二次元影像測(cè)量?jī)x系統(tǒng)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)</b></p><p>　　一、畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 二次元影像測(cè)量?jī)x系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　二、畢業(yè)設(shè)計(jì)工作自__2012___年____ 2_月20__日 起至_2012_年 6 月8__日止</p><p>　　三、畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行地點(diǎn): 陜西理工學(xué)院 &l

2、t;/p><p>　　四、畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容要求：</p><p>　　指 導(dǎo) 教 師 陳曼龍 系(教 研 室)測(cè)控技術(shù)與儀器</p><p>　　系(教研室)主任簽名 批準(zhǔn)日期 2011-12-31 </p><p>　　接受設(shè)計(jì)任務(wù)開(kāi)始

3、執(zhí)行日期 學(xué)生簽名 </p><p>　　二次元影像測(cè)量?jī)x系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　[摘要]在國(guó)內(nèi)幾何尺寸參數(shù)的檢測(cè)已經(jīng)進(jìn)行了一些研究和探索。測(cè)量方式從機(jī)械量具測(cè)量和接觸式測(cè)量方式發(fā)展到現(xiàn)在的光電測(cè)量法。伴隨著計(jì)算機(jī)圖形圖像處理、光電技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，視覺(jué)測(cè)量技術(shù)在工業(yè)測(cè)量中

4、得到廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)就是應(yīng)用視覺(jué)測(cè)量技術(shù)來(lái)檢測(cè)在零件輪廓的幾何參數(shù)。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)主要是利用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)幾何尺寸測(cè)量，利用面陣CCD對(duì)所測(cè)零件進(jìn)行圖像采集，然后利用圖像采集卡，把所采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，然后對(duì)數(shù)字信號(hào)經(jīng)行濾波處理，然后對(duì)所測(cè)量的圖像經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的處理，算出所測(cè)量的幾何尺寸參數(shù)。本次設(shè)計(jì)主要是測(cè)量幾何零件尺寸，長(zhǎng)度，圓直徑，半徑，角度等。具有快速測(cè)量，和非接觸測(cè)量等很多優(yōu)

5、點(diǎn)。</p><p>　　[關(guān)鍵詞]幾何尺寸測(cè)量 ；圖像數(shù)別技術(shù) ； 光電技術(shù) ； 快速測(cè)量 ；非接觸測(cè)量</p><p>　　Two dimensional imaging measurement system design</p><p>　　Abstract：In the domestic dimension parameter detection has d

6、one a lot of research and exploration. measuring ways has changed ，form mechanical measuring and contactmeasure way to development of the photoelectric measuring method. With the develpmengt of computer graphics and ima

7、ge processing, optoelectronic technology and other disciplines related to the development，now vision measurement technique has used more and more popular. This designaccompanied by vision measurement technology to check

8、</p><p>　　The design by use of image recognition technology to check the geometry dimension .First，using area array CCD to grasp image acquisition of the object to be measured .Second， use the image capture

9、card，to convert analog signals into digital signals .Third ，the digital signal filter processing will be performed.Finally，by use of computer to measured image calculate the measurement geometry parameters .This design i

10、s mainly to measure geometric dimensions of parts, length, diameter, radius, angle,</p><p>　　Key Words：Geometric size measuring Image identification technology Photovoltaic technology rapid measurement

11、 non-contact measurement</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)1</p><p>　　1.1.1機(jī)器視覺(jué)1</p><p>　　1.1.2機(jī)器視覺(jué)

12、檢測(cè)技術(shù)1</p><p><b>　　1.2虛擬儀器2</b></p><p>　　1.3機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的發(fā)展現(xiàn)狀3</p><p>　　1.4設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容3</p><p>　　1.5設(shè)計(jì)的背景和意義4</p><p>　　2 影像測(cè)量?jī)x測(cè)量系統(tǒng)6</p><p

13、>　　2.1影像測(cè)量?jī)x系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6</p><p>　　2.2 系統(tǒng)硬件6</p><p>　　2.2.1 CCD相機(jī)6</p><p>　　2.2.1.1 CCD相機(jī)的分類6</p><p><b>　　2.2.2光源8</b></p><p><b>　　2

14、.2.3鏡頭8</b></p><p>　　2.2.4圖像采集卡9</p><p>　　2.3系統(tǒng)軟件平臺(tái)10</p><p>　　2.3.2IMAQ視覺(jué)模塊12</p><p>　　2.3.3程序總體框架14</p><p>　　3 圖像采集和預(yù)處理15</p><p>

15、;<b>　　3.1引言15</b></p><p>　　3.2 圖像的采集設(shè)計(jì)15</p><p>　　3 .3圖像增強(qiáng)15</p><p>　　3 .3 .1直方圖15</p><p>　　3.4圖像濾波16</p><p>　　3.4.1均值濾波17</p><

16、;p>　　3.4.2中值濾波17</p><p>　　3.4.3高斯平滑濾波17</p><p>　　3．5邊緣檢測(cè)18</p><p>　　3.5.1 一階微分算子18</p><p>　　3.5.2 LOG算子19</p><p>　　3.5.3 Canny算子20</p><

17、;p>　　3.6圖像的處理21</p><p>　　4 CCD相機(jī)標(biāo)定22</p><p><b>　　4．1引言22</b></p><p>　　4．2相機(jī)標(biāo)定23</p><p>　　5 步進(jìn)電機(jī)控制25</p><p>　　5.1 步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)組成和步進(jìn)電機(jī)工作原理：2

18、5</p><p>　　5.2程序設(shè)計(jì)25</p><p><b>　　6 精度分析29</b></p><p>　　6.1 精度分析：29</p><p>　　6.1.1標(biāo)準(zhǔn)不確定度U( Ls1) 的評(píng)定29</p><p>　　6.1.2標(biāo)準(zhǔn)不確定度 U( Ls2)的評(píng)定29<

19、/p><p>　　6.1.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度U( Ls3) 的評(píng)定29</p><p>　　6.1.4 輸入量Ls的標(biāo)準(zhǔn)不確定度U ( Ls1) 的計(jì)算30</p><p>　　6.2.1數(shù)學(xué)模型30</p><p>　　6.2.2 各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總30</p><p>　　6.2.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算3

20、0</p><p>　　6.3 擴(kuò)展不確定度的評(píng)定30</p><p>　　6.4測(cè)量不確定度的報(bào)告和表示30</p><p><b>　　致謝31</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)32</b></p><p><b>　　1 緒論</b&

21、gt;</p><p><b>　　1.1機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)</b></p><p><b>　　1.1.1機(jī)器視覺(jué)</b></p><p>　　機(jī)器視覺(jué)是研究用相機(jī)和計(jì)算機(jī)來(lái)模仿人的眼睛和大腦完成對(duì)目標(biāo)的識(shí)別、跟蹤和測(cè)量等任務(wù)的科學(xué)【1】。由于機(jī)器視覺(jué)涉及到多個(gè)學(xué)科，給出一個(gè)精確的定義是很困難的。美國(guó)制造工程師協(xié)會(huì)(SME)機(jī)

22、器視覺(jué)分會(huì)和美國(guó)機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)(RIA)自動(dòng)化視覺(jué)分會(huì)關(guān)于機(jī)器視覺(jué)的定義是：“機(jī)器視覺(jué)是使用光學(xué)器件進(jìn)行非接觸感知，自動(dòng)獲取和解釋一個(gè)真實(shí)場(chǎng)景的圖像，以獲取信息或控制機(jī)器或過(guò)程?！?lt;/p><p>　　人們從20世紀(jì)50年代開(kāi)始研究二維圖像的統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別，60年代Roberts開(kāi)始進(jìn)行三維機(jī)器視覺(jué)的研究，70年代中期，Mrr人工智能實(shí)驗(yàn)室正式開(kāi)設(shè)《機(jī)器視覺(jué)》課程，80年代初期開(kāi)始了全球性的研究熱潮，機(jī)器視覺(jué)獲得了

23、蓬勃發(fā)展，新概念、新理論不斷涌現(xiàn)。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高和圖像處理與傳輸技術(shù)的日益成熟，機(jī)器視覺(jué)在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用也加快了步伐?，F(xiàn)在機(jī)器視覺(jué)已經(jīng)廣泛地用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、航空、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中。同時(shí)，機(jī)器視覺(jué)在理論研究上也取得了很大的發(fā)展，現(xiàn)在機(jī)器視覺(jué)涉及了多們學(xué)科，包括：光學(xué)、機(jī)械、圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、模式識(shí)別、人工智能、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。</p><p>　　1.1.2機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)</p>

24、<p>　　隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，先進(jìn)制造技術(shù)的研究和應(yīng)用越來(lái)越廣泛。先進(jìn)制造技術(shù)以及自動(dòng)化制造系統(tǒng)和先進(jìn)生產(chǎn)模式的推廣應(yīng)用都要求先進(jìn)的檢測(cè)手段與之相適應(yīng)。將機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用到制造業(yè)的檢測(cè)領(lǐng)域中，用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)確定產(chǎn)品相對(duì)于一組標(biāo)準(zhǔn)要求的偏差的過(guò)程通常稱為機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)【2】。它特指機(jī)器視覺(jué)在工業(yè)檢測(cè)方面的應(yīng)用，是機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用和研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支。視覺(jué)檢測(cè)就是檢測(cè)被測(cè)目標(biāo)時(shí)，把圖像當(dāng)作檢測(cè)和傳遞信息的手段或載體加以利用的檢

25、測(cè)方法，其目的是從圖像中提取有用的信號(hào)，它是以現(xiàn)代光學(xué)為基礎(chǔ)，融合電子學(xué)、計(jì)算機(jī)圖像學(xué)、信息處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等科學(xué)技術(shù)為一體的現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)。由于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于與設(shè)計(jì)信息及加工控制信息集成，基于視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的儀器設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)智能化、數(shù)字化、小型化、網(wǎng)絡(luò)化和多功能化，具備在線檢測(cè)、實(shí)時(shí)分析、實(shí)時(shí)控制的能力，在軍事、工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用【3】【4】。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)通常涉及指定零件的特征如配件完整性

26、、表面完好性和幾何尺寸的測(cè)量等。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的工作過(guò)程大致為：首先，使用相機(jī)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，圖像系統(tǒng)對(duì)這些圖</p><p><b>　　1.2虛擬儀器</b></p><p>　　虛擬儀器(virtual Instrument)是日益發(fā)展的計(jì)算機(jī)硬、軟件和總線技術(shù)在向其它相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域密集滲透的過(guò)程中，與測(cè)試技術(shù)、儀器儀表技術(shù)密切

27、結(jié)合共同孕育出的一項(xiàng)全新的成果【5】。虛擬儀器利用IO接口設(shè)備完成信號(hào)的采集與處理，利用計(jì)算機(jī)的顯示功能來(lái)模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式輸出檢測(cè)結(jié)果，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理，從而完成各種測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，也是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。虛擬儀器可利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，構(gòu)成既有普通儀器的基本功能又有一般

28、儀器所沒(méi)有的特殊功能的高檔、廉價(jià)的新型儀器。它可建立中英文界面的虛擬儀器面板，完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示，它改變了傳統(tǒng)儀器的使用方式，使儀器的功能和使用效率明顯提高，大幅度降低了儀器的價(jià)格，使用戶可以根據(jù)自己需要定義儀器的新功能。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號(hào)的輸入輸出，軟件才是整個(gè)儀器的關(guān)鍵，基于軟件體系的結(jié)構(gòu)可以大大節(jié)省開(kāi)發(fā)和維護(hù)的費(fèi)用。虛擬儀器的品種多、功能強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、具有良好的</p><

29、;p>　　1.3機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　在國(guó)外機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)從上世紀(jì)八十年代初開(kāi)始已經(jīng)得到了廣泛的研究，國(guó)內(nèi)的機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)研究從上世紀(jì)九十年代才逐步開(kāi)始。當(dāng)前，隨著機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的增加，對(duì)機(jī)器視覺(jué)的研究也越來(lái)越多。根據(jù)機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用領(lǐng)域不同，對(duì)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的研究可以分為不同的種類，不同的學(xué)者對(duì)分類也有不同的見(jiàn)解。文獻(xiàn)【4】將工業(yè)中應(yīng)用的機(jī)器視覺(jué)質(zhì)量控制系統(tǒng)分為四個(gè)類別：尺寸質(zhì)量、表面

30、質(zhì)量、裝配結(jié)構(gòu)和操作質(zhì)量。文獻(xiàn)【6】機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用領(lǐng)域分為四類：產(chǎn)品檢查、機(jī)器人、產(chǎn)品分類和其他應(yīng)用。尺寸測(cè)量是機(jī)器視覺(jué)研究和應(yīng)用的重要應(yīng)用領(lǐng)域，也是一個(gè)比較早開(kāi)始的研究的方向。機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用于尺寸測(cè)量工程中時(shí)，從機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的硬件(光源、圖像傳感器等)的選用到軟件算法的設(shè)計(jì)中的每一個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)最終的性能產(chǎn)生影響。需要根據(jù)工程的自身特點(diǎn)選擇合適的硬件。文獻(xiàn)【7】研究電盤(pán)尺寸的檢測(cè)，采用兩個(gè)756X581象素的CCD傳感器分別采集電盤(pán)兩個(gè)側(cè)面

31、的圖像，通過(guò)輪廓跟蹤、直線分割、和亞象素定位獲得工件的尺寸。系統(tǒng)精度達(dá)到正負(fù)O．3毫米，每個(gè)工件檢測(cè)花費(fèi)的時(shí)間約0．3秒。</p><p>　　文獻(xiàn)【8】研究了基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的活塞環(huán)閉151間隙測(cè)量系統(tǒng)。采用795 X 595象素?cái)?shù)的CCD傳感器，根據(jù)活塞環(huán)本身幾何參數(shù)的特點(diǎn)推導(dǎo)出了活塞環(huán)各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系。使用了對(duì)圖像邊緣的亞像素定位技術(shù)對(duì)300微米的開(kāi)口進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度為±47微米。&l

32、t;/p><p>　　文獻(xiàn)【9】研究的機(jī)器視覺(jué)在線測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量范圍從十幾絲到30毫米工件的外輪廓，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)在同一狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量同一工件誤差達(dá)到±3微米。</p><p>　　總之，機(jī)器視覺(jué)在高精度的尺寸測(cè)量領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用空間，隨著機(jī)器視覺(jué)硬件制造技術(shù)的成熟和硬件成本的降低，機(jī)器視覺(jué)在現(xiàn)代化生產(chǎn)中將應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，其測(cè)量精度也會(huì)逐漸提高【10】。</p><

33、p>　　1.4設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容</p><p>　　在查閱大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于虛擬儀器和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的機(jī)械零件尺寸測(cè)量?jī)x系統(tǒng)。從理論上對(duì)機(jī)器視覺(jué)尺寸檢測(cè)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)適合課題要求、與硬件設(shè)備配套使用的視覺(jué)檢測(cè)程序。本課題具體的工作內(nèi)容包括：</p><p>　　1．機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的總體構(gòu)建與實(shí)施方案設(shè)計(jì)，按照機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析系統(tǒng)的組成和硬件的參數(shù)以及性能，這些硬件包括：

34、光學(xué)鏡頭、光源、CCD相機(jī)、圖像采集卡，步進(jìn)電機(jī)控制模塊，選擇各軟件模塊，完成整個(gè)系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)。</p><p>　　2．對(duì)圖像處理方法進(jìn)行研究，對(duì)常用的圖像濾波和邊緣檢算法進(jìn)行研究。通過(guò)試驗(yàn)比較它們對(duì)機(jī)械加工零件圖像的處理效果，找到適合零件圖像的預(yù)處理方法。</p><p>　　3．研究基于IMAQ Vision的圖像處理函數(shù)以及相機(jī)的模型和相機(jī)標(biāo)定算法。對(duì)本文搭建的機(jī)器視覺(jué)的相機(jī)

35、進(jìn)行標(biāo)定，利用標(biāo)定獲得的內(nèi)參數(shù)校正采集到的圖像的畸變，提高測(cè)量效果。</p><p>　　4．編制軟件程序?qū)崿F(xiàn)圖像的采集、圖像處理、特征提取和參數(shù)計(jì)算等功能。</p><p>　　5.分析影像測(cè)量?jī)x的精度是否合理。 </p><p>　　1.5設(shè)計(jì)的背景和意義</p><p>　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)和工業(yè)產(chǎn)品精密程度的提高，以及對(duì)產(chǎn)品數(shù)量

36、和質(zhì)量要求的提高，傳統(tǒng)的尺寸測(cè)量手段(如：卡尺、量規(guī)、萬(wàn)能工具顯微鏡、輪廓儀、X射線等)己經(jīng)不能滿足生產(chǎn)的需要。卡尺、量規(guī)等檢測(cè)手段雖然簡(jiǎn)便、快捷，但測(cè)量數(shù)據(jù)較少、精度不高；萬(wàn)能工具顯微鏡、輪廓儀等檢測(cè)手段雖然有較高的精度，但要求在特定的設(shè)備、特定的環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)，不但勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，而且檢測(cè)過(guò)程同生產(chǎn)過(guò)程是分離的，這與現(xiàn)代工業(yè)所要求的在線檢測(cè)、實(shí)時(shí)控制的要求不符。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)可以高速、可靠和不間斷地對(duì)工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行準(zhǔn)確的檢

37、測(cè)，所以有望能取代以往費(fèi)時(shí)費(fèi)神但又無(wú)法保證檢測(cè)質(zhì)量的人工檢測(cè)方法?；谔摂M儀器的視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)融合了最新的傳感器、電子測(cè)量和計(jì)算機(jī)等技術(shù)，使得視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備具有前所未有的速度、靈活性、測(cè)量精度和資源的可重用性。CCD攝像設(shè)備的分辨率和成像速度等技術(shù)性能的不斷提高，數(shù)字圖像處理技術(shù)的逐步完善，以及計(jì)算機(jī)的性能和性價(jià)比的迅速提高，為這一領(lǐng)域的研究提供了相當(dāng)有利的條件。此外，采用先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)還可以大大縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可獲得

38、豐富的信息亦有助于我們解決各種各樣的技術(shù)問(wèn)題。鑒于現(xiàn)在機(jī)器</p><p>　　2 影像測(cè)量?jī)x測(cè)量系統(tǒng)</p><p>　　2.1影像測(cè)量?jī)x系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　基于PC機(jī)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)一般由圖像采集、圖像分析處理、結(jié)果輸出與執(zhí)行幾個(gè)部分組成。其中，圖像采集部分的硬件主要包括：光源、鏡頭、相機(jī)、圖像采集卡。圖像采集部分的任務(wù)是將目標(biāo)物體的特征信息進(jìn)行光

39、學(xué)成像，然后通過(guò)圖像傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)的圖像數(shù)據(jù)采集卡：圖像分析處理部分由基于個(gè)人計(jì)算機(jī)平臺(tái)上的圖像處理分析軟件實(shí)現(xiàn)：處理結(jié)果的輸出可以利用計(jì)算機(jī)的通信接口也可以通過(guò)附加的硬件VO設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　2.2 系統(tǒng)硬件</b></p&g

40、t;<p>　　本文通過(guò)對(duì)一些硬件資料后【12】【15】的分析總結(jié)后，根據(jù)各個(gè)硬件的參數(shù)及其選用原則選擇了一套適合設(shè)計(jì)要求硬件，包括相機(jī)、光源、鏡頭和圖像采集卡，并使用這些硬件構(gòu)建了機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)。</p><p>　　2.2.1 CCD相機(jī)</p><p>　　電荷耦合器件(CCD)是--種新型的半導(dǎo)體器件，在傳感器應(yīng)用方面取得了令人矚目的發(fā)展，己成為現(xiàn)代光電及現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)中

41、最為活躍、最富成果的新興技術(shù)之一【11】【12】。用于攝像的電荷耦合器都是利用光學(xué)系統(tǒng)把景物聚焦在器件表面，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)過(guò)程，輸出視頻f模擬或數(shù)字信號(hào)，以便后續(xù)的信號(hào)處理。CCD是目前比較成熟的成像器件，已經(jīng)廣泛的被應(yīng)用于各種成像和光學(xué)探測(cè)領(lǐng)域中．CCD相機(jī)也成為圖像傳感器的主流產(chǎn)品。</p><p>　　2.2.1.1 CCD相機(jī)的分類</p><p>　　相機(jī)的選擇要根據(jù)系統(tǒng)

42、的要求綜合考慮鏡頭和圖像采集卡的情況來(lái)選擇相機(jī)的參數(shù)。通常相機(jī)根據(jù)其參數(shù)的不同進(jìn)行分類，下面是常用的分類方法：按照傳感器的像素幾何排列不同可分為線陣和面陣兩種。面陣相機(jī)的像素幾何排列是二維平面，一般為矩形面陣相機(jī)一次可以采集到一定視野范圍內(nèi)的全部圖像信息；線陣相機(jī)的像素按一維直線排列，一次只能觀察物體的一個(gè)條狀部分，攝像頭和物體必須有相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成掃描，把每次采集的圖像進(jìn)行拼接得到圖像。線陣相機(jī)的成像質(zhì)量不如面陣相機(jī)，但是線陣相機(jī)分辨率

43、高，速度快，對(duì)于運(yùn)動(dòng)物體的連續(xù)檢測(cè)(例如：連續(xù)運(yùn)動(dòng)的紙張)有著自身的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)相機(jī)采集圖像色彩不同，可以分為黑白相機(jī)和彩色相機(jī)。彩色相機(jī)適用于需要提取場(chǎng)景中的顏色信息進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別的場(chǎng)合，黑自相機(jī)只能生成灰度圖像。根據(jù)信號(hào)傳輸方式的不同相機(jī)分為模擬信號(hào)相機(jī)和數(shù)字信號(hào)相機(jī)，模擬信號(hào)相機(jī)成本低，在成像質(zhì)量、速度、分辨率方面不如數(shù)字相機(jī)性能好。</p><p>　　2.2.1.2CCD相機(jī)的選用</p>

44、<p>　　根據(jù)本文的要求結(jié)合今后研究工作的進(jìn)一步開(kāi)展，選用了UNIQ公司的UP．800型黑白面陣CCD數(shù)字相機(jī)，其主要參數(shù)如表2．1所示。UP．800是款分辨率為1024x776的數(shù)字工業(yè)相機(jī)，它使用了逐行掃描隔行傳輸?shù)募夹g(shù)。具有外部異步采集功能，能夠很容易的抓拍高速運(yùn)動(dòng)物體的圖像。其CCD為方形像素，更適合用于處理、測(cè)量和分析方面的應(yīng)用。 UP．800可以應(yīng)用在高速機(jī)器視覺(jué)、自動(dòng)檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)采集分析以及很多其它科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)

45、域內(nèi)。這款相機(jī)和許多市場(chǎng)上常用的圖像采集卡都能夠配套使用。</p><p>　　表2.1 UP – 800 相機(jī)參數(shù)</p><p><b>　　2.2.2光源</b></p><p>　　機(jī)器視覺(jué)工程中使用的光源除了要適合被測(cè)量目標(biāo)的特性以外，還要求光能穩(wěn)定。LED光源效率高、體積小、發(fā)熱少、功耗低、發(fā)光穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)，通過(guò)不同的組合方式可以制

46、造成環(huán)形、條形、矩形等不同形狀的光源來(lái)滿足不同工程的需要。因此，LED光源以其優(yōu)異的特性在機(jī)器視覺(jué)工程中得了廣泛的應(yīng)用【13】【14】。</p><p>　　照明方式通常有掠射、背光、環(huán)形燈、同軸光等，由于是檢測(cè)機(jī)械零件，綜合考慮之后，照明方案選用了環(huán)形燈前景照明。</p><p>　　由于LED光源存在以下優(yōu)點(diǎn)：高效節(jié)能，超長(zhǎng)壽命　半導(dǎo)體芯片發(fā)光，無(wú)燈絲，無(wú)玻璃泡，不怕震動(dòng)，不易破碎，使

47、用壽命可達(dá)五萬(wàn)小時(shí)，光線健康光線中不含紫外線和紅外線，不產(chǎn)生輻射，保護(hù)視力，直流驅(qū)動(dòng)，無(wú)頻閃安全系數(shù)高，所需電壓、電流較小，發(fā)熱較小。所以本次設(shè)計(jì)選用AL-204UWC白色LED作為光源。</p><p><b>　　2.2.3鏡頭</b></p><p>　　鏡頭選擇要根據(jù)相機(jī)的傳感器尺寸、支座接口形式以及被測(cè)量的零件尺寸等進(jìn)行綜合考慮。鏡頭的成像應(yīng)能夠完全覆蓋鏡頭

48、的傳感器表面；鏡頭和相機(jī)的聯(lián)接接口形式應(yīng)該盡量相同；鏡頭的視場(chǎng)和景深應(yīng)該滿足被測(cè)量的零件的尺寸要求。下面是鏡頭幾個(gè)主要參數(shù)的解釋；</p><p>　　視場(chǎng):視場(chǎng)就是整個(gè)系統(tǒng)能觀察的物體尺寸的范圍，也就是與圖像傳感器上所稱圖像對(duì)應(yīng)場(chǎng)景的大小。</p><p>　　工作距離：工作距離就是物距，即：物體到鏡頭的距離。</p><p>　　分辨率：分辨牢描述的是光學(xué)系統(tǒng)能

49、夠分辨的最小物體的距離一般用成塒的黑白相叫線來(lái)標(biāo)定鏡頭的分辨率，即：每毫米多少線對(duì)(1plmm) 。</p><p>　　景深：沿光軸方向上物體的停止或運(yùn)動(dòng)在一定范圍內(nèi)所成的圖像是清晰的，也就是說(shuō)，這個(gè)范圍稱為景深。</p><p>　　光圈：光學(xué)系統(tǒng)中光線經(jīng)過(guò)折射、反射等最后到達(dá)相機(jī)．在這個(gè)傳輸過(guò)程中，并不是所有進(jìn)入系統(tǒng)的光線最后都能通過(guò)，而是有一部分被阻擋。為了能夠調(diào)節(jié)透過(guò)的光強(qiáng)度，一

50、般鏡頭中都設(shè)置了光嘲，也就是一個(gè)多葉片的機(jī)械裝置組成的直徑可變的圓孔，調(diào)整時(shí)這個(gè)孔的直徑可以連續(xù)變化，從而改變鏡頭的有效進(jìn)光量。鏡頭光圈的大小一般用F數(shù)來(lái)表示。</p><p>　　F數(shù)：假定光學(xué)系統(tǒng)的有效孔徑是d，焦距是f那么，F(xiàn)=f／d。這個(gè)參數(shù)描述了光學(xué)系統(tǒng)的采光能力。有效孔徑越大，能收集到和通過(guò)的光線越多，而焦距越短，這些光線能到達(dá)像而的可能性越大。</p><p>　　表2.2

51、M2514-MP鏡頭參數(shù)</p><p>　　本次設(shè)計(jì)選用了性價(jià)比價(jià)比較高的COMPUTAR公司的M2514一MP百萬(wàn)像素固定焦距鏡頭，其主要性能參數(shù)見(jiàn)表2.2所示：該鏡頭采用C型接口與相機(jī)配套使用。成像尺寸滿足相機(jī)的CCD傳感器尺寸要求。另外，該鏡頭分辨率較高，適合高精度的尺寸檢測(cè)。光圈和焦距手動(dòng)調(diào)節(jié)可以滿足本次設(shè)計(jì)的要求。 </p><p>　　2.2.4圖像采集卡</p>

52、<p>　　圖像信號(hào)的傳輸是大數(shù)據(jù)量快速傳輸。當(dāng)圖像采集卡的信號(hào)輸入速率較高時(shí)，如果使用個(gè)人計(jì)算機(jī)，圖像采集卡通常采用的PCI接口的理論帶寬峰值為132MB／S。在實(shí)際使用中，PCI接口的平均傳輸速率為50～90MB／S，有可能在傳輸瞬間不能滿足高傳輸率的要求。因此，這一任務(wù)通常使用圖像采集卡來(lái)完成。圖像采集卡是一塊可插入計(jì)算機(jī)或脫離計(jì)算機(jī)獨(dú)立使用的板卡，圖像采集卡將數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)處理送入計(jì)算機(jī)，是圖像采集部分和圖像處理部分

53、的接口。為了避免與其他PCI設(shè)備產(chǎn)生沖突時(shí)丟失數(shù)據(jù)，一般在圖像采集卡上應(yīng)有數(shù)據(jù)緩存。一些圖像采集卡還提供數(shù)字I／O的功能。</p><p>　　圖像采集卡的技術(shù)參數(shù)主要有以下幾個(gè)：</p><p>　　圖像傳輸格式：圖像采集卡需要支持系統(tǒng)中相機(jī)所采用的輸出信號(hào)格式。其中，LVDS、CameraLink和千兆以太網(wǎng)等幾種圖像傳輸形式在機(jī)器視覺(jué)工程中應(yīng)用較為廣泛。</p><

54、;p>　　圖像格式：圖像格式也被稱為像素格式，分為灰度和彩色兩種?；叶葓D像在通常情況下，圖像灰度等級(jí)可分為256級(jí)，即以8位表示。在對(duì)圖像灰度有更精確要求時(shí)，可使用10位、12位、16位等來(lái)表示圖像的灰度；彩色圖像：可由RGB(或者YUV)3種色彩組合而成。</p><p>　　分辨率：采集卡能支持的最大點(diǎn)陣反映了其分辨率的性能。單行最大點(diǎn)數(shù)和單幀最大點(diǎn)數(shù)也可反映采集卡的分辨率性能。</p>

55、<p>　　采樣頻率：反映采集卡處理圖像的速度和能力的參數(shù)。在進(jìn)行高度圖像采集時(shí)，需要注意采集卡的采樣頻率是否滿足要求。本文使用的圖像采集卡為NI公司的IMAQ 1422圖像采集卡，其主要性能參數(shù)見(jiàn)表2.3。</p><p>　　表2.3 IMAQ 1422 參數(shù)</p><p>　　NI公司的IMAQ—1422LVDS圖像采集卡是一款非常靈活的，對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和科學(xué)研究都適合

56、的圖像采集卡。這一圖像采集卡不僅可以與多個(gè)廠家生產(chǎn)的多種型號(hào)的相機(jī)配套使用，而且提多種編程軟件的驅(qū)動(dòng)接口和一些基礎(chǔ)的圖像處理函數(shù)以適和不同用戶的需求。IMAQ．1422圖像采集卡能夠支持的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)有：LabView、LabWindows／CVI， Visual C+-、Visual Basic以及Bortand c++等。</p><p><b>　　2.3系統(tǒng)軟件平臺(tái)</b></

57、p><p>　　Labview是美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instrument)開(kāi)發(fā)的一套高效圖形化應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件，使用數(shù)據(jù)流編程方法來(lái)描述程序的執(zhí)行，用圖形語(yǔ)言(G語(yǔ)言)、圖標(biāo)和連線代恃文奉的形式編寫(xiě)程序，為用戶提供了簡(jiǎn)單、易學(xué)的圖形編程方式。labview 具有以下特點(diǎn)【11】：</p><p>　　1.圖形化和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)式的開(kāi)發(fā)環(huán)境</p><p>　　La

58、bview使用所見(jiàn)即所得的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面。針對(duì)測(cè)試測(cè)量和過(guò)程控制領(lǐng)域，Labview提供了虛擬儀器面板上所必須的大量顯示或控制對(duì)象，如：表頭、旋鈕、圖表等，用戶可以方地將現(xiàn)有控制對(duì)象修改成適合自己工作領(lǐng)域的控制對(duì)象。圖形化的程序語(yǔ)言，又稱為 “G” 語(yǔ)言。使用這種語(yǔ)言編程時(shí)，基本上不寫(xiě)程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖標(biāo)和概念，因此，Labview是一個(gè)面向最終用戶的工具。

59、它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。Labview用圖標(biāo)表示功能模塊，使用圖標(biāo)間的連線表示各種功能模塊間傳遞的數(shù)據(jù)流，使用數(shù)據(jù)流程圖式的圖形化語(yǔ)言編寫(xiě)代碼。開(kāi)發(fā)時(shí)在開(kāi)發(fā)環(huán)境的前面板定制界面，后面板會(huì)自動(dòng)生成與前面板相應(yīng)的功能圖標(biāo)。</p><p>　　2、靈活的程序調(diào)試手段和編程效率</

60、p><p>　　用戶可在源代碼中設(shè)置斷點(diǎn)單步執(zhí)行源代碼，在源代碼的數(shù)據(jù)流上設(shè)置探針在程序運(yùn)行中觀察數(shù)據(jù)流的變化。Labview采用編譯方式運(yùn)行32位應(yīng)用程序，這就解決了其他按解釋方式工作的圖形化編程平臺(tái)運(yùn)行速度慢的問(wèn)題，其運(yùn)行速度與編譯C的速度相當(dāng)。熟練的Labview程序員所需的開(kāi)發(fā)時(shí)間，大概只是熟練的C程序員所需時(shí)間的1/5左右。所以，如果項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)間緊張，應(yīng)該優(yōu)先考慮使用Labview，以縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。<

61、/p><p>　　3、功能強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)</p><p>　　Labview提供了大量的基本函數(shù)庫(kù)供用戶直接調(diào)用，從底層的VXI、GPIB、串口及數(shù)據(jù)采集板的硬件控制子程序到儀器驅(qū)動(dòng)程序，從基本的數(shù)學(xué)函數(shù)、字符串處理函數(shù)、數(shù)據(jù)運(yùn)算函數(shù)、文件I／O函數(shù)到高級(jí)分析庫(kù)(包括信號(hào)處理窗函數(shù)、濾波器設(shè)計(jì)、線性代數(shù)概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、曲線擬合等)涵蓋了虛擬儀器設(shè)計(jì)中幾乎所有需要的函數(shù)。此外，Labview還支

62、持NI各種專用函數(shù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)特殊功能，只要安裝相應(yīng)的軟件，用戶就可以像調(diào)用基本函數(shù)庫(kù)中的函數(shù)一樣來(lái)調(diào)用庫(kù)中的功能模塊，如：NI DataSocket封裝了API底層的TCP／IP通訊協(xié)議，用戶無(wú)須編寫(xiě)大量的代碼便可可以用DataSockct開(kāi)發(fā)出支持TCP／IP動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換、DDE等網(wǎng)絡(luò)功能的應(yīng)用；NI SQL封裝了復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫(kù)操作程序，用戶可以通過(guò)NI SQL很容易的進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)操作；NI IMAQ VISION包含了各種機(jī)器視覺(jué)開(kāi)發(fā)應(yīng)

63、用算法，用戶可以基于它快速的開(kāi)發(fā)自己的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用。．</p><p><b>　　4、跨多種系統(tǒng)平臺(tái)</b></p><p>　　如果同一個(gè)程序需要運(yùn)行于多個(gè)硬件設(shè)備之上，也可以優(yōu)先考慮使用LabVIEW。LabVIEW具有良好的平臺(tái)一致性。LabVIEW的代碼不需任何修改就可以運(yùn)行在常見(jiàn)的三大臺(tái)式機(jī)操作系統(tǒng)上：Windows、Mac OS 及 Linux。除此之外

64、，LabVIEW還支持各種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和嵌入式設(shè)備，比如常見(jiàn)的PDA、FPGA以及運(yùn)行VxWorks和PharLap系統(tǒng)的RT設(shè)備。</p><p>　　5、開(kāi)放式的開(kāi)發(fā)平臺(tái)</p><p>　　Labview提供DLL接口使用能夠在Labview平臺(tái)上調(diào)用其他軟件平臺(tái)編譯的模塊，從而在Labview環(huán)境下可以控制用戶自己開(kāi)發(fā)的專用儀器硬件。Labview提供了CIN接口，可以使用戶將自己

65、用C語(yǔ)言編寫(xiě)的程序集成到整個(gè)軟件系統(tǒng)中來(lái)。用戶可以根據(jù)項(xiàng)目的需要在Labview現(xiàn)有的功能模塊基礎(chǔ)上定制自己的算法和功能。</p><p>　　2.3.2IMAQ視覺(jué)模塊</p><p>　　一些研究機(jī)構(gòu)或企業(yè)開(kāi)發(fā)了機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)或者函數(shù)庫(kù)，提供一些常用的算法和工具。例如：DEEL公司openCV函數(shù)庫(kù)、mvtee公司HALCON、NI公司LabVIEW軟件的IMAQ Visi

66、on等。LabVIEW軟件的視覺(jué)模塊包括NI Vision Builder和IMAQ Vision兩部分NIVisionBuilder是一個(gè)交互式的開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)人員無(wú)需編程即能快速完成視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)的模型建立。</p><p>　　美國(guó)NI公司的的IMAQ Vision軟件包是NI公司的視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊是專為開(kāi)發(fā)機(jī)器視覺(jué)和科學(xué)成像應(yīng)用的工程師及科學(xué)家而設(shè)計(jì)的，是一套包含各種圖像處理函數(shù)的功能庫(kù)，它將400多種函數(shù)集成到

67、LabVIEW和Measurement Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境中，以實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大的圖象處理解決方案，為圖象處理提供了完整的功能。</p><p>　　1、IMAQ Vision的主要功能</p><p>　　NI 公司的IMAQ Vision軟件包LabVIEW,LabWindows/Cvi,ComponentWorks以及其他ActiveX容器應(yīng)用程序中加入了機(jī)器視覺(jué)和圖象處理的功能。IM

68、AQ Vision中包含一套豐富的函數(shù)，可用來(lái)完成灰度、彩色以及二值圖象的顯示、處理(統(tǒng)計(jì)、濾波和幾何變化)、形狀匹配、斑點(diǎn)分析、計(jì)算和測(cè)量等。最終用戶、系統(tǒng)集成商和原始設(shè)備制造商都可以使用IMAQ Vision以加快工業(yè)視覺(jué)和科學(xué)圖像應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。IMAQ Vision可用于工廠和實(shí)驗(yàn)室里那些需要高可靠性、高速的視覺(jué)系統(tǒng)的自動(dòng)化操作中。</p><p>　　2、IMAQ Vision的主要特點(diǎn)</p>

69、<p>　　(1)加快了應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)速度</p><p>　　IMAQ Vision在設(shè)計(jì)時(shí)便考慮到使用的簡(jiǎn)便性，尤其能滿足圖像應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員的需求，以減輕他們?cè)诮档统杀九c縮短上市時(shí)間方面的壓力。開(kāi)發(fā)的內(nèi)存管理以及符合命名邏輯的VI、函數(shù)和參數(shù)使得IMAQ Vision易于學(xué)習(xí)；其內(nèi)建的各種高級(jí)函數(shù)可以直觀的相互配合工作，因此可以使用很少的函數(shù)而得到更快的開(kāi)發(fā)速度。</p><p&

70、gt;　　(2)使用Intel MMX技術(shù)以提高性能</p><p>　　Windows NT／98／95版的m飲Q Vision利用了Intel MMX技術(shù)。在圖象處理中處理8位圖象時(shí)，通常會(huì)用到整數(shù)或者浮點(diǎn)運(yùn)算函數(shù)，而MMX技術(shù)可以加快這些運(yùn)算的速度．使用具有MMX技術(shù)的奔騰處理器執(zhí)行很多IMAQ Vision的函數(shù)時(shí)，其性能要比不具有MMX技術(shù)的奔騰處理器提高最大4倍。</p><p&g

71、t;　　(3)ActiveX控件</p><p>　　IMAQ Vision ActiveX控件是ComponentWorks產(chǎn)品家族的一員，它為MicrosoftVisual BasicMicrosoft Visual C++和其他ActiveX開(kāi)發(fā)環(huán)境提供了三個(gè)等級(jí)的控件：瀏覽器控件可以30幀1秒或更高的速率顯示圖象，并且提供了感興趣區(qū)域ROI(Region ofInterest)選擇工具：NI—IMAQ像采

72、集控件使用屬性頁(yè)的形式簡(jiǎn)化了圖像捕捉：機(jī)器視覺(jué)和圖象處理控件提供了上百種處理函數(shù)。</p><p>　　(4)可與DAQ(DataAcquisition)配合工作進(jìn)行圖像采集</p><p>　　IMAQ軟、硬件的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一就是能夠很容易的和NI DAQ產(chǎn)品集成。IMAQ硬件上的總線可以使不同板卡使用共同的定時(shí)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)圖像和數(shù)字量的定時(shí)、同步。</p><p&g

73、t;　　(5)IMAQ Vision的使用環(huán)境</p><p>　　IMAQ Vision針對(duì)不同開(kāi)發(fā)環(huán)境有不同的使用方法，開(kāi)發(fā)人員可以根據(jù)需要來(lái)進(jìn)行靈活選擇。利用LabVIEW,BridegVIEW等圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境可以加快開(kāi)發(fā)速度，同時(shí)提高系統(tǒng)的可靠性．這種環(huán)境下HVtAQ Vision的各種處理功能以Ⅵ的形式出現(xiàn)；若開(kāi)發(fā)人員想利用現(xiàn)有的通用開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以使用m隊(duì)Q VisionActiveX控件，它可以在Mi

74、crosofiVisual Basic．Microsoft Visual C++和其他ActiveX開(kāi)發(fā)環(huán)境中以可視化控件的形式提供圖象處理功能。</p><p>　　(6)圖像采集驅(qū)動(dòng)軟件NI．IMAQ</p><p>　　不論使用LabVIEW．LabWindows／CVI．C或者Visual Basic．NI．IMAQ都能提供對(duì)NI．IMAQ采集設(shè)備的高層控制。NI．IMAQ是針對(duì)圖

75、像采集的一個(gè)完整的而可靠的API．NI．IMAQ可以完成圖像采集所需的與計(jì)算機(jī)板卡有關(guān)的工作而無(wú)須進(jìn)行寄存器級(jí)編程。NI．IMAQ與NI．DAQ和其他的NI驅(qū)動(dòng)軟件完全兼容，以便將圖像繼承到任何基于NI產(chǎn)品的解決方案中。</p><p>　　2.3.3程序總體框架</p><p>　　機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能離不開(kāi)相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件，圖像處理軟件要</p><p>

76、;　　實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集，并且進(jìn)一步通過(guò)特定的算法對(duì)采集的數(shù)字圖像進(jìn)行分析、</p><p>　　處理，最終將結(jié)果顯示或根據(jù)需要傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制部分。系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)</p><p>　　在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中占有重要的地位，是提升機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)性能的重要保障。軟</p><p>　　件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)合理高效和簡(jiǎn)潔，以保證整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)作的穩(wěn)定和可靠。程序</p&g

77、t;<p>　　流程框圖見(jiàn)圖2，2。</p><p>　　圖2.2 程序流程框圖</p><p>　　3 圖像采集和預(yù)處理</p><p><b>　　3.1引言</b></p><p>　　機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)所采集到圖像質(zhì)量的要求根據(jù)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)所承擔(dān)的任務(wù)不同而有所側(cè)重。對(duì)于基于機(jī)器視覺(jué)的測(cè)量任務(wù)來(lái)說(shuō)，圖

78、像中被測(cè)量目標(biāo)的邊緣信息和灰度信息是非常重要的，這是測(cè)量精度的重要決定因素。通常，機(jī)器視覺(jué)軟件需要對(duì)圖像消除噪聲、校正失真、釘選擇性的突出圖像中的特征部分．使得視覺(jué)系統(tǒng)可以快速準(zhǔn)確的提取到圖像中所需要的信息。本章介紹了圖像的增強(qiáng)、圖像濾波與圖像邊緣檢測(cè)方法。</p><p>　　3.2 圖像的采集設(shè)計(jì)</p><p>　　本文使用的圖像采集硬件是NI公司的IMAQ-422圖像采集卡支持UN

79、IQ公司的UP800相機(jī)。在NI網(wǎng)站上得到相機(jī)的信息文件、相機(jī)支持文件以及相機(jī)數(shù)據(jù)文件后，IMAQ函數(shù)便可以直接使用控制相機(jī)的動(dòng)作，進(jìn)而進(jìn)行圖像采集操作。根據(jù)本文的需要，使用相機(jī)的單幀采集工作方式，相機(jī)的控制和圖像采集過(guò)程大致為：相機(jī)初始化、建立圖像采集任務(wù)、采集圖像關(guān)閉相機(jī)、刪除任務(wù)。</p><p><b>　　3 .3圖像增強(qiáng)</b></p><p>　　由于采

80、集到的圖像不可避免的會(huì)存在噪聲，使得在機(jī)器視覺(jué)工程中所采集的圖像中的一些有用的細(xì)節(jié)信息會(huì)不明顯．通過(guò)圖像增強(qiáng)處理可以將這些細(xì)節(jié)部分突出出來(lái)，使圖像更加有利于計(jì)算機(jī)的處理與分析，這也是圖像增強(qiáng)技術(shù)的主要目的所在。國(guó)內(nèi)外對(duì)圖像增強(qiáng)的方法的研究也比較多【16】，通常使用直方圖變換。</p><p>　　3 .3 .1直方圖</p><p>　　一般來(lái)說(shuō)，在一幅數(shù)字圖像中存在不同亮度的像素，同一亮

81、度的像素?cái)?shù)量也不一樣。直方圖是描述數(shù)字圖像的灰度分布的統(tǒng)計(jì)圖表。直方圖的橫坐標(biāo)為扶度值r：縱坐標(biāo)為具有某個(gè)灰度值的像素的數(shù)量H。</p><p>　　圖3．1是一個(gè)零件在不問(wèn)的照明條件下的兩幅圖像以及各自的直方圖?？梢钥闯觯瑑煞鶊D像的狄度范圍、灰度分布、整幅圖像的對(duì)比度和平均亮度有根明顯的不同。圖3．1是1MM的量塊的源圖像，圖3.2為其直方圖變換后。通過(guò)修改圖像的直方圖的方法可以使圖像的特性發(fā)生改變，使圖像性向

82、著有利于工程需要的方向改變。從直方圖中可以看出，經(jīng)過(guò)閥值在50左右的時(shí)候使得圖像能更清晰的顯示出來(lái)。</p><p><b>　　圖3.1 源圖像</b></p><p>　　圖3.2原圖像的直方圖</p><p><b>　　3.4圖像濾波</b></p><p>　　圖像的獲取過(guò)程，成像系統(tǒng)的限

83、制或者外界環(huán)境的干擾會(huì)降低所采集到的圖像的質(zhì)量，這種對(duì)質(zhì)量的影響主要噪聲和畸變。其中，圖像的畸變將在下一章中具體討論。圖像的噪聲產(chǎn)生的原因只要有以下兩個(gè)方面：</p><p>　　外界環(huán)境干擾包括被檢測(cè)對(duì)象表面光特性和照明方式的選擇。，照明方式的選擇不當(dāng)會(huì)造成光照的不均勻，特征不明顯。</p><p>　　CCD圖像感器一身噪聲人體可以分為三類：同定模式噪聲、讀出噪聲和散粒噪聲。信號(hào)強(qiáng)度比

84、強(qiáng)時(shí)通常產(chǎn)牛固定模式噪聲，同定模式噪聲是由于整個(gè)CCD圖像感器像素川是敏度的不一致。通過(guò)提高CCD的工藝，固定模式噪聲可以減少；在信號(hào)強(qiáng)度較低時(shí)，噪聲主要是是圖像傳感器工作時(shí)產(chǎn)生的讀出噪聲;散粒噪聲包含兩部分：信號(hào)散粒噪聲和一部分暗電流泊松噪聲，暗電流可以通過(guò)降低環(huán)境溫度或改善工藝使之達(dá)到很小，而信號(hào)散粒噪聲是光電子過(guò)程所特有的，不能去掉的。圖像中的噪聲會(huì)給圖像的分析帶來(lái)困難，利用圖像濾波可以有效地改善圖像質(zhì)量。</p>

85、<p><b>　　3.4.1均值濾波</b></p><p>　　均值濾波的思想是將圖像中的每一個(gè)像素的平均值來(lái)代替。假設(shè)圖像中位置為(i，j)的像素，它的灰度值為f(i，j)，則經(jīng)過(guò)均值濾波后的輸出值h(i，j)為：像素的灰度值用這像素及其周?chē)欢ù笮∴徲騼?nèi)所有</p><p>　?。?-1） <

86、/p><p>　　式中，N表示以(i，j)為中心的鄰域的集合：M表不鄰域N內(nèi)的像素總數(shù)。</p><p><b>　　3.4.2中值濾波</b></p><p>　　中值濾波的思想是將圖像中的每個(gè)像素的馭度值用該點(diǎn)的鄰域中的所有像素的灰度值的中值來(lái)代替。假設(shè)圖像中位置為(i，j)的像素其灰度值為f(i，j)，則經(jīng)過(guò)中值濾波后的輸出值h(i，j)為：

87、</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　其中，N表示以(i，j)為中心的鄰域的集合，N內(nèi)的像索總數(shù)通常為奇數(shù)；</p><p>　　Med表示對(duì)個(gè)集合中的數(shù)值取中間值。</p><p>　　中值濾波器是一種非線性濾波器，在一定條件下可以克服均值濾波帶來(lái)的圖像細(xì)節(jié)的模糊，對(duì)濾除脈沖干擾以及顆粒

88、噪聲十分有效。</p><p>　　3.4.3高斯平滑濾波</p><p>　　高斯濾波器是根據(jù)高斯函數(shù)的形狀來(lái)選擇權(quán)值的線性半滑濾波器。高斯平滑濾波器無(wú)論是在空間域還是在頻率域都是十分有效的低通濾波器。對(duì)于數(shù)字圖像處理來(lái)說(shuō)，通常使用。二維零均值離散高斯函數(shù)作為平滑濾波器。二維零均值離散高斯函數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式為：</p><p><b>　　（3-3）<

89、/b></p><p>　　在設(shè)汁高斯模板時(shí)．模板中的每一個(gè)元素的值就是：</p><p><b>　　（3-4）</b></p><p><b>　　3．5邊緣檢測(cè)</b></p><p>　　圖像的邊緣是圖像局部灰度變化最為顯著的部分，主要存在于場(chǎng)景中日標(biāo)與背景之旬、區(qū)域之間的邊界。邊緣包

90、含的圖像信息十分豐富，是圖像的基本特征之一，也是圖像分割、紋理特征提取等圖像分析的基礎(chǔ)。邊緣檢測(cè)是機(jī)器視覺(jué)測(cè)量中的重要環(huán)節(jié)，其結(jié)果的精確程度直接影響著機(jī)器視覺(jué)測(cè)量的精度。邊緣檢測(cè)算法的研究一直是圖像處理，機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。</p><p>　　圖像邊緣通常與圖像灰度值或灰度值的一階導(dǎo)數(shù)的不連續(xù)性有關(guān)?；叶戎档牟贿B續(xù)分為：階躍不連續(xù)用和線條不連續(xù)兩種情況。階躍不連續(xù)兩側(cè)的灰度值有明顯不同：線條不連續(xù)兩側(cè)們灰度

91、值差別不大，只有邊緣處明顯不同。在實(shí)際成像中，由于成像系統(tǒng)的限制使得階躍不連續(xù)型邊緣成為斜坡型邊緣；線條邊緣成為屋頂形邊緣，同時(shí)邊緣也會(huì)變得模糊，各種邊緣的形狀如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 邊緣檢測(cè)模型</p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中，涉及的檢測(cè)對(duì)象的圖像中邊緣大多為斜坡型邊緣，下面討論這一類邊緣的檢測(cè)方法。斜坡型邊緣的一階方向?qū)?shù)在邊緣處取極值，二階導(dǎo)數(shù)為零，邊緣檢測(cè)

92、通常利用邊緣的這些性質(zhì)來(lái)檢測(cè)邊緣的位置所在。</p><p>　　3.5.1 一階微分算子</p><p>　　邊緣檢測(cè)是檢測(cè)局部圖像灰度顯著變化的基本運(yùn)算。一階微分算子邊緣檢測(cè)器是根據(jù)圖像邊緣處灰度值的一階導(dǎo)數(shù)最大這一性質(zhì)而提出的。一幅圖像可以看作是圖像灰度連續(xù)函數(shù)的取樣點(diǎn)陣列，圖像灰度值的顯著變化可用梯度的離散逼近函數(shù)來(lái)檢測(cè)。</p><p>　　經(jīng)典的一階導(dǎo)

93、數(shù)邊緣檢測(cè)器有：Roberts算子、Sobel算子。對(duì)源圖像用MATLAB進(jìn)行算子處理之后的圖像如3.4和圖3.5所示。</p><p>　　圖3.4Roberts算子處理后的圖像</p><p>　　圖3.5 經(jīng)過(guò)Sobel算子處理后的圖像</p><p>　　為了檢驗(yàn)各種一介微分算子邊緣檢測(cè)的效果，分別使用了Roberts算子、Sobel算子對(duì)同一副圖像經(jīng)行邊

94、緣輪廓檢測(cè)處理.從檢測(cè)圖中可以看出，一件微分算子可以檢測(cè)出明暗對(duì)比明顯的輪廓，同時(shí)也會(huì)受到圖像中噪聲的干擾，產(chǎn)生一些假邊緣。</p><p>　　3.5.2 LOG算子</p><p>　　Marc和Hildreth將高斯濾波和拉普拉斯邊緣檢測(cè)結(jié)合在一起，形成LOG(Laplacian of Gaussian)算子。這算法的原理是：首先將圖像與高斯濾波模板進(jìn)行卷積來(lái)平滑圖像降低噪聲，然后使

95、用拉普拉斯算子近似的找的找出圖像二階導(dǎo)數(shù)的零交叉點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的邊緣檢測(cè)。</p><p>　　圖3.6 LOG算子處理后的圖像</p><p>　　使用LOG算子對(duì)機(jī)械零件圖像邊緣進(jìn)行檢測(cè)(如圖3.6所示)，從檢測(cè)效果來(lái)看，這一算子對(duì)噪聲的抑制性能不好，產(chǎn)生很多假邊緣。</p><p>　　3.5.3 Canny算子</p><p>　

96、　檢測(cè)階躍邊緣的基本思想是在圖像中找出其具有局部最大梯度值的像素點(diǎn)。主要工作是尋找實(shí)際圖像的梯度數(shù)字逼近。梯度逼近必須滿足兩個(gè)要求：抑制噪聲和精確的定位。但這兩點(diǎn)是不能同時(shí)滿足的，它們的折衷方案便是Canny邊緣檢測(cè)器—高斯函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)。對(duì)源圖像進(jìn)行canny算子處理之后的的圖像如3.7所示。</p><p>　　Canny算子對(duì)一零件圖像進(jìn)行了邊緣檢測(cè)，從檢測(cè)效果來(lái)看，Canny算子可以檢測(cè)到灰度變化不明顯出

97、的邊緣，這是以上的一些算法所不具備的，但同時(shí)也會(huì)檢測(cè)出大量的假邊緣。</p><p>　　圖3.7 canny算子處理后的圖像</p><p><b>　　3.6圖像的處理</b></p><p>　　對(duì)于機(jī)器視覺(jué)工程來(lái)說(shuō)，圖像紋理特征不同和照明方式不同得到的圖像也有不同的特點(diǎn)。對(duì)具有不同表面特征的工件圖像要采用一定的方法來(lái)解決。機(jī)械零件加工中

98、為了保證零件質(zhì)量要求會(huì)采用不同的加工工藝，經(jīng)過(guò)不同的加工工藝，加工的機(jī)械零件表面會(huì)自不同的特點(diǎn)，相機(jī)采集的圖像也呈現(xiàn)不同的特征。</p><p>　　根據(jù)本章上面的論述，通過(guò)各種濾波和邊緣檢測(cè)算法的試驗(yàn)比較．選擇了種適合機(jī)械加工零件表面特征的圖像預(yù)處理方法。這方法的思想是結(jié)合中值濾波和Canny算子對(duì)工件圖像進(jìn)行處理。，這樣在去掉圖像的干擾噪聲的同時(shí)不會(huì)對(duì)特征邊緣造成模糊：然后使用Canny算子對(duì)圖像邊緣進(jìn)行檢測(cè)

99、。</p><p>　　為了檢驗(yàn)方法的效果，本文對(duì)零件進(jìn)行邊緣提?。Y(jié)果如圖3.8所示。從試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，使用該辦法進(jìn)行邊緣檢測(cè)可以很好的抑制噪聲，檢測(cè)到邊緣也比較完整，是種適合機(jī)械零件機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的像處理方法。 </p><p>　　圖3.8 邊緣檢測(cè)之后的圖像</p><p>　　4 CCD相機(jī)標(biāo)定</p><p><b>

100、;　　4．1引言</b></p><p>　　拍攝得到的圖像是空間物體通過(guò)成像系統(tǒng)在像平面的投影。圖像上每一個(gè)像景點(diǎn)的灰度反映了空間物體表面某點(diǎn)的反射光的強(qiáng)度，而該點(diǎn)在圖像上的位置與空間物體表面對(duì)應(yīng)點(diǎn)的幾何位置有關(guān)。這些位置的相互關(guān)系及其描述是由遵循一定幾何模型的相機(jī)的標(biāo)定參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，可以將成像圖像轉(zhuǎn)化為實(shí)際物體的二維空間關(guān)系。</p><p>　　場(chǎng)景中的零件

101、投影到相機(jī)成像面上，經(jīng)過(guò)CCD傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，照明方式選擇前景照明的LED照明。輸出數(shù)字圖像。這個(gè)過(guò)程涉及到不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，在此，首先確定幾個(gè)坐標(biāo)系的定義：</p><p>　　1．圖像像素坐標(biāo)系(u．v)：以圖像的左上角象素為原點(diǎn)，以像素在圖像數(shù)組中的列與行的位置為單位表示象素在圖像中的位置的坐標(biāo)系(如圖4．1所示)。</p><p>　　2．圖像物理坐標(biāo)系(X-Y)：

102、以光軸與圖像平面的交點(diǎn)(通常在圖像中心處)為原點(diǎn)，以毫米為單位的直角坐標(biāo)系。其X、Y軸分別與像素坐標(biāo)系的u、v軸平行(如圖4．2所示)。</p><p>　　3．相機(jī)坐標(biāo)系(Xc．Yc．Zc)：以相機(jī)的光心為原點(diǎn)，Zc軸與相機(jī)的光軸重合，以攝影方向?yàn)檎?。Xc軸、Yc軸分別與圖像物理坐標(biāo)系的X軸、Y軸平行。</p><p>　　4．世界坐標(biāo)系(Xw．Yw．Zw)：可以描述相機(jī)的位置以及空間中

103、的任何物體的空間中的坐標(biāo)系。</p><p>　　在圖像傳輸?shù)倪^(guò)程中可能產(chǎn)生的各種畸變。鏡頭一般由多片透鏡組成組成，在理論上遵循小孔成像模型。但是由于實(shí)際制造和安裝誤差以及CCD點(diǎn)陣位置誤差的存在，經(jīng)過(guò)透鏡所成的二維圖像存在著不同程度的非線性變形，通常把這種非線性變形稱之為幾何畸變。</p><p><b>　　1．徑向畸變</b></p><p&

104、gt;　　徑向畸變主要是由鏡頭形狀缺陷引起的。如果相機(jī)鏡頭有相對(duì)于主光軸對(duì)稱的正向畸變則產(chǎn)生枕形畸變，負(fù)向的畸變產(chǎn)生桶形畸變。</p><p><b>　　2．切向畸變</b></p><p>　　切向畸變?cè)蛟谟阽R頭的偏心或是鏡頭元件不精確的中心調(diào)整和復(fù)合透鏡的制造的缺陷。</p><p><b>　　4．2相機(jī)標(biāo)定</b&g

105、t;</p><p>　　具體實(shí)現(xiàn)步驟，將標(biāo)準(zhǔn)件放在影響測(cè)量?jī)x的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，，在計(jì)算機(jī)中會(huì)顯示被測(cè)件的圖像，調(diào)整光源使被測(cè)圖像能盡量的清晰的在電腦中顯示, 轉(zhuǎn)動(dòng)光學(xué)鏡頭選用合適的放大倍數(shù)進(jìn)行放大,圖像清晰后，然后再利用Matlab 經(jīng)行圖像處理，可以對(duì)圖像的像素點(diǎn)分離，輸出具體的像素距離，即可算出一個(gè)像素點(diǎn)代表的實(shí)際像素的大小。</p><p>　　本次標(biāo)定選用的是1MM的兩塊進(jìn)行標(biāo)定，通

106、過(guò)標(biāo)定1MM的量塊的尺寸來(lái)進(jìn)行對(duì)其他尺寸的測(cè)量，CCD攝像機(jī)采集到的圖像經(jīng)過(guò)圖像采集卡傳送到計(jì)算機(jī)上，這些數(shù)字圖像都是由一個(gè)個(gè)像素點(diǎn)組成的，一個(gè)像素就是一個(gè)離散的單位，但是像素?cái)?shù)量并不代表實(shí)際尺寸的大小，像素與實(shí)際尺寸的比例關(guān)系，由成像系統(tǒng)和透鏡放大倍數(shù)決定。一旦整個(gè)圖像測(cè)量系統(tǒng)安裝固定好，像素與實(shí)際尺寸的比例關(guān)系也就固定不變了，在實(shí)際圖像測(cè)量時(shí)，只需要將圖像像素?cái)?shù)乘上這個(gè)標(biāo)定系數(shù)(像素與實(shí)際尺寸的比例大小)就可以得到被測(cè)目標(biāo)的真實(shí)尺寸

107、大小，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式4-1所示。</p><p>　　L= K*P （4-1）</p><p>　　其中，l表示被測(cè)物的實(shí)際尺寸，p表示被測(cè)物的像素個(gè)數(shù)，k表示標(biāo)定系數(shù)。本文選用的標(biāo)定方法是選用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件(長(zhǎng)度為1MM的量塊)進(jìn)行標(biāo)定。具體的標(biāo)定步驟如下:</p><p>　　(1)選用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件，本

108、文選用一個(gè)長(zhǎng)度為1MM的量塊作為標(biāo)準(zhǔn)件。</p><p>　　(2)將標(biāo)準(zhǔn)件放置在測(cè)量系統(tǒng)上進(jìn)行測(cè)量，此時(shí)讓測(cè)量系統(tǒng)的工作狀態(tài)和平時(shí)正常的測(cè)量工作狀態(tài)保持一樣，即攝像機(jī)參數(shù)的設(shè)置、光源的設(shè)置及被測(cè)對(duì)象與攝像機(jī)之間的相對(duì)位置等全部與正常工作時(shí)的狀態(tài)一致。</p><p>　　(3)根據(jù)公式“一旦計(jì)算出系統(tǒng)的標(biāo)定系數(shù)，即像素與實(shí)際尺寸的比例關(guān)</p><p>　　本測(cè)量