数字水准仪自动读数方法研究

1、.数字水准仪自动读数方法研究2005年第22卷第10期微电子学与计算机159数字水准仪自动读数方法研究范会敏李晋惠(西安l丁业学院,陕西西安710032)摘要:数字水准仪具有精度高,速度快,操作方便等优点,在测量,大型X-程施X-建设,X-业设备安装,地壳形变监测,科学研究等需要高精度高程信息的领域得到了广泛地应用.文章针对如何实现自动读数问题,设计了基于自动安平水准仪的数字水准仪的方案.建立了测量试验系统.完成了编码水准尺图像的识别,测量读数方法的设计与实现.关键词:数字水准仪,编码水准尺,图像识别,读数.中图法分类号:TP391.41文献标识码:A文章编号:10007180(2005)10

2、-15903TheStudyonMethodsofReadingDatawithDigitalLevelsFANHuimin,LIJinhui(SchoolofComputerScienceandEngineering,Xi'anInstituteofTechnology,Xi'an710032China)Abstract:Digitallevelshasbeenadmittedbyagreatdealvirtuesbecauseofitsspeedymeasure,highprecisionandeasyoperation.Ithasbeenfrequentlyusedbym

3、anyhighprecisiondomainsanddepartmentssuchasgeodeticsurvey,large-scaleengineeringconstruction,industrialinstallation,crustaldiastrophicmonitorandscienceresearch.Digitalwa'terlevelisstillintestingandresearchingstageinourcountry.Inthispaper,thedesignplanofhowtoreaddataauto'matieallywithdigitall

4、evelsisgivenandthesystemofmeasureisachieved.Thedesignoftheimageofcodedlevelrulerdetectionandmeansofreaddataareaccomplished.Itisprovedreliableandreasonablebyexperimentation.Keywords:Digitallevel,Codedlevelruler,Imagerecingnition,Readingdata1引言水准仪是土木工程,路桥铺设,地质勘探,石油钻井,智能平台,机械加工,设备安装等领域不可缺少的重要工具传统光学水准仪结

5、构简单,造价便宜,操作方便.但精度较低,只能人工观察读数.数字水准仪可实现水准测量的数据采集,记录和处理的自动化.具有精度高,速度快,操作简单等优点.数字水准仪的组成如图1所示.在传统的光学厂I望远镜lI.编码水准尺串口圉圆国图1数字水准仪原理图收稿日期:20050729基金项目:陕西省教育厅自然科学基金(03JK171)自动安平水准仪的基础上,在望远系统上加装分光镜水准尺上的编码图像经望远系统,调焦镜和分光镜后分成两路.一路成像在分划板上,通过目镜人工对水准尺进行照准和调焦,另一路在线阵CCD上进行光电转换.信号的采集和处理由采集板和单片机完成.数据采集程序,处理程序和测量方法程序等均在PC

6、机上执行CCD选择日本东芝公司的TCD1206UD,器件自带驱动电路,有2160像元,像元尺寸14m×14m,采用两相脉冲驱动水准尺的编码由R,A,B三种不同的编码组成(见图2),其中R为参考码,其结构为三条2mm宽的黑色码条和每两个黑色码间lmm宽的白色码条组成.R码的周期为30mm.在每组参考码R的右边是一条黑色的A码,左边是一条黑色的B码,A,B码称为信息码.包含了水准测量的高度信息,A码条和B码条的宽度都是在1到9mm之间变化,其中A码条的周期为330mm,B码条的周期为300mm,它们的最小公倍数为3300mm.R,A,B三种不同的码条沿着一维方向等间距且交替配置.n

7、68;¨¨¨¨¨¨¨¨U160微电子学与计算机2005年第22卷第l0期图2水准尺编码结构图2编码水准尺的图像识别算法2.1编码水准尺标准库CCD输出的水准尺图像信号经A/D转换,图像预处理,边缘提取,编码识别后,在编码标准库里查找高度信息标准库是由行和列组成的二维表.行数等于水准尺的长度除以尺码的周期30ram.水准尺的长度为码的周期330ram与码的周期300ram的最小公倍数3300ram.即行数为3300/30=110行.列由序号,码的宽度,码的宽度,高度值四项组成,其中高度值为A码与B码的中心线处2.2水

8、准尺编码图像识别算法水准尺编码的识别由其编码结构决定在进行水准尺编码识别前.对CCD输n的信号进行采集,编码图像的边缘提取后.把编码图像变为二值图像后.用"OOH"代表黑编码象素的灰度值.用"FFH"代表白编码象素的灰度值.每个象素用一个字节表示.对2160个象素值进行识别.获得中丝所对应位置的A,B编码宽度值.2160个象素中应至少包含两组完整的尺码图像信息.识别过程可描述为:(11取CCD视场中间象素(1080)的值;CCD为倒立实像.因此CCD上端为水准尺底端的像.存储顺序与之对应(2)从1080处向前搜索.分别对"00H"和&

9、quot;FFH"字节进行计数.并计算出连续为"00H"字节的宽度.同时进行相邻两个黑编码的宽度比较.若相等.计数,直到有3个黑编码的宽度相等.则认为是尺码.并对其各黑白码条所占的象素值进行存储.否则结束识别.(3)再从(2)中识别出的尺码的下边缘处向后搜索,用同样的方法找到另一组尺码.对期间的各黑白码条的象素计数值进行保存3读数计算读数计算根据中丝所在位置的,码宽度值在编码标准库中查找出高度值.此高度值为粗读数,然后根据中丝的实际位置进行修正.若中丝在4,日码中心线之上,粗读数须加上A,B码中心线到中丝的距离;若中丝在,码中心线之下.粗读数须减去,B码中心线到中

10、丝的距离:最后还需根据CCD的标定值进行修正.最终求读数值,图3是读数计算的示意图.计算方法如下:线阵CCD编码水准尺=ma(45)lma(7)ma(8)ma(9)B码A码maI1Ulmaiii;l'1ma(1l32)l.R码mafl5(14)lj图3读数计算不意图注:Rwelzhi为R码下方白码条的第一个象素位置:BAzhong为B,A码中心线象素位置;1080象素位置附近两组相邻R码的示意图.(1)经过上述水准尺编码图像识别算法处理后.ma(i)(i=1,2,15)中依次存放两组尺码之间各黑,白码条所占的象素值,由此可求出,码中心线象素位置,即:BAzhong=Rweizhi+ma

11、(6)+ma(7)/2+趟巡(2)通过R码的周期计算物像比,R码的周期为P=-300001xm.它在CCD上成像所占的象素个数可由上一步获得,用Z表示.每个象素的宽度为141xm,用b表示.则P在CCD线阵上的成像长度为:L=Zb=Z14(2)所以物像比为:WXB=P=(3)WXB:(4)14xm)(31B,A码图像宽度分别为:WBx=(5)l_10O元吣像_=一八一兀像像2005年第22卷第l0期微电子学与计算机l6lWAx"(ram)(§)f4)求B,A码的物宽:WB=WXB×W删(7)WA=WXB×W(8)(5)用组合在编码水准尺标准库中查出对应高

12、度日(6)是,码的中心线位置,它与中丝有一偏差.必须进行修正.由图3可以看,高度修正值应为:HXZ=(1080-BAzhong)x14(1xm)(9)B,A码中心线BAzhong在中丝(象素1080处)之上时,HXZ为正;在之下时,HXZ为负.测量结果为:Hz=H+HXZ(10)4实验结果与分析在实验室条件下.在建立的测量试验系统中进行测量.使用本文提出的图像识别算法和读数计算方法.对经数据采集,数字滤波,边缘检测后形成二值图像进行处理.其结果见表1.5结束语数字水准仪测量速度快,读数客观,精度高,测量数据便于输人计算机和容易实现水准测量内外业一体化等优点.代表了水准仪的发展方向.本文设计的基

13、于单片机的数字水准仪方案及测量试验系统,编码水准尺图像识别算法以及测量读数方法,在实验室条件下进行测量,试验结果表明.该方法合理,可靠表1实验结果A码宽B码宽R码宽计算物粗渎高修正后高度度(mm)度(mm)度(mm)像比度(mm)(mm)4.9650350.979022.0275724.995505229522929.0788471.9736841.9736847.048872172517221.0074637.52.0149257.995736187518775.0467297.570O941.96261710.013359759888.41OO423.0l25522.0083688.965

14、929l035l03l69211.90476244524561.0344832.o689652.06896514.778332252198.54217.85714235523663.9852347.5700941.96261720.0267247524872.0930237.3255812.09302324.91694217521702.0833332.0833332.08333329.76191.52553982235.71429142514331.6363642.7272732.18181838.96104233522368.1818191.6363642.18181838.9610476

15、5764参考文献1】薄志鹏等.数字水准仪述评.测绘通报,1996(2):30.21孙坚译.数字水准仪WildNA2000的检验和测试.测绘科技通讯,1993,(11:40.31陈斌,王进东,徐铭等.DiNil2数字水准仪测量系统及其应用.测绘通报,2oo1,flO):45.【4】霍宏涛,林小竹,何薇.数字图像处理(第1版).北京:北京理工大学出版.200I2.51郭金运,徐泮林,曲国庆.数字水准仪的性能比较与分析.测绘通报,2002,(3):55.61范会敏,李晋惠.数字水准仪的测量算法概述.西安T业学院,2002,(41:318.范会敏女,(1960一),副教授,硕士.研究方向为计算机测控技

16、术应用.(上接第158页)活性.随着商业问题的复杂化,必然需要采用多种数据挖掘算法,在多个模型之中进行优化组合.因此.如何进一步扩大该框架的服务领域.提供更加开放的应用模型开发方式等将是系统完善关键.参考文献【1】SmythP.BreakingoutoftheBlack2box:ResearchChallengesinDataMining.WorkshoponResearchIssuesinDataMiningandKnowledgeDiscoveryDMKD.2001.【2】朱建秋,蔡伟杰,朱扬勇.CIAS:一个客户智能分析数据挖掘平台.小型微型计算机系统.2003.124(12).31张旭梅,康大庆.网络化集成的客户关系管理系统体系结构和关键技术研究.计算机集成制造系统.20o5.11(3).【4】李升林,乌兰木其.基于数据挖掘的需求分析研究.中国机械工程.2003.14(5).【5】HanJW,PeiJ,YinYW.MiningFrequentPatternsw