基于单摄像机的液位测量的研究毕业设计.doc

基于单摄像机的液位测量研毕业设计 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 研究及发展现状21.3 主要研究内容3第2章 基于图像的液位测量原理52.1 测量系统模型的建立52.2 像素数与摄影距离之间的关系62.3确定浮漂直径的子像素计算法82.4 液位测量法82.5 液位测量流程图92.6 测量的关键步骤和准备102.7 单数字摄像机的固有参数102.8 浮漂的选择122.9 本章小结13第3章 单摄像机的选择143.1 摄像机的成像原理及拍摄技巧143.1.1 摄像机的成像原理143.1.2 摄像机的拍摄技巧153.2 摄像机镜头的选择163.2.1 镜头的分类163.2.2 摄像机镜头的选用163.3 图像采集卡193.3.1 采集卡工作流程193.3.2 图像采集卡的选择203.4 本章小结22第4章 图像预处理234.1 图像处理234.1.1 主要内容234.1.2 基本特点244.2 数字图像预处理264.2.1 图像的灰度化264.2.2 图像的二值化处理274.2.3 图像的中值滤波294.2.4 Laplace边缘检测324.3 本章小结34结论35参考文献36致谢38附录1 开题报告39附录2 文献综述44附录3 中期报告48附录4 外文文献翻译56附录5 外文文献62I第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题背景为了很好地监测液位的高度，长期以来对于全自动操作测量系统的需求一直存在着，但人们还在使用就地读出式的数据记录仪，这就意味着所有的被采集的数据都是过期的，仅仅是提供了一个历史数据。这种就地式仪器不具备持续监测功能。随着科学技术的不断发展，传统液位测量方法派生出来的指标体系的局限性日益暴露出来，为了弥补这一缺陷，本课题将设计一种基于单摄像机的液位测量方法。随着计算机技术、光电技术、数字图像处理技术的成熟和现代测试理论的发展，测量方式向快速化、自动化、智能化发展，在现代的工业自动化生产过程中，单摄像机液位测量充分利用它的灵活性、实时性、准确性，在各种场合取代了复杂的人工检测，提高了控制的准确性和执行速度，降低了成本。基于单摄像机的液位测量是建立在数字图像处理基础上的一门新兴技术，它是一种非接触式的测量方法，最大优点是与被测量对象无接触，因此它不会改变被测量的运动参数，不会带来由于引入额外装置所带来的误差。虽然已有多种方法对液位进行测量，但是其操作都较繁杂，而且带来较大误差；其次是周期较长，设备复杂，花费较为昂贵。在非接触测量中，液位测量成为重要的一门科学，在生活中几乎无处不在，而且随着现代集成电路技术的发展，光学器件的发展，计算机处理能力和集成芯片功能的日益强大，专用图像处理软件的开发成为热门，单摄像机的液位测量潜在的应用领域正在扩大。其次，因为人不能长时间地观察对象，单摄像机则不知疲劳，始终如一的观测，所以可以广泛的用于长时间恶劣的工作环境1。在今后它将以CCD为主的光电传感器的高灵敏度、非接触、高分辨率、高速度、实时性结合在一起，从而成为现代检测技术的主流趋势。本文在现有的数字图像处理技术基础上，采用单摄像机的成像原理，研究一种新的基于图像测量技术的液位的测量方法，该系统安装使用方便，标定简单，通过精确使用该设备可以有效地测量液位高度，从而达到对液位有效连续地进行监控。1.2 研究及发展现状液位测量技术在工程领域有着极为广泛的应用，在一般的生产工艺加工过程中，通常只需要对物料的表面位置，进行记录和储存，以作为确保生产工艺、安全等方面的需要。其次，随着生产自动化程度的不断提高，必须首先对液位测量数据进行控制与调节，以保证自动化生产能够自动控制在最佳状态；再就在现代化的企业生产过程中，计算机用于生产控制中心已越来越普及，人们都采用计算机控制系统对生产进行各种综合控制与管理，所以液位测量技术也随之提出更高的要求，控制系统也更趋智能化、统一化；要求测量的对象要广、测量的精度要求高、可靠性要好、测量环境特殊实用性要强等。所以这对测量带来很大的困难，尤其是液面具有波动或有气泡或液面高度随时间改变的动态测量、被测物具有粘滞性或是导电介质等等情况时，如何来提高测量精度；有时还要考虑容器的密封性、介质是否含有腐蚀物以及是否具有毒性和易爆性等问题对测量要求的影响。因此，为了满足各种不同测量条件的要求，人们研制出适合于各种各样要求的液位传感器。随着科技的不断发展，液位的测量更是在生活中无处不在，张达等在中间包内钢水液位精确测量方法研究中提出了一种通过计算机视觉技术检测连铸中间包内钢水层液位高度的方法。从中间包内空气层中穿过保护渣层向钢水层中插入一个铝碳质的测量棒，通过安装于测量棒侧上方的摄像机采集测量棒图像，进而确定保护渣层的实时液位。待测量棒与周围介质达到热平衡后，升起测量棒，并通过摄像机采集测量棒外壁的温场分布，根据保护渣层和钢水层分界面处存在局部温度梯度峰值的特征识别分界面位置及保护渣层厚度，从而确定中间包内钢水层液位。同时，本文对于液位测量系统的构成以及降温、防尘等关键问题进行了研究。现场应用结果表明：本方法能够有效克服保护渣层影响，实现中间包内钢水层液位的可靠测量，测量偏差小于5 mm2。基于单摄像机的应用也得到了体现，兰玉杰等著的基于单摄像机手眼系统的距离测量标定方法中提出了一种适用于机器人手眼系统进行双目测距的简单的测量标定方法。这种方法通过控制深度方向上的一次移动，即可得到某些参数的标定解，从而克服了一些标定系统技术上的难点。通过实验验证，本方法可以达到小于12%的测量精度。可以用于机器人的视觉粗定位和三维避平障等实际应用3。在国外这一研究也得到较快的发展，如Ferran Reverter, Xiujun Li, Gerard C.M. Meijer所著的Liquid-level measurement system based on a remote grounded capacitive sensor 中提到：用一不锈钢棒和聚四氟乙烯绝缘电线构成电容传感器的电极，该接口电路依赖于一个简单的张弛振荡器和微控制器，一个主动屏蔽电缆互连的传感器接口电路，电路的稳定性是考虑到互连电缆和传感器的寄生元件。该系统已通过实验测试，测量接地的金属容器内的自来水水位，在70厘米的水平范围内，系统具有非线性误差小于0.35毫米4。Marcel Gautschi在全自动液位测量与监控系统GSM-2中提到：液位测量中，移动通信网络和Internet的使用使得分散式的测量系统可以利用虚拟合并技术，在地域上实现一致，并随时采集任何需要的数据5。Ti-Ho Wang, Ming-Chih Lu, Chen-Chien Hsu, Cheng-Chuan Chen, Jia-Dong Tan所著的Liquid-level measurement using a single digital camera等中提到： 通过从容器中液体表面选取不同颜色的浮漂，通过色度滤波和阈值技术计算出被摄像机捕捉到的浮漂图像的像素数，建立一个关于浮漂图像直径的像素数和摄影距离的关系，那么该系统就能有效地测量液位的高度6。目前，基于单摄像机的液位测量的研究仍然是一个非常活跃的研究领域，随着计算机技术的飞速发展，数字图像处理技术的提高，该方法将成为今后液位测量的主导。可见，通过计算机技术、数字图像处理等多学科专家的努力，基于单摄像机的液位测量的研究会得到更深入的发展以及取得丰硕的成果。 1.3 主要研究内容本文结合计算机、数字图像处理等技术，根据摄像机的成像原理，在美国Borland公司开发的基于全新的可视化编程环境的开发板delphi上对图像进行处理，提取特征元素，并根据算法实现封闭容器中液位高度的测量。本文主要研究内容如下：第2章，主要介绍了基于图像的液位测量方法，给出了系统的总体方案，其中包括测量系统模型的建立、液位测量流程图、像素数与摄影距离之间的关系，最后还讨论了单摄像机的内在参数、浮漂的选择等，为后面的研究奠定基础。第3章，简单介绍了单摄像机的选择，当然也包括摄像机的成像原理及拍摄技巧。还包括摄像机镜头和图像采集卡的基本理论知识和在本设计中使用时的选择标准。第4章，主要介绍数字图像处理技术的基础与应用，其中重点介绍数字图像进行预处理的基本原理及其实现方法，介绍几种与本设计相关的图像预处理方法，这其中又包括图像的灰度化处理、二值化处理、中值滤波和边缘检测等，最后编写并调试仿真程序。结论部分，是对整个设计过程的总结分析，对所遇到的问题进行讨论和推敲。第2章 基于图像的液位测量原理2.1 测量系统模型的建立 由于测量技术要与当代化学、食品工业以及生物医学方面的进展相适应，液位测量技术发展相对滞后，仍需不断发展。在一些实际应用中，安装机械系统是不可能的，比如压力传感器。因此，在容器中无电气链接的无接触测量法和无损测量法在最近几年得到很大发展。然而，这些技术却不能记录测量过程中容器中发生的化学反应。已存在的液位测量方法虽然一定程度上已经可以记录测量过程中发生的变化，却要求有两条精确安装在摄像机上的平行激光束。而且，容器中的漂浮物要通过细线精确的固定到液面中央，而这一要求，无疑是测量系统中的致命的缺陷。因此，在实际应用中，建立和校准测量系统是一件相当困难的任务。为了提高测量系统的性能以及解决以上涉及到的问题，本论文提供了图2-1 液位测量系统示意图84 第2章 基于图像的液位测量原理一个新颖的液位测量方法：采用单数字摄像机和一个环形浮漂测量方法。这个测量系统的安装方法简单且直观，只要将数字摄像机安装在容器正上方。数字摄像机用来捕获液面上环形浮漂的图像。为了使测量系统的性能更好，环形浮漂要依据容器的大小选择合适的尺寸，浮漂的颜色则要与液体的颜色不同，这样有利于数字相机区分液面和浮漂。然后，通过色度滤波和阈值技术，摄像机捕获到的图像中浮漂的像素数通过计算，就可以轻松的得到。从而得到液位高度。液位测量系统如图1所示。图1所示的液位测量系统中，最大视角为2max 的数字摄像机安装在液体容器顶上，且它的主轴垂直于液体表面。为了获得更好的测量精度，光源与摄像机前端的距离h0需要被考虑进去，它是摄像机特别重要的一个内在参数，本文将在后面做详细介绍。注意，单摄像机有一段距离为h1的后移，以规避通过现有方法不可避免的遇到的现场附近的深度（自由度）限制。为了防止摄像机与液体相接触，在两者之间装一钢化玻璃，形成一个非接触的测量系统。为了防止环境对摄像机和液面造成的不良影响，用一面具将摄像机覆盖，另外，两个点光源的安装是为了在密闭容器中提供光亮并以此来增强图像质量。一个已知直径的用非腐蚀性材料做成的环形浮漂将被用作液位测量的工具。为了提高目标浮漂的稳定性，一沉子将被装在目标浮漂的底部以降低浮漂在液体表面的波动，此外浮漂应是单色的并与液体的颜色应当有所区别以便能够更容易进行图像识别。Hfloat是浮漂位于容器底时的厚度。如图所示，图像帧中目标浮漂直径在Pa和Pb处的像素数N(ha)和 N(hb)分别是摄影距离ha和hb的函数。通过基于摄影距离和图像帧的像素数之间的关系，就能准确的通过由摄像机捕获到的图像帧中目标浮漂直径的像素数确定液位高度7。2.2 像素数与摄影距离之间的关系因为液体表面上环形浮漂的特性，浮漂直径的像素数N(ha)和 N(hb)可以通过图像的水平浏览线计算而得到，基于摄影距离与图像帧中浮漂像素数的三角关系就能计算出目标浮漂与摄像机镜头的距离，继而得到液位的高度，随后可的液体的体积。通过该液位测量系统中摄像机捕获到的图像中目标浮漂直径的像素数与摄影距离的关系如图2所示。容器口的视觉角度限制到2s是用以减少镜头的径向畸变。由图像中目标浮漂的像素数和它的水平距离的线性关系，可以得到 图2-2 浮漂直径像素数与摄影距离的关系图 （2-1）式中R是浮漂直径，Nmax是图像帧中水平浏览线的最大像素数，且是固定和事先已知的，与摄影距离无关。N(ha)是摄影距离为ha时浮漂直径的像素数。如图2中描述的三角关系，可以得到 （2-2）式中Dm1是在液位视角范围内真实的水平距离，把（2-1）式代入（2-2）式可以得到在液位Pa处摄像机镜头与液位的距离，式中没有Dm1,便可得到像素数与摄影距离之间的关系 （2-3）2.3确定浮漂直径的子像素计算法虽然N(ha)可以从图像的水平浏览线直接计算浮漂直径的像素得到，但是这种方法有局限性，特别是当摄影距离较远时，这种方法用起来就不是那么方便了，而且还会增大误差，给测量结果带来很多不确定因素。为了提高测量精确度，N(ha)可以通过图像中浮漂的总像素数而得到 （2-4）基于圆半径和面积的关系，式中Nfloat是当摄影距离为ha时图像帧中环形浮漂总的像素数。这样，浮漂直径的测量精度在像素数方面取得了亚像素的分辨率。因此，这种方法的测量精确度和准确度能被有效的提高。2.4 液位测量法液位是指容器底部到液体表面的距离。例如：ht-ha 和 ht-hb分别代表液位1和2，由于当浮漂在容器底部时hg是提前知道的，所以可以用该参数去简化液位求导。因此变换（2-3）式可得摄影距离为ha时的液位高度 （2-5）注意，通过式（2-5）计算液位时将不再需要内在参数h0，那就是说通过这种方法测量将不会被摄像机的光源所影响，且适用于所有类型的摄像机来进行液位测量。这样该测量方法就得到大大的简化。2.5 液位测量流程图通过该测量方法测量容器中液位的测量步骤如图3所示，摄像机捕捉到的图像首先将被提取进行色度滤波，以致能更好地区别图像中浮漂与液体背景的颜色。然后为计算浮漂像素设置一个阈值T对图像进行二值化处理，再通过浮漂像素数计算出浮漂直径像素数以提高测量精度和准确度8。当浮漂直径的像素数变得可用时，通过式（2-5）就可以确定液位高度。具体流程如下图所示： 图2-3 液位测量步骤2.6 测量的关键步骤和准备 关键步骤：（一） 摄像机安装在容器的正上方，且主光轴垂直于液体表面。（二） 单摄像机有一段距离为h1的后移，以规避通过现有方法不可避免的遇到的现场附近的深度（自由度）限制。（三） 厚度为Hfloat且装有一沉子的环形浮漂置于液体表面。（四） 当在Pg时通过方程式（2-3）获得摄像机与液面间的距离h0+ha，通常是已知的当浮漂置于容器底部时。（五） 同样通过方程式（2-3）获得h0+ha的值。测量准备：（一） 摄像机的选用：Panasonic DMC-LX1摄像机，水平分辨率3248像素，垂直分辨率2160像素。（二） 摄像机内在参数 hs=0.4cm，cot(s)=2.3529-10。2.7 单数字摄像机的固有参数为了创建一个适用于各种摄像机的测量系统，摄像机的两个固有参数h0 和cots是必不可少的，获取这两个参数的方法如图4所示。由图我们可以看到：当把平尺放在(A1,A2) 和 (B1,B2)时，摄像机前端与(A1,A2) 和(B1,B2)的距离分别是hm1 和 hm2，通过三角关系，可得到 图2-4 获取摄像机固有参数的原理图 （2-6） （2-7）由（2-7）式减去（2-6）式可以得到 （2-8）之后由（2-6）式比上（2-7）式得到 因此，可得到光源与摄像机前端的距离，及摄像机的固有参数h0 （2-9）通过该测量方法当固有参数h0 和 cots变得可用时，目标浮漂与摄像机的距离可以通过（2-3）式得到，从而通过（2-5）式便可得到液位高度11-12。2.8 浮漂的选择为了达到液位测量的目的，目标浮漂是必不可少的工具之一，没有目标浮漂，摄像机就不能捕获到图像，测量就无法进行下去，那么本设计就失去意义了。基于简单易懂的测量原理，本设计采用的是一个已知直径的用非腐蚀性材料做成的环形浮漂作为液位测量的工具。直径为10cm，厚度为2cm。为了区别其与液面背景颜色，浮漂颜色可以选用液面颜色以外的任意颜色，这样就为后面的图像预处理做好了铺垫。同时，由于浮漂是在液体表面上的，难免会随液面的波动而波动，所以为了降低浮漂在液面的波动给测量结果带来误差，一沉子被安装在浮漂底部，当然这样也有利于减小浮漂的波动范围，从而达到更好的测量精度和准确度。2.9 本章小结本章以简短的篇幅对基于单摄像机的液位测量的具体测量方法从头到尾做了比较详细的介绍，虽然都是从直接设计使用的角度来概述，但这种简单易懂的方法突出了设计的基本要求。让我们能够更加清晰地理解其测量的基本原理，知道在后续的设计过程中需要哪方面的知识点，从而加强这方面的学习，真正发挥这些知识点的作用。为最后的设计结果带来更高的测量精度和准度。除此之外，还简单介绍了目标浮漂的选取以及它存在的意义，这对测量是必不可少的部分。同时单数字摄像机的固有参数的介绍为后一章单摄像机的选择做了很好的铺垫。第3章 单摄像机的选择第3章 单摄像机的选择3.1 摄像机的成像原理及拍摄技巧单摄像机是本设计必需的工具之一，要做好本设计就必须要学习和掌握单摄像机的基本知识，理解其成像原理和拍摄技巧，同时它也是摄像机选取的必要条件。本设计选用的摄像机是： Panasonic DMC-LX1摄像机，水平分辨率3248像素，垂直分辨率2160像素。摄像机内在参数 hs=0.4cm，cot(s)=2.352。3.1.1 摄像机的成像原理摄像机是一种把景物光像转变为电信号的装置。摄像机所以能摄影成像，主要是靠镜头将被摄体结成影像投在摄像管或固体摄像器件的成像面上。其结构大致可分为三个部分：光学系统(主要指镜头)，光电转换系统(主要指摄像管或固体摄像器件)以及电路系统(主要指视频处理电路)。光学系统的主要部件是光学镜头它由透镜系统组合而成。当被摄物体经过透镜的折射，在光电转换系统的摄像管或固体摄像器件的成像面上形成焦点”。光电转换系统中的光敏元件会把“焦点”外的光学图像转变成携带电荷的电信号，这些电信号再经过电路系统进一步放大，形成符合特定技术要求的信号并从摄像机中输出。这就是电视机的屏幕信号。镜头是摄像机成像最主要的组成部分它被喻为人的眼睛。它决定着电视画面的清晰程度和影像层次的表现能力。镜头可化分为标准镜头、长焦距镜头和广角镜头，摄像机大都采用一个变焦距镜头，即一个透镜系统能宴现从“广角镜头”到“标准镜头”以至“长焦距镜头”的连续转换，它的主要特点之一上具有在一定范围内边疆改变焦距而成像面位置不变的性能。变焦距镜头在变焦时视角会发生改变，但焦点位置与光圈开度不变。在实际拍摄时，当把变焦距镜头从广角端渐渐地变为长焦端时，其画面的视觉效果好像是摄像机离这一景物越来越近，这种效果便是所谓的“推镜头”。相反的变化效果便是“拉镜头”摄像机镜头进行变焦距变化有两种控制方法一是电动变焦=是手动变焦。电动变焦的特点是镜头在推拉的过程中变化均匀-手动变焦是通过直接用手拨动变焦环实现的。手动变焦一般是在镜头需要急速推拉时才能使用t变焦距镜头的操作有定的难度，这是因为影响聚焦清晰的因素如镜头焦距、光圈、景深以及主体离摄像机的距离等可能同时都在变化。为r有效地解决这一问题，我们可以在拍摄中把握这样一点，即先用变焦距镜头最长的焦距对准被摄对象焦距，然后再恢复拍摄时所需要的焦距上，过撵就能保证被摄对象的清晰。3.1.2 摄像机的拍摄技巧正确地理解和运用景深，将有助于拍摄出满意的画面。当镜头聚集于被摄影物的某一点时，这一点上的物体以及这一点前后一定范围内的景物能被记录的较为清晰。这种在摄像管聚焦成像面前后能记录得“较为清晰”的被摄景物纵深的范围便为景深13。被摄物前面的清晰范围叫前景深，后面的清晰范围叫后景深，有的画面上被摄体是前面清晰而后面模糊，有的是后面清晰而前面模糊，这些现象都是由镜头的景深特性造成的。影响景深的因素有光圈、焦距和物距。光圈越小进入镜头的光束越细，近轴较应越明显，光线会聚的角度就越小，这样在成像面前后会聚的光线将在成像面上留下更小光斑，使得原来离镜头较近和较远的不清晰景物具备了可以接受清晰度，由此我们得知在镜头焦距相同拍摄距离相同时，光圈越小，景深范围的越大反之光圈越大景深范围越小。焦距短的镜头比起焦距长的镜头对来自前后不同距离上的景物的光线所形成的聚焦带要狭窄的很多，因此会有更多光斑进入可接受的清晰度区域，由此可知镜头焦距越长景深范围越小。在镜头焦距和光圈系数都相等的情况下，物距越大，景深范围越大物距越近，景深范围越小，这是因为远离镜头的景物只需做很少的调节就能获得清晰词焦而且前后景物结焦点被集得很紧密，这样会使更多的光斑进入可接受的清晰度区域因此景深就增大。相反，对靠近镜头的景物调焦，由于扩大了前后结交点的问隔，即焦深范围扩大了，因而使进入可接受的清晰度区域的光斑减少景深变小。由于此原因，镜头的前景探总是小于后景深。在摄像的实践中，当远近的被摄对象活动范围扩大时，画面的对比度不明显时，画面具有等距的细条状物体时或环境的光线照度不够时，我们更需要调整好镜头的焦距、光圈和景深。我们只有很好地掌握了摄像机镜头的成像原理，正确地加以理解和运用，才能更好的使用摄像机拍摄出精美流畅的画面，展现出我们今天五彩斑斓的新生活。3.2 摄像机镜头的选择为了使获得的图像有较好的质量，摄像机的镜头是关键。根据不同的环境场合，不同的视野范围来选取摄像机镜头也是非常必要的，同时要清楚镜头的分辨率的含义，因为分辨率不同，所获得的图像质量肯定有很大差异。当然焦距也是一个至关重要的参数。3.2.1 镜头的分类根据应用场合的不同镜头的种类大致可分为：(1) 广角镜头：视角在90度以上，一般用于电梯轿箱内、大厅等小视距大视角场所； (2) 标准镜头：视角在30度左右，一般用于走道及小区周界等场所； (3) 长焦镜头：视角在20度以内，焦距的范围从几十毫米到上百毫米，用于远距离监视 (4) 变焦镜头：镜头的焦距范围可变，可从广角变到长焦，用于景深大，视角范围广的区域； (5) 针孔镜头：用于隐蔽监控。 另外，摄像机镜头就光圈而言可分为手动光圈镜头及自动光圈镜头两种，就焦距而言又可分为定焦镜头及变焦镜头两种。这两种将在后面介绍。 根据本设计的设计要求，由于是在一密闭容器中，所以其视角范围不是很大，所以选用标准镜头14。3.2.2 摄像机镜头的选用在选择镜头时，有以下五个因素确定镜头标准： （1） 监控现场的大小； （2） 被摄物体的大小； （3） 物距； （4） 焦距； （5） CCD靶面尺寸 。 前4点可由现场测量并通过计算来确定镜头的焦距标准，其计算方法如下： u 1/3CCD或 u 1/2CCD或 其中，W为被摄物体的宽度；H为被摄物体的高度；L为镜头到被摄物体间的距离；F为镜头焦距。 那么为何在镜头的选用中考虑CCD靶面的尺寸呢? 为了从1/3与1/2 CCD摄像机中获取同样的视角，1/3 CCD摄像机镜头焦距必须缩短；相反如果在1/3 CCD与1/2 CCD摄像机中采用相同焦距的镜头，情况又如何呢?1/3 CCD摄像机视角将比1/2 CCD摄像机明显地减小，同时1/3 CCD摄像机的图像在监视器上将比1/2 CCD的图像放大，产生了使用长焦距镜头的效果。 另外我们在选择镜头时还要注意这样一个原则：即小尺寸靶面的CCD可使用大尺寸靶面CCD摄像机的镜头，反之则不行。原因是：如1/2 CCD摄像机采用1/3镜头，则进光量会变小，色彩会变差，甚至图像也会缺损；反之，则进光量会变大，色彩会变好，图像效果肯定会变好。当然，综合各种因素，摄像机最好还是选择与其相匹配的镜头。所以本设计用到的是尺寸靶面为1/3CCD摄像机镜头。下面就以使用环境的不同谈如何正确选用摄像机镜头 （1） 手动、自动光圈镜头的选用 手动、自动光圈镜头的选用取决于使用环境的照度是否恒定。 对于在环境照度恒定的情况下，如电梯轿箱内、封闭走廊里、无阳光直射的房间内，均可选用手动光圈镜头，这样可在系统初装调试中根据环境的实际照度，一次性整定镜头光圈大小，获得满意亮度画面即可。本设计方法就用到手动光圈镜头。 对于环境照度处于经常变化的情况，如随日照时间而照度变化较大的门厅、窗口及大堂内等，均需选用自动光圈镜头(必须配以带有自动光圈镜头插座的摄像机)，这样便可以实现画面亮度的自动调节，获得良好的较为恒定亮度的监视画面。 （2）定焦、变焦镜头的选用 定焦、变焦镜头的选用取决于被监视场景范围的大小，以及所要求被监视场景画面的清晰程度。 镜头规格(镜头规格一般分为1/3、1/2和2/3等)一定的情况下，镜头焦距与镜头视场角的关系为：镜头焦距越长，其镜头的视场角就越小；在镜头焦距一定的情况下，镜头规格与镜头视场角的关系为：镜头规格越大，其镜头的视场角也越大。所以由以上关系可知：在镜头物距一定的情况下，随着镜头焦距的变大，在系统末端监视器上所看到的被监视场景的画面范围就越小，但画面细节越来越清晰；而随着镜头规格的增大，在系统末端监视器上所看到的被监视场景的画面范围就增大，但其画面细节越来越模糊。在镜头规格及镜头焦距一定的前提下，CS型接口镜头的视场角将大于C型接口镜头的视场角。 镜头视场角可分为图像水平视场角以及图像垂直视场角，且图像水平视场角大于图像垂直视场角，通常我们所讲的视场角一般是指镜头的图像水平视场角。 在狭小的被监视环境中如电梯轿箱内，狭小房间均应采用短焦距广角或超广角定焦镜头，如选用镜头规格为1/2，CS型接口，镜头焦距为3.6mm或2.6mm镜头，这些镜头视场角均不小于99或127，这对于摄像机在狭小空间里一般标高为2.5m左右时，其镜头的视场角范围足以覆盖整个近距离狭小被监视空间。也可根据现场实际情况选用手动变焦镜头如日产Computar T2Z2814CS2镜头，这种镜头为1/3CS型接口手动光圈镜头，其焦距2倍可调(手动调焦)。调焦范围为2.86.0mm，视场角变化范围为9647.2，这种镜头非常适合在狭小的被监视环境中使用，在使用时可方便地根据实际需要，灵活实现对被监视场景的“点”或“面”的监视效果。对于本设计来说定焦与变焦均可以使用。（3）正确选用镜头焦距的理论计算 摄取景物的镜头视场角是极为重要的参数，镜头视场角随镜头焦距及摄像机规格大小而变化(其变化关系如前所述)，摄像机镜头规格应视摄像机的CCD尺寸而定，两者应相对应。覆盖景物镜头的焦距可用下述公式计算： (1) (2) f：镜头焦距、U：景物实际高度、H：景物实际宽度、D：镜头至景物实测距离、u：图像高度、h：图像宽度 举例说明： 当选用1/2镜头时，图像尺寸为u=4.8mm，h=6.4mm。镜头至景物距离D=3500mm，景物的实际高度为U=2500mm(景物的实际宽度可由下式算出，这种关系由摄像机取景器CCD片决定)。 将以上参数代入公式(1)中，可得=6.72mm，故选用6mm定焦镜头即可。3.3 图像采集卡图像采集卡（Image Capture Card），又称图像捕捉卡，是一种可以获取数字化图像信息，并将其存储的硬件设备。其功能是将图像信号采集到电脑中，以数据文件的形式保存在硬盘上。它是我们进行图像处理必不可少的硬件设备，通过它，我们就可以把摄像机拍摄的图像信号从摄像带上转存到计算机中，利用相关的编辑软件，对数字化的图像信号进行后期处理，如图像增强、灰度化、滤波、边缘检测等。3.3.1 采集卡工作流程采集，就是图像经过采样、量化以后转换为数字图像并输入、存储到帧存储器中的过程。图像采集卡通常由图像输入模块、模数转换（A/D）模块、时序及采集控制模块、图像处理模块、总线接口及控制模块、输出及控制墨款等组成。由于图像信号的传输需要很高的传输速度 ，通用的传输接口不能满足要求，因此需要图像采集卡。图像采集卡信号采集流程如下图所示图3-1 图像采集卡信号采集流程图CCD摄像头从图像源得到的信号，经过图像接口被送到图像采集卡，信号首先经过数字编码，然后进行模数转换把模拟信号转换为数字信号，为后续的图像处理做铺垫。通常在采集过程中，对数码信息还进行一定形式的实时压缩处理。当图像采集卡的信号输入速率较高时，需要考虑图像采集卡与图像处理之间的宽带问题。在使用时，图像采集卡采用PCI接口的理论带宽峰值为132MB/S。在实际应用中，有可能在传输瞬间不能满足高传输率的要求。为了避免与其他PCI设备产生冲突时丢失数据，图像采集卡上应有数据缓存。具体有以下几个步骤：（1）视野或现场是相机及光学系统“看”到的真实世界的具体部分。（2）CCD芯片将光能转化为电能。（3）相机将此信息以模拟信号的格式输出至图像采集卡。（4）A/D转换器将模拟信号转换成8位（或多位）的数字信号。每个像素独立地把光强以灰度值的形式表达。（5）这些光强值从CCD芯片的矩阵中被存储在内存的矩阵数据结构中。3.3.2 图像采集卡的选择图像采集卡根据不同的分类标准可以分为很多种类，按照图像信号源可以分为数字采集卡（使用数字接口）和模拟采集卡；按照安装链接方式可分为外置采集卡和内置式板卡；按照图像压缩方式可分为软压卡（消耗CPU资源）和硬压卡；按照图像信号输入输出接口可分为1394采集卡、USB采集卡、HDMI采集卡等。为了使采集卡能够得到很好的利用，在选择采集卡时，应考虑它的技术参数，如图像传输格式、图像格式（像素格式）、传输通道数、分辨率、采样频率和传输速率等。(1) 图像传输格式 格式是图像编辑最重要的一种参数，图像采集卡需要支持系统中摄像机所采用的输出信号格式。在本设计中，摄像机采用的是RS422作为输出信号格式，所以USB2.0图像传输形式在此得到很好的应用。(2) 像素格式 黑白图像：通常情况下，图像灰度等级可分为256级，即以8位表示。在对图像灰度有更精确要求时，可用10位，12位等来表示。 彩色图像：彩色图像：可由RGB(YUV)3种色彩组合而成，根据其亮度级别的不同有8-8-8，10-10-10等格式。 (3) 传输通道数 当摄像机以较高速率拍摄高分辨率图像时，会产生很高的输出速率，这一般需要多路信号同时输出，图像采集卡应能支持多路输入。一般情况下，有1路，2路，4路，8路输入等。随着科技的不断发展和行业的不断需求，路数更多的采集卡也出现在市面上。(4) 分辨率 采集卡能支持的最大点阵反映了其分辨率的性能。一般采集卡能支持768*576点阵，而性能优异的采集卡其支持的最大点阵可达64K*64K。单行最大点数和单帧最大行数也可反映采集卡的分辨率性能。同三维推出的采集卡能达到1920x1080分辨率。 (5) 采样频率 采样频率反映了采集卡处理图像的速度和能力。在进行高度图像采集时，需要注意采集卡的采样频率是否满足要求。目前高档的采集卡其采样频率可达65MHZ。 (6) 传输速率 主流图像采集卡与主板间都采用PCI接口，其理论传输速度为132MB/S。综上所述，根据本设计的设计要求，可以采用DH-CG300图像采集卡，它是基于PCI总线的高性能图像采集卡，可进行高质量彩色/黑白图像的实时采集。图像采集最大分辨率可达768*576点阵，传输速度可达40MB/S，灵活采集图像，可稳定地接收相机的图像信号，并且支持计算机内容与采集图像同屏显示的工作方式。3.4 本章小结本章中主要介绍了测量时用到的单摄像机及其镜头和图像采集卡的选择标准，同时简要介绍了摄像机的成像原理及其拍摄技巧。我们知道在不同的场合，不同的光线环境下，使用的摄像机镜头是不一样的，所以镜头的合理与否也将影响测量结果。采集卡是图像处理所必不可少的，所以正确选择和使用它是非常重要的。镜头的分类多种多样，当然镜头的选择也是需要考虑诸多方面的因素，本文根据设计的要求选用了适合于本设计的摄像机及其镜头和图像采集卡。综上所述：本设计是基于单摄像机的液位测量的研究，是在一密闭容器中测量液位高度，所以选用的是Panasonic DMC-LX1摄像机，水平分辨率3248像素，垂直分辨率2160像素。用到的摄像机镜头是尺寸靶面规格为1/3CCD摄像机标准镜头，且是手动光圈镜头，定焦变焦均可以。采集卡则选用的是DH-CG300图像采集卡。第4章 图像预处理第4章 图像预处理图像预处理(Image Processing)是通过计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术。图像是人类获取和交换信息的主要来源，因此，图像处理的应用领域必然涉及到人类生活和工作的方方面面。随着人类活动范围的不断扩大，图像处理的应用领域也将随之不断扩大。而且随着社会的不断发展，数字图像处理技术已成为我们生活中不可或缺的重要工具，同时在各方面都扮演着极其重要的角色。数字图像处理的产生和迅速发展主要受三个因素的影响:一是计算机的发展;二是数学的发展(特别是离散数学理论的创立和完善);三是广泛的农牧业、林业、环境、军事、工业和医学等方面的应用需求的增长15。本章将重点讲解数字图像预处理的基本知识。图像处理中，输入的是质量低的图像，输出的是改善质量后的图像，通过对摄像机捕获到的图像进行预处理后以得到高质量的图像，准确得到其像素数以达到测量目的。同时还根据设计的要求编写仿真程序，这其中包括图像的灰度化、二值化、中值滤波、Laplace边缘检测等。4.1 图像处理图像处理也是本设计要用到的重要的工具之一，如果没有这一环节，将不可能得到质量高的图像，即使摄像机的分辨率再高，恐怕也没法将其识别，那么就更没办法获得图像的像素数，以致不能用像素属于摄影距离之间的关系而得到液位高度。所以做好图像处理也是本设计测量的关键。4.1.1 主要内容数字图像处理主要研究的内容有以下几个方面： (1) 图像变换由于图像阵列很大，直接在空间域中进行处理，涉及计算量很大。因此，往往采用各种图像变换的方法，如傅立叶变换、沃尔什变换、离散余弦变换等间接处理技术，将空间域的处理转换为变换域处理，不仅可减少计算量，而且可获得更有效的处理（如傅立叶变换可在频域中进行数字滤波处理）。目前新兴研究的小波变换在时域和频域中都具有良好的局部化特性，它在图像处理中也有着广泛而有效的应用。 (2) 图像编码压缩图像编码压缩技术可减少描述图像的数据量（即比特数），以便节省图像传输、处理时间和减少所占用的存储器容量。压缩可以在不失真的前提下获得，也可以在允许的失真条件下进行。编码是压缩技术中最重要的方法，它在图像处理技术中是发展最早且比较成熟的技术。 (3) 图像增强和复原的目的是为了提高图像的质量，如去除噪声，提高图像的清晰度等。图像增强不考虑图像降质的原因，突出图像中所感兴趣的部分。如强化图像高频分量，可使图像中物体轮廓清晰，细节明显；如强化低频分量可减少图像中噪声影响。图像复原要求对图像降质的原因有一定的了解，一般讲应根据降质过程建立降质模型，再采用某种滤波方法，恢复或重建原来的图像。 (4) 图像分割是数字图像处理中的关键技术之一。图像分割是将图像中有意义的特征部分提取出来，其有意义的特征有图像中的边缘、区域等，这是进一步进行图像识别、分析和理解的基础。虽然目前已研究出不少边缘提取、区域分割的方法，但还没有一种普遍适用于各种图像的有效方法。因此，对图像分割的研究还在不断深入之中，是目前图像处理中研究的热点之一。 (5) 图像描述是图像识别和理解的必要前提。作为最简单的二值图像可采用其几何特性描述物体的特性，一般图像的描述方法采用二维形状描述，它有边界描述和区域描述两类方法。对于特殊的纹理图像可采用二维纹理特征描述。随着图像处理研究的深入发展，已经开始进行三维物体描述的研究，提出了体积描述、表面描述、广义圆柱体描述等方法。 (6) 图像分类（识别）属于模式识别的范畴，其主要内容是图像经过某些预处理（增强、复原、压缩）后，进行图像分割和特征提取，从而进行判决分类。图像分类常采用经典的模式识别方法，有统计模式分类和句法（结构）模式分类，近年来新发展起来的模糊模式识别和人工神经网络模式分类在图像识别中也越来越受到重视16。4.1.2 基本特点1、处理信息量很大数字图像处理的信息大多是二维信息，处理信息量很大。如一幅256256低分辨率黑白图像，要求约64kbit的数据量；对高分辨率彩色512512图像，则要求768kbit数据量；如果要处理30帧/秒的电视图像序列，则每秒要求500kbit22.5Mbit数据量。因此对计算机的计算速度、存储容量等要求较高。 2、占用频带较宽数字图像处理占用的频带较宽。与语言信息相比，占用的频带要大几个数量级。如电视图像的带宽约5.6MHz，而语音带宽仅为4kHz左右。所以在成像、传输、存储、处理、显示等各个环节的实现上，技术难度较大，成本亦高，这就对频带压缩技术提出了更高的要求。 3、各像素相关性大数字图像中各个像素是不独立的，其相关性大。在图像画面上，经常有很多像素有相同或接近的灰度。就电视画面而言，同一行中相邻两个像素或相邻两行间的像素，其相关系数可达0.9以上，而相邻两帧之间的相关性比帧内相关性一般说还要大些。因此，图像处理中信息压缩的潜力很大。 4、无法复现三维景物的全部几何信息由于图像是三维景物的二维投影，一幅图象本身不具备复现三维景物的全部几何信息的能力，很显然三维景物背后部分信息在二维图像画面上是反映不出来的。因此，要分析和理解三维景物必须作合适的假定或附加新的测量，例如双目图像或多视点图像。在理解三维景物时需要知识导引，这也是人工智能中正在致力解决的知识工程问题。 5、受人的因素影响较大数字图像处理后的图像一般是给人观察和评价的，因此受人的因素影响较大。由于人的视觉系统很复杂，受环境条件、视觉性能、人的情绪爱好以及知识状况影响很大，作为图像质量的评价还有待进一步深入的研究。另一方面，计算机视觉是模仿人的视觉，人的感知机理必然影响着计算机视觉的研究。例如，什么是感知的初始基元，基元是如何组成的，局部与全局感知的关系，优先敏感的结构、属性和时间特征等，这些都是心理学和神经心理学正在着力研究的课题17。4.2 数字图像预处理4.2.1 图像的灰度化4.2.1.1 灰度化处理的基本原理将彩色图像转化为灰度图像的过程称为图像的灰度化处理。彩色图像中每个像素的颜色由红（R）、绿（G）、蓝（B）三个分量决定，每个分量有255种取值，点可以有1600多万种颜色的变化范围，而灰度图像是红（R）、绿（G）、蓝（B）三个分量相同的一种特殊的彩色图像，其中一个像素点的变化范围为255种， 所以在数字图像处理中一般先将各种格式的图像转变为灰度图像，以使后续的图像处理的计算量变的少一些。具体可以有两种方法来实现：（1）求出每个像素点的红（R）、绿（G）、蓝（B）三个分量的平均值，然后将这个平