4213大长径比轴类零件视觉测量平台设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】
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4213大长径比轴类零件视觉测量平台设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】,长径,零件,视觉,测量,丈量,平台,设计,机械,毕业设计,全套,资料,已经,通过,答辩
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南京 工程学院 毕业设计 (论文 )外文资料翻译 原 文 题 目: of in 原 文 来 源: 2009, 2(2): 614 学 生 姓 名: 黄小飞 学 号 : 201080418 所在院 (系 )部 : 机械工程学院 专 业 名 称 : 机械电子工程 1 在图像中基于 伪极 坐标的 大尺度变换 、 旋转 和 平移 的 估算 鲁大学数学系 特拉维夫大学计算机系 以色列理工学院 美国纽黑文 以色列 特拉维夫 以色列海法 摘要 相关的图像配准中的主要挑战之一是没有先验知识的大型运动估计。本文提出了一种基于傅里叶的方法,估算大型的平移,缩放和旋转运动。该算法利用图像转换伪极性变换极性和极性记录傅立叶实现重大的改进的近似值。因此,旋转和尺度变化,减少使用相位相关估计的 变换 。我们利用伪极网格增加 配准 算法的性能(精度,速度快,稳定性)。最多可 放大 为 4,可以任意旋转角度强劲恢复,相比 于 目前国家最先进的算法 的 恢复的最大尺度为 2。该算法利用的只是 1D 整体复杂度明显比以 前的 配准算法 高。实验结果表明,这 个 算法的适用性。 1 引言 图像配准 在 许多图像 和 视频增强处理应用中起着重要作用,仅举几例如视频压缩 和 景物表示 等等 。使用不同的计算技术,如像素域梯度法,相关技术和离散傅立叶( 算法 对 这个问题进行了分析。 用 梯度法 表示 图像 的 算法被认为是国家最先进的。 只有通过一个适度的运动使这 两个图像是错位 ,这种算法才 可能会失败。基于能够估计比较大的 平移 ,缩放和旋转 变换的傅立叶经常像引导方法被用于更加精确的梯度法 。基于 傅立叶 计划有关的基本概念是转移 特性 的傅立叶变换,它允许使用归一化 的 相位相关算 法转化的稳健估计。因此, 为了 考虑到旋转和缩放,图像转化成极性或 对数 极性傅立叶网格(简称 傅立叶 换)。在这些方法中旋转和缩放被很少用于图像变换中,可以通过相互关联的分阶段的估计得到。在 本文 我们 提出了 通过 使用伪极( 重复的 估计极性和 对数 极性 此产生的算法,能够有力 配准 任意角度的图像旋转,并 且最大可以放 大到 4 倍。应当指出的是它的最大规模的因素恢复分别为 别是,该算法不会导致在空间域 的 傅立叶域插值。只有 1D 算使用,使得它 运算 更快,特别适合实时应用。 这篇文章 的 其余部分 结构 如下:此前有关基于图像配准的结果在第 2,在第 3 节之前基于 图像配准的结果。实验结果在第 4 节进行了讨论,最后的结论是在第 5 节 。 2 2 前相关工作 换估算 傅立叶基于运动估算的基础上的,是 旋转特性 的傅立叶变换,表示由 ),(),(yx ( 1) 傅里叶变换的,然后 , ef , ( 2) 公式( 2)可用于图像的 平移 的估算,假设图像 X, Y)和 X, Y)一些重叠, , 21 ( 3) 方程( 3)是傅里叶变换,使 e 2,1 ( 4) 和 ,12( 5) 因此,转换参数( , )可以在空间域的 取逆 计: o r r , 1 ( 6) 和通过相关函数 x, y)来寻找最大值的位置 o r m ax,ar g.( 7) 为了补偿可能误差强度式 5 改写为: o rr ,2,1,2),(1,( 8) 其中的“ *”表示复共轭。 性傅立叶表示 3 极性傅立叶表示(傅立叶 用来描述由于平移、旋转、缩放而不重合了德图像,使被平移、旋转、缩放到图像 000021 c o ss i n,s i nc o s, ( 9) 这里 ,的和 , 是回转角、比例因子和平移参数。公式 9 的 02 ,11,2 eI 10) 因此, 1I 和 2I 的大小 1M 和 2M 分别都与周围的 量的旋转缩放有关。 02122 ,1, ( 11) 因此,旋转和尺度变化可以先恢复,不考虑平移参数。使用极性或对数极性转和缩放减少到平移,它可以使用相位相关程序稳健恢复,用公式 11估计出由 11因素中的含糊之处的旋转角度 在旋转角度的估计结果。这种模糊性的方法可以采用两种假设解决和 +和恢复平移运动( , )和相关峰的各个设定。 旋转假设与平移值,这是最高的相关尖峰值,是选择的结果 。 拟极性 种配准算法是基于伪极性快速,准确和可逆离散( 存在。评估频率过采样的非均布点的角度,我们称之为伪极( 虚极网格。此网格如图 括快速向前和逆变换和 系。这种方法的特别之处在于,它涉及到只有 1 - D 均布的 别是,它没有必要重新网格化或插补。该网格类似于极网格,同时具有快速,准确的运算方案。 图 1: 它上面的网格 被认为是伪极 网格。该网格类似于极地网格。 3、 建议的配准算法 4 本节介绍了拟议的图像配准算法,分别在极性和对数极性域,使用虚极 少旋转、缩放来转化。 转和平移的同步估计 转、缩放和平移的同步估计 4、 试验结果 这种配准算法被用来测试 128机场和飞机照片,这些照片被旋转、缩放和变换的得到了两组图像,类似于 11, 15如图 2 和 3 所示。这些图片通过旋转、平移和缩放等运算方式进行配准分别展现在 和 。结果通过使用估计的运动参数叠加其他图像的边缘生动形象的表现了出来,同时与之相应的数字结果被呈现在表 1 和表 2 中。变换通过使用相位相关算法进行估计,但是它的精度相对于整体平移值是有限的这个我们是在 讨论的。我们注意到这个实验的整体缩放比例因子对于这种算法的意义不是特别重要的,待会我们将要讨论的是这种算法在它的动态范围内能够配准任何 缩放因素。 表 1 和图 2 提出机场形象的配准结果,其中包含人为对象锋利的边缘和平滑区域包围的特点。该算法能够有力地配准在图 2a 中有一个为 2 的比例因子和大型旋转 100 的图像。这个试验通过重复的测试不同的旋转的角度得到了一个相似而准确的配准。图 2b 和图 2c 中呈现了这样一个情况:在大旋转角的情况下部分排成了直线。由于 重要性在于他的周期图,这种配准算法能够配准这些图片,因此它是一个图像的功率谱的近似值。这些统计性质是不变的部分对齐时,非相应的图像部分也有类似的统计特性。稳定性的属性在图 2c 中得到验证,图片中明显的噪声被添加到其中,并使用旋转和旋转 /缩放控制图形配准得到配准模型。在两种情况下,变换被以后估计。当用于旋转模式时我们可以在有噪声和无噪声的情况下配准图片,而在使用旋转 /缩放模式配准图片时算法出现分歧。 在表 1 中的数据结果表明该算法收敛时可以获得精度最高的数据结果。在没有同时失调(“局部最小”)的情况下进行观察。缩放 /旋转模式被认为是不太稳定,会导致图 2b 中算法错误估计的情况。 5 图 2:机场和 图像配准结果。在每一行,左边 和中间的图像进行了配准。在中心轴的图像边缘左侧的图像上叠加,说明配准的准确性。结果显示在右侧立柱。( a)缩放比为 1,旋转角为 100 。( b)稳定性通过加入噪声到图像中进行测试,相关参数包括缩放比为 1,旋转角为 130 ( c)分段的 像的配准,缩放比为 3,旋转角为 23 。使用这种 模式。当算法收敛,收敛实现对所有图像集而耗时 5一个 4 计算机使用非优化的 C + +,算法实现的计算时间在 3代。 图片 3 中的图像被用来测试当使用大缩放比时对这种算法的影响。此前提到的算法可以放大到两倍,而该算法可以成功的放大到 4 倍。图形配准结果如图 3是准确的,其中的数值计算结果列于表 2。图 3a, 3c 和 3d 演示该算法恢复大型缩放的能力。我们是不能够始终如一地复原缩放大于 4。计算的时间与表 1 和图2 的结果相似。我们可以得到这样的结论:该算法能够以较高的精度配准图片放大到 4 倍,当变换被估计的时候,这个范围内任意的旋转角度都可以被估计。 6 表 1:设置图像的配准结果,基于伪极性的算法呈现在图 2 中。图像通过较小的缩放比被旋转和缩放。结果表明即使噪声存在和有部分对齐,该算法也具有稳定性的。 表 2:使用基于伪极性的算法,在图 3 中提出的机场图像的配准结果。 5、 结论 在本文中,我们提出了基于 图像配准算法,它被证明是能够恢复大型旋转和缩放因素的。该算法采用伪极 升当前国家的最先进的图像配准算法。整体的复杂性由 运算所决定,他的运算公式是 该算法被广泛使用,可以通过使用特定于机器的优化 贯彻获得接近于实时的性能。 0 南京工程学院 毕业设计开题报告 课 题 名 称: 大长径比轴类零件视觉测量平台设计 学 生 姓 名: 黄小飞 学 号 : 201080418 指 导 教 师: 郝飞 讲师 所在 院 (系 )部 : 机 械 工 程 学 院 专 业 名 称: 机械电子工程 2012 年 03 月 20 日 1 毕业设计 (论文 )开题报告 学生 姓名 黄小飞 学 号 201080418 专 业 机械电子工程 指导教师姓名 郝飞 职 称 讲师 所在院 (系 )部 机械工程学院 课题来源 院级基金课题 课题类型 工程技术研究 课题名称 大比径轴类零件视觉测量平台设计 毕业设计的 内容和意义 课题背景: 目前,国内火车机车和车辆维修中,主要使用手持量规人工目测车轮表面,由于量规很难甚至不能真实反映轮廓的磨损大小,因此往往会带来人为的误差,而且一列火车中各个车轮尺寸参数的分组、对比也很困难,从而不利于车轮的维修、车轮副的合理使用和早发现车辆存在的问题。 视觉测量是研究用计算机来模拟人类宏观视觉功能的科学和技术。视觉测量系统的基本任务之一是从摄像机获取的图片信息出发,获取三维空间中物体的几何信息,并由此重建和识别物体 1。目前,机器视觉测量技术广泛地应用于智能机器人、夜视眼镜、三维成像、坐标测量等领域。在国外,立体视觉测量还用于人体头部轮廓的建模。机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度。在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足的场合,常用视觉测量技术来替代人工视觉测量;同时在大批量工业生产过程中,用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高 ,而用视觉检测方法则可以大大的提高生产效率和生产的自动化程度 2。并且视觉测量易于实现信息集成,是实现计算机集成制造的基础技术之一 3。本课题以此为背景对视觉测量系统的三维运动平台进行设计和研究。 课题内容: 本课题旨在设计出局部具有非常高精度的测量系统,然后采用图像配准的方法,进行大长径比轴类零件几何量测量。 1、提出:对于大长径比轴类零件的精确测量一直是一个难点,以前常常是用游标卡尺进行测量,这种测量方法不但精度不能保证而且测量的过程比较漫长,不宜用于现在的快节奏、自动化的生产。随着2 工程上对精度 的要求的提高,这种常规的测量显然已经不能再满足我们的生产要求了。现在随着视觉技术的不断发展,视觉测量应运而生,事实也证明了这种测量技术在工程中的优势,不但具有较高的精度,而且通过自动化的控制,可以保证这种测量方法的测量速度。但是,不同的工程对测量精度的要求是不同的,所以如何控制视觉测量过程中的测量精度,是个很重要的问题。 2、解决方法:视觉测量的过程中至少有两个方面会影响我们测量的精度,第一点就是照相机的像素高低,这个可以通过不同的生产要求配备不同精度的照相机。这一点我们无法改变,但是第二点就是我们可以控制 的了,我们可以通过对照相机的支撑平台,也就是三维运动平台进行设计,我们可以通过三维运动平台调节照相机相对于大长径轴类零件的位置。然后通过控制程序控制照相机的运动速度来达到工程所要求的测量精度。 3、设计内容:针对设计所要求的是测量 50上的机械零件和符合生产节拍这两个条件对三维运动平台进行总体的设计,旋转该三维运动平台所需要的各个零部件,并使各个零部件满足运动距离要求、刚度要求、抗扭度等要求。然后将所有的零件组装成一个三维运动平台,到这里机械部分就已经结束了,接下来就是要对三维运动平台 4的控制部分进 行设计,使得三维运动平台的运动速度,以及它的定会能力能够满足生产的要求。这就是整个毕业设计的全部内容。 课题意义: 建立一个三维运动平台并不是我们的最终目的,我们进行三维平台的设计,只是为了给视觉测量系统提供一个载台。设计完以后,还要添加一些视觉测量设备,另外还要把它们与计算机连接起来,通过计算机的处理,把那些互有重叠的图片变成我们所需要的尺寸参数。对三维运动平台的设计会涉及到视觉测量的精度,我们要通过控制系统控制平台在三维方向上的运动,来调节照相机与轴类零件的距离以及照相机的运动定位、运动速度。使得我们设 计出来的视觉测量系统可以满足工程上的不同的精度要求。 3 文献综述 基于计算机视觉的测量技术作为一种非接触式的先进测量技术,具有精度高、非接触、成本低等诸多优点,随着计算机技术摄像机械制造工艺的提高,以及图像处理技术的不断发展,其测量精度也在不断的提高,在生产实践中的应用也日益广泛,越来越受到人们的重视 5。在国外,机器视觉的应用主要体现在半导体及电子行业,其中大概 4O 都集中在半导体行业。具体如 刷电路;面贴装;电子生产加工设备;机器视觉系统还在质量检测的各个方面已经得到了广泛的应用,并 且其产品在应用中占据着举足轻重的地位 11。而在中国,以上行业本身就属于新兴的领域,再加之机器视觉产品技术的普及不够,加上发达国家的技术封锁,导致机器视觉在以上各行业的应用几乎空白。 目前在我国随着配套基础建设的完善,技术、资金的积累,各行各业对采用图像和机器视觉技术的工 业自动化、智能化需求开始广泛出现,国内有关大中专院校、研究所和企业近两年在图像和机器视觉技术领域进行了积极思索和大胆的尝试,逐步开始了工业现场和其它领域的应用。并且在结构光测量、多目视觉、近景摄影测量等方面取得了一定的成果。如中科院自动化识别国家重点实验室采用平面激光的主动三维信息获取研制成功三维面像采集与重建系统 6,并应用于口腔医学中;赵建才等利用双目视觉测量技术与三坐标测量机相结合,开发了一种汽车形貌三维曲面测量装置,能实现大范围的非接触式测量 7;邹定海等研究白车身三维激光视觉检测系统 8, 9,采用激光技术,利用基于三角法的主动和被动视觉检测技术实现被测三维坐标的准确测量,实现整个白车身的尺寸检测,目前已经用于汽车生产线;华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心对线机构激光 机器视觉三角测量光路进行了研究,给出了通用光路计算公式,该公式对机器视觉测量系统的光路结构设计具有一定的指导意义 10。 通过以上的综述可以看出,视觉测量技术被运用在了许多的专业领域,并且也取得了一定程度的成功。我们通过对三维运动平台4 的设计也是视觉测量的一种应用形式,通过对三维运动平台与视觉测量装置的整合可以得到一种专门 对大长径轴类零件的尺寸进行测量的设备,对这类零件的测量精度的提高有很大的好处。 参考文献 1、 王凤伟 . 机器视觉测量系统的研究与应用 D. 合肥 : 合肥工业大学 , 2006 2、 廖强 , 刘兆东 , 郭静 , 等 . 主动视觉技术在精密测量中的应用研究 J. 计算机工程与应用 , 2009 3、 张广军 , 视觉测量 M. 科学出版社 , 2008 4、 张建民等 . 机电一体化系统设计 M. 高等教育出版社(第三版) , 2007 5、 楚锋 . 基于计算机视觉的三维测量实现方法研究 D. 东北大学 , 2006 6、 徐常胜 , 徐焱 , 田英利等 . 三维面像数据采集和重建系统 J. 中国图像图形学报 , 1998 7、 赵建才 , 闵新力 , 万德安汽车形貌三维曲面测量装置的研究 J. 机械加工与自动化 , 2001 8、 邹定海 , 叶声华 , 王春和 , 等 . 用于在线测擐的视觉检测系统 J. 仪器仪表学报 , 1995 9、 邾继贵 , 王防 , 王仲 , 等三维尺寸视觉测最系统 J. 现代计基测试 , 1999 10、 席斌 , 钱峰机器视觉测量系统在工业在线检测中的应用 J. 工业控制计算机 , 2005 11、 徐婉莹 , 黄新生 . 一种适应于旋转、平移和大尺度变换的 图像配准方法研究 J. 信号处理( , 2009 5 研究内容 通过对机电一体系统设计知识的了解,首先对三维运动平台进行整体的设计,使得它能够满足一定的测量要求,再画出它们的三维图以及平面图(包括总装配图和各零件图)。并且编制非标准及标准件目录。通过以下两个设计要求: 1、测量 50上的机械零件, 2、符合生产节拍,进行一定的计算,再根据刚度、转矩等要求选择合适的零件,根据所选的零件,用绘图工具画出它们的三维图和平面图。最后根据所选的零件画出三维平台的装配图。做完这些,机械 部分就已经结束了。然后根据精度要求用汇编语言编写出适合的运动控制程序。这就研究的所有的内容。 研究计划 第三周 熟悉设计项目及相关资料; 第四周 撰写开题报告,总体方案设计; 第五周 翻译外文资料,总体方案设计; 第六周 视觉部件计算与选型; 第七周 测量平台设计及绘图; 第八周 测量平台设计及绘图; 第九周 测量平台设计及绘图; 第十周 驱动及控制系统的设计; 第十一周 驱动及控制系统的设计; 第十二周 其他零部件的设计及绘图; 第十三周 绘制总装配图,编制非标及标准件目 录; 第十四周 绘制总装配图,编制非标及标准件目录; 第十五周 撰写毕业设计说明书; 第十六周 撰写毕业设计说明书,答辩准备 特色与创新 近年来,基于图像处理的三维测量技术得到了快速发展。与传统的尺寸检测技术相比,视觉检测具有工作范围大、柔性好、抗干扰能力强,并具有高效率、高精度的优点。因此,计算机视觉技术在几何尺寸测量领域发挥越来越大优势。 因此,本课题旨在设计出局部具有非常高精度的测量系统,然后采用图像配准的方法,进行大长径比轴类零件几何量测量。 6 指导教师 意 见 指导教师签名: 年 月 日 教研室意见 院部意见 主任签名: 年 月 日 教学院长签名: 年 月 日 标准 零件 目录 序号 名称 数量 备注 1 螺钉 6 2 密封圈 6 3 深沟球轴承 6200 4 4 推力球轴承 52204 2 5 推力球轴承 52202 1 6 内六角圆柱头螺钉 7 十字槽盘头螺钉 8 十字槽盘头螺钉 6 9 步进电机 90 10 联轴器 11 平键 2 12 六角螺母 标准及非标准件目录 序号 名称 数量 备注 1 轴套 11 2 端盖 3 3 挡油环 3 5 垫片 9 6 X、 Y 方向螺母支座 2 13 杠 2 14 杠 1 15 滑台 3 20 导轨副 21 导轨副 22 轨对应滑块 8 23 轨对应滑块 4 24 Z 方向螺母支座 1 25 X 方向导轨支架 1 26 X 方向导轨支架 1 27 X 方向导轨支架 1 28 各种支架 9 南京工程学院 机械工程 学院 毕业设计 材料 清单 专业 : 机械电子工程 学 生 黄小飞 学 号 201080418 题目 : 大比径轴类零件视觉测量平台设计 序号 毕业设计清单 份数 备 注 1 毕业设计任务书 1 份 2 毕业设计开题报告 1 份 3 外文翻译 1 份 4 毕业设计说明书 (论文 ) 1 本 5 毕业设计其它 成果 (1) 总装配 图 0# 1 张 (2) 丝杆零件图 2# 2 张 (3) 丝杠支撑图 2# 1 张 (4) 导轨零件图 3# 2 张 (5) 滚珠丝杠组装图 3# 2 张 ( 6) 端盖、滑台、滑块零件图 3# 5 张 ( 7) 挡油环、轴套零件图 4# 2 张 填表人: 验收人: 南京工程学院毕业设计说明书(论文) 0 目录 前言 . 1 第一章 绪论 . 2 算机视觉 . 2 算机视觉概述 . 2 觉检测的发展趋势 . 8 题提出及其研究意义 . 9 文主要内容 . 10 第二章 视觉部件计算与选型 . 11 业相机类型简介 . 11 业相机参数简介 . 12 业镜头的基本参数 . 13 机的计算选型 . 15 机的各参数如下 . 15 机和镜头选择 . 16 第三章 测量平台设计 . 19 维滑台总体方案设计 . 19 作滑台丝杠选择与计算 . 19 作滑台丝杠的选择 . 19 杠的计算: . 23 作滑台与滚动导轨副选择与设计 . 33 线运动滚动导轨副的分类、特点及作用 . 33 线滚动导轨副的计算 . 34 动导轨的润滑 与防护 . 36 第四章 驱动及其控制系统设计 . 37 进电机的工作原理 . 37 进电机选择 . 37 进电机的驱动与控制 . 40 件接线示意图 . 43 第五章 结论 . 44 参考文献 . 45 南京工程学院毕业设计说明书(论文) 1 前言 工业检测是指在工业生产中运用一定的测试技术和手段对生产环境、工况、产品进行测试和检验,其检测结果是对生产过程进行控制的重要指标,直接影响着生产效率和质量。形状尺寸检测是工业检测中的一部分,其内容包括结构尺寸、形状误差检测等。 传统的形状尺寸检测手段有卡尺、量规、万能工具显微镜、轮廓仪、 X 射线等,这些检测手段在工业生产中发挥着巨大的作用,但是随着现代工业的发展和进步,特别是在一些高精产业,传统的检测手段己经不能满足生产的需要,卡尺、量规等检测手段虽然简便、快捷,但测量数据较少,精度不高,万能工具显微镜、轮廓仪 等检测手段虽然有较高的精度,但要求在特定的设备、特定的环境下进行检测,不但劳动强度大,效率低,而且检测过程同生产过程是分离的,这与现代工业所要求的在线检测、实时控制的要求不符。 对于大尺寸零件,传统测量方法,主要采用两种方法:一是直接法,这种方法需要大尺寸导轨或标准件,成本高,精度低;二是间接法,如弓高弦长法,滚子法等,这类方法本身存在测量原理误差,并且测量可靠性不高。现代工业大型零件加工,不但检测精度要求较高,而且要求在线检测,保证加工精度,传统检测技术难以满足要求。对于大型零件,视觉检测技术可以对零件的 不同部位进行拍摄,得到多幅局部重叠的图像,然后利用图像之间的信息冗余进行图像拼接得到零件的完整图像,对拼接后的图像进行分析可以得到零件的完整结构尺寸,这种检测方法不仅简单、经济,同时能够达到较高的精度。 因此,视觉测量技术正是在这种情况下应运而生。 南京工程学院毕业设计说明书(论文) 2 第一章 绪论 算机视觉 算机视觉概述 视觉使人类得以感知和理解周边的世界,是人类从大自然中获取知识的最主要的手段。据统计,在人类获取的信息中,视觉信息约占 80%,其它的如听觉信息、味觉信息、触觉信息等加起来约占 20%1。由 此可见视觉信息对人类的重要性,而图像正是人类获取视觉信息的主要途径。三维的客观世界投影到人类的视网膜上形成二维图像,通过双目的视觉功能从二维的图像中提取出有关三维世界的信息,这是人类的视觉过程。计算机视觉又称机器视觉,是指利用计算机和一些辅助设备来实现人的视觉功能,从而实现对外界事物和客观三维世界的感知 2。计算机视觉是一门新兴的学科,它的发展得益于神经生理学、心理学与认知科学对动物视觉系统的研究,计算机视觉的研究目标是使计算机具有通过二维图像认知三维环境信息的能力。这种能力将不仅使机器能感知三维环境总物 体的几何信息,包括它的形状、位置、姿态、运动等,而且能对他们进行描述、存储、识别与理解。伴随着人类对视觉认识和计算机技术的快速发展,利用计算机模拟人类的视觉系统成为科学技术发展的必然趋势。计算机视觉已经成为令人感兴趣的前沿研究领域之一,因为需要用计算机视觉这一技术来证明对视觉机理认识的正确与否,而且通过对人类视觉的模拟,可以帮助人类重新认识人的视觉机理,从而在许多未知问题上产生重大突破。 在计算机视觉系统中,信息的处理和分析可以分为两个阶段:图像处理阶段(亦可称为视觉的低水平和中水平阶段)、图像分析和理解阶 段(又称高水平处理阶段)。当人看一幅图像或一处景物时,人的视觉可以得到物体关于整体和局部细节的信息,计算机视觉的主要任务就是凭借一定的理论及算法,运用计算机技术实现类似于人的视觉功能。理论和三维重建问题产生了疑问,逐渐认识到 理论框架的严重不足 3。在解决视觉实际问题的研究过程中,出现了主动视觉等南京工程学院毕业设计说明书(论文) 3 概念。一些新的视觉理论的提出,从深层次触及了计算机视觉的底层根本问题。 算机视觉的发展 计算机视觉是一个相当新且发展十分迅速的研究领域,并成为计算机科学的重要 研究领域之一。计算机视觉始于 20 世纪 50 年代,主要工作集中在二维图像分析和识别上。 60 年代中期, 研究工作开创了以理解三维场景为目的的三维计算机视觉的研究。 70 年代, 授在麻省理工学院( I 实验室领导一个以博士生为主体的研究小组从事视觉理论方面的研究工作,逐步形成了关于视觉的计算理论。 为 , 视觉可分为三个阶段 4。 第一阶段是早期视觉 (,其目的是抽取观察者周围景物表面的物理特性 , 如距离、表面方向、材料特性 (反射、颜色、纹理 )等 ,具体来说包括边缘检测、双目立体匹配、由阴影确定形状、由纹理确定形状、光流计算等;第二阶段是二维半简图 (或本征图像 ( , 它是在以观察者为中心的坐标系中描述表面的各种特性 , 根据这些描述 , 可以重建物体边界、按表面和体积分割景物 , 但在以观察者为中心的坐标系中只能得到可见表面的描述 ,得不到遮挡表面的描述 , 故称二维半简图;第三阶段是三维模型 (视觉信息处理的最后一个层次 ),是用二维半简图中得到的表面信息建立适用于视觉识别的三维形 状描述 , 这个描述应该与观察者的视角无关 , 也就是在以物体为中心的坐标系中 , 以各种符号和几何结构描述物体的三维结构和空间关系。 觉理论从信息处理的角度系统地概括了心理物理学、神经生理学、临床神经病学等方面业已取得的成果,是视觉研究中迄今为止最为完善的理论,并逐步为大多数计算机视觉研究者所接受,而成为这一领域中的主导思想。它使计算机视觉的研究有了一个比较明确的体系,并大大地推动了计算机视觉研究的发展。近年来,计算机视觉的应用技术研究推动了其理论上的发展。同时,许多学者在计算机视觉科学的现状与目 标、理论与方法以及实验与应用等方面产生了许多不同的见解,并进行了广泛的有益的争论,这些争论是严肃的、认真的、尖锐的、实事求是的,在很大程度上促进了计算机视觉技术的发展,把以 觉理论为基础的三维重构学派拓宽到全新的主动视觉方法及面向应用的视南京工程学院毕业设计说明书(论文) 4 觉方法。 近十年来,随着计算机视觉理论的迅速发展,它逐渐发展成一门由计算机技术、控制理论、模式识别、人工智能和生物技术等众多领域交叉综合的新学科,它在某些科技领域中卓有成效的应用,引起了学术界和工业界的极大兴趣和重视,其应用范围也日益扩大,涉及到机器人、工业 检测、物体识别、医学图像分析、军事导航和交通管理等诸多领域。 算机视觉检测技术 算机视觉检测技术 随着计算机视觉技术和光电技术得到飞速的发展,已经出现了一种新的检测技术 计算机视觉检测技术,所谓视觉检测就是检测被测目标时,把图像当作检测和传递信息的手段或载体加以利用的检测方法,其目的是从图像中提取有用的信号,它是以现代光学为基础,融光电子学、计算机图像学、信息处理、计算机视觉等科学技术为一体的现代检测技术。由于计算机视觉系统可以快速获取大量信息,而且易于与设计信息及加工控制信息集成,基 于视觉检测技术的仪器设备能够实现智能化、数字化、小型化、网络化和多功能化,具备在线检测、实时分析、实时控制的能力,在军事、工业、商业、医学等领域得到广泛关注和应用。计算机视觉作为一种非接触检测手段已经越来越引起人们的重视,计算机视觉检测一般是指确定一个产品对于给定的一组标准要求的偏差的过程 5。检测通常涉及指定零件的特征如配件完整性、表面完好性和几何尺寸的测量等。视觉检测是计算机视觉众多应用中最为重要的领域之一,现代视觉理论和技术的发展 ,不仅在于模拟人眼能完成的功能,更重要的是它能完成人眼所不能胜任的工作 ,所以视觉技术作为当今最新技术 ,在电子、光学和计算机等技术不断成熟和完善的基础上得到了突飞猛进的发展。在过去的二十几年里,视觉技术的迅猛发展使视觉检测成为许多自动化生产系统的一个重要组成部分。视觉检测技术是建立在计算机视觉研究基础上的一门新兴测试技术。与计算机视觉研究的视觉模式识别、视觉理解等内容不同 , 视觉检测技术是质量检验、定量检验和非接触测量的重要手段。重点研究物体的几何尺寸及物体的位置测量。视觉检测技术的目的在于:提高检测的安全性和可靠性;加强产品质量监控;提高生产的柔性和自动化程度。在一些特定的应 用场合南京工程学院毕业设计说明书(论文) 5 或人工视觉难以满足要求的场合,常常用计算机视觉来替代人工视觉,实验表明,在大批量工业生产过程中,用视觉检测方法比用人工视觉检测方法可以获得更高的精度和效率,原因在于人工视觉检测者的疲劳和非一致性,而且很多检测任务对于人工来说费时和费工,对于一些精密零件的几何参数的检测,还需借助于昂贵的精密仪器,使检测成本大为提高。据报道人工检测最多只能够达到 80 %的有效性。相比之下,视觉检测可以保证产品检测的一致性,它不仅能够检测产品是否合格,而且还能够检测出具体的偏差值,进而实现对产品生产过程中出现的质量问题进行 监控、分析和统计。在一些需要机器完成质量保证的场合,可以将生产任务与生产过程或制造周期集成起来,使整个生产过程完全由计算机控制,这在 觉检测不仅可以节约劳动力成本,而且还能够在一些不适合人工作业的危险环境工作,达到非接触检测的目的。视觉检测技术在理论和方法上主要依赖图像处理和模式识别技术。在计算机视觉技术的发展过程中,由于其原理和应用目的的不同派生了许多分类方法。对于字符、图形和片状物体等平面内可识别的理解、检测属于二维视觉方法;对于三维物体的识别、重建和测量属于三维视觉方法。视 觉信息处理方法包括:图像的增强、复原、重建、体征提取、分割、几何处理、识别等。根据原理的不同又可分为基于区域的视觉方法、基于特征的视觉方法、基于模型的视觉方法和基于规则的视觉方法等。自 1979 年 出关于视觉的计算理论之后,基于特征(主要指边缘信息)的视觉方法引起了广泛的重视。边缘的检测并不是直接取决于图像的灰度,而是取决于图像灰度的变化,因此检测的边缘具有较高的固定性。采用不同的边缘检测方法,可以获得不同精度的边缘信息,研究具有高定位精度的边缘提取方法是获得高质量视觉信息特征的重要手段 算机视觉检测技术的发展现状 计算机视觉的研究始于 20 世纪 60 年代初 积木世界的研究,这项研究被认为是计算机视觉研究中的开拓性工作 6。对于计算机视觉的研究,根据采用的照明方式和几何关系的不同,主要可以分为两大类 :主动三维视觉检测和被动三维视觉检测。被动三维视觉检测与主动视觉方法不同,采用非结构光照明方式,从一个或多个摄像机获取的二维图像中确定距离南京工程学院毕业设计说明书(论文) 6 信息,形成三维型面数据。被动视觉检测通常用于对目标的识别、理解和位置形态的分析,在无法采用结构光照明时更具有独特的优势 7。下面简单介绍几种常用的测量方法。 单目视觉测量是指仅利用一台视觉设备拍摄单张图片来进行测量工作,具有结构简单、相机标定简单、避免了立体视觉中的视场小、立体匹配困难的不足等清华大学汽车安全与节能国家重点实验室利用单目视觉实时监测本车与前方障碍物之间的距离,首先研究了较为适用于汽车自动驾驶的几何关系推导法,进而提出了基于单目视觉的实时测距算法,算法具有较高的准确性,可以满足测距要求,还可以满足汽车智能化控制的实时性要求。吉林大学交通学院智能车辆课题组同样利用车载单目计算机视觉,在对行车道 内的前方车辆进行快速探测以及对摄像机进行预先标定的基础上,探讨仅利用摄像机内部参数和透视投影几何关系,有效计算前方车辆距离 8。模拟及模具技术国家重点实验室,开发计算机单目视觉测量系统,控制摄像头对实物连续拍摄和实时处理,利用建立的模型将二维坐标转换成三维坐标再以点云的形式重构出物体,实现三维自动测量。随着光学、电子学以及计算机技术的发展,单目视觉技术不断进步,逐渐实用化,已可以应用于工农业业检测、生物医学、虚拟现实等领域 9。 双目立体视觉测量技术属于被动式测量,是计算机视觉的一个重要分支。由不同位置的两台或者一台摄像机 (过移动或旋转拍摄同一场景的两幅图像,通过计算空间点在两幅图像中的视差,获得该点的三维坐标值。 在国外研究方面,日本东京大学将实时双目立体视觉和机器人整体姿态信息集成,开发了仿真机器人动态行走导航系统 10。麻省理工学院计算机系提出一种新的用于智能交通工具的传感器融合方法由雷达系统提供目标深度的大致范围,利用双目立体视觉提供粗略的目标深度信息,结合改进的图像分割算法,能够在高速环境下对视频图像中的目标位 置进行分割,而传统的目标分割算法难以在高速实时环境中得到令人满意的结果。华盛顿大学与微软公司合作为火星卫星“探测者”号研制了宽基线立体视南京工程学院毕业设计说明书(论文) 7 觉系统,使“探测者”能够在火星上对其即将跨越的几千米内的地形进行精确的定位和导航。系统使用同一个摄像机在“探测者”的不同位置上拍摄图像对,拍摄间距越大,基线越宽,能观测到越远的地貌。系统采用非线性优化得到两次拍摄图像时摄像机的相对准确的位置,利用鲁棒性强的最大似然概率法结合高效的立体搜索进行图像匹配,得到亚像素精度的视差,并根据此视差计算图像对中各点的三维坐标。相比传统的体 视系统,能够更精确地绘制“探测者”号周围的地貌和以更高的精度观测到更远的地形。 在国内,通过广大科技工作者的共同努力,双目立体视觉技术同样已广泛应用于生产、生活中,成为工业检测、生物医学、虚拟现实等邻域的关键技术。哈尔滨工业大学采用异构双目活动视觉系统实现全自主足球机器人导航 11,将一个固定摄像机和一个可以水平旋转的摄像机,分别安装在机器人的顶部和中下部,可以同时监视不同方位视点,体现出比人类视觉优越的一面,通过合理的资源分配及协调机制,使机器人在视野范围、测距精度及处理速度方面达到最佳匹配。双目协调技 术可使机器人同时捕捉多个有效目标,观测相同目标时通过数据融合,也可提高测量精度。在其他传感器失效的情况下,仅仅依靠双目协调仍然可以实现全自主足球机器人导航。华南理工大学针对骨外科手术导航中对手术器械位置和姿态的定位与跟踪需要,研究了基于面阵双目视觉传感的被动式光学立体定位跟踪系统,并能够完全满足定位及跟踪精度要求 12。武汉大学利用摄影测量方法和计算机视觉技术得出了一套完整的、由双目立体序列图像确定场景中目标运动信息的方法与步骤。有效地解决了运动目标三维特征点的对应问题,研究的成果对于立体计算机视觉和智能 机器人的研究有着重要的理论意义和实际应用价值。 目前,基于机器视觉的研究主要存在以下几个问题 :基于计算机视觉的检测系统就是以计算机为基本平台,利用图像传感器、图像采集卡、数据采集卡、灯光以硬件构成的计算机视觉系统,综合利用与计算机视觉相近或相关学科的技术,进行二维或三维立体测量的检测系统。不同的检测任务决定了不同的计算机视觉检测系统构成及算法的不同,计算机视觉检测系统的应用具有以下特点。 南京工程学院毕业设计说明书(论文) 8 (l)视觉检测的优越性 计算机视觉的本质是利用二维投影来重建三维物体的可视部分,包括计算距离测量、物体运动参数以及恢复物 体表面物理特性。形状尺寸检测是计算机视觉技术在测量测试领域中非常重要的应用。 (2)被测物体的特殊性 在工业界,计算机视觉系统所要检测的目标特征迥异,很难研发一种通用的计算机视觉检测系统完成所有的检测任务。 (3)检测速度与精度的矛盾性 检测速度和检测精度是衡量视觉检测系统的两个重要性能指标。精度指标是检测系统最基本的性能指标,系统必须满足一定的精度,才能保证检测结果的可信性,获得的数据才有意义 ;另一方面,视觉检测系统检测速度往往需要跟其它生产节拍相一致,是实现生产效率的保证。图像的数据非常丰富,是实现高精 度检测的前提,但也正因为如此使得运算量大、计算复杂。因此构建实际的测量系统需要在测量精度、测量速度以及成本之间寻求一个最优组合,这就对系统在图像处理、目标识别与分析、信息传递等方面提出了严格的要求。 总之,计算机视觉检测系统具有广阔的应用前景,具有与其他检测系统显著的不同,并且优缺点并存。计算机视觉检测系统的构建,需要针对实际问题,组建合理的光学成像系统,在已有的计算机视觉理论基础上,寻求恰当地、优化地图像处理算法、目标识别算法、信息存储与通讯、精确的摄像机标定、立体匹配技术等相关技术,以组建最优解决方案。 如何快速、自动、非接触且高精度地完成检测任务是研究者必须考虑的问题。 觉检测的发展趋势 视觉检测技术是一种很有发展前途的自动检测技术,可以实现智能化、柔性、快速和低成本的检测。随着计算机视觉理论研究不断深入 , 视觉检测将很快在各行各业中广泛应用。视觉检测技术的发展趋势主要体现在以下几点 : (l) 实现在线实时检测,视觉检测执行时间在很大程度上取决于低层图像处理 ( 图像平滑、滤波、分割等 )速度。因此,使用专用硬件实现独立南京工程学院毕业设计说明书(论文) 9 于环境的处理算法,可大大提高图像处理速度。 (2) 实现智能化检测,从 统中提取零件视觉模型与检测信息 ( 包括零件位置与方向、摄像机视角等 ), 选定检测项目、检测点和检测路径 , 建立智能检测规划 , 并控制工业机器人抓取零件并放置到合适的位置进行检测。 (3) 实现高精度检测,与视觉系统相比 , 检测精度和测量空间范围上占有很大优势 , 因此,基于 视觉检测系统已经成为视觉检测技术的一种新趋势。集成化的 视觉检测系统可以利用视觉系统迅速识别零件的形状及其在测量平台上的位置和状态 ,完成机器坐标系、零件坐标系、摄像机坐标系之间的转换 , 帮助 现 检测路径自动形成与测量结果判断。同时深入研究亚像素定位技术 , 使之应用到实际的检测系统中 ,以提高检测精度和降低系统成本。 (4)计算机视觉柔性检测技术 目前几乎所有的计算机视觉检测系统都只适用于解决特定的检测任务,建立一种较为通用的视觉检测系统,以适用于不同条件下的检测任务,进而实现对目标进行“完全检测” ,是目前和将来视觉检测系统的一个发展方向。 题提出及其研究意义 传统的形状尺寸检测手段有卡尺、量规、万能工具显微镜、轮廓仪、X 射线、三坐标测量仪等,这些检测手段在工业生产中发挥着巨大的作用,但是随 着现代工业的发展和进步,传统的检测手段己经不能满足生产的需要,因此在一些不适合于人工作业的危险工作环境、 大比径轴类 零件及人工视觉难以满足要求的场合,常用机器视觉来替代人工视觉。 视觉检测技术是建立在计算机视觉研究基础上的一门新兴测试技术。与计算机视觉研究的视觉模式识别、视觉理解等内容不同,视觉检测技术是质量检验、定量检验和非接触测量的重要手段。重点研究物体的几何尺寸及物体的位置测量。视觉检测不仅可以节约劳动力成本,而且还能够在一些不适合人工作业的危险环境工作,达到非接触检测的目的。视觉测量系统具有工作范围大 、柔性好、抗干扰能力强,并具有高效率、高精度的南京工程学院毕业设计说明书(论文) 10 优点。因此,计算机视觉测量技术在零件尺寸测量领域发挥越来越大优势。 工业检测的复杂性和多样性,也必然使工业图像检测技术呈现出复杂性和多样性,这种复杂性和多样性为我们提供了广阔的研究领域。总之,随着计算机视觉技术自身的成熟和发展 ,计算机视觉检测技术必将在现代和未来制造企业中得到越来越广泛的应用。 而这次设计的三维运动滑台则给了视觉测量系统一个运动的平台, 通过利用滑台在 Y、 Z 两个方向上的运动调节相机与被测件之间的距离来适应不同的测量要求,在利用 X 方向上的移动来对 大长径轴类零件的不同部位进行拍摄。 通过这个运动平台同样的一个视觉测量系统可以满足不同的用户不同的测量精度要求。使得视觉测量系统的测量更加的具有灵活性,更加容易适应生产的需要。 文主要内容 1. 视觉部件的计算选型:主要涉及机器视觉中工业镜头的计算方式,相机和镜头的选择技巧,相机型号和镜头型号的选择,相机和镜头的精度计算。 2测量平台的设计:主要涉及测量平台的总体方案设计,测量平台的质量的估算,测量平台的各滑台的设计等方面。 3其他零部件的设计:主要涉及滚珠丝杠的计算选型,滚动导轨副的计算和选型等方面。 4控制和驱动的设计:主要涉及步进电机的相关参数计算,选型等方面。 南京工程学院毕业设计说明书(论文) 11 第二章 视觉部件计算与选型 业相机类型简介 60 年代末期由贝尔试验室发明。开始作为一种新型的 储电路,很快 有许多其他潜在的应用,包括信号和图像 (硅的光敏性 )处理。 在薄的硅晶片上处理一系列不同的功能,在每一个硅晶片上分布几个相同的 可产生功能的元件,被选择的 硅晶片上切下包装在载体里用在系统上。总结下来, 要有以下几种类型 : 1、面阵 业相机 : 允许拍摄者在任何快门速度下一次曝光拍摄移动物体。 2、线阵 业相机 : 用一排像素扫描过图片,做三次曝光 分别对应于红、绿、蓝三色滤镜,正如名称所表示的,线性传感器是捕捉一维图像。初期应用于广告界拍摄静态图像,线性阵列,处理高分辨率的图像时,受局限于非移动的连续光照的物体。 3、三线传感器 业相机 : 在三线传感器中,三排并行的像素分别覆盖 镜,当捕捉彩色图片时,完整的彩色图片由多排的像素来组合成。三线 感器多用于高端数码相机,以产生高的分辨率和光谱色阶。 4、交织传 输 业相机 : 这种传感器利用单独的阵列摄取图像和电量转化,允许在拍摄下一图像时在读取当前图像。交织传输 常用于低端数码相机、摄像机和拍摄动画的广播拍摄机。 5、全幅面 业相机 : 此种 有更多电量处理能力,更好动态范围,低噪音和传输光学分辨率,全幅面 许即时拍摄全彩图片。全幅面 并行浮点寄存器、串行浮点寄存器和信号输出放大器组成。全幅面 光是由机械快门或闸门控制去保存图像,并行寄存器用于测光和读取测光值。图像投南京工程学院毕业设计说明书(论文) 12 摄到 作投影幕的并行阵列上。此元件接收图像信息并把它分成离散的由数目决 定量化的元素。这些信息流就会由并行寄存器流向串行寄存器。此过程反复执行,直到所有的信息传输完毕。接着,系统进行精确的图像重组。 业相机参数简介 工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件,其最本质的功能就是将光信号转变成为有序的电信号。选择合适的相机也是机器视觉系统设计中的重要环节,相机的不仅是直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等,同时也与整个系统的运行模式直接相关。主要参数如下 : 1. 分辨率 ( 相机每次采集 图像的像素点数 (对于数字工业相机机一般是直接与光电传感器的像元数对应的,对于模拟相机 机则是取决于视频制式,为 768*576, 为 640*480。 2. 像素深度 ( 即每像素数据的位数,一般常用的是 8于数字工业相机机一般还会有 1012 3. 最大帧率 (行频 ( 相机机采集传输图像的速率,对于面阵相机机一般为每秒采集的帧数(,对于线阵相机机为每秒采集的行数 ( 4. 曝光方式 (快门速度 ( 对于线阵相机机都是逐行曝光的方式,可以选择固定行频和外触发同步的采集方式,曝光时间可以 与行周期一致,也可以设定一个固定的时间;面阵工业相机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式,数字工业相机机一般都提供外触发采图的功能。快门速 度一般可到 10 微秒,高速工业相机还可以更快。 5. 像元尺寸 ( 像元大小和像元数 (分辨率 )共同决定了相机机靶面的大小。目前数字工业相机像元尺寸一般为 3 m,一般像元尺寸越 小,制造难度越大,图像质量也越不容易提高。 南京工程学院毕业设计说明书(论文) 13 6. 光谱响应特性 ( 是指该像元传感器对不同光波的敏感特性,一般响应范围是 350000些相机机在靶面前加了一个滤镜,滤除红外光线,如果系 统需要对红外感光时可去掉该滤镜 业镜头的基本参数 工业镜头相当于人眼的晶状体,如果没有晶状体,人眼看不到任何物体;如果没有镜头,那么摄像头所输出的图像;就是白茫茫的一片,没有清晰的图像输出,这与我们家用摄像机和照相机的原理是一致的。 当人眼的肌肉无法将晶状体拉伸至正常位置 时,也就是人们常说的近视眼,眼前的景物就变得模糊不清;摄像头与镜头的配合也有类似现象,当图像变得不清楚时, 可以调整摄像头的后焦点,改变 片与工业镜头基准面的距离 (相当于调整人眼晶状体的位置 ),可以将模糊的图像变得清晰。 由此可见,镜头在闭路监控系统中的作用是非常重要的。工程设计人员和施工人员都要经常与镜头打交道 :设计人员要根据物距、成像大小计算镜头焦距,施工人员经常进行现场调试,其中一部分就是把镜头调整到最佳状态。 口 所有的摄象机镜头均是螺纹口的, 象机的镜头安 装有两种工业标准,即 C 安装座和 装座。两者螺纹部分相同,但两者从镜头到感光表面的距离不同。 C 安装座 :从镜头安装基准面到焦点的距离是 17 526 装座 :特种 C 安装,此时应将摄象机前部的垫圈取下再安装镜头。其镜头安装基准面到焦点的距离是 12 5果要将一个 C 安装座镜头安装到一个 C S 安装座摄象机上时,则需要加装一个 5的接圈。 摄象机镜头尺寸分镜头可以分为 1 英寸、 2 3 英寸、 1 2 英寸、 13 英寸、 1 4 英寸、 1 5 英寸等规格,下面是一个简单的芯片尺寸规格表 : 南京工程学院毕业设计说明书(论文) 14 表 2片尺寸规格表 格式 1英寸 2/3英寸 1/2英寸 1/3英寸 1/4英寸 高度 .6 4.8 3.6 .4 度 .8 6.4 4.8 .2 像机镜头规格应视摄象机的 寸而定,两者应相对应。大概 : 摄像机的 面大小为 1 2 英寸时,镜头应选 1 2 英寸。 摄像机的 面大小为 1 3 英寸时,镜头应选 1 3 英寸。 摄像机的 面大小为 1 4 英寸时,镜头应选 1 4 英寸。 如果镜头尺寸比摄像机 面尺寸大时,将使图像视野比镜头视野小,即不能很好地利用镜头的视野;如果镜头尺寸比摄像机 面尺寸小时,将发生 “ 隧道效应 ” ,即图像有圆形的黑框,像在隧道里拍的一样。 监控相机一般都比较小,甚至小于 1/3 英寸;工业相机稍微大一些,一般 1/2 英寸到 1 英寸不等;传统的 135 相机底片比当前的一般感光芯片都 大, 364寸 寸 ),画面对角线长度为 43,即是 寸的, 120 中幅相 机,其感光面尺寸有三 种 :45606060 9060可见画幅更大。 F 值 光圈的主要作用是通过控制镜头光量的大小满足成像所需的合适照度。光圈越大,靶面成像照度越大,摄像机输出信号强度越大,信噪比越高。 可以理解,通光孔径越大,通过的光量越大;但我们关心的是到达芯片的光量,而焦距越长,意味着芯片离镜头中心越远,相应的光就越弱,所以,标准光圈大小的参数应该与两个变量有关,孔径,焦距。 光圈系数,即 F 值即是用来来表征光圈的大小的参数。它等于镜头焦距 f 和通光孔径 D 之比。光通量与 F 值的平方成反比关系, F 值越小,光通量越大。 F 值的 规律是后一个值正好是前一个数值的 2 倍,所以,光圈调大一挡,光量减少 2 倍。常用值为 2、 4、 8、 11、 16、22 等几个等级。 一般光圈都可以调节,从而有手动光圈 (自动光圈南京工程学院毕业设计说明书(论文) 15 (分。 手动光圈工业镜头是的最简单的工业镜头,适用于光照条件相对稳定的条件下,手动光圈由数片金属薄片构成。光通量靠镜头外径上的 个环调节。旋转此圈可 使光圈收小或放大。在照明条件变化大的环境中或不是用来监视某个固定目标, 应采用自动光圈工业镜头,比如在户外或人工照明经常开关的地方,自动光圈镜头的 光圈的动作由马达驱动,马达受控于摄像机的视频信号。 自动光圈工业镜头又有两类 :一类是将一个视频信号及电源从摄像机输送到透镜来控制镜头上的光圈,镜头本身包含放大器电路,用以将摄像头传来的视频幅度 信号转换成对光圈马达的控制,这称为视频 (动型;另一类则利用摄像机上的直流电压来直接控制光圈,称为直流 (动型,这种镜头只包含 电流计式光圈马达,要求摄像头内有放大器电路。 对于各类自动光圈工业镜头,通常还有两项可调整旋钮, 一是 节 (测光调节 ),有以峰值测光和根据目标发光条件平均测光两种选择, 一般取平均测光档;另一个是 节 (灵敏度 ),可将输出图像变得明亮或者暗淡。 机的计算选型 机的各参数如下 1. 距 工作距离 ( 2. 场 视野 (3. 深 ( 4. 野的高度 5. 像机有效成像面的高度 (代表传感器像面的大小 ) 6. 头的放大倍数 7. f:镜头的焦距 8. 头像平面的扩充距离 南京工程学院毕业设计说明书(论文) 16 图 2机的计算原理图 机和镜头选择 1、相机的主要参数 : 感光面积 2、镜头的主要参数 : 焦距 最小物距 3、其他参数 : 视野 像素 S(L) 图 2参数关系图 精度等级 3 级 该精度等级下的公差数值表 : 南京工程学院毕业设计说明书(论文) 17 表 2度等级公差数值表 尺寸范围 偏差范围 尺寸范围 偏差范围 30 620 10 1800 18 2502 30 3153 50 4005 尺寸范围单位为毫米 ( 偏差范围单位为微米 ( m,1/1000 毫米 ) 初选 M 型号相机和 号镜头,其基本参数如下: 表2机的基本参数表 南京工程学院毕业设计说明书(论文) 18 表 2头的基本参数表 其中 80 582 ) =80=m 15 m 结论:所选相机和镜头可达到理想精度。 南京工程学院毕业设计说明书(论文) 19 第三章 测量平台设计 维滑台总体方案设计 由于相机要在空间内运动,用以调节和被测物体间的距离,以达到最佳的拍摄效果,提高测量精度,因此要为相机设计一个三维滑台,实现相机的运动要求, 其中: X 轴机架固定在地面, Z 轴丝杠和导轨固定在 X 轴滑块上, Y 轴丝杠和导轨固定在 Z 轴滑块上, Y 轴滑块上固定相机,这样即可使相机达到运动要求,在空间三维运动。 作滑台丝杠选择与计算 作滑台丝杠的选择 1) 丝杠传动形式选择 : 丝杠螺母机构(螺旋传动机构)主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变为旋转运动。这些传动机构既有以传递能量为主的(如螺旋压力机、千斤顶等),也有以传递运动为主的(如工作台的进给丝杠),还有调整零件之间相对位置的(如螺旋传动机构)。 丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构之分,滑动丝杠螺母机构结构简单,加工方便,制造成本底,具有自锁功能,但其摩擦阻力矩大,传动效率底( 30%。滚珠丝杠螺母机构虽然结构复杂,制造成本高,但其最大优点是摩擦阻力矩小,传动效率高( 92%其具有螺旋槽的丝杆与 螺母之间装有中间传动元件 滚珠。 丝杠与螺母相对运动的组合情况有四种基本形式: 传动形式因螺母本身起着支撑作用,消除了丝杠轴承可能产生的附加轴向窜动,结构较简单,可获
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