基于CCD相机的中远距离位移距离测量平台的设计

1、基于CCD相机的中远距离位移距离测量平台的设计 基于相机的中远距离位移距离测量平台的设计黄辉指导教师姓名、职称: 使枣直:教援企业导师姓名、职称: 玉专业或领域名称:.扭越剑造厦甚自动丝学生所属学院: 扭电工猩堂院论文辩论日期: 生§县.:.,.,摘要摘 要随着近代工业的快速开展,对计量测试技术要求越来越高,航空、军工、机械、建筑等各个领域中的许多测量要求在特殊的条件下进行,如高温、高压、高速、放射性及强腐蚀等恶劣环境,因此,开发研究远距离非接触测量具有重要的现实意义。自从非接触测量受关注以来,基于激光和超声波的测量技术是最常用的方法。但是基于激光和超声波的测量方法的测量精度在很大程

2、度上依赖于被测物外表的反射能力,如果测量外表不理想,那么测量系统通常会表现很差,由于测量系统存在这些问题会产生测量精度丧失,因此采用基于激光的测量仪器进行标定就会有一定的影响,而且这些测量方法在进行测量时对目标图像的记录存在一定的难度。于是出现基于图像测量技术的位移、距离以及从摄影图像中获取目标几何特征的图像测量技术。由于能够提供丰富的测量环境信息资源,图像测量方法获得了广泛的应用。然而,传统基于立体视觉的系统通常要求两台相机置于同一水平不同位置来获取两张不同的图像来作进一步的分析。采用图像方法测量时需要模式识别和图像分析来对图像中特征进行提取和匹配,因此该测量系统也就需要大容量和高速度的数字

3、信号处理器,这也不可防止的导致该测量系统在系统的复杂性、处理的速度以及本钱方面的缺乏。由于处理速度受到限制,采用模式识别和图片分析方法的实时测量的表现一般令人不满意,尤其是在嵌入式应用方面。本文基于数字图像处理技术,提出了以图像像素数来计算被测目标距离和位移的图像测量方法,并在此根底上设计了由相机图片数据采集系统、单片机图像数据控制系统和图像计算处理局部组成的位移、距离测量平台。包括以下局部的开发研究:.设计并制作了基于单片机的图像数据读取、传输的控制系统。它采用作为控制系统的微处理器控制芯片,使得整个控制系统简单,高效。考虑到不能直接读取相机中的图片数据,本文选择芯片作为数据通信的桥接芯片。

4、针对所采集的图像数据量大,不广东工业大学硕士学位论丈利于读取和传输的问题,本文采用了函数重定向的方法,将数据采集系统获得的图片直接发送到图像处理局部。.提出了以像素数来计算位移、距离的测量方法。基于被测目标平移,像素数不变的原理,在被测目标上进行参考点距离标定,通过被测目标位移与参考点之间的像素数比例关系来计算被测目标的位移。通过沿拍摄方向前后平移相机,来获得两参考点之间的像素数差,从而推导出距离测量的计算方法。.实验分析了测量距离对位移和距离测量精度的影响;并考察了光轴偏角对位移测量精度的影响;通过对沿拍摄方向距离差研究分析,得到了该距离差与距离测量精度之间的关系。关键词:像素数;图像处理;

5、距离测量;远距离,. , , ,., ,?,. ., ? ., . . .,.,. , . , . ,.,. , ,.,广东工业大学硕士学位论文? 目 , ,.:. ,., , . . , .,. ,.:; ; ;目录目 录摘 要?.目 录?第一章绪论.研究背景及意义.国内外相关研究现状?.远距离非接触测量.数字图像测量技术.主要研究内容?如第二章测量平台的总体设计及组成?.测量平台的总体设计。.位移测量平台的组成及功能.图像采集局部.控制系统?.;.图像处理局部.小结?. 第三章测量原理与方法。.测量原理.平移不变原理.参考点之间像素数的计算?. .两参考点特征区域的提取.两参考点轮廓的边界

6、提取?.两参考点形心坐标的计算?。广东工业大学硕士学位论文.参考点形心坐标计算流程图?.小结?.第四章测量平台控制系统的设计?.处理器芯片选择.微处理器芯片选择?.单片机芯片的选择?.最小系统.数据通信芯片的选择?。.数据通信接口芯片的介绍.数据通信桥接芯片的选择.电路设计?.控制软件设计.图像数据的读取。.图像数据的传输?.小结?.第五章测量实验与分析.测量系统介绍与实验条件.位移测量实验数据分析.不同距离位移测量实验及距离对位移测量的影响?。.光轴偏角对测量结果的影响?.参考点间距对位移测量的影响?.距离测量实验数据分析.距离测量实验及距离对测量结果的影响?.对距离测量的影响.参考点间距对

7、距离测量的影响.、结?.结论与展望?参考文献?.攻读学位期间发表的论文?.独创性说明.目录致 谢广东工业大学硕士学位论文?.?. .?.?.?.?.?.?.?.:.:.?.?.?.?.?.?.?.?.?:.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?. 。.?.?.?.?. .?.?.?.?.?.。.?.哪.?。 .?.?.?. ? .?.?.?.?.?.?.?. . .?.?。.?.广东工业大学硕士擘位论文.?.?.?.:.:;?。第一章绪论第一章绪论.研究背景及意义一切物体,大至星系、恒星,小到分子、原子,只要它存在,无论静止或者运动,都会存在测量的问题;目前,高

8、度工业化的国家把全部劳动力的约%用来担任测量任务,其中%的工作量用于几何变量的检测?。随着科学技术的开展,各类产品的生产和各种装备的制造对加工精度要求越来越高,精密加工和超精密加工技术水平已经成为国家科学技术水平开展的重要标志。这也为测量技术提供了新的机遇与挑战。尤其是近年来纳米技术的不断开展,对测量精度提出要求的同时也为其提供了进步的手段心,。高精度的测量慢慢成为工业生产和科研中不可缺少的重要局部。现代测量方法在计量、工程测量和现代武器、空间技术等的开展中发挥了重要作用,测量的精度和效率在一定程度上决定了测量技术乃至科学技术开展的水平。随着近代工业的快速开展,对计量测试技术要求越来越高,航空

9、、军工、机械、建筑等各个领域中的许多测量要求在特殊的条件下进行,如高温、高压、高速、放射性及强腐蚀等恶劣环境,因此,开发研究远距离非接触测量具有重要的现实意义。远距离位移测量主要分两个方面,一是对室外远距离的大型目标的形变检测,;二是普通目标的非接触性位移测量。在第一方面典型应用包括对滑坡地区的山体检测,对桥梁等建筑的变形检测,从而为灾害预防提供可靠依据,或采用基于定位的方法随。在另一方面,主要是应用于数控机床的位置检测、材料的热变形、生产线的移动监测等方面。主要是利用磁、光、波等的手段,实现远距离测量。因此,对高精度和效率的测量技术深入研究,进行远距离非接触测量装备设计及控制系统的开发,是当

10、前迫切需要解决和开展的应用技术,对于促进我国的高新技术开展,提升国际综合竞争力,具有十分重要的理论意义和现实意义。广东工业大学硕士学位论文.国内外相关研究现状.远距离非接触测量位移、距离测量主要是通过将位移、距离转化成电磁信号、光信号、力的变化等方式检验物体的移动与否,同时定量分析所转化信号的大小从而间接计算出其位移量。下面是几种常见的远距离非接触测量装置的介绍测量技术,全球定位系统,通常简称,又称全球卫星定位系统,是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球外表绝大局部地区%提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。系统由美国国防部研制和维护,可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精

11、确确实定三维位置、三维运动和时间的需要。具有以下特点:第一,全天候,不受任何天气的影响;第二,全球覆盖高达%;第三,三维定点定速定时高精度;第四,测站间无需通视;第五,快速、省时、高效率;第六,应用广泛、多功能;第七,可移动定位。基于以上特点,越来越多基于的测量技术广泛应用于我们的工作和生活中。在道路、桥梁、隧道的施工中虽然已经采用电子全站仪等先进仪器设备,但常规测量方法受横向通视和作业条件的限制,作业强度大,且效率低,大大延长了设计周期,因此在当前的工程工程中大量采用设备进行工程测量。除了工程施工,在野外勘探及城区规划中的测量,个人旅游及野外探险的定位和车辆防盗系统等都大量采用了测量技术。测

12、量技术在远距离和超远距离的测量都能到达很高的精度,但是在几十米的测量范围内该测量方法就有其局限性了。磁尺测量?磁尺作为一种精度比较高的测量装置,它由磁性标尺、磁头和检测电路组成。利用录磁原理将一定周期变化的方波、正弦波或脉冲电信号,用录磁磁头记录在磁性标尺的磁膜上,作为测量的基准。检测时,用拾磁磁头将磁性标尺上的磁信号转化为电信号,经过检测电路处理后用以计量磁头相对磁尺之间的位移量。磁尺按其结构可分为直线磁尺和圆型磁尺,分第一幸绪论别用于直线位移和角度位移的测量。磁性标尺制作简单、安装调整方便,对使用环境的条件较低:如对周围电磁场的抗干扰能力较强,在油污、粉尘较多的场合下使用有较好的稳定性。高

13、精度的磁尺位置检测装置可用于各种测量机、精密机床和数控机床。磁尺检测是模拟测量,检出信号是一模拟量,必须经检测电路处理变换,才能获得表示位移量的脉冲信号。检测线路包括激磁电路、信号滤波、放大、整形、倍频、数字化等电路环节。根据该测量技术开发的磁致伸缩位移传感器不适用于强电磁辐射场所且价格相对其他位移传感器较为昂贵。激光干预测量。.,激光是一种新兴的光源,它有高度的相干性;波长频率宽度窄,是一种单色光,光度极高;光束的发散角小于.以下,有很好的方向性。由于激光有这些特性,因而广泛用于长距离、高精度的位置检测,测量中通常都是采用氦氖激光,其频谱宽度为.,波长名为.。激光测距利用光的干预原理,使两束

14、激光产生明暗相间的干预条纹,由光电元件接受并转换成电信号,经处理后由计数器计数,从而实现对位移的测量,由于激光的波长短,单色性好,波长稳定准确,测量的分辨率至少可,达州,如果利用倍频等电子技术还能获得更高的分辨率。中国计量科学研究院研制的纵向塞曼激光干预仪,其稳频点选在两条激光增益曲线之间,产生一对频差 的左、右旋偏振光这两个偏振光不在同一增益曲线上,合成波长为。利用光栅测量干预的剩余相位。系统测量长度可达,测量精度为.×一。中国清华大学梁晋文教授及博士生朱勤等人进行:激光器绝对距离测量研究。采用反射光栅构成色散腔进行线序选择,用等光强方法进行频率稳定。用双波长混合探测得到合成拍波信

15、号,通过谐波对准法进行小数级次的测量,得到× 的测量精度。激光干预仪的计量精度和分辨率都很高,但是它对使用环境的要求高,测量使用以及调试比较繁琐,而且价格也比较贵。超声波测量超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,有两种形式:横向振荡横广东工业大学硕士学位论文涉及纵向振荡纵波。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播,其传播速度不同。另外,它也有折射和反射现象,并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波,其频率较低,一般为几十,而在固体、液体中那么频率可用得较高。在空气中衰减较快,而在液体及固体中传播,衰减较小,传播较远。利用超声波的特性,可做成各种超声传感器,配

16、上不同的电路,制成各种超声测量仪器及装置。超声波发射装置发出超声波,根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离。超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑工地、工业现场等的距离测量,虽然目前测距量程上能到达百米,但测量的精度较低。.数字图像测量技术自从非接触测量受关注以来,基于激光¨?和超声波“的测量技术是最常用的方法。但是基于激光和超声波的测量方法的测量精度在很大程度上依赖于被测物外表的反射能力,如果测量外表不理想,那么测量系统通常会表现很差,由于测量系统存在这些问题会产生测量精度丧失,因此采用基于激光的测量仪器进行标定就会有一定的影响,而且这些测量方法在进行测量时对目标图像的记录存在一

17、定的难度。于是基于图像测量技术?,的位移、距离以及从摄影图像中获取目标几何特征的图像测量技术应运而生。图像测量技术是近些来在测量领域中出现的一种比较新型的高性能测量技术。它以光学成像技术为根底,将激光技术、计算机技术、电子学、数字图像处理技术等多种现代科学技术融为一体,构成光、机、电综合的测量系统。所谓图像测量技术,就是把测量的对象图像当作检测和传递信息的手段或载体加以利用的精确测量技术。其目的是从图像中提取有用的信号。它通过对所获得的二维或三维图像进行处理和分析,最终实现测量的目的。光电摄像器件的产生和普及是图像测量技术成为可能,特别是电荷耦合器件技术的开展,机一部促进了图像测量技术的形成和

18、开展。是一种集成电路,电荷耦合元件¨,.上有许多排列整齐的电容,能感应光线,并将影像转变成数字信号。经由第一章绪论外部电路的控制,每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。四十年来,器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展,特别是在图像传感和非接触测量领域的开展更为迅速。随着技术和理论的不断开展,技术应用的广度与深度必将越来越大。图像传感器作为一种新型光电转换器现已被广泛应用于摄像、图像采集、扫描仪以及工业测量等领域。作为摄像器件,与摄像管相比,图像传感器有体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、动态范围宽、光敏元件的几何精度高、光谱响应范围宽、工作电压低、功耗小、寿命长、抗震性和抗冲击

19、性好、不受电磁场干扰和可靠性高等一系列优点。图像测量技术受到越来越广泛的应用是因为其具备以下特点.非接触的测量方式:对被测量目标和测量者都不会产生任何损伤,具备其他测量方式无法比较的平安性能。.提高测量的精度:利用不同图像被测目标模式定位方法,尤其是亚像素定位技术,可以十分显著地提高被测目标的定位精度。.能测量传统测量方法不易于测量的物理量:许多肉眼无法分别的物理量。例如与被测相位有关的干预条纹的亮度变化量,不规那么区域的面积,连续变化的亮度、色彩场、条纹方位场、等都可以利用采用图像测量技术来实现;还有人无法长时间或者在恶劣环境下测量的目标,也可以通过图像测量技术进行研究。.对成像系统的高精度

20、标定和修正:成像标定和误差修正是精密测量的重要环节之一。用数字图像处理技术可以实现对拍摄系统高精度的标定和误差修正,为高精度图像测量提供坚实的根底。.自动化程度高:随着计算机技术的不断开展,各类图像采集、处理新硬件的出现为图像测量技术提供的新的方法和手段,再加上处理算法和自动化程度效率的提高,使得图像测量技术的处理分析的自动化程度有了很大的提高,这样极大地减少了计算处理的工作量和时间,为在线测量赢得了时间。图像测量技术在国内外开展很快,由于能够提供丰富的测量环境信息资源,图像测量方法获得了广泛的应用,例如,机器人的定位控制?,、交通事故调查、法医工程中的病症外表三维分析?,等。相关应用领域的不

21、断开展促使图像测量技术突飞猛进,数字图像技术和计算机技术的飞速开展使得图像测量技术的日益完善。廉价的微处理器支持的并行处理技术,用广东工业大学硕士学位论文于图像数字化的低本钱的图像卡,用于大容量、低本钱存储阵列的新存储技术,以及低本钱、高分辨率的彩色显示系统等更进一步刺激着这一技术领域的迅速成长。在科技高速开展的今天它将起着越来越重要的作用。上海交通大学的刘伟文,赵辉¨等人为提高在刚度测量中位移测量的精度,提出一种基于图形技术的微位移测量方法。该方法采用边界拟合和“路径匹配技术,通过该方法位移测量精度到达了亚微米级。该位移测量方法已用于弹性元件刚度测量仪中,并采用激光干预仪进行测量结

22、果的标定。结果说明,该位移测量方法稳定性好,速度快且测量精度能到达.。天津大学的孙学珠、付维乔¨¨等人开发的高精度光电测径系统,可以直接显示测量的结果,并且能够对次品进行自动筛选,对于直径处于.之间的物体,测量时间不超过秒,测量精度可以到达.。中科院上海技术研究所的钱思明桂林电子工业学院的陈跃林等人也做出了类似的应用系统。日本立教大学的.,提出了一种新的数字图像分析与统计误差分析的方法来进行精确位置监控方法。通过采用这种新的方法,位置确定分辨率能从微米提高到纳米。这种分析方法适用于为了专业目的的新的位移传感器。新建好的初始设备表现出了 左右的极高分辨率。?等人基于日本光电实

23、验室的 、开发了一种在水中光学被捕金属粒子的位移测量方法,该方法能到达纳米聚焦激光束使得金属粒子在二维空间被捕获。基于临界角的方法,利用从粒子反射回来的光来测量被捕金属粒子的位移。根据均分定理估算侧向弹簧系数到达/,并且随着入射激光功率的增大该系数也随之增大,于是通过被捕金属粒子来测量微力。近年,一些涉及立体视觉,的尖端技术在目标点三维坐标的测量中运用的越来越多,然而传统基于立体视觉的系统通常要求两台相机置于同一水平不同位移来获取两张不同的图像作进一步的分析。采用图像方法测量时需要模式识别和图像分析来对图像中的特征进行提取和匹配,因此该测量系统也就需要大容量和高速度的数字信号处理器,这也不可防

24、止的导第一辛绪论致该测量系统在系统的复杂性、处理的速度以及本钱方面的缺乏。由于处理速度受到限制,采用模式识别¨¨纠和图片分析¨?方法的实时测量的表现一般令人不满意,尤其是在嵌入式应用方面。近年,如光子混频器系统?在相机技术中的开展为二维实时测量提供了可能,但是光子混频器最大的缺点是相对低的分辨率或者说是相应视野的限制.。为了尝试解决这些问题,本文设计了数字图像技术的位移、距离测量平台。.主要研究内容本文主要研究能容如下:.提出了以像素数来计算位移、距离的测量方法。基于被测目标平移,像素数不变的原理,在被测目标上进行参考点距离标定,通过被测目标位移与参考点之间的像素

25、数比例关系来计算被测目标的位移。通过沿拍摄方向前后平移相机,来获得两参考点之间的像素数差,从而推导出距离测量的计算方法。.设计并制作了基于单片机的图像数据读取、传输的控制系统。它采用作为控制系统的微处理器控制芯片,使得整个控制系统简单,高效。考虑到不能直接读取相机中的图片数据,本文选择芯片作为数据通信的桥接芯片。针对所采集的图像数据量大,不利于读取和传输的问题,本文采用了函数重定向的方法,将数据采集系统获得的图片直接发送到图像处理局部。.实验分析了测量距离对位移和距离测量精度的影响;并考察了光轴偏角对位移测量精度的影响;通过对沿拍摄方向距离差研究分析,得到了该距离差与距离测量精度之间的关系:分

26、别考察了参考点间距对位移和距离测量的影响。广东工业大学硕士学位论文第二章测量平台的总体设计及组成.测量平台的总体设计像素是用来计算数码图片的一种单位,数码图片具有连续性的浓淡阶调,我们假设把图片放大数倍,会发现这些连续色调其实是由许多色彩相近的小方点所组成,这些小方点就是构成数码图片的最小单位“像素。根据图片中被测目标平面两参考点之间的像素数与位移的关系,推导出位移的测量方法;同样利用相机沿着拍摄方向前后移动的距离差与被测目标平面两参考点之间像素数的关系,根据三角形相似原理可以得到出距离测量的计算公式。根据以上测量方法,设计了中远距离的位移、距离测量平台。测量平台主要由图像采集局部、控制系统以

27、及图像处理三局部组成。其工作原理如下:图像采集系统主要负责图像数据的采集工作,控制系统在图像采集完成之后控制读取图像数据并将图像发送到图像处理局部,图像处理局部对图像进行计算处理,最后得到测量的距离和位移大小。图.测量平台结构组成示意图. 第二幸测量平台的总体设计及组成.位移测量平台的组成及功能.图像采集局部图像采集局部主要由数码相机组成,数码相机对被测物进行拍照进行图像数据的采集。由于在进行距离测量时,数码相机需要沿着拍摄方向前后移动,为了不改变数码相机移动前后拍摄的角度与水平高度,我们将数码相机固定在可以移动的三脚架上,并且每次移动后将三脚架的脚置于标记线上,尽量减少拍摄角度和水平位置带来

28、的误差,并根据测量的需要对数码相机的相关参数进行调整,从而实现测量的最正确效果。.控制系统控制系统的主要功能是实现对所采集图片的读取与传输,要实现这个功能,就必须选择对控制芯片进行选择。由于数码相机通过接口来进行数据通信,而单片机不能直接通过接口来进行数据的通信与控制,因此需要添加一个数据通信桥接模块,通过该模块单片机就读取图数码相机中的数据了。控制系统在读取完图像数据后,还需要将图像数据发送到图像处理局部。数码相机拍摄的图片一般都比较大,单片机不易于对大数据图片的传输,为此设计了数据的重定向功能,提高图片的读取和传输速度。.图像处理局部图像处理局部主要由计算机组成,计算机将接收到的图像数据在

29、软件中进行图像数据的计算处理。为了得到测量的距离和位移,根据推导出的测量公式,就必须得到两参考点之间的像素数,我们只需知道两参考点的像素坐标就可以计算出两参考点之间的像素数,我们利用软件对采集的图片进行特征区域的提取,根据灰度直方图提取参考点的轮廓,然后计算得到参考点的形心坐标。广东工业大学硕士学位论文.小结本章主要介绍了利用像素数与测量位移及距离的关系得出测量原理。并利用该原理设计了测量平台。测量平台主要有三个局部组成:图像采集局部、控制系统以及图像处理局部,并介绍了各个局部的结构组成及其功能。第三章测量原理与方法第三章测量原理与方法.测量原理.平移不变原理要测量物体平移后的位移大小,首先必

30、须要保证平移前后物体在图像中水平方向的长度不发生改变,下面我们来进行证明。,.上图为光学成像示意图,、为被测目标平面上两参考点。表示、两参点实际的长度,表示、两参考点在图片中的长度。现将被测目标平面平行移动,两参考点、分别相应移动到到、点,。两表示、两参考点在图片中的长度。由三角形相似关系可以得到:. 。:坐一?一曰。广东工业大学硕士学位论文.曰一 一,阢一岛过 ,卫通 和 可以 丝此到得一盘叩 ,轨一又被测 目标仅平行移动 那么.结合.和.得到:, , .又, ,.得到:, , , , .即, ,.由.得知,被测目标在平行移动前后,图片中被测目标平面中两点参考点之间长度并未改变。由此我们知道

31、,在拍摄条件不变的情况下,仅平行移动被测目标,并不会改变该被测目标在图片中的大小,基于该原理,我们确定以下测量方法。.位移测量方法假设被测目标平面垂直于数码相机光轴,且被测目标位于数码相机光轴附近,那么就能进行位移测量。如图.所示,测量目标外表同一水平直线上有两参考点、,、两点之间的实际距离为厶。平行移动测量目标距离,、两点分别移动到、点,移动距离分别为工。、厶,那么。厶,心、口。分别测量目标移动前后、两点之间距离在图像中的像素数,“、分别为测量目标移动前后、点的像素数差,一是该拍摄条件下数码相机水平方向的最大像素数。如果测量目标移动前后,拍摄条件没有改变,那么我么可以得到以下关系式:第三章测

32、量原理与方法?詈皇鼍?鼍皇墨置置?詈置鲁皇皇置皇皇盲皇昌詈昌昌?置?暑?量量皇暑鼍暑篁昌?暑皇皇皇暑墨?鼍皇皇皇昌皇皇詈.一:生:生:生.曲义。心虬.眺.。可以得到测量目标移动的距离:结合公式. . .。.惹我们测量出、两点之间的实际距离并得到、两点之间的像素数,就可以计算出测量目标的实际移动距离工。耋图测量目标移动前后示意图.? .距离测量方法假设测量目标平面和数码相机光轴垂直,测量距离和像素数之间那么存在如图.中的关系。图.是数码相机分别在不同拍摄距离和丙:时拍摄广东工业大学硕士学位论文的示意图,图中,表示透镜光心到镜头前端的距离,和:分别表示在、,的拍摄距离下,数码相机能拍摄的水平宽度最

33、大值,表示两参考点只、只之间的实际距离,啊和:分别表示在拍摄距离为啊和:时工表示的像素数,。表示数码相机的水平像素数的最大值,由前面可以知道这是一个固定值。假设两参考点只、忍之间的实际距离三不变,我们可以得到下像素数和测量距离存在如下关系:. 、熹:掣一一 一二:?.:。通过. 和. 我们可以得到?二?.由于位移。一:是由数码相机在拍摄时的前后移动得到的,于是根据图. 以如下表示:和:之间的关系通过三角形相丛盟:坐盟:世.,?二?一:一义. 幽如果数码相机沿着拍摄方向向前移动,将. 带入. ,就可以得到拍摄距离:.。,五:裁×五一,如果数码相机沿着拍摄方向向后移动,将内:一就可以得到

34、:.?啊而丽×一, 啊而厕×幽一,式 和. 中的表示的是数码相机沿着拍摄方向的位移,这是一个固定值。例如我们可以通过激光干预仪提前测量得到数码相机的前后移动位移大小. 计算出拍摄距。图.距离测量原理示意图 .透镜光心到镜头前端距离,的计算由于透镜光心是相机内部的一个物理量,我在对测量距离进行标足时无法标定透镜光心到被测目标平面的距离,因此我们为了方便标定对透镜前端到被测目标平面进行距离的标定,要得到测量距离,就必须计算出透,图中,。、。:、唧、%都是值,由三角形关系有:.他矾:。口.办,.。通过式.和.可以得到:.五。一丙朋:巩。一。口广东工业大学硕士学位论文即咖:坐竺二型

35、.。一,:又?:?: . 、 尘堕;冬,朋.端的距离:.驴晋数码相机?一徐 孑一.,广。 标尺/ 寺 / ,/一碰标尺/肜 一一 、 一图相机,计算示意图 .参考点之间像素数的计算要计算上一节图片中两参考点之间像素数,由于像素是数码图片的最小单位,我们只需知道参考点在图像中的像素坐标从而就能计算出两点的之间的像素数。如果通过手工方式来选取两参考点的坐标,并以此进行计章测量原理与方法算和分析,不仅工作量大而且参考点坐标值的选择的判断会因人而异,给计算结果带来较大的误差。因而选择一种数据处理功能强大、运算速度快捷且具有一定可编程能力的软件平台在数字图像处理中就显得尤为重要了。在这里我们选择常用的数

36、字图像处理软件,在数字图像处理方面有着明显的优势:具有强大的矩阵运算功能,在进行图像处理时可以防止许多反锁的运算;图形显示方便,可以在调试过程中随时观察图形的变化;带有丰富的图像处理函数库,其图像处理工具箱子、几乎涵盖了所有常用的图像处理函数,利用这些图像处理工具箱,并结合其强大的数据处理能力,可以不必关系图像文件的格式、读写、显示等细节,而把精力集中在算法研究上,大大提高了工作效率。而且,在测试这些算法时可以方便地得到统计数据,同时又可得到直观图示。.两参考点特征区域的提取图.计算两参考点坐标原始图 .? 为了得到两参考点的坐标值,等价于计算图.中两黑点的形心坐标。为此我们需要对图像进行处理

37、,由于图像中存在其他区域与参考点的灰度值相近,因此不能直接提取两点的灰度阈值范围,通过观察我们发现参考点附近区域的灰度比照比较明显,故提取包含两点的矩形区域为特征区域,图像转化为灰度图,并将特征区域之外灰度值取,于是我们得到了图.。广东工业大学硕士学位论文目目自目目目目目目自目 目图特征区域灰度处理后图像.?.两参考点轮廓的边界提取通过中的函数我们可以得到特征区域的灰度直方图,如图.所示。.从灰度直方图我们发现特征区域灰度值主要分布在到这个区间,而特征区域外的灰度值为,因此我们可以利用函数选择图中第三章测量原理与方法灰度值为到的区域,于是我们可以得到两参考的点的轮廓,如图.所示。图?参考点轮廓

38、图.? .两参考点形心坐标的计算得到两参考点的轮廓边界后,再利用函数中的区域特征属性就可以得到参考点的重心坐标,又因为不需要考虑密度,所以参考点的重心就是其形心。于是得到了两参考点的形心坐标,由于被测目标是水平方向平行移动,因此我们只需要考虑两参考点方向的坐标值,通过计算可以得到两参考点方向的坐标差,这个坐标差也就是我们所需要的两参考点之间的像素数。广东工业大学硕士学位论文图参考点形心坐标的计算.?由于图像处理对物体的边缘轮廓要求比较高,为了减少边缘毛刺带来影响,实验中选取两块由加工中心切割的 的金属薄板置于同一水平线作为被测目标,实验中通过计算两金属板的形心坐标来得到两场考点之间的像素数。.

39、参考点形心坐标计算流程图通过前面提出得形心坐标计算方法,我们计算出了两参考点之间的像素数,其程序流程图如图 所示第三章测量原理与方法图?形心坐标计算流程图.?.小结本章首先证明了物体外表垂直于数码相机光轴时,平行运动时并不改变物体成像大小,并提出了利用像素数来计算物体位移的方法;根据光学成像原理推导出了位移计算公式;利用数码相机前后移动的位移差,提出了距离测量方法,并再测量环境中计算出透镜光心到镜头前端距离。这一关键参数;最后利用软件编写程序计算出物体外表参考点的形心坐标,从而计算出两参考点之间的像素数。广东工业大学硕士学位论文第四章测量平台控制系统的设计.处理器芯片选择.微处理器芯片选择微处

40、理器芯片的选择是自动化控制装置的一个重要环节,它直接影响到位移测量装置的系统性能、本钱及开发难度。目前能够满足本测量系统使用要求且应用广泛的处理器芯片主要有下面几种:单片机:单片机是把中央处理器、存储器、定时/计数器各种输入输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。与应用在个人电脑中的通用型微处理器相比,它更强调自供给不用外接硬件和节约本钱。它的最大优点是体积小,可放在仪表内部,但存储量小,输入输出接口简单,功能较低。单片机的工作相对独立,一个典型的微控制器只需要一个时钟发生器和很少的和或者,就可以在软件和晶振下工作了。同时,微控制器具有丰富的输入输出设备,例如模拟数字转换器、定时器,

41、串口,以及其他串行通讯接口,比方,串行周边接口,控制器局域网等。单片机的系统扩展、系统配置较典型标准,容易构成各种规模的应用系统。数字信号处理器:是一种独特的微处理器,是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号,转换为或的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化,并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性,而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序,远远超过通用微处理器,是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。其主要特点有:分开的程序存储器和数据存储器哈佛结构;用于单指令流多数据流作业的特殊指令集;可进行并行处理,但不支援多任务;用于宿主

42、环境时可作为直接内存存取设备运作从模拟数字转换器获得数据,最终输出的是由数字模拟转换器转换为模拟信号的数据。虽然在第四章测量平台控制系统设计图像处理上有一定的优势,但在本钱上,价格比单片机要高出十倍或数十倍以上。微处理器:,是一个位精简指令集处理器,其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于节能的特点,处理器非常适用于行动通讯领域,符合其主要设计目标为低本钱、高效能、低耗电的特性。对寻址确实在上为 个暂存器的其中一个以及前递加或后递加的寻址模式。与单片机相比较,设计复杂且价格昂贵不适合作为控制系统的核心。通过以上比较和分析,由于我们在对图像进行计算处理是通过计算机来来实现的,并且考虑到位移测量装置

43、的实际情况,选择功能丰富、价格低廉、用范围广泛的单片机作为位移测量控制系统的核心芯片。.单片机芯片的选择单片机作为技术飞速开展的一个重要产品,应该采用一个较为科学的分类方法。根据当前开展情况来看,从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。总的来说,单片机芯片的选择应根据实际的测量控制系统需要而确定。根据应用场合和应用目的的不同,对单片机芯片的选择也是不同的。下面分别对 系列,系列和系列单片机性能进行比较。系列:作为一种位元的单芯片微控制器,属于同步式的顺序逻辑系统,整个系统的工作完全是依赖系统内部的时脉信号,用以来产生各种动作周期及同步信号。 单片机中已内建时钟产生器,在使用时只需接上石英晶体谐振器或其它振荡子及电容,就可以让系统产生正确的时钟信号。具备以下特点:可以仿真程序空间,接近的 位地址空间;可以仿真空间.全部的位地址空间;可以真实仿真全部条脚;完全兼容 调试环境,可以通过环境进行单步,断点,全速等