值具有记忆功能。 d ) 图像特性显示 确定界面显示图像与像机的对应关系，分别针对各个像机的输出图 像绘制灰度直方图，并将对应图像的基本信息显示出来，包括：图像处 理区域、分割阈值、光斑宽度和变形量值。 4 船体变形测量功能 ( 1 1 概述 船体变形测量功能模块主要功能：从像机获取图像，对图像进行预 处理( 图像的二值化) ，根据预处理后的图像信息进行变形测量，同时 将变形数据发送给船上的中心机。 船体变形测量功能模块图如下： f i 一土二m t 二_ 闺国国 ( 2 ) 图像预处理 用迭代法求出阈值，并根据阈值对图像进行二值化处理。 ( 3 ) 变形量测量 变形量测量功能主要是根据船体各部分变形初始位置和实时测量 数据计算出船体各部分变形量。在图像传输过程中，如出现短时间中断， 就进行数据外推运算，并将外推运算值上网发送：在图像传输过程中， 如出现个别明显粗大坏值，就用变形常值统计的结果取代实测数据上网 发送。 ( 4 ) 发送测量结果 发送测量结果功能是将所测得的船体变形量实时发送至中心计算 机。 5 数据显示功能 ( 1 ) 概述 数据显示功能用于实时显示变形测量图像、变形数据、时间信息、 系统工作状态、系统故障等信息。 数据显示功能模块图如下； 图3 1 5 数据显示功能结构框图 ( 2 ) 图像处理 将从像机获取的图像进行中值滤波和灰度拉伸处理。 ( 3 ) 变形图像显示 根据图像显示的需要对原始图像进行处理，并将调整后的变形测量 图像实时地显示出来。 ( 4 ) 变形数据显示 变形数据显示功能用于实时显示所测得的船体各部分变形数据。 ( 5 ) 时间信息显示 时间信息显示功能用于实时显示图像和变形数据所对应的时间信 息。 ( 6 ) 系统工作状态显示 系统工作状态显示用于实时显示系统的工作状态、故障信息。 6 数据存储功能 ( 1 ) 概述 数据存储功能是对系统用于测量的基础数据和根据基础数据计算 得到的变形量的存储。 数据存储功能模块图如下： 图3 1 6 数据存储功能模块图 ( 2 ) 实时存储测量数据 实时数据存储功能用于实时存储系统测得的变形测量数据。 ( 3 ) 变形量存储 变形量存储功能用于实时存储根据实时的测量数据计算出的船体 变形量。 7 数据浏览功能 用户可以根据需要浏览通过“数据存储”功能创建的数据文件。 第四章船体变形测量系统的软件研究及实现 4 1 关键技术 4 1 1 串口通信 1 串行通信的基本原理 串行端口的本质功能是作为c p u 和串行设备间的编码转换器。当 数据从c p u 经过串行端口发送出去时，字节数据转换为串行的位。在 接收数据时，串行的位被转换为字节数据”1 。 应用程序要使用串口进行通信，必须在使用之前向操作系统提出资 源申请要求( 打开串口) ，通信完成后必须释放资源( 关闭串口) 。 2 串口编程的基本函数 在w i n 3 2 环境中，串口使用文件方式进行访问，但与其他文件不 同，串口文件的操作是采用阻塞方式的，读写动作通常会在后台阻塞， 用户可以通过响应串口事件获知端口状态和控制读写动作。因此在 w i n 3 2 环境中处理串口，应采用重叠i ，o 机制访问串口文件，在线程中 完成读写操作，这样意味着当读写线程阻塞时，不会使主线程锁定而失 去