（机械电子工程专业论文）非规则形状工件表面参数的图像检测方法探讨.pdf

摘要 摘要 工件参数测量在工业生产 质量控制及产品在线检测等领域起着非常重要的作用 在企业生产发展和市场需求的作用下 工件检测技术也经历了从传统的接触式测量到非 接触式测量的发展 随着工件复杂程度的提高和工业生产的进步 现有的测量方法在测 量精度 测量效率及测量成本等方面的不足日益凸显 人们开始关注和研究新的测量理 论和新的测量技术 近年来 图像检测技术已发展成为测量领域的重要技术 具有广阔 的发展前景 特别是新型电荷耦合器件c c d 图像传感器的出现 使图像检测技术得到 了更广泛的应用 本课题针对非规则工件参数测量的迫切需求 应用c c d 图像传感器 数字图像处 理技术以及v i s u a lc 群2 0 0 5 开发软件等技术 设计了一个基于u s b 摄像头 结构简单 性价比较高的工件参数测量系统 本课题的研究是以图像处理和软件实现为重点 利用 高分辨率c c d 摄像头及v f w 技术实现了工件图像的实时捕捉 分析了常用的图像处理 算法 针对本系统的测量需要及光源等硬件特点 研究了具体的图像处理方案 应用功 能强大的c 稃语言及v i s u f ls t u d i o2 0 0 5 开发环境实现了系统的图像处理 并运用模式识 别和a u t o c a d 技术对创建工件三维表面模型的方法进行了探讨 本论文将从系统的硬件设计 c c d 摄像头 v f w 技术 图像分析方法 v i s u a lc 撑 2 0 0 5 开发软件实现等几个方面全面阐述测量系统的理论基础 设计方案及处理算法实现 过程 鉴于目前图像采集卡及摄像机价格较高 图像处理算法较复杂 测量设备不易于 移动等现状 本课题的研究探讨 在工业生产和产品质量控制等领域将具有较高的应用 价值 关键词 图像检测 c c i 传感器 参数测量 大连交通大学丁学硕士学位论文 a b s t r a c t w o r km e a s u r e m e n tp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei na r e a so fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n q u a l i t y c o n t r o la n dp r o d u c t l i n ee t c i nt h er o l eo ft h ee n t e r p r i s ed e v e l o p m e n ta n dm a r k e td e m a n d s w o r kd e t e c t i o nt e c h n o l o g yh a sa l s og o n e f r o mt h et r a d i t i o n a lc o n t a c tm e a s u r e m e n tt o n o n c o n t a c tm e a s u r e m e n to fd e v e l o p m e n t w i t ht h ei n c r e a s e dc o m p l e x i t yo ft h ew o r ka n dt h e p r o g r e s so fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n t h ei n a d e q u a t e i no fe x i s t i n gm e t h o dm e a s u r i n gh i g h l i g h t si n m e a s u r e m e n ta c c u r a c y s u r v e y i n ga n dm e a s u r i n gc o s te f f i c i e n c y p e o p l es t a r t e dt op a ya t t e n t i o nt oa n ds t u d yt h en e wm e a s u r e m e n tt h e o r ya n dt h en e w m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y i nr e c e n ty e a r s i m a g ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yh a s d e v e l o p e di n t oa n i m p o r t a n ta r e ao fm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y a n dh a sb r o a dp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n t i n p a r t i c u l a rt h en e wc h a r g e c o u p l e dd e v i c eo fac c di m a g es e n s o r i m a g ed e t e c t i o n t e c h n o l o g yh a sam o r ew i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s f o rt h eu r g e n tn e e d so fm e a s u r i n gp a r a m e t e r so ft h ew o r k t h ei s s u ea p p l i c a n t st h ec c d i m a g es e n s o r d 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 y a n dv i s u a lc 撑2 0 0 5t e c h n o l o g ye t c d e s i g n sas t r u c t u r es i m p l e c o s t e f f e c t i v em e a s u r e m e n ts y s t e mo ft h ew o r kb a s e do nt h eu s b c a m e r a t h ei s s u ei sf o c u s e do ni m a g e p r o c e s s i n g a n ds o f t w a r e a c h i e v i n g u s i n g l l i g h r e s o l u t i o nc c d c a m e r aa n dt h ev f w t e c h n o l o g y a c h i e v e sr e a l t i m ei m a g ec a p t u r eo f t h ew o r k a n a l y s i st h ep o p u l a ri m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m s f o rt h en e e d so ft h es y s t e ma n d c h a r a c t e r i s t i c so fh a r d w a r es u c ha sl i g h ts o u r c e r e s e a r c h e sas p e c i f i ci m a g ep r o c e s s i n g p r o g r a m m e r a p p l i c a t i o no ft h ep o w e r f u lc 撑l a n g u a g ea n dv i s u a ls t u d i o2 0 0 5d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n ta c h i e v e st h es y s t e m si m a g ep r o c e s s i n g a n dd i s c u s s e st h em e t h o dt oc r e a t e t h r e e d i m e n s i o n a ls u r f a c eo ft h ew o r km o d e lu s i n go fp a t t e mr e c o g n i t i o na n da u t o c a d t e c h n o l o g ya p p r o a c hw a s t h i sa r t i c l ed i s c u s s e sc o m p r e h e n s i v et h et h e o r yb a s i so ft h em e a s u r e m e n ts y s t e m d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m si nr e s p e c to ft h eh a r d w a r ed e s i g n c c dc a m e r a v f wt e c h n o l o g y i m a g ea n a l y s i sm e t h o d a n dv i s u a lc 撑2 0 0 5d e v e l o p m e n t s o f t w a r e i nv i e wo ft h ec u r r e n ts t a t u so ft h ep r i c e sh i g h e rf o rt h ei m a g ec a p t u r ec a r da n d c a m e r a c o m p l e xi m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m s d i f f i c u l tt om o b i l ee q u i p m e n t t h es t u d yo ft h i s s u b j e c tw i l lb eh i g h e rv a l u ei ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n dp r o d u c tq u a l i t yc o n t r o lo ro t h e r f i e l d s k 呵w o r d s i m a g ep r o c e s s i n g c c ds e n s o r s p a r a m e t e r sm e a s u r e m e n t l l 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留 使用学位论文的规定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整銮通太堂 本人保证毕业离校后 发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂 学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档 允许论文被查 阅和借阅 本人授权太整銮通太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所 中国学位论文全文数据库 等相关数据库 进行检索 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应遵守此规定 学位论文作者签名 嗖蚕 导师签名 髓 日期 汕心年 月4 日日期 加侈年厂月中日 学位论文作者毕业后去向 孳莜超戳人钆 工作单位 施罨衣盎舰碑学陟电话 i 弘踟 游 通讯地址 艄煳啤山区 铱敏嗨彩碜 邮编 li6p i 召 电子信箱 仅撕坊秒l 反钒 大连交通大学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 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外 论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果 也不包含为获得太整塞通太堂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 本人完全意识到本声明的法律效力 申请学位论文与资料若有不 实之处 由本人承担一切相关责任 学位论文作者签名 寸床 i 日期 善年6 月4 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 在工业领域 工件表面检测一直是很重要的研究部分 根据被测工件几何形状的复 杂程度 人们将工件测量问题分为箱体类工件测量和具有复杂形状与特殊特性的工件测 量 箱体类工件就是指那些由基本几何元素构成的工件 圆形 圆柱形 方体形等 对于此类工件的测量主要使用传统测量方法 如使用三坐标测量机 相对于箱体类工件 的就是具有某些数学定义的复杂曲面曲线构成的非规则工件 此类工件的测量主要靠专 用的测量设备来完成 如专用齿轮检测仪等i l j 但随着社会的进步和企业的发展 传统 测量方法在测量费用 检测效率及测量精度等方面的不足日益凸显 因此人们开始关注 和研究新的测量理论和新的测量技术 1 2 课题研究的背景 1 2 1 工件参数检测概述 工件参数检测在工业生产 工程开发及质量控制等领域起着重要的作用 为了满足 工业生产和市场需求以及人们对工件测量精度 效率和可靠性的更高要求 工件参数检 测方法也经历了几个发展阶段 总体上可以将工件表面参数的测量方法分接触式测量和 非接触式测量为两种 1 接触式测量方法 接触式测量是传统的测量方法 经过几十年的发展 形成了成熟的测量系统和机械 结构 准确性和可靠性也较高 但随着工业的发展和工件复杂程度的提高 接触式测量 的缺点和不足就越来越明显 特别是对于非规则工件和软性及弹性工件 使用接触式测 量 会因为测量力变形而造成很大的测量误差 另外 接触式测量需要与工件的被测面 直接接触 过大的接触压力以及不当的操作都会对被测工件的表面造成损伤 尤其是高 精度工件表面 这可以说是接触式测量最大的缺点 接触式测量需要采集很多的接触点 信息 而且机械设备笨重 算法复杂 从而严重影响测量效率 特别是测量大型工件时 非常耗时 虽然最近几年接触式测量在技术上有了很大的改进 但是仍无法摆脱传统测 量习惯和测量技术的限制 也没能从根本上解决接触式测量仪机械结构复杂 测量效率 低和测量精度低的不足 2 1 接触式测量仪的典型代表是三坐标测量机 c m m 出现于上世纪6 0 年代 主要 用于测量箱体类工件 其测量原理是将被测物体置于三坐标测量空间 获得被测物体上 大连交通大学工学硕七学位论文 各测点的坐标位置 根据这些点的空间坐标值 计算求出被测物体的几何尺寸 形状和 位置 最早的三坐标测量机是1 9 6 0 年由英国f e r r a n t i 公司研制成功 经过几十年的 发展 现代三坐标测量机可以完成复杂的测量 可以实现加工控制 可以实现反求工程 2 但由于测量机的机械结构复杂 对工作环境要求很高 必须防震 防灰 恒温等 使 其应用范围受到一些限制 2 非接触式测量 非接触式测量是以光电 电磁等技术为基础 在不接触被测物体表面的情况下 得 到物体表面参数信息的测量方法 随着光电技术 微电子技术的发展及c c d 图像传感 器 数字投影仪等新型器件的出现 非接触式测量得到了迅猛发展 在很多领域都有广 泛的应用 充分运用了光 机 电一体化技术的非接触式测量方法 以其较高的分辨率 和测量精度 较广的测量范围 快速的实时处理能力等优点成为计测领域的热门课题 当今产业界对产品小型高精度化的不断追求使得人们对产品制造精度 产品质量管理的 要求不断提高 同时由于社会经济的发展和科技的进步 市场对产品开发的速度提出了 更高要求 这就促使了高效率测量技术的发展 与传统的接触式测量技术的种种缺点和 不足相比较 非接触式测量速度快 检测效率高 可减轻对工件的损伤 同时企业也需 要易于操作的非接触式测量技术 来满足市场不断提高的对测量精度和设备简单而易于 移动的需求 综合国内外的有关文献资料报道 现有的非接触式测量方法可以归纳为两类 工业 计算机断层扫描成像技术和深度信息获取技术 其中深度信息获取技术主要是光学测量 技术 这种测量技术根据光源的不同可以分为主动式和被动式 前者是利用特别光源所 提供的结构信息来获取被测物体表面的深度信息 后者是在自然光条件下来完成对被测 物体表面参数的测量 由于测距精度高 抗干扰性能好及实时性强的特点 使得主动法 的应用非常广泛 3 目前基于主动式技术的测量方法主要有 激光扫描法 几何光学聚 焦法 立体视差法 结构光测量法等 下面具体介绍一下几种非接触式测量方法 工业计算机断层扫描成像技术 工业计算机断层扫描成像技术 i n d u s t r i a lc o m p u t e rt o m o g r a p h y 是基于核物理学中 的朗伯定理和数学中雷当投影定理而发展起来的一种集核 机 光 计 电 数学等多 学科于一体的高精技术 基本思想是用能量波 x 射线 y 射线 中子 正电子等 照射物 体上的一系列截面 根据朗伯定律 当能量波穿过任何物质时其能量会因与原子相互作 用而减弱 减弱的程度与物质的厚度和组成有关 因此当被测物体不是一个均匀体时 就可以用吸收系数来反映被测截面的内部结构信息 通过由能量源和检测器所构成的扫 描系统的测量 得出吸收系数 再经计算机图像处理就可重建出被测截面无失真的图像 第一章绪论 该技术的优点是不仅能测量物体的表面形状 而且能非破坏性地测出物体的内部情 况 但它也存在不足 获得数据需要较长的时间 重建图像的计算量大 被测物体较大 时 需要较大设备和测试空间i j 激光扫描法 由于光源特点和性质的不同 激光扫描法可分为 点式激光扫描 线状激光扫描 条 带光源 和区域式激光扫描 面光源 激光扫描的速度非常快 但扫描精度受测试件的材 料及表面特性影响 例如光泽的镜面 暗而无光的表面 透明或半透明的材料都难以进 行测量 另外激光扫描系统的价格昂贵 2 几何光学聚焦法 光学聚焦法是通过薄透镜将点光源的焦点保持在被测物体表面 依据高斯薄透镜定 理 在经过计算分析获得光学中心与被测物表面的距离 这种将聚焦点作为距离信息的 测量方法具有计算简单的特点 测量效率高 但对于可动零件 会存在机械运动误差 测量精度受限制 对复杂零件测量不稳定等缺点 并且对灰度平坦的区域测距精度不高 立体视差法 由于人类的左 右两只眼睛与观察物的成角略有差异 能形成两个稍微不同的影像 经过大脑的分析综合 最后形成具有长 宽 高的立体像 所以人类视觉是立体的 立 体视差法就是根据人眼的立体视觉效应 用两台摄像机从两个不同的角度同步摄取被测 物 然后通过物体的二维平面照片重构出其三维图像 实际中使用c c d 图像传感器来 摄取被测物的图像信息 运用解析几何原理 用立体测图仪对所得的图像进行三维分析 这种方法具有信息处理速度高和图像分辨率高的特点 而且成本较低 但由于测量系统 不是共轴光学系统 不适用于有振动的现场测量和回转件的测量 结构光测量法 在部分文献资料中 结构光测量法又被称为主动三角测量法 它与立体视差法的基 本原理相似 是将其中的一个的摄像机用具有一定特性的光源即结构光来代替 再根据 光源和成像系统的三角几何信息测量物体表面参数 主要的结构光类型有点光源 线光 源和平行光条等 其中莫尔云纹法就是结构化光测法 所谓莫尔云纹就是由两组相互重 叠的栅线 在光干涉下的产生明暗相间的条纹 它的结构光主要有单条光栅和密栅两种 形式 其中密栅云纹法又包括面外云纹法和投影栅相位法 是近年来的研究热点之一 这种方法的基本思想是 让光线通过一个光栅投射到被测物体表面 受被测物体形状表 面调制后的反射光回到光栅处与新的发射光产生干涉 形成由两块具有高空间频率的规 则光栅相互重叠而产生的低 高空间频率的干涉条纹 根据对被测表面的变形光栅像解 调方法的不同 目前也有不同的莫尔云纹处理方法 如等高线法 景象法 扫描法和付 大连交通大学工学硕十学位论文 立叶变换轮廓术等 莫尔云纹法已广泛应用于许多方面 包括产品质量检验 形面变形 测量等 具有广阔的应用前景 但它也受限于被测表面的斜率 2 3 由于接触式测量方法本身存在无法克服的缺点 非接触式测量就成为人们进行工件 表面测量的重要方法 早在上世纪8 0 年代 非接触式测量便开始了快速发展 在美国 制造业中有了广泛的应用 大量的研究人员进行了全面的研究工作 在理论创新和实现 手段等方面取得了丰硕的成果 上世纪9 0 年代中期开始 随着计算机视觉技术和光电 技术的快速发展 非接触式测量有了关键性的进步 利用计算机图像 信息处理等技术 实现了对物体的几何尺寸和位置的测量 对产品生产过程中的质量问题进行监控 分析 等 光学干涉法 三角测量法 光学投影法等基于光电子学的非接触测量方法相继出现 特别是光电耦合器件 c c d 的出现 使得工件几何参数测量的安全性 可靠性及自动 化程度有了很大的提高 目前 人们利用非接触式测量方法特别是光学测量法 实现了 对工件进行平面内的二维表面信息测量 工件表面的三维形貌重构 利用边缘检测法 获取工件不同精度的边缘信息 利用逆向工程技术对工件样品进行三维几何重构 应用 到产品设计开发及生产中 很多的科研工作者都在工件检测方面取得了一定的成果 工件表面检测技术已经在工业生产 质量控制中做出了很大的贡献 也有了很大的 进步 但现有的检测方法在测量精度 测量效率以及测量设备的改进等方面还有很大的 发展空间 未来的工件表面检测技术将会朝着较高精度 较高效率以及便携式设备的方 向发展 同时较复杂工件的测量也将是检测技术研究的重点 工件表面检测技术的发展 趋势主要体现在下列几个方面 1 动态实时测量 近年来 随着工业生产领域对提高产品测量精度和质量 提高生产效率和降低生产 成本的需求 生产控制 工程开发和质量在线检测等方面对光学动态实时三维测量的要 求越来越高 迫切需要高速度 高精度及设备简易的光学非接触测量系统出现 以实现 工件三维坐标及表面形貌的实时显示和测量 2 对透明无反射及具有定向反射工件表面的测量 在众多的规则和非规则工件中 有部分工件具有定向反射或者透明无反射的特殊表 面 对这些工件的表面参数检测一直是测量领域的难题 近年来 人们对这些方面的问 题进行了大量的研究 到目前为止 定向反射工件表面的测量主要采取在被测表面涂上 粉末或者喷漆的方法 但是测量效果并不理想 不但降低了系统的测量效率 对系统的 测量精度也有很大的影响 而对于透明无反射表面的特殊工件 其测量方案急待解决 3 自适应三维测量仪 4 第一章绪论 在工件表面三维测量系统中 投影光源对测量系统的精度 图像质量及计算复杂度 等都起着不容忽视的作用 特别是对应用于光学干涉 三角测量及光学投影测量系统中 的光栅投影仪 光纤干涉仪等仪器 人们需要开发出能根据工件的几何形状及测量需要 自动调节投影 具有良好自适应性的投影仪器 4 提高数字图像处理技术 对于以图像处理技术为基础的工件表面参数测量系统 其系统测量精度和测量效率 的高低 很大程度上依赖于图像处理技术的提高和算法的复杂程度 所以 对于光学非 接触测量系统来说 提高测量系统精度和测量效率的主要途径是提高图像处理技术 而 且能有效降低图像质量对测量系统产生的影响 1 2 2 图像检测技术的优势 物体的客观存在经过视觉系统就形成了图像 可以说 物体7 5 的信息都可以通过 图像反映出来 图像也是人类获取外界信息的主要来源 由于图像包含着物体丰富而真 实的信息 把图像作为检测对象是反映物体本身性质的最佳途径 以图像为处理对象发 展起来的图像处理技术 是图像检测的理论基础 随着计算机的出现 数字图像处理也 应运而生 图像检测技术开始逐渐的被人们所关注 近年来 计算机飞速发展 计算机 的运算速度大大提高 使得图像处理速度大大提高 促使了数字图像处理技术的飞速发 展 图像检测技术也发展成测量领域的一个重要方向 图像检测技术具有广泛的理论基础 它是以现代光学为基础 集合了光电技术 数 字图像处理 信息处理及计算机视觉等科学技术 另外 离散数学 神经网络 c c d 技术 嵌入式等科学的发展促使着图像检测技术成为以一种新的研究趋势 并且在很多 领域的应用中都形成了成熟的技术 图像检测系统中 应用光学系统采集图像 使用多种图像处理方法提高图像的质量 使系统具有较高的测量精度 图像检测的方式多种多样 是典型的非接触式测量 与测 量对象物无接触 是一种无损检测 安全可靠 对人眼无法分辨的物理量 或在遮盖 隐藏及恶劣环境等情况下 工件的状态检测和测量只能采用图像检测方法 图像检测技 术具有较高的自动化程度 能极大的减少处理的时间和过程 有利于在线检测 7 1 图像检测技术以其独特的优势 广泛的应用于工业生产领域的工件几何参数测量 产品质量在线监测 复杂非规则工件的检测及工业设计中 具有广阔的发展和应用前景 1 3 课题研究的目的和意义 图像检测技术已成为测量领域研究的重要技术 自上世纪七十年代c c d 半导体光 电器件的出现以及八十年代计算机视觉技术的进步 使得图像检测技术飞速发展 在很 大连交通大学工学硕十学位论文 多领域中都有了广泛的应用 由于图像检测技术本身具有多种优势 也成为了工件几何 尺寸测量及表面检测的重要手段 因此课题具有重要的研究价值 本课题是对非规则工 件表面参数的图像检测方法进行探讨 主要的目的应用c c d 图像传感器开发出一个结 构简单 易于操作的工件表面参数测量系统 经过图像处理实现工件的参数测量 通过 对本课题的探讨 一方面期望为非规则工件的测量找到一种有效的图像检测方法 满足 产业界对高精度 快速 高效率测量方法的需求 另一方面期望能丰富图像检测技术领 域的理论内容 为相关课题的研究提供理论和技术依据 促进相关科学技术的进步 1 4 论文的主要内容 本论文的研究工作是设计开发一个结构简单 易于操作的图像检测系统用于非规则 工件表面参数进行测量 主要完成的工作有 设计系统的软硬件测量方案 应用c c d 摄像头和计算机完成图像的实时捕捉 应用图像处理技术和v i s u a lc 捍开发软件对图像进 行处理 研究工件表面三维模型的创建 重点完成的工作是 运用视频捕捉技术实现工 件图像的实时捕捉 用v i s u a lc 撑开发软件完成图像处理和工件图像的边缘提取 论文共 分为六章 主要内容和结构如下 第一章 绪论 详细介绍了课题的背景 包括工件参数检测的概述和图像检测技术 的优势 说明了课题研究的目的和意义 并介绍了论文的各个章节的内容和结构安排 第二章 图像检测系统的设计方案 介绍了系统的总体设计方案 包括系统的硬件 构成及图像处理技术理论 最后介绍了模式识别和a u t o c a d 技术 为创建工件的三维 表面模型提供了一个方法 第三章 系统的图像采集和存储 详细介绍了系统的图像采集和存储 主要介绍的 内容是如何实现系统图像捕捉以及系统图像文件的存储格式 第四章 系统中的图像处理研究 本章中详细介绍了系统对工件进行图像处理的相 关内容 包括图像质量处理和边缘检测 说明了各部分图像处理的目的和实现算法 第五章 系统软件设计及实现 本章详细介绍了系统的软件设计和实现过程 重点 说明了系统使用的v i s u a lc 撑2 0 0 5 开发环境 然后介绍了系统软件运行实例 本章小结 本章从工件参数检测方法 研究现状和发展趋势及图像检测技术的优势等方面详细 介绍了课题研究的背景 然后介绍了课题研究的目的和意义 最后介绍了论文各个章节 的内容和结构安排 6 第二章图像检测系统的设计方案 第二章图像检测系统的设计方案 2 1 总体设计方案 要对工件几何参数进行非接触测量 可以应用的光学测试方法有很多种 例如 光 衍射法 莫尔云纹法 光干涉法 光投影法等 上述测量方法的实现 一般都需要一套 完整的数字图像测量系统 是一个非常复杂的系统 它通常包括精密的三维测量工作台 工件精确回转台 光学成像系统 光源 摄像机 图像采集卡 计算机及相应的处理软 件等等 并且在实际的工业控制 质量监测应用中 实现这样的系统一般需要昂贵精密 的设备和熟练的专门技术人员 在本课题的研究中 要使用这样的一套系统是不太适合 的 经过多方面综合考虑 根据现有的实验条件和工作环境 本课题应用光电成像技术 基于c c d 摄像头构成了一个结构简单 性价比高的数字图像测量系统 系统的原理框 图如图2 1 所示 图2 1 测量系统原理框图 f i g 2 1m e a s u r e m e n ts y s t e mp r i n c i p l ed i a g r a m 应用上述的测量系统 课题的主要实现过程是 用c c d 摄像头对被测工件进行拍 摄 通过u s b 接口与计算机相连 将图像传送到计算机 编写视频捕捉程序将图像实 时捕捉并在计算机上存储显示 应用图像处理技术对捕捉到的图像进行处理 图像处理 软件的实现应用了v i s u a lc j f 2 0 0 5 开发工具 用c 稃语言编写图像处理程序 再进行模 式识别 提取特征量 并生成a u t o c a d 脚本文件 最后用a u t o c a d 工具绘制出三维表 面模型 图像检测系统的设计方案包括了系统硬件构成 图像实时捕捉 数字图像处理 模 式识别及应用a u t o c a d 技术 2 2 系统硬件构成 系统的硬件主要由c c d 摄像头 光源和计算机构成 其组成结构框图如图2 2 所 示 7 大连交通大学工学硕士学位论文 图2 2 测量系统组成框图 f i g 2 2m e a s u r e m e n ts y s t e mc o m p o s i t i o nd i a g r a m 上述测量系统中 c c d 摄像头用于对被测工件图像的采集 图像由u s b 接口传输 到计算机 光源安装在摄像头的前端 照射被测工件 为图像采集提供合适的光照条件 c c d 摄像头与光源垂直固定在放置工件的平台的上方 测量过程中 将被测工件定位 于平台上 调整光源的亮度使其对被测工件进行合适的光照 成像于c c d 摄像头靶面 的被测工件图像信息就通过u s b 接口送到计算机 捕捉到图像信息并以b m p 文件格式 存储在计算机中以便进行后续处理 可以同时观看计算机的显示 获取最佳的工件成像 质量 系统中没有使用光学变倍镜头用于对被测物体图像进行光学聚焦 因此所得到图像 在清晰度和质量上会存在不足 不但会影响图像的分析处理 对测量精度也会产生一定 的影响 这个问题 系统的软件设计给出了解决 在图像预处理过程中对图像质量和清 晰度进行了很好的处理 这也是系统设计追求设备简易化的体现 2 3c c d 摄像头 由于c c d 摄像头具有成像质量好 图像细节丰富 色彩还原度好 曝光准确等优 点 系统中采用了c c d 摄像头作为系统的主要硬件设备 用来获取工件表面的图像信 息 并将获取的图像以数字信号形式传输到计算机进行处理 从而避免了像使用图像视 频采集卡那样先采集模拟图像 再通过模数转换将信息转换为数字信号 才完成图像到 计算机的传输 并且 与昂贵的专用图像采集卡相比 这种由c c d 摄像头和u s b 接口 组成的图像采集系统成本较低 目前 c c d 摄像头被广泛的应用于视频传输和网络视 频等 也用来捕捉静态图像 8 第二章图像检测系统的设计方案 2 3 1 摄像头概述 数码摄像头又被称为电眼 是一种数字视频输入设备 主要由镜头 感光元件 模 数转换器 处理芯片 存储器和接口组成 它的基本原理是利用了光电技术 应用图像 传感器把光信号转化为电信号 即是将图像像素用点电流表示 再将这些点电流通过内 部电路转换成数字信号o 和1 最后通过接口将数字信号传输到计算机 这样计算机就 可以直接对图像进行处理 7 j 数码摄像头的感光元件即图像传感器 是摄像头的重要组成部分 目前 图像传感 器可根据不同元件分为c c d 传感器 电荷耦合器件 和c m o s 传感器 金属氧化物半 导体器件 对两者进行比较 各具有优缺点 c m o s 主要是制造成本低 具有较低的 功耗 但成像质量较差 并对光源具有依赖性 所以多用于对影像质量要求较低的场合 由于c c d 传感器在灵敏度 分辨率及噪声控制等方面要优于c m o s 传感器 所以c c d 传感器多应用于对图像质量要求较高的高端技术摄像方面 在摄像头的成像过程中 光 线在图像传感器与镜头的共同作用下被转换为数字信号 因此感光元件的性能是影响摄 像头成像质量的重要因素 经常用传感器像素作为衡量摄像头优劣的重要指标 传感器 像素越高 摄像头的图像品质就越好 但为了得到较高的分辨率 获得的图像文件的数 据量也较大 另外传感器的尺寸在摄像中也起着重要的作用 在分辨率相同的情况下 选择尺寸较大的元件 能获得较高质量的图像 目前 c c d 元件的尺寸多为1 3 英寸或 者1 4 英寸 数码摄像头要通过接口与电脑或者其它设备相连 用于传输数字信号 一般来说 摄像头接口有u s b 接口 并口和接口卡三种类型 由于数码摄像头诞生于w i n d o w s 9 8 之后 当时u s b 接口技术已经比较完善 所以u s b 接口方式是摄像头与电脑或其它设 备的主要连接方式 目前 除了极个别型号使用并行接口外 几乎所有的摄像头产品都 采用了u s b 接口 u s b 接口提供的电源可以使目前低功耗的摄像头进行工作 从而省 去外接电源 使摄像头的硬件安装比较方便 另外 由于u s b 接口的数据传输速度较 高 因此它满足了目前高像素数码摄像头的应用 保证了高质量图像的传输 特别是动 态影像的流畅播映 评判数码摄像头优劣的指标除了上述提到的传感器像素和元件尺寸外 还有摄像头 的视频捕获速度 当摄像头需要捕获的图像分辨率较高时 对于动态影像就会产生跳动 现象 目前摄像头的视频捕获都是通过软件来实现 要求电脑c p u 的处理能力要足够 快 因此要在软 硬件结合的情况下 选择具有合理视频捕获能力的摄像头 从而达到 图像处理所需要的效果 随着电子产品的发展 具有高像素 高质量图像传感器及高传 输速度的摄像头将会是未来市场的主要需求 9 大连交通大学丁学硕 学位论文 2 3 2c c d 图像传感器 c c d 是c h a r g ec o u p l e dd e v i c e 电荷耦合器件 的缩写 上世纪七十年代诞生于贝尔 实验室 并随着半导体微电子技术的发展而发展 它是一种以电荷为信号载体的图像传 感器 由阵列式排列在衬底上的m o s 电容器组成 具有光生电荷 信号电荷存储及转 移电荷的功能 c c d 的电荷注入主要有光信号注入和电信号注入两种方法 在非接触 测量中 光注入有比较广泛的应用 对于光注入 当光照射到c c d 的半导体表面时 栅极附近的半导体将产生电子 空穴对 在栅极电压作用下 空穴被排斥进入衬底 而 电子被收集在电极下的势阱中 形成信号电荷存储起来 存贮电荷即光注入电荷q 的多 少与入射光源的光子流速率 n 光照时间t c 以及半导体表面面积a 成正比f 8 c c d 图像传感器具有动态范围大 灵敏度高 光谱响应宽 抗强光 寿命长 噪 声低及便于与计算机或其他数字化设备连接等诸多特点 所以发明几十年来以惊人的速 度发展 在图像传感 非接触测量和实时监控等工业测控领域有非常广泛的应用 选择c c d 摄像头主要考虑分辨率和像素两个要素 选择了型号为明月m 1 s 的c c d 摄像头 主要参数 图像像素是6 4 0 x 4 8 0 宽 高 水平分辨率为4 8 0 线 2 4 光源 系统中所用的c c d 传感器是将光信号转化为电信号 从c c d 器件输出的电流信号 与光强度有很大的关系 因此要使传感器靶面获得足够的照度并且光照分布均匀 光源 作为光电测量系统的一部分起着非常重要的作用 光源就是将光线以合适的方式照射到 被测物体表面 以突出物体被测表面的特征 也为传感器提供足够的光能量 所以一个 合适的光源照明系统能改善测量系统的分辨率 能简化图像处理过程 还能提高软件运 算速度 2 4 1 光源的分类 人们把发光的物体叫做光源 在物理学上 光源指能发出一定波长范围电磁波的物 体称 电磁波既包括可见光也包括紫外线 红外线和x 光线等不可见光 通常 光源可 分为自然光源和人工光源两大类 1 自然光源 在自然过程中产生光辐射的辐射源称为自然光源 各种天体包括太阳 恒星等都是 自然光源 自然光源是客观存在的 其强度和光谱特性随地理位置 气候 季节 时间 的变化而变化 太阳是最重要的自然光源 地球也是一种重要的自然光源 在光学仪器 1 0 第二章图像检测系统的设计方案 中 有时用自然光作为光源 但是由于使用要求与使用条件的限制 在计量仪器中使用 较少 因此在本测量系统中不采用自然光源作为照明光源 需要选择合适的人工光源 2 人工光源 人工光源是人们根据不同场合的需要而设计的光源 在测量系统中使用能获得良好 而稳定的观测条件 人工光源可分成白炽灯 气体放电 固态光源三大类 经常用到的 光源有卤素灯 荧光灯 氙灯及电致发光管等 但随着l e d 发光二极管 技术的发 展 l e d 光源作为一种新型的绿色光源产品 成为照明领域的未来发展趋势 l e d 灯 具有高节能 利环保 寿命长 体积小及高新尖等优点 被广泛的应用于显示 照明 背光源 投影和夜景等领域 近年来 很多国家开始大力发展l e d 技术 美国从2 0 0 0 年起投资5 亿美元实施 国家半导体照明计划 2 0 0 0 年7 月欧盟丌始宣布启动 彩 虹计划 2 0 0 3 年6 月在 8 6 3 计划的支持下 我国科技部也提出了发展半导体照明 计划 为了实现对不同特征目标的检测 不同的照明方式有 正面均匀照明 正面暗场照 明 背面透射照明 紫外光 红外光等 平行光是测量系统中普遍使用的光照方式 获 得平行光的照明方法主要有临界照明和柯拉照明两种 2 4 2 光源选取 一般来说 c c d 元件多应用于摄像系统和检测系统 应用系统不同对光源的要求 也不同 摄像系统是为了再现物体的状态 结构和颜色 它的光源应选择日光或近似日 光的照明系统 而检测系统是为了测量被测物体表面的几何特征参数 它的光源就应该 根据系统测量的特征参数的不同而选择合适的光源 该系统用于测量工件表面参数 需 要对工件的表面形貌进行三维模型构建 选择了平行光光源来照射被测工件成像 当c c d 元件选定时 图像的曝光量就会有一个范围 否则会产生过曝或曝光不足 现象 从而影响图像质量 产生测量误差 光源是与c c d 摄像头配套使用的 曝光量 也与光照强度和曝光时间有关 通常曝光时间可以设为定值 因此对于选定的c c d 摄 像头 就要调节光源的光照度来得到合适的曝光量 光源的选取过程中 结合被测工件的大小 形状 表面特性考虑了很多因素 例如 光照强度 方向 光源大小和形状等 避免由于阴影 曝光不合适及光线不均匀等原因 造成的系统测量误差 本系统选用亮度可调的环形l e d 光源 并将光源放置在c c d 摄 像头的前端 经过试验证明此光源能满足系统的需要 大连交通大学工学硕士学位论文 2 5 数字图像处理技术 数字图像处理技术起源于2 0 世纪2 0 年代 是通过海底电缆将第一幅数字图像采用 数字压缩技术从英国伦敦传输到了美国的纽约 随后 电子技术的发展 特别是遥感领 域的应用 使数字图像处理技术得到了相应的发展 2 0 世纪5 0 年代 数字计算机技术 不断提高 人们开始使用计算机处理图像 由此数字图像处理开始快速的发展并得到了 普遍的应用 随着计算机的飞速发展 计算机的运算速度大大提高 这大大促进了数字图像处理 技术的发展 另外 数学形态学 混沌理论等数学理论基础的引入 也使数字图像处理 技术的理论更加丰富 数字图像处理技术己广泛的应用到了很多的领域 而社会的进步 与发展也使更多的领域开始应用到这种技术 并且各个领域也对数字图像处理技术提出 了更高的要求 数字图像处理的发展通常受到3 个方面因素的影响 计算机的发展 数 学的进步 广泛的工业 科技 军事等应用领域 系统应用数字图像处理技术对计算机通过c c d 摄像头获取的图像进行处理 2 5 1 数字图像处理基础 人类通过视觉系统获取物体的信息并在大脑中形成印象或认识 就形成了图像 对 图像进行处理 就是对所形成的图像进行加工以获取应用所需求的信息 图像处理的手 段也随着科技的发展日益进步 从最初的光学方法发展到后来的电子学方法 数字图像处理系统主要有四个部件 图形数字化仪 处理图像的计算机 输出设备 和大容量存储器 由于计算机只能处理数字图像 所以图像并不能直接由计算机进行处 理 就需要图形数字化仪将图像转化为数字形式 计算机是图像处理系统的核心部分 其硬件配置取决于用户的需求 也决定了处理系统的效率 输出设备要将处理前后的图 像显示出来或将处理数据保存 对图像进行处理的前提是图像的存储 图像在计算机中以像素为单位存储 像素也 叫图像元素 是物理图像上划分出的小区域 每个像素位置的数值反映了物理图像上对 应的亮度 图像的数字化过程 就是在每个像素位置 将图像的亮度采样和量化 从而 得到图像对应点上表示其明暗程度的一个整数值 最后以整数矩阵的形式表示图像 这 个数字矩阵就是计算机处理的对象 数字图像是由像素组成的二维矩阵 对于单色级灰 度图像而言 每个像素的亮度用一个数值来表示 通常数值范围在0 2 5 5 之间 即可用 一个字节来表示 0 表示黑 2 5 5 表示白 而其他的表示灰度 数字图像处理的主要研究内容有图像获取 图像分析处理及图像识别等 1 2 第二章图像检测系统的设计方案 图像获取就是图像的数字化过程 也就是将图像采集到计算机的过程 它主要是把 模拟图像信号转化为计算机所能接受的数字形式 目前 图像的数字化设备可分为两类 一类是基于图像采集卡或者图像卡将模拟制式的图像信号采集到计算机 另一类是c c d 摄像机本身带有数字化部件直接将数字图像通过端口或标准设备传送到计算机 图像卡 是目前专业中常用的图像数字化设备 有高端的图像卡是集采集和处理于一身的非标准 配件 用于开发高速或实时处理 有一种多媒体视频采集卡主要用于视频会议等 还有 一种压缩卡主要用于v c d 制作 近年来 c c d 摄像机技术迅猛发展 以其高分辨率 使用方便的特点 受到了更多研究者的关注 图像分析处理是核心的环节 在研究图像时 要对获得的图像信息进行预处理 包 括去于扰 噪声 做几何 彩色校正等 这样可提高信噪比 由于目前的图像获取过程 中大多用到了光学成像系统 会造成图像的畸变或者图像质量问题 所以在图像处理中 要进行图像的还原或增强 增强的作用在于提供一个满足一定要求的图像 为了便于处 理过程中图像在计算机内的存储和传输 要对较大的图像信息进行压缩和编码 图像进 行分割就是进行定位和分离 为了从图像中找到需要识别的东西 总的来说 图像增强 图像