视觉测量技术在数字图像处理课程设计中的应用

1、 万方数据实验技术与管理Vc+是面向对象可视化编程的高级程序设计语言,功能强大,灵活,执行效率高,常用于实际工程软件的程序编制。为了提高学生的编程能力和实际工程设计能力,在数字图像处理课程设计中采用VC+软件处理图像。作者所在的课题组是视觉测量技术北京市市属高校创新团队,承担了多项视觉检测方面的项目,并对科研成果转化为实践教学的问题进行探索。1题目设计该题目名称为“典型零件尺寸的视觉测量”。给定一些参考资料的条件下,要求学生在视觉测量实验台上,完成系统的搭建,采用VC+编制程序,实现CCD相机图像的采集、系统的调焦和标定,并最终完成图像的处理,实现零件尺寸参数的测量。被测物选择边缘为圆弧和直线

2、的简单组合的工件,可以根据学生掌握知识情况和课程设计周数确定各种技术要求。虽然学生没有专门学习过该软件,但是由于有“C 语言程序设计”的基础,学习起来相对容易。学生在老师进行讲解辅导的基础上,自学VC+编程基本操作。因此可以通过该题目的完成,使学生掌握VC+的使用。由于时间有限,单靠个人的努力很难圆满完成这样的复杂题目,所以选题采用分组进行的方法,不同的组给予不同的工件或者不同的测量要求。组员间进行分工协作,共享知识信息,共同商讨、论证问题的解决方法,通过相互配合、相互帮助,达到相互促进、共同提高的目的。“学会合作”也是新时期对科技人才素质的要求,因此这种分组方式有利于培养学生的团结协作精神。

3、2实践内容(1系统搭建与部件选择。根据给定的被测工件,搭建视觉测量系统,系统实验台如图1所示。一个典型的视觉测量系统通常由以下几个部分组成:机械定位部分、照明光源、CCD相机、图像采集卡、计算机及软件系统阳。比较典型的被测工件如图2所示,要求测量工件的4条边的相互角度和圆孔半径。需要通过设计计算和实验分析,选择合适的光源和镜头。光源的选择要使得所成的工件图像尽可能清晰,便于后续的图像处理。根据被测工件大小和CCD 成像芯片的大小选择合适的镜头,使工件尽可能地充满整个图像,以增加测量精度。(2VC+基本操作学习。根据实验指导书,在教师的讲解指导下学生掌握VC+基本知识和操作,学会VC+界面的编制

4、以及程序的编译、调试和图1视觉测量系统实验台图2典型被测工件图像执行方法。(3图像获取及预处理。编制程序框架,实现工件图像的采集及程序中图像处理方法,同时能够实现图像的平滑、滤波等处理4。(4视觉测量系统的调焦。在视觉测量系统中,进行准确调焦是获得一幅高质量的图像的基础,也是高精度测量的前提。通常,判断图像聚焦与否是通过图像清晰度评价函数(调焦函数来衡量的,评价函数的好坏直接影响着调焦的精度。目前国内外学者提出了许多调焦函数,学生可以通过查阅文献选择调焦函数,实现视觉测量系统的调焦5。(5边缘的获取及拟合。视觉测量图像最基本的特征是边缘,边缘指图像局部亮度变化最显著的部分。常用的边缘检测算子有

5、Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子、Laplacian算子等。由于这种视觉检测系统的工件图像一般边缘简单且对比度高,所以采用先阈值分割再提取轮廓的方法来获取边缘点。为了方便边缘点的后续处理,可以采用边缘跟踪的方法将边缘点按边缘方向存储。根据图像边缘点拟合工件的参数,通过查找资料掌握最小二乘法拟合原理,并实现利用边缘点、采用最 IJ、-乘法拟合出直线参数和圆参数的程序。万方数据 万方数据 视觉测量技术在数字图像处理课程设计中的应用作者:刘力双, 吕勇, 郎晓萍, 邓文怡作者单位:北京信息科技大学,光信息科学与技术系,北京,100192刊名: 实验技术与管理英文刊名:EXPER

6、IMENTAL TECHNOLOGY AND MANAGEMENT年,卷(期:2010,27(5被引用次数:0次参考文献(7条1.盛利元,李宏言,孙克辉."数字图像处理"实验教学探索与实验软件研制J.电气电子教学学报,2005,27(3:75-77,82.2.姜珊,双凯."数字图像处理"课程的实验教学改革J.实验室研究与探索,2006,25(5:644-646.3.孙双花.视觉测量关键技术及在自动检测中的应用D.天津:天津大学,2007.4.何斌,马天予,王运坚,等.Visual C+ 数字图像处理M.北京:人民邮电出版社,2001.5.刘力双.视觉系统

7、中调焦函数的选择方法研究J.北京机械工业学院学报,2008(3:1-4.6.郎晓萍,刘力双.图像测量中快速边缘亚像素定位研究J.工具技术,2009,43(3:89-92.7.刘力双.一种基于网格的视觉测量系统高精度标定方法J.工具技术,2008,42(10:140-144.相似文献(10条1.学位论文朱宏德异型材断面尺寸视觉检测技术研究2006测量的视觉化方法是测量领域的新方向,随制造业和计算机技术的发展而出现,它采用工业摄像头或其他光电成像器件对被测物体成像,用数字图像处理技术及其分析技术完成图像目标的识别及检测。视觉测量技术比传统测量技术在某些方面具有比较显然的优越性,如比较容易实现自动化

8、测量、快速测量和非接触式测量。目前视觉技术在众多领域得到广泛地应用,特别是在制造业中应用于产品的测量和检测。在生产中,常常需要测量某些工件断面的几何参数。例如塑钢门窗型材断面等。目前国内对这类产品的测量多是停留在手工卡尺测量的水平上,只能少量的采样抽检,产品的高合格率得不到保证。为适应这种需求,本课题设计了一种利用视觉方法实现工件断面尺寸和形位参数自动测量的系统。主要研究内容为图像处理和测量算法,实现图像分析,图像匹配,系统标定和参数测量等功能,完成了工件断面自动视觉测量的软件。采集到的图像预处理是视觉系统中必不可少的重要步骤,针对常见断面图像的特点,利用Canny边缘化方法,在维护边缘定位精

9、度的基础上,实现了理想的单像素封闭边缘,为下一步图像分析做好准备。寻找和定位被测量元素一直是视觉测量的重点和关键所在。论文在边缘图像的基础上,采用面积匹配的方法,通过动态改变步长实现边缘图像和输入标准图像的匹配。标准图像是一个由被测件设计图纸生成的包含所有测量元素信息的位图,因此,匹配完成后,也就实现了全部的测量元素的定位;然后再按要求对各种尺寸和形位参数进行测量。精确的定位边缘,正确的匹配测量元素,合理的测量方法,这些保证了系统在一般配置下对常见尺寸及形位参数的测量达到了一定的精度,满足一般工件对尺寸的精度要求。2.学位论文常怀德汽车碰撞试验中车身标志点的视觉测量技术2005本文研究开发了一

10、种汽车碰撞试验过程中车身标志点的视觉测量系统.文中对该系统进行了理论研究和软、硬件设计,并给出了此视觉测量方案数学模型的推导、演算及求解过程.首先利用高分辨率的数字相机对贴有标志点的汽车车身进行拍照,得到车身标志点的二维图像;然后根据透视投影、数字图像处理、相机成相原理等理论对所获得的图像进行分析和处理,得到这一位置的相机坐标系下标志点的三维坐标值,同理,可获得其它位置的相机坐标系下标志点的三维坐标值;再利用坐标变换技术将不同位置的相机坐标系下标志点的三维坐标值转换到同一相机坐标系下,并显示输出;最后,将这种车身标志点的视觉测量系统用于实车碰撞前后车身标志点的现场测量,并将测量结果与三坐标测量

11、仪的测量结果进行对比,通过实践应用证明了该方案的可行性.该测量系统具有硬件成本低、测量速度快、使用方便、操作环境不受限制、便于实时测量等优点,当测量的标志点数足够多时,即可实现整个汽车车身表面的测量,因而又为反求工程提供了一种全新的三维数据获取方法.3.期刊论文黄风山.刘书桂.彭凯.HUANG Feng-shan.LIU Shu-gui.PENG Kai光笔式视觉测量中被测特征点像面坐标提取方法的研究-机床与液压2005,""(10针对光笔式视觉测量中被测特征点像面坐标的提取问题进行了研究.依据数字图像处理理论并结合本系统中被测特征点的成像特点,给出了图像处理过程及实际处理

12、结果;针对椭圆形光斑中心点像面坐标的获取提出了椭圆曲线拟合法和灰度质心法,分析结果表明,灰度质心法应用于本测量系统中是可行性的.4.学位论文孔祥林板材表面缺陷计算机视觉测量在实木地板块自动分等中的应用研究1999在实验中建立了套以计算机视觉技术为基础,应用模式识别技术对桦木地板块分等系统.系统处理分成四个过程:地板块表面图像处理、缺陷特征量提取、缺陷模式识别和地板块分等.根据实验室已有设备条件,实验中未对分等速率做出硬性规定,而主要致力于寻求一种实现地板块自动分等的理论和可行的方法.在分等过程中,地板块表面图像处理和缺陷特征量提取是研究的关键性问题,因为该地板块分等是建立在地板块表面材质缺陷的

13、基础上进行的.在缺陷模式识别,采用了BP神经网络的方法实现缺陷的分类和识别.在地板块分等过程中打用了对理论实现分等.该文首先利用了MATLAB语言设计系统原型.然后,用C语言对系统进行开发,在程序设计中,采用了模块化技术,使软件系统的移植性更好,从而也提高了编程的效率.5.学位论文王红明核电蒸汽发生器管板单目视觉测量研究2007本文基于秦山期600MW核电蒸汽发生器管板检测项目,研究了单目视觉测量技术理论与应用。蒸汽发生器管板的几何检测项目主要为管孔孔径、孔桥、孔心距。当前的检测方法,如利用卡尺手工量测和工业测量系统等,存在接触变形、检测速度慢、检测工作量大等诸多不足。因此本论文提出了一种基于

14、单目视觉的无接触快速管板自动检测方法。论文提出了单目视觉检测系统的构建方案。主要包括:数码相机、一组基准尺、光源、计算机等。数码相机的主要功能是获取管板数字图像;基准尺作为长度控制基准用于替代控制点;光源用于照明:计算机及系统软件主要用于数字图像处理,以及数据存储、管理、分析等。论文推导了基于长度控制的像片外方位元素求解公式,完善了基于长度约束的单目视觉测量理论。首先采用Canny边缘检测算法检测管孔边缘;再推导了基于长度控制的像片外方位元素求解方法,进行透视投影得到点位实际坐标值;最后进一步进行数据分析,得到板管管孔的几何信息,从而判断每个管孔加工是否合格。论文分析了单目视觉测量的各种误差因

15、素。如相机标定问题、目标提取精度、影像内外方位元素解算精度、基准尺几何精度、管板平面度等。对各项误差进行了定量分析,提出了相应的控制措施。依据论文所述理论,用VC+6.0研制开发了蒸汽发生器管板自动检测系统软件,其在10分钟内可以检测100个以上管板管孔,在400mm×400 mm范围内精度优于0.05 mm。达到了系统的设计要求。6.学位论文谢斌基于BP神经网络和机器视觉测量的并行控制系统研究2006柔性物料高速加工时产生的变形,采用单纯的闭环反馈,往往造成较严重的振荡,难以进行实时补偿,严重影响加工效率。而采取前馈控制方式时往往只能采用一些经验数据进行加工前修正,误差较大。本文为

16、克服单纯前馈与单纯反馈控制的缺点,引入神经网络和计算机视觉测量技术,以绗缝机为典型的研究对象,对柔性物料的位置变形采用前馈与反馈结合的方法。在加工每一针前根据设定轨迹、运动参数、物料材质、当前加工位置等先用BP神经网络得到加工点粗略的变形量,对加工轨迹进行预补偿。加工时动态采集加工点的局部图像,经数字图像处理得到加工点实际坐标与设定坐标的偏差值,一方面将所得值作为神经网络的输出样本,结合相关参数对神经网络进行在线培训,另一方面将此偏差值与加工点设定坐标之和(即加工点实际坐标用神经网络的输出进行预补偿,求出其与针头实际位置的差值作为PID控制器的输入,从而提高控制系统的动态特性,实现快速精确绗缝

17、的自动化加工。本文对基于BP神经网络和PID的并行控制进行了MATLAB仿真,仿真结果证明BP神经网络和PID的并行控制与单独PID控制相比,系统的性能有了很大提高。本文还对柔性物料变形量的机器视觉测量提出了实现方法和系统方案,并用VC+编写的软件对其进行了验证。为针对神经网络运算量大的特点,本文提出了基于PCI总线的FPGA解决方案,在对BP算法进行仔细分析的基础上,对系统中两个主要的基本单元的设计进行了初步探讨。7.会议论文宋少娜.项辉宇板料成形塑性应变视觉测量方法2008为了研究板料零件塑性变形的数值和应变分布,最简便实用的方法是在金属板料表面印制坐标网格.对于坐标网格变形后的测量,传统

18、的方法是用尺子和分隔器、带有刻度的透明尺或带有刻度的显微镜对成形网格进行手工测量.本文采用视觉测量的方法对变形后的网格进行分析测量.在该测量方法中数字图像处理、摄像机的标定、应力分布的计算是三个关键部分.为了掌握该测量方法和其在板料成形应变测量中的应用,本文对这三个关键部分进行了研究.试验结果表明该方法受环境影响小、成本低、易操作,适合大型零件应变测量分析的要求.8.学位论文肖胜兵结构光面扫描误差分析系统的设计2006逆向工程是一门快速发展的新兴学科,是一门综合运用计算机视觉、计算机图形学、控制理论、数字图像处理、传感器等各种先进理论、技术和方法的系统工程,是各学科交叉的前沿研究领域。逆向工程

19、与快速成型的结合,带来了一种全新的产品设计、制造及三维尺寸测量模式。目前国外的反求设备和软件的发展较快,水平较高,但是价格也很昂贵,因此,开发出国产的设备和软件是当务之急。本文概述了逆向工程技术在国内外的研究、应用状况及其在快速成型技术中的重要作用,同时对本课题的理论及现实意义作了阐述。本文提出的结构光面扫描三维测量系统是基于机器视觉光栅编码原理的结构光扫描双目视觉测量技术。本文对结构光面扫描三维测量的硬件系统作了精心的选择和设计并对本测量系统误差分析软件中的关键技术的算法及实现做了详细的论述。该误差分析部分分为三维数据格式的读取和显示、基于拾取点的三维图形的预拼合和基于ICP算法的三维图形的

20、完整拼合、误差值的求取和误差值的彩色显示三个技术单元。误差分析部分是结构光面扫描三维测量系统的一个重要环节,本文讨论了包括人机交互界面拾取、多视数据对齐定位及不同三维数据间的误差值求取等技术。另外针对结构光面扫描三维测量系统和本误差分析软件部分的特点,提出了一种快速的“基于正交投影射线法”的空间点拾取技术和在误差值求取过程中一种高效的判别“点在三角形内”的方法,并给出具体实现细节。最后对本人所做的工作进行了总结,并对逆向工程技术的发展前景作了展望。9.学位论文施启乐反求系统中图像获取与处理若干问题的研究2004反求工程是一门综合运用计算机视觉,计算机图形学,控制理论,数字图像处理,传感器等各种先进理论、技术和方法的系统工程,是各学科交叉的前沿研究领域.HRE-IA是基于计算机双目视觉的激光扫描测量系统,作为一型成功商品化的研究成果,该系统取得了令人满意的效果.本文围绕如何提高获取图像的质量、图像处理、三维重建、离散点云处理至CAD建模,重点讨论了测量硬件的选择,图像处理的算法,三维重构的原理,以及点云处理和通用CAD模型的建立等一系列关键性环节影响图像采集质量有很多种因素,在本文中分析了测量数据获取硬件镜头、CCD摄像机以及图像采集卡的各项性能与特点,并分别提出了选择标准,为今后这硬件的选取提供了针对性很强的参考,同时详细地讲解了双通道同