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二次元影像测量仪系统设计毕业设计

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二次元影像测量仪系统设计毕业设计二次元影像测量仪系统设计毕业设计 陕西理工学院毕业论文设计 本科毕业设计任务书 院(系) 机械工程学院 专业班级 测控技术与仪器(测控082) 学生姓名 余良 一、毕业设计题目 二次元影像测量仪系统设计 二、毕业设计工作自__2012___年____ 2_月20__日 起至_2012_年 6 月8__日止 三、毕业设计进行地点: 陕西理工学院 四、毕业设计内容要求: 1、设计课题简介 机器视觉方法实现工业零件几何参数测量具有精度高、效率高的特点。一般的机器视觉测量传感器为CCD,根据待测量的特点可以分别选用面...
二次元影像测量仪系统设计毕业设计
二次元影像测量仪系统设计毕业设计 陕西理工学院#毕业#设计 本科毕业设计任务书 院(系) 机械工程学院 专业班级 测控技术与仪器(测控082) 学生姓名 余良 一、毕业设计题目 二次元影像测量仪系统设计 二、毕业设计工作自__2012___年____ 2_月20__日 起至_2012_年 6 月8__日止 三、毕业设计进行地点: 陕西理工学院 四、毕业设计内容要求: 1、设计课题简介 机器视觉方法实现工业零件几何参数测量具有精度高、效率高的特点。一般的机器视觉测量传感器为CCD,根据待测量的特点可以分别选用面阵CCD或线阵CCD。由于面阵CCD制造工艺原因,一般而言CCD的分别率并不高,要想实现较高精度的几何量测量就必须使用光学放大镜头,但这样做又会造成测量范围不能满足测量要求的情况。如何合理设计就需要在不断设计中归纳总结。本课题要求通过对以上矛盾进行分析,给出一种较高精度的几何量测量仪。 2、设计要求: 1) 所设计影像测量仪能实现对一般几何量(包含圆直径、长度、角度)测量任务。 2) 所设计影像测量仪设计说明书应包含几何标定方法、圆直径或角度等参数计算方法。 3) 所设计影像测量仪精度应达到0.001mm以上。工作台运动范围X:150,Y:200mm。 4) 所设计影像测量仪对几何参数计算应符合国家机械工业标准。 3、工作任务与要求: 1)搜集有关管影像测量方面的,了解机器视觉测量的一般方法和相关待测几何量的国家标准情况。学习掌握机器视觉几何参数测量的基本思路和实现过程。学习图像识别技术、了解图像采集卡的使用。 2)分析待测几何各参数的精确定义和测量方法。分析测量要求的精度的实现方法,拟定系统测量。并分析精度保证情况。 3)根据要求的测量精度给出测量系统的光学和控制系统的组成。 4)根据精度和测量范围,选择CCD传感器、图像采集卡,设计基于步进电机驱动工作台控制系统控制方案。 4.工作任务阶段安排: 陕西理工学院毕业论文设计 第一阶段:查阅机器视觉几何量测量方面的资料,搜集、学习各待测几何量测量相关国家标准。搜集学习机器视觉几何参数检测相关资料,拟定系统测量方案,撰写开题报告。 第二阶段:根据拟定的测量方案,构建机器视觉测量系统,包含对CCD、光源选型,测量装置的构建和实现策略。给出影像测量仪标定方案和比较。 第三阶段:进行图像处理过程分析和给出各待测几何参数计算方法。整理相关资料并撰写毕业论文。 5、设计说明书格式要求: 设计说明书应包括:序言、目录、摘要(中英文)、关键词(中英文)、中图分类号、正文(含设计方案论证、设计及其它说明等)、结束语和参考文献等内容,并按照封页、设计任务书、序言、目录、摘要、关键词、正文、结束语、参考文献和封底的顺序装订。 指 导 教 师 陈曼龙 系(教 研 室)测控技术与仪器 系(教研室)主任签名 批准日期 2011-12-31 接受设计任务开始执行日期 学生签名 陕西理工学院毕业论文设计 毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺:所呈交的毕业设计,论文,~是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知~除文中特别加以标注和致谢的地方外~不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果~也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体~均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日 期: 使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计,论文,的规定~即:按照学校要求提交毕业设计,论文,的印刷本和电子版本,学校有权保存毕业设计,论文,的印刷本和电子版~并提供目录检索与阅览服务,学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文,在不以赢利为目的前提下~学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名: 日 期: 陕西理工学院毕业论文设计 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外~本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体~均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定~同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版~允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索~可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名: 日期: 年 月 日 导师签名: 日期: 年 月 日 陕西理工学院毕业论文设计 二次元影像测量仪系统设计 [摘要]在国内几何尺寸参数的检测已经进行了一些研究和探索。测量方式从机械量具测量和接触式测量方式发展到现在的光电测量法。伴随着计算机图形图像处理、光电技术等相关学科的发展,视觉测量技术在工业测量中得到广泛的应用。本设计就是应用视觉测量技术来检测在零件轮廓的几何参数。 本次设计主要是利用图像识别技术对几何尺寸测量,利用面阵CCD对所测零件进行图像采集,然后利用图像采集卡,把所采集到的模拟信号转变成数字信号,然后对数字信号经行滤波处理,然后对所测量的图像经过计算机的处理,算出所测量的几何尺寸参数。本次设计主要是测量几何零件尺寸,长度,圆直径,半径,角度等。具有快速测量,和非接触测量等很多优点。 [关键词]几何尺寸测量 ;图像数别技术 ; 光电技术 ; 快速测量 ;非接触测量 陕西理工学院毕业论文设计 Two dimensional imaging measurement system design Yu Liang (Grade08,class2,Testing and Monitoring Technology and Instrumentation,School of Mechanics,shaan xi university of technology han zhong 723003 shaanxi) Tutor:Chen Man long Abstract:In the domestic dimension parameter detection has done 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 image 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 the outline geometrical parameters. 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 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 is mainly to measure geometric dimensions of parts, length, diameter, radius, angle, etc.It has lots of advantage ,for example non-contact measurement and rapid measurement. Key Words:Geometric size measuring Image identification technology Photovoltaic technology rapid measurement non-contact measurement 陕西理工学院毕业论文设计 目 录 1 绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1机器视觉检测 .................................................................................................... 1 1.1.1机器视觉 ......................................................................................................... 1 1.1.2机器视觉检测技术 ......................................................................................... 1 1.2虚拟仪器 ............................................................................................................ 2 1.3机器视觉检测的发展现状 ................................................................................ 3 1.4设计的主要内容 ................................................................................................ 3 1.5设计的背景和意义 ............................................................................................ 4 2 影像测量仪测量系统 .................................................................................................. 6 2.1影像测量仪系统的基本结构 ............................................................................ 6 2.2 系统硬件 ......................................................................................................... 6 2.2.1 CCD相机 .......................................................................................................... 6 2.2.1.1 CCD相机的分类 ...................................................................................... 6 2.2.2光源 ................................................................................................................. 8 2.2.3镜头 ................................................................................................................. 8 2.2.4图像采集卡 ..................................................................................................... 9 2.3系统软件平台 .................................................................................................. 10 2.3.2IMAQ视觉模块 .............................................................................................. 12 2.3.3程序总体框架 ............................................................................................... 14 3 图像采集和预处理 .................................................................................................... 15 3.1引言 .................................................................................................................. 15 3.2 图像的采集设计 ............................................................................................. 15 3 .3图像增强 ......................................................................................................... 15 3 .3 .1直方图.......................................................................................................... 15 3.4图像滤波 .......................................................................................................... 16 3.4.1均值滤波 ....................................................................................................... 17 3.4.2中值滤波 ....................................................................................................... 17 3.4.3高斯平滑滤波 ............................................................................................... 17 3(5边缘检测 ....................................................................................................... 18 3.5.1 一阶微分算子 ............................................................................................ 18 3.5.2 LOG算子 ........................................................................................................ 19 3.5.3 Canny算子 .................................................................................................... 20 3.6图像的处理 ...................................................................................................... 21 4 CCD相机标定 ........................................................................................................... 22 4(1引言 ............................................................................................................... 22 4(2相机标定 ....................................................................................................... 23 5 步进电机控制 ............................................................................................................ 25 5.1 步进电机的系统组成和步进电机工作原理: ............................................. 25 5.2程序设计 .......................................................................................................... 25 6 精度分析 .................................................................................................................... 29 6.1 精度分析: ..................................................................................................... 29 6.1.1标准不确定度U的评定 ......................................................................... 29 ( Ls1) 陕西理工学院毕业论文设计 6.1.2标准不确定度 U的评定 ......................................................................... 29 ( Ls2) 6.1.3 标准不确定度U 的评定 ....................................................................... 29 ( Ls3) 6.1.4 输入量Ls的标准不确定度U 的计算 ................................................. 30 ( Ls1) 6.2.1数学模型 ....................................................................................................... 30 6.2.2 各标准不确定度分量汇总 .......................................................................... 30 6.2.3 合成标准不确定度计算 ............................................................................ 30 6.3 扩展不确定度的评定 .................................................................................... 30 6.4测量不确定度的报告和表示 ......................................................................... 30 致谢 ................................................................................................................................ 31 参考文献 ........................................................................................................................ 32 陕西理工学院毕业论文设计 1 绪论 1.1机器视觉检测 1.1.1机器视觉 机器视觉是研究用相机和计算机来模仿人的眼睛和大脑完成对目标的识别、 【1】。由于机器视觉涉及到多个学科,给出一个精确的跟踪和测量等任务的科学 定义是很困难的。美国制造工程师协会(SME)机器视觉分会和美国机器人工业协会(RIA)自动化视觉分会关于机器视觉的定义是:“机器视觉是使用光学器件进行非接触感知,自动获取和解释一个真实场景的图像,以获取信息或控制机器或过程。” 人们从20世纪50年代开始研究二维图像的统计模式识别,60年代Roberts开始进行三维机器视觉的研究,70年代中期,Mrr人工智能实验室正式开设《机器视觉》课程,80年代初期开始了全球性的研究热潮,机器视觉获得了蓬勃发展,新概念、新理论不断涌现。伴随着计算机技术的不断提高和图像处理与传输技术的日益成熟,机器视觉在生产实践中的应用也加快了步伐。现在机器视觉已经广泛地用于工业、农业、军事、航空、医学等领域中。同时,机器视觉在理论研究上也取得了很大的发展,现在机器视觉涉及了多们学科,包括:光学、机械、图像处理、计算机图形学、模式识别、人工智能、人工神经网络等。 1.1.2机器视觉检测技术 随着制造业的不断发展,先进制造技术的研究和应用越来越广泛。先进制造技术以及自动化制造系统和先进生产模式的推广应用都要求先进的检测手段与之相适应。将机器视觉应用到制造业的检测领域中,用机器视觉系统确定产品相 【2】对于一组标准要求的偏差的过程通常称为机器视觉检测。它特指机器视觉在工业检测方面的应用,是机器视觉应用和研究领域中的一个重要分支。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,融合电子学、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。由于机器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、 第 1 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 【3】【4】医学等领域得到广泛关注和应用。机器视觉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。机器视觉检测的工作过程大致为:首先,使用相机将被摄取目标转换成图像信号,传送给专用的图像处理系统,图像系统对这些图像中包含的信息进行处理和计算;然后计算机根据处理的结果做出判断或决策;最后将控制信号传送给执行机构。机器视觉的特点是自动化、客观、非接触和高精度,与一般意义上的图像处理系统相比,机器视觉强调的是精度和速度以及工业现场环境下的可靠性。机器视觉检测与传统的人工检测相比效率更高,检测结果更加准确可靠。由于机器视觉检测不会受到操作者的疲劳度、责任心和经验等因素的影响,在一些不适合人工作业的危险场合,工视觉难以满足要求的场合和带有高度重复性、智能性并且靠人的眼睛无法连续稳定地进行产品检测的场合,机器视觉可以发挥它自身的优势来高效、高质量的完成检测任务。 1.2虚拟仪器 虚拟仪器(virtual Instrument)是日益发展的计算机硬、软件和总线技术在向其它相关技术领域密集渗透的过程中,与测试技术、仪器仪表技术密切结合共 【5】同孕育出的一项全新的成果。虚拟仪器利用IO接口设备完成信号的采集与处理,利用计算机的显示功能来模拟传统仪器的控制面板,以多种形式输出检测结果,利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理,从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物,也是当今计算机辅助测试(CAT)领域的一项重要技术。虚拟仪器可利用计算机强大的图形环境和在线帮助功能,构成既有普通仪器的基本功能又有一般仪器所没有的特殊功能的高档、廉价的新型仪器。它可建立中英文界面的虚拟仪器面板,完成对仪器的控制、数据分析和显示,它改变了传统仪器的使用方式,使仪器的功能和使用效率明显提高,大幅度降低了仪器的价格,使用户可以根据自己需要定义仪器的新功能。在虚拟仪器系统中,硬件仅仅是为了解决信号的输入输出,软件才是整个仪器的关键,基于软件体系的结构可以大大节省开发和维护的费用。虚拟仪器的品种多、功能强、自动化程度高、具有良好的人机界面,它与传统仪器的功能是相同的:采集数据,对数据分析处理,以及数据的结果处理。它们之间重要区别之一是灵活性方面。虚拟仪器可由用户自己定义,这意味着用户可以自由地组合计算机平台、硬件、软件以及各种完成应用系统所需要的附件。而这种灵活性在由供应商定义、功能固定的传统仪器中是做不到的。因此,虚拟仪器是仪器发展史上的一场革命,代表着仪器发展的最新方向和潮流, 第 2 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 并且是信息技术的一个重要领域,对科学技术的发展和工业生产将产生巨大的作用,将成为仪器发展的方向和趋势。 1.3机器视觉检测的发展现状 在国外机器视觉检测从上世纪八十年代初开始已经得到了广泛的研究,国内的机器视觉检测研究从上世纪九十年代才逐步开始。当前,随着机器视觉检测系统应用的增加,对机器视觉的研究也越来越多。根据机器视觉的应用领域不同,对机器视觉检测的研究可以分为不同的种类,不同的学者对分类也有不同的见 【4】解。文献将工业中应用的机器视觉质量控制系统分为四个类别:尺寸质量、 【6】表面质量、装配结构和操作质量。文献机器视觉的应用领域分为四类:产品检查、机器人、产品分类和其他应用。尺寸测量是机器视觉研究和应用的重要应用领域,也是一个比较早开始的研究的方向。机器视觉应用于尺寸测量工程中时,从机器视觉系统的硬件(光源、图像传感器等)的选用到软件算法的设计中的每一个环节都对最终的性能产生影响。需要根据工程的自身特点选择合适的硬件。文【7】献研究电盘尺寸的检测,采用两个756X581象素的CCD传感器分别采集电盘两个侧面的图像,通过轮廓跟踪、直线分割、和亚象素定位获得工件的尺寸。系统精度达到正负O(3毫米,每个工件检测花费的时间约0(3秒。 【8】文献研究了基于计算机视觉的活塞环闭151间隙测量系统。采用795 X 595象素数的CCD传感器,根据活塞环本身几何参数的特点推导出了活塞环各个参数之间的关系。使用了对图像边缘的亚像素定位技术对300微米的开口进行测量,测量系统的测量精度为?47微米。 【9】文献研究的机器视觉在线测量系统测量范围从十几丝到30毫米工件的外轮廓,经过实验在同一状态下长时间测量同一工件误差达到?3微米。 总之,机器视觉在高精度的尺寸测量领域有着很大的应用空间,随着机器视觉硬件制造技术的成熟和硬件成本的降低,机器视觉在现代化生产中将应用的越 【10】来越广泛,其测量精度也会逐渐提高。 的主要内容 1.4设计 在查阅大量国内外文献的基础上设计基于虚拟仪器和机器视觉技术的机械零件尺寸测量仪系统。从理论上对机器视觉尺寸检测进行研究,设计适合课题要求、与硬件设备配套使用的视觉检测程序。本课题具体的工作内容包括: 1(机器视觉系统的总体构建与实施方案设计,按照机器视觉系统的结构,分析系统的组成和硬件的参数以及性能,这些硬件包括:光学镜头、光源、CCD 第 3 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 相机、图像采集卡,步进电机控制模块,选择各软件模块,完成整个系统的系统设计设计。 (对图像处理方法进行研究,对常用的图像滤波和边缘检算法进行研究。2 通过试验比较它们对机械加工零件图像的处理效果,找到适合零件图像的预处理方法。 3(研究基于IMAQ Vision的图像处理函数以及相机的模型和相机标定算法。对本文搭建的机器视觉的相机进行标定,利用标定获得的内参数校正采集到的图像的畸变,提高测量效果。 4(编制软件程序实现图像的采集、图像处理、特征提取和参数计算等功能。 5.分析影像测量仪的精度是否合理。 1.5设计的背景和意义 随着我国经济的持续增长和工业产品精密程度的提高,以及对产品数量和质量要求的提高,传统的尺寸测量手段(如:卡尺、量规、万能工具显微镜、轮廓仪、X射线等)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。机器视觉检测可以高速、可靠和不间断地对工业产品的质量问题进行准确的检测,所以有望能取代以往费时费神但又无法保证检测质量的人工检测方法。基于虚拟仪器的视觉测量系统融合了最新的传感器、电子测量和计算机等技术,使得视觉检测设备具有前所未有的速度、灵活性、测量精度和资源的可重用性。CCD摄像设备的分辨率和成像速度等技术性能的不断提高,数字图像处理技术的逐步完善,以及计算机的性能和性价比的迅速提高,为这一领域的研究提供了相当有利的条件。此外,采用先进的虚拟仪器技术还可以大大缩短产品的开发周期,通过计算机网络可获得丰富的信息亦有助于我们解决各种各样的技术问题。鉴于现在机器视觉在产品测量中应用的现状,本课题针对机器视觉在机械加工零件尺寸检测中的应用进行研究。课题的目标是利用机器视觉在工业检测中的优势对工业产品中基本的直线和圆形特征进行检测。本课题的目标是研究开发基于机器视觉的柔性好、效率高的工件尺寸检测系统。本文的研究对提高我国机器视觉检测系统的开发应用水平,提高工业检测的质量和效率以及突破国外公司对 第 4 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 我国机器视觉市场的技术垄断都具有现实意义,所研究的机器视觉系统具有一定的经济价值。 第 5 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 2 影像测量仪测量系统 2.1影像测量仪系统的基本结构 基于PC机的机器视觉系统一般由图像采集、图像分析处理、结果输出与执行几个部分组成。其中,图像采集部分的硬件主要包括:光源、镜头、相机、图像采集卡。图像采集部分的任务是将目标物体的特征信息进行光学成像,然后通过图像传感器将光信号转换为电信号传递给计算机的图像数据采集卡:图像分析处理部分由基于个人计算机平台上的图像处理分析软件实现:处理结果的输出可以利用计算机的通信接口也可以通过附加的硬件VO设备来实现。机器视觉系统的组成结构框图如图2.1所示。 图像采摄像头 光学镜头 集卡 及光源 二轴机械 驱动器 运动 计算机 运平台 步进电机 控制卡 光栅位置 传感器 图2.1 系统结构框图 2.2 系统硬件 【12】【15】本文通过对一些硬件资料后的分析总结后,根据各个硬件的参数及其选用原则选择了一套适合设计要求硬件,包括相机、光源、镜头和图像采集卡,并使用这些硬件构建了机器视觉系统。 2.2.1 CCD相机 电荷耦合器件(CCD)是--种新型的半导体器件,在传感器应用方面取得了令人瞩目的发展,己成为现代光电及现代测试技术中最为活跃、最富成果的新兴技术 【11】【12】之一。用于摄像的电荷耦合器都是利用光学系统把景物聚焦在器件表面,通过光电转换和存储过程,输出视频f模拟或数字信号,以便后续的信号处理。CCD是目前比较成熟的成像器件,已经广泛的被应用于各种成像和光学探测领域中(CCD相机也成为图像传感器的主流产品。 2.2.1.1 CCD相机的分类 第 6 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 相机的选择要根据系统的要求综合考虑镜头和图像采集卡的情况来选择相机的参数。通常相机根据其参数的不同进行分类,下面是常用的分类方法:按照传感器的像素几何排列不同可分为线阵和面阵两种。面阵相机的像素几何排列是二维平面,一般为矩形面阵相机一次可以采集到一定视野范围内的全部图像信息;线阵相机的像素按一维直线排列,一次只能观察物体的一个条状部分,摄像头和物体必须有相对运动来完成扫描,把每次采集的图像进行拼接得到图像。线阵相机的成像质量不如面阵相机,但是线阵相机分辨率高,速度快,对于运动物体的连续检测(例如:连续运动的纸张)有着自身的优势。根据相机采集图像色彩不同,可以分为黑白相机和彩色相机。彩色相机适用于需要提取场景中的颜色信息进行检测和识别的场合,黑自相机只能生成灰度图像。根据信号传输方式的不同相机分为模拟信号相机和数字信号相机,模拟信号相机成本低,在成像质量、速度、分辨率方面不如数字相机性能好。 2.2.1.2CCD相机的选用 根据本文的要求结合今后研究工作的进一步开展,选用了UNIQ公司的UP(800型黑白面阵CCD数字相机,其主要参数如表2(1所示。UP(800是款分辨率为1024x776的数字工业相机,它使用了逐行扫描隔行传输的技术。具有外部异步采集功能,能够很容易的抓拍高速运动物体的图像。其CCD为方形像素,更适合用 UP(800可以应用在高速机器视觉、自动检于处理、测量和分析方面的应用。 测、运动采集分析以及很多其它科学和工业领域内。这款相机和许多市场上常用的图像采集卡都能够配套使用。 表2.1 UP – 800 相机参数 性能指标 参数 CCD图像传感器 1/3 ,逐行扫描,隔行传输 CCD 传感器芯片 5.80MM*4.92MM 有效像素 1024*776 单位像素尺寸 4.65um*4.65um 帧速 45FPS 数字视频输出 10-bitRS644/LVDS 电子快门 1/45-1/71000秒 镜头接口 C-接口 外形尺寸 50mm*40mm*83mm 第 7 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 2.2.2光源 机器视觉工程中使用的光源除了要适合被测量目标的特性以外,还要求光能稳定。LED光源效率高、体积小、发热少、功耗低、发光稳定、寿命长,通过不同的组合方式可以制造成环形、条形、矩形等不同形状的光源来满足不同工程的 【13】【14】需要。因此,LED光源以其优异的特性在机器视觉工程中得了广泛的应用。 照明方式通常有掠射、背光、环形灯、同轴光等,由于是检测机械零件,综合考虑之后,照明方案选用了环形灯前景照明。 由于LED光源存在以下优点:高效节能,超长寿命 半导体芯片发光,无灯丝,无玻璃泡,不怕震动,不易破碎,使用寿命可达五万小时,光线健康光线中不含紫外线和红外线,不产生辐射,保护视力,直流驱动,无频闪安全系数高,所需电压、电流较小,发热较小。所以本次设计选用AL-204UWC白色LED作为光源。 2.2.3镜头 镜头选择要根据相机的传感器尺寸、支座接口形式以及被测量的零件尺寸等进行综合考虑。镜头的成像应能够完全覆盖镜头的传感器表面;镜头和相机的联接接口形式应该尽量相同;镜头的视场和景深应该满足被测量的零件的尺寸要求。下面是镜头几个主要参数的解释; 视场:视场就是整个系统能观察的物体尺寸的范围,也就是与图像传感器上所称图像对应场景的大小。 工作距离:工作距离就是物距,即:物体到镜头的距离。 分辨率:分辨牢描述的是光学系统能够分辨的最小物体的距离一般用成埘的黑白相叫线来标定镜头的分辨率,即:每毫米多少线对(1plmm) 。 景深:沿光轴方向上物体的停止或运动在一定范围内所成的图像是清晰的,也就是说,这个范围称为景深。 光圈:光学系统中光线经过折射、反射等最后到达相机(在这个传输过程中,并不是所有进入系统的光线最后都能通过,而是有一部分被阻挡。为了能够调节透过的光强度,一般镜头中都设置了光嘲,也就是一个多叶片的机械装置组成的直径可变的圆孔,调整时这个孔的直径可以连续变化,从而改变镜头的有效进光量。镜头光圈的大小一般用F数来表示。 第 8 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 F数:假定光学系统的有效孔径是d,焦距是f那么,F=f,d。这个参数描述了光学系统的采光能力。有效孔径越大,能收集到和通过的光线越多,而焦距越短,这些光线能到达像而的可能性越大。 表2.2 M2514-MP镜头参数 性能指标 参数 焦距 25MM F数 1:1.4 图像最大尺寸 8.8MM*6.6MM 工作范围 光圈 F1.4-F16C 工作范围 焦点 0.3M-inf 控制方式 光圈 手动 控制方式 焦点 手动 分辨率 超过100线对/MM 镜头接口 C-接口 本次设计选用了性价比价比较高的COMPUTAR公司的M2514一MP百万像素固定焦距镜头,其主要性能参数见表2.2所示:该镜头采用C型接口与相机配套使用。成像尺寸满足相机的CCD传感器尺寸要求。另外,该镜头分辨率较高,适合高精度的尺寸检测。光圈和焦距手动调节可以满足本次设计的要求。 2.2.4图像采集卡 图像信号的传输是大数据量快速传输。当图像采集卡的信号输入速率较高时,如果使用个人计算机,图像采集卡通常采用的PCI接口的理论带宽峰值为132MB,S。在实际使用中,PCI接口的平均传输速率为50,90MB,S,有可能在传输瞬间不能满足高传输率的要求。因此,这一任务通常使用图像采集卡来完成。图像采集卡是一块可插入计算机或脱离计算机独立使用的板卡,图像采集卡将数字信号经过处理送入计算机,是图像采集部分和图像处理部分的接口。为了避免与其他PCI设备产生冲突时丢失数据,一般在图像采集卡上应有数据缓存。一些图像采集卡还提供数字I,O的功能。 图像采集卡的技术参数主要有以下几个: 图像传输格式:图像采集卡需要支持系统中相机所采用的输出信号格式。其中,LVDS、CameraLink和千兆以太网等几种图像传输形式在机器视觉工程中应用较为广泛。 第 9 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 图像格式:图像格式也被称为像素格式,分为灰度和彩色两种。灰度图像在通常情况下,图像灰度等级可分为256级,即以8位表示。在对图像灰度有更精确 位、16位等来表示图像的灰度;彩色图像:可由RGB(或要求时,可使用10位、12 者YUV)3种色彩组合而成。 分辨率:采集卡能支持的最大点阵反映了其分辨率的性能。单行最大点数和单帧最大点数也可反映采集卡的分辨率性能。 采样频率:反映采集卡处理图像的速度和能力的参数。在进行高度图像采集时,需要注意采集卡的采样频率是否满足要求。本文使用的图像采集卡为NI公司 .3。 的IMAQ 1422图像采集卡,其主要性能参数见表2 表2.3 IMAQ 1422 参数 性能指标 参数 内存 32M 传输格式 LVDS 像素精度 8,10,12,14,16bit 时钟频率 500K赫兹到40M赫兹 总线接口 PCI NI公司的IMAQ—1422LVDS图像采集卡是一款非常灵活的,对工业现场应用和科学研究都适合的图像采集卡。这一图像采集卡不仅可以与多个厂家生产的多种型号的相机配套使用,而且提多种编程软件的驱动接口和一些基础的图像处理函数以适和不同用户的需求。IMAQ(1422图像采集卡能够支持的软件开发平台有:LabView、LabWindows,CVI, Visual C+-、Visual Basic以及Bortand c++等。 2.3系统软件平台 Labview是美国国家仪器公司(National Instrument)开发的一套高效图形化应用开发软件,使用数据流编程方法来描述程序的执行,用图形语言(G语言)、图标和连线代恃文奉的形式编写程序,为用户提供了简单、易学的图形编程方式。 【11】labview 具有以下特点: 1.图形化和数据驱动式的开发环境 Labview使用所见即所得的可视化技术建立人机界面。针对测试测量和过程控制领域,Labview提供了虚拟仪器面板上所必须的大量显示或控制对象,如:表头、旋钮、图表等,用户可以方地将现有控制对象修改成适合自己工作领域的 第 10 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 控制对象。图形化的程序语言,又称为 “G” 语言。使用这种语言编程时,基本上不写程序代码,取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念,因此,Labview是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力,提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、 ew用图标表示功能模测试并实现仪器系统时,可以大大提高工作效率。Labvi块,使用图标间的连线表示各种功能模块间传递的数据流,使用数据流程图式的图形化语言编写代码。开发时在开发环境的前面板定制界面,后面板会自动生成与前面板相应的功能图标。 2、灵活的程序调试手段和编程效率 用户可在源代码中设置断点单步执行源代码,在源代码的数据流上设置探针在程序运行中观察数据流的变化。Labview采用编译方式运行32位应用程序,这就解决了其他按解释方式工作的图形化编程平台运行速度慢的问题,其运行速度与编译C的速度相当。熟练的Labview程序员所需的开发时间,大概只是熟练的C程序员所需时间的1/5左右。所以,如果项目开发时间紧张,应该优先考虑使用Labview,以缩短开发时间。 3、功能强大的函数库 ew提供了大量的基本函数库供用户直接调用,从底层的VXI、GPIB、串Labvi 口及数据采集板的硬件控制子程序到仪器驱动程序,从基本的数学函数、字符串处理函数、数据运算函数、文件I,O函数到高级分析库(包括信号处理窗函数、滤波器设计、线性代数概率论与数理统计、曲线拟合等)涵盖了虚拟仪器设计中几乎所有需要的函数。此外,Labview还支持NI各种专用函数库来实现特殊功能,只要安装相应的软件,用户就可以像调用基本函数库中的函数一样来调用库中的功能模块,如:NI DataSocket封装了API底层的TCP,IP通讯,用户无须编写大量的代码便可可以用DataSockct开发出支持TCP,IP动态数据交换、DDE等网络功能的应用;NI SQL封装了复杂的数据库操作程序,用户可以通过NI SQL很容易的进行数据库操作;NI IMAQ VISION包含了各种机器视觉开发应用算法,用户可以基于它快速的开发自己的机器视觉应用。( 4、跨多种系统平台 如果同一个程序需要运行于多个硬件设备之上,也可以优先考虑使用LabVIEW。LabVIEW具有良好的平台一致性。LabVIEW的代码不需任何修改就 第 11 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 可以运行在常见的三大台式机操作系统上:Windows、Mac OS 及 Linux。除此之外,LabVIEW还支持各种实时操作系统和嵌入式设备,比如常见的PDA、FPGA以及运行VxWorks和PharLap系统的RT设备。 5、开放式的开发平台 Labview提供DLL接口使用能够在Labview平台上调用其他软件平台编译的模块,从而在Labview环境下可以控制用户自己开发的专用仪器硬件。Labview提供了CIN接口,可以使用户将自己用C语言编写的程序集成到整个软件系统中来。用户可以根据项目的需要在Labview现有的功能模块基础上定制自己的算法和功能。 2.3.2IMAQ视觉模块 一些研究机构或企业开发了机器视觉系统软件的开发平台或者函数库,提供一些常用的算法和工具。例如:DEEL公司openCV函数库、mvtee公司HALCON、NI公司LabVIEW软件的IMAQ Vision等。LabVIEW软件的视觉模块包括NI Vision Builder和IMAQ Vision两部分NIVisionBuilder是一个交互式的开发环境开发人员无需编程即能快速完成视觉应用系统的模型建立。 美国NI公司的的IMAQ Vision软件包是NI公司的视觉开发模块是专为开发机器视觉和科学成像应用的工程师及科学家而设计的,是一套包含各种图像处理 多种函数集成到LabVIEW和Measurement Studio开发环境函数的功能库,它将400 中,以实现功能强大的图象处理解决方案,为图象处理提供了完整的功能。 1、IMAQ Vision的主要功能 NI 公司的IMAQ Vision软件包LabVIEW,LabWindows/Cvi,ComponentWorks以及其他ActiveX容器应用程序中加入了机器视觉和图象处理的功能。IMAQ Vision中包含一套丰富的函数,可用来完成灰度、彩色以及二值图象的显示、处理(统计、滤波和几何变化)、形状匹配、斑点分析、计算和测量等。最终用户、系统集成商和原始设备制造商都可以使用IMAQ Vision以加快工业视觉和科 可用于工厂和实验室里那些需要高可靠性、高学图像应用的开发。IMAQ Vision 速的视觉系统的自动化操作中。 2、IMAQ Vision的主要特点 (1)加快了应用程序开发速度 IMAQ Vision在设计时便考虑到使用的简便性,尤其能满足图像应用开发人员的需求,以减轻他们在降低成本与缩短上市时间方面的压力。开发的内存管理 第 12 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 以及符合命名逻辑的VI、函数和参数使得IMAQ Vision易于学习;其内建的各种高级函数可以直观的相互配合工作,因此可以使用很少的函数而得到更快的开发速度。 (2)使用Intel MMX技术以提高性能 Windows NT,98,95版的m饮Q Vision利用了Intel MMX技术。在图象处理中 技术可以加快这些运处理8位图象时,通常会用到整数或者浮点运算函数,而MMX 算的速度(使用具有MMX技术的奔腾处理器执行很多IMAQ Vision的函数时,其性能要比不具有MMX技术的奔腾处理器提高最大4倍。 (3)ActiveX控件 IMAQ Vision ActiveX控件是ComponentWorks产品家族的一员,它为MicrosoftVisual BasicMicrosoft Visual C++和其他ActiveX开发环境提供了三个等级的控件:浏览器控件可以30帧1秒或更高的速率显示图象,并且提供了感兴趣区域ROI(Region ofInterest)选择工具:NI—IMAQ像采集控件使用属性页的形式简化了图像捕捉:机器视觉和图象处理控件提供了上百种处理函数。 (4)可与DAQ(DataAcquisition)配合工作进行图像采集 IMAQ软、硬件的设计目标之一就是能够很容易的和NI DAQ产品集成。IMAQ硬件上的总线可以使不同板卡使用共同的定时信号,从而实现图像和数字量的定时、同步。 (5)IMAQ Vision的使用环境 IMAQ Vision针对不同开发环境有不同的使用方法,开发人员可以根据需要来进行灵活选择。利用LabVIEW,BridegVIEW等图形化开发环境可以加快开发速度,同时提高系统的可靠性(这种环境下HVtAQ Vision的各种处理功能以?的形式出现;若开发人员想利用现有的通用开发环境,可以使用m队Q VisionActiveX 控件,它可以在MicrosofiVisual Basic(Microsoft Visual C++和其他ActiveX开发环境中以可视化控件的形式提供图象处理功能。 (6)图像采集驱动软件NI(IMAQ 不论使用LabVIEW(LabWindows,CVI(C或者Visual Basic(NI(IMAQ都能提供对NI(IMAQ采集设备的高层控制。NI(IMAQ是针对图像采集的一个完整的而可靠的API(NI(IMAQ可以完成图像采集所需的与计算机板卡有关的工作而无须进行寄存器级编程。NI(IMAQ与NI(DAQ和其他的NI驱动软件完全兼容,以便将图像继承到任何基于NI产品的解决方案中。 第 13 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 2.3.3程序总体框架 机器视觉系统要实现预定的功能离不开相应的计算机软件,图像处理软件要 实现图像数据的采集,并且进一步通过特定的算法对采集的数字图像进行分析、 处理,最终将结果显示或根据需要传送给执行机构的控制部分。系统软件的设计 在整个系统的设计中占有重要的地位,是提升机器视觉系统性能的重要保障。软 件系统的设计应合理高效和简洁,以保证整个检测系统运作的稳定和可靠。程序 流程框图见图2,2。 开始 初始化 相机定定 K标定并保存K参数 K读取并标K定 参数 图像采集 图像预处理 步进电机控制 步进电机控制 特征提取 参数测量 是否结束 结束 图2.2 程序流程框图 第 14 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 3 图像采集和预处理 3.1引言 机器视觉系统对所采集到图像质量的要求根据机器视觉系统所承担的任务不同而有所侧重。对于基于机器视觉的测量任务来说,图像中被测量目标的边缘信息和灰度信息是非常重要的,这是测量精度的重要决定因素。通常,机器视觉软件需要对图像消除噪声、校正失真、钉选择性的突出图像中的特征部分(使得视觉系统可以快速准确的提取到图像中所需要的信息。本章介绍了图像的增强、图像滤波与图像边缘检测方法。 3.2 图像的采集设计 本文使用的图像采集硬件是NI公司的IMAQ-422图像采集卡支持UNIQ公司的 网站上得到相机的信息文件、相机支持文件以及相机数据文件UP800相机。在NI 后,IMAQ函数便可以直接使用控制相机的动作,进而进行图像采集操作。根据本文的需要,使用相机的单帧采集工作方式,相机的控制和图像采集过程大致为:相机初始化、建立图像采集任务、采集图像关闭相机、删除任务。 3 .3图像增强 由于采集到的图像不可避免的会存在噪声,使得在机器视觉工程中所采集的图像中的一些有用的细节信息会不明显(通过图像增强处理可以将这些细节部分突出出来,使图像更加有利于计算机的处理与分析,这也是图像增强技术的主要 【16】目的所在。国内外对图像增强的方法的研究也比较多,通常使用直方图变换。 3 .3 .1直方图 一般来说,在一幅数字图像中存在不同亮度的像素,同一亮度的像素数量也不一样。直方图是描述数字图像的灰度分布的统计图表。直方图的横坐标为扶度值r:纵坐标为具有某个灰度值的像素的数量H。 图3(1是一个零件在不问的照明条件下的两幅图像以及各自的直方图。可以看出,两幅图像的狄度范围、灰度分布、整幅图像的对比度和平均亮度有根明显的不同。图3(1是1MM的量块的源图像,图3.2为其直方图变换后。通过修改图像的直方图的方法可以使图像的特性发生改变,使图像性向着有利于工程需要的方向改变。从直方图中可以看出,经过阀值在50左右的时候使得图像能更清晰的显示出来。 第 15 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 图3.1 源图像 图3.2原图像的直方图 3.4图像滤波 图像的获取过程,成像系统的限制或者外界环境的干扰会降低所采集到的图像的质量,这种对质量的影响主要噪声和畸变。其中,图像的畸变将在下一章中具体讨论。图像的噪声产生的原因只要有以下两个方面: 外界环境干扰包括被检测对象表面光特性和照明方式的选择。,照明方式的选择不当会造成光照的不均匀,特征不明显。 CCD图像感器一身噪声人体可以分为三类:同定模式噪声、读出噪声和散粒噪声。信号强度比强时通常产牛固定模式噪声,同定模式噪声是由于整个CCD图像感器像素川是敏度的不一致。通过提高CCD的工艺,固定模式噪声可以减少;在信号强度较低时,噪声主要是是图像传感器工作时产生的读出噪声;散粒噪声包含两部分:信号散粒噪声和一部分暗电流泊松噪声,暗电流可以通过降低环境 第 16 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 温度或改善工艺使之达到很小,而信号散粒噪声是光电子过程所特有的,不能去掉的。图像中的噪声会给图像的分析带来困难,利用图像滤波可以有效地改善图像质量。 3.4.1均值滤波 均值滤波的思想是将图像中的每一个像素的平均值来代替。假设图像中位置 j)的像素,它的灰度值为f(i,j),则经过均值滤波后的输出值h(i,j)为(i, 为:像素的灰度值用这像素及其周围一定大小邻域内所有 (3-1) 式中,N表示以(i,j)为中心的邻域的集合:M表不邻域N内的像素总数。 3.4.2中值滤波 中值滤波的思想是将图像中的每个像素的驭度值用该点的邻域中的所有像素的灰度值的中值来代替。假设图像中位置为(i,j)的像素其灰度值为f(i,j),则经过中值滤波后的输出值h(i,j)为: (3-2) 其中,N表示以(i,j)为中心的邻域的集合,N内的像索总数通常为奇数; Med表示对个集合中的数值取中间值。 中值滤波器是一种非线性滤波器,在一定条件下可以克服均值滤波带来的图像细节的模糊,对滤除脉冲干扰以及颗粒噪声十分有效。 3.4.3高斯平滑滤波 高斯滤波器是根据高斯函数的形状来选择权值的线性半滑滤波器。高斯平滑滤波器无论是在空间域还是在频率域都是十分有效的低通滤波器。对于数字图像处理来说,通常使用。二维零均值离散高斯函数作为平滑滤波器。二维零均值离散高斯函数数学表达式为: (3-3) 在设汁高斯模板时(模板中的每一个元素的值就是: (3-4) 第 17 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 3(5边缘检测 图像的边缘是图像局部灰度变化最为显著的部分,主要存在于场景中日标与背景之旬、区域之间的边界。边缘包含的图像信息十分丰富,是图像的基本特征之一,也是图像分割、纹理特征提取等图像分析的基础。边缘检测是机器视觉测量中的重要环节,其结果的精确程度直接影响着机器视觉测量的精度。边缘检测算法的研究一直是图像处理,机器视觉领域的研究重点。 图像边缘通常与图像灰度值或灰度值的一阶导数的不连续性有关。灰度值的不连续分为:阶跃不连续用和线条不连续两种情况。阶跃不连续两侧的灰度值有明显不同:线条不连续两侧们灰度值差别不大,只有边缘处明显不同。在实际成像中,由于成像系统的限制使得阶跃不连续型边缘成为斜坡型边缘;线条边缘成 .3所示。 为屋顶形边缘,同时边缘也会变得模糊,各种边缘的形状如图3 图3.3 边缘检测模型 在本次设计中,涉及的检测对象的图像中边缘大多为斜坡型边缘,下面讨论这一类边缘的检测方法。斜坡型边缘的一阶方向导数在边缘处取极值,二阶导数为零,边缘检测通常利用边缘的这些性质来检测边缘的位置所在。 3.5.1 一阶微分算子 边缘检测是检测局部图像灰度显著变化的基本运算。一阶微分算子边缘检测器是根据图像边缘处灰度值的一阶导数最大这一性质而提出的。一幅图像可以看作是图像灰度连续函数的取样点阵列,图像灰度值的显著变化可用梯度的离散逼近函数来检测。 第 18 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 经典的一阶导数边缘检测器有:Roberts算子、Sobel算子。对源图像用MATLAB进行算子处理之后的图像如3.4和图3.5所示。 图3.4Roberts算子处理后的图像 图3.5 经过Sobel算子处理后的图像 为了检验各种一介微分算子边缘检测的效果,分别使用了Roberts算子、Sobel算子对同一副图像经行边缘轮廓检测处理.从检测图中可以看出,一件微分算子可以检测出明暗对比明显的轮廓,同时也会受到图像中噪声的干扰,产生一些假边缘。 3.5.2 LOG算子 第 19 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 Marc和Hildreth将高斯滤波和拉普拉斯边缘检测结合在一起,形成LOG(Laplacian of Gaussian)算子。这算法的原理是:首先将图像与高斯滤波模板进行卷积来平滑图像降低噪声,然后使用拉普拉斯算子近似的找的找出图像二阶导数的零交叉点,从而实现对图像的边缘检测。 图3.6 LOG算子处理后的图像 使用LOG算子对机械零件图像边缘进行检测(如图3.6所示),从检测效果来看,这一算子对噪声的抑制性能不好,产生很多假边缘。 3.5.3 Canny算子 检测阶跃边缘的基本思想是在图像中找出其具有局部最大梯度值的像素点。主要工作是寻找实际图像的梯度数字逼近。梯度逼近必须满足两个要求:抑制噪声和精确的定位。但这两点是不能同时满足的,它们的折衷方案便是Canny边缘检测器—高斯函数的一阶导数。对源图像进行canny算子处理之后的的图像如3.7所示。 Canny算子对一零件图像进行了边缘检测,从检测效果来看,Canny算子可以检测到灰度变化不明显出的边缘,这是以上的一些算法所不具备的,但同时也会检测出大量的假边缘。 图3.7 canny算子处理后的图像 第 20 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 3.6图像的处理 对于机器视觉工程来说,图像纹理特征不同和照明方式不同得到的图像也有不同的特点。对具有不同表面特征的工件图像要采用一定的方法来解决。机械零件加工中为了保证零件质量要求会采用不同的加工工艺,经过不同的加工工艺,加工的机械零件表面会自不同的特点,相机采集的图像也呈现不同的特征。 根据本章上面的论述,通过各种滤波和边缘检测算法的试验比较(选择了种适合机械加工零件表面特征的图像预处理方法。这方法的思想是结合中值滤波和Canny算子对工件图像进行处理。,这样在去掉图像的干扰噪声的同时不会对特征边缘造成模糊:然后使用Canny算子对图像边缘进行检测。 .8所示。从试为了检验方法的效果,本文对零件进行边缘提取(结果如图3验的结果可以看出,使用该办法进行边缘检测可以很好的抑制噪声,检测到边缘也比较完整,是种适合机械零件机器视觉检测的像处理方法。 图3.8 边缘检测之后的图像 第 21 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 4 CCD相机标定 4(1引言 拍摄得到的图像是空间物体通过成像系统在像平面的投影。图像上每一个像景点的灰度反映了空间物体表面某点的反射光的强度,而该点在图像上的位置与空间物体表面对应点的几何位置有关。这些位置的相互关系及其描述是由遵循一定几何模型的相机的标定参数来实现的。根据标定结果,可以将成像图像转化为实际物体的二维空间关系。 场景中的零件投影到相机成像面上,经过CCD传感器将光信号转换为电信号,照明方式选择前景照明的LED照明。输出数字图像。这个过程涉及到不同坐标系之间的转换,在此,首先确定几个坐标系的定义: 1(图像像素坐标系(u(v):以图像的左上角象素为原点,以像素在图像数组中的列与行的位置为单位表示象素在图像中的位置的坐标系(如图4(1所示)。 2(图像物理坐标系(X-Y):以光轴与图像平面的交点(通常在图像中心处)为原点,以毫米为单位的直角坐标系。其X、Y轴分别与像素坐标系的u、v轴平行(如图4(2所示)。 3(相机坐标系(Xc(Yc(Zc):以相机的光心为原点,Zc轴与相机的光轴重合,以摄影方向为正。Xc轴、Yc轴分别与图像物理坐标系的X轴、Y轴平行。 4(世界坐标系(Xw(Yw(Zw):可以描述相机的位置以及空间中的任何物体的空间中的坐标系。 在图像传输的过程中可能产生的各种畸变。镜头一般由多片透镜组成组成,在理论上遵循小孔成像模型。但是由于实际制造和安装误差以及CCD点阵位置误 第 22 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 差的存在,经过透镜所成的二维图像存在着不同程度的非线性变形,通常把这种非线性变形称之为几何畸变。 (径向畸变 1 径向畸变主要是由镜头形状缺陷引起的。如果相机镜头有相对于主光轴对称的正向畸变则产生枕形畸变,负向的畸变产生桶形畸变。 2(切向畸变 切向畸变原因在于镜头的偏心或是镜头元件不精确的中心调整和复合透镜的制造的缺陷。 4(2相机标定 具体实现步骤,将标准件放在影响测量仪的运动平台上,,在计算机中会显 转动光学示被测件的图像,调整光源使被测图像能尽量的清晰的在电脑中显示,镜头选用合适的放大倍数进行放大,图像清晰后,然后再利用Matlab 经行图像处理,可以对图像的像素点分离,输出具体的像素距离,即可算出一个像素点代表的实际像素的大小。 本次标定选用的是1MM的两块进行标定,通过标定1MM的量块的尺寸来进行对其他尺寸的测量,CCD摄像机采集到的图像经过图像采集卡传送到计算机上,这些数字图像都是由一个个像素点组成的,一个像素就是一个离散的单位,但是像素数量并不代表实际尺寸的大小,像素与实际尺寸的比例关系,由成像系统和透镜放大倍数决定。一旦整个图像测量系统安装固定好,像素与实际尺寸的比例关系也就固定不变了,在实际图像测量时,只需要将图像像素数乘上这个标定系数(像素与实际尺寸的比例大小)就可以得到被测目标的真实尺寸大小,其数学表达式如式4-1所示。 L= K*P (4-1) 其中,l表示被测物的实际尺寸,p表示被测物的像素个数,k表示标定系数。本文选用的标定方法是选用一个标准件(长度为1MM的量块)进行标定。具体的标定步骤如下: (1)选用一个标准件,本文选用一个长度为1MM的量块作为标准件。 (2)将标准件放置在测量系统上进行测量,此时让测量系统的工作状态和平时正常的测量工作状态保持一样,即摄像机参数的设置、光源的设置及被测对象与摄像机之间的相对位置等全部与正常工作时的状态一致。 (3)根据公式“一旦计算出系统的标定系数,即像素与实际尺寸的比例关 第 23 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 本测量系统最后确定的标定系数 : K=L/P (4-2) 个像点,用1mm的两块放在测量仪上测量,经过多次测量后取得的平均值是P0即: K=L/P 0 在最终的尺寸计算中,如果被测量的几何尺寸是长度,则只需利用像素点的多少乘以标 2定系数P0即可,若是圆则可以算出在计算机中圆的面积像素点,利用S=πR计算出R像素点的多少,再乘以标定系数即可。 第 24 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 5 步进电机控制 5.1 步进电机的系统组成和步进电机工作原理: 系统由一台PC 机、两台步进电机、一块数据采集板及步进电机驱动电路组成, 具体如图5.1所示。 计数光功步 算据电率进 采耦放电机 集合大机 器卡 器 件 图5.1 步进电机系统组成 系统利用LabVIEW 软件及数据采集卡的数字I/O 口代替传统步进电机的脉冲发生器和环形分配器。数据采集卡采用NI 公司生产的NI-6024E 数据采集卡, 该数据采集卡配有一个8 位的数字输入输出口, 通过软件程序控制其输出数字信号, 通过数字信号控制电机正反转及转速。光电耦合电路起到保护作用, 使数据采集卡输出的弱信号与步进电机的大功率器件相分离, 同时起到抗干扰的作用。功率放大器件直接与步进电机各相绕组相连, 放大来自光电耦合器的弱信号, 驱动电机运转。 步进电机工作原理:步进电机按其力矩产生原理可以分为反应式、永磁式和混合式几种。本文采用的是反应式二相四线步进电机,定子有两个线圈绕组,设其中一个线圈绕组为,相,另一个线圈绕组为,相。当给,相绕组通电时,该绕组即产生磁场,转子齿与,相绕组各齿对齐;当给,相绕组通电时,转子齿将与,相绕组各齿对齐,这样,转子就旋转了一个角度。依次给,相、,相绕组通电,就可以实现步进电机的旋转,改变通电的顺序(即先给,相绕组通电,再给,相绕组通电)就可以改变电机旋转的方向。另外,由于步进电机是由脉冲信号进行控制的,给电机发一个控制脉冲,它就转一步,再发一个脉冲,它会再转一步。两个脉冲的时间间隔越短,步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率,就可以对步进电机进行调速。 5.2程序设计 串行接口电路由RS232串行接口、MAX232芯片和AT89S51单片机三部分构成。其中,RS232串行接口用于连接,,的RS232串行接口,MAX232芯片用于衔接RS232 第 25 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 串行接口与AT89S51单片机,实现单片机输入,输出的串口信息到,,的串行接口信息的转换AT89S51单片机信号的TTL电平到RS232电平的转换,从而实现二者 。 之间电气特性上的兼容 步进电机的驱动电路有多种方案 本文采用芯片进行驱动 该芯片是专用驱动集成电路 输出L298,,采用 芯片可以直接控制步进电机 并可以用L298N,实 同时 为了避免电机现电机正转与反转 实现此功能只需改变输入端的逻辑电平 对单片机的干扰 在驱动电路中加入光耦TPL-521进行光电隔离 从而使系统能稳定可靠的工作. 单片机和,,的通信是通过单片机的串口和,,串口之间的硬件连接实现的 LABVIEW 软件简洁 ,直观 功能强大灵活 该设计采用LABVIEW编写上位机的控制程序 程序编写涉及VISA它的实质是一个标准的IO函数库 这些库函数用于编写仪器的驱动程序 完成计算机与仪器间的命令和数据传输 以实现对仪器的程控在LABVIEW里使用VISA必须安装NI,VISA程序包 安装后 与串口通信相关的VISA 函数位于Functions?All Functions?instrumen IO?Seril子模板上 其中VISA配置串口函数用于设定一些参数并将指定的串口按特定设置初始化VISA写入函数将 写入缓冲区的数据写入指定的串口VISA读取函数从指定的串口中读取指定字节的数据并将数据返回至读取缓冲区VISA关闭函数关闭指定串口的会话句柄或事件对象本文设计的步进电机控制程序采用上述的通信函数结合事件结构进行编写并通过程序调试实现了步进电机的转向和转速控制程序前面板与程序框图分别如图5.2和图5.3所示. 第 26 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 图5.2 步进电机控制程序框图 图5.3 步进电机控制后面板 第 27 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 以上为步进电机控制部分设计,由上位机LABVIEW控制显示步进电机的转速和控制,利用LABVIEW发出控制指令,使单片机传送转速命令,使电机正转或者 上面,实现步进反转,然后再由单片机传送回电机转速状况,再显示到LABVIEW电机的实时控制. 第 28 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 6 精度分析 6.1 精度分析: 由于本次设计需要达到X:150mm,Y:200mm,精度达到0.001mm的精度,因此本次设计采用光栅尺精度为0.0001mm的光栅尺,步进电机采用是海顿公司35000系列Size,,混合式直线步进电机,其重复定位精度小于10μ,,可以进 直线导轨选用的是,,, 公司生产的,,行微步进驱动以获得精密的分辨率; ,12型精密直线导轨,其直线度小于,″,安装面平面度小于0.0015,,. 假设采用300毫米的二等光栅尺经行检测,已知其参数如下:扩展不确定度 U = 0. 68μm,包含因子k = 2. 8; 被测对象: 影像测量仪,( 150 × 200) mm,最大允许误差? ( 1.5+ 2L /1000) μm。 只能进行理论计算,因为本次采用的原材料精度都较高,在忽略自身的重复性误差的情况下经行理论性计算。 6.1.1标准不确定度U的评定 ( Ls1) 标准玻璃线纹尺的定值不确定度引起的标准不确定度U的评定,300mm ( Ls1) 二等标准玻璃线纹尺其检定给出的测量不确定度: U = 0. 65μm,包含因子k = 2. 8,则标准不确定度U 为: ( Ls1) U = 0. 65/2. 8 μm = 0. 23μm ( Ls1) 6.1.2标准不确定度 U的评定 ( Ls2) 影像测量仪与标准玻璃线纹尺温度线膨胀系数差引起的标准不确定度U() 的评定: 由于影像测量仪与标准玻璃线纹尺温度线膨胀系数均为( 10 ( Ls2) , 6, 1, 6? 1) × 10 ? ,故两者线膨胀系数都在( 10 ? 1) × 10 ? , 1 范 , 6围内均匀分布,两者线膨胀系数之差Δa 应在? 2 × 10 ? , 1 范围内服 , 6从三角分布,该三角分布半宽a 为2 × 10 ? , 1,包含因子k 取?6,当温度偏离标准温度1?时,在300mm 长度上则标准不确定度U 为: ( Ls2) , 6U= (200 × 103μm × 2 × 10 ? , 1 × 1?)/?6= 0. 16μm ( Ls2) 6.1.3 标准不确定度U 的评定 ( Ls3) 影像测量仪与标准玻璃线纹尺温度之差引起的标准不确定度U 的评定等( Ls3)温后,影像测量仪与标准玻璃线纹尺温度之差在? 0. 3?范围内均匀分布,半宽a = 0. 3?,包含因子k =?3,则其标准不确定度: , 6U = (200 × 103μm × 2 × 10 ? , 1 × 0. 3?)/?3= 0.0 66μm ( Ls3) 第 29 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 6.1.4 输入量Ls的标准不确定度U 的计算 ( Ls1) U = U2 + U2 + U2 =?(0. 23?+ 0. 16? + 0. 066?μm) = 0. 30μm ( Ls)( Ls1) ( Ls2)( Ls3 ) 6.2合成标准不确定度uc δ() 6.2.1数学模型: E = Li , Ls 灵敏系数: L的灵敏系数: c1 = dE/dLi= 1 i L的灵敏系数: c2 = dE/dLs= , 1 s 6.2.2 各标准不确定度分量汇总 影像测量仪测量的重复性误差 U,无法测量而且本事是个很小的量,忽略不(Li) =0.3μm。 传递函数为-1 计,标准器引入的的U(Ls) U 标准玻璃线纹尺 0.23μm , 传递函数为0 ( Ls1) U 线膨胀系数差 0.16μm , 传递函数为0 ( Ls2) U 温度差 0.066μm ,传递函数为0 ( Ls3) 6.2.3 合成标准不确定度计算 U = ?, CU?, CU? , =?(0 + 0. 30?μm )= 0. 30μm C( E)1 Li2 Ls, ,, , 6.3 扩展不确定度的评定 取置信概率P= 95%,k = 2,扩展不确定度:U = k × uc = 0. 60μm 95 6.4测量不确定度的报告和表示 对影像测量仪300mm 点测量,其示值误差测量结果的扩展不确定度为: U = 0. 60μm,k = 2。小于设计要求的0.001mm的精度。符合要求。 6.5校准方法的符合性评定的验证 被测仪器最大允许误差( 1.5+ 2L /1000) μm当L =200时,MPEV = 1.9μm。示值误差测量结果不确定度与最大允许误差MPEV 比值即U/MPEV = 0. 60 /1.9 =.0315,小于三分之一。因此,可按E ?MPEV 规则,对仪器示值进行合格评定。上述方法可行。 第 30 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 致谢 本次设计阐述了图像测量技术在工业零件几何参数测量应用中的整体设计思路,分析研究了图像测量系统的硬件组成,重点对视觉系统器件的选择和照明系统。分析了图像测量系统中图像噪声的主要来源。本测量系统仅适合于二维几何图像参数的测量,对三维图像的测量还有待于下一步研究。对图像处理技术的一些算法,比如滤波算法、边缘检测算法、几何参数测量算法等还要进一步研究,以提出更为高效的处理算法。 感谢本次设计中帮助过我完成毕业设计的指导老师陈曼龙老师,他细心的指导是的我这次设计能找到我所设计的影像测量仪的不足之处,使我能尽早的完成我的设计,再次感谢帮助过我的张鹏同学,给我的设计提出了不少不错的建议使我的设计得到完善。若能完整的购买到所需的设计材料,然后再搭建成完整的系统,或许能更好的完成本次设计。 再次感谢本次给与我建议和意见的老师和同学,在此深深的感谢帮助过我的朋友和老师~ 第 31 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 参考文献 [1]贾云得(机器视觉[M](北京:科学出版社,2000. 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[29]http:,,www(edmundoptics(c 第 33 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 二次元影像测量仪附图 量块拍摄后的原图 第 34 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文~是本人在导师的指导下进行的研究工作所取得的成果。尽我所知~除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外~本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体~均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者,本人签名,: 年 月 日 学位论文出版授权书 本人及导师完全同意《中国博士学位论文全文数据库出版》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程》(以下简称“章程”)~愿意将本人的学位论文提交“中国学术期刊,光盘版,电子杂志社”在《中国博士学位论文全文数据库》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库》中全文发表和以电子、网络形式公开出版~并同意编入CNKI《中国知识资源总库》~在《中国博硕士学位论文评价数据库》中使用和在互联网上传播~同意按“章程”规定享受相关权益。 论文密级: ?公开 ?保密(___年__月至__年__月)(保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 作者签名:_______ 导师签名:_______ _______年_____月_____日 _______年_____月_____日 第 35 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 独 创 声 明 本人郑重声明:所呈交的毕业设计(论文),是本人在指导老师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,成果不存在知识产权争议。尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本设计(论文)不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 二〇一〇年九月二十日 毕业设计(论文)使用授权声明 本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定。 本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版,同意学校保存学位论文的印刷本和电子版,或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计(论文);同意学校在不以营利为目的的前提下,建立目录检索与阅览服务系统,公布设计(论文)的部分或全部内容,允许他人依法合理使用。 (保密论文在解密后遵守此规定) 作者签名: 二〇一〇年九月二十日 第 36 页 共 34页 陕西理工学院毕业论文设计 致 谢 时间飞逝~大学的学习生活很快就要过去~在这四年的学习生活中~收获了很多~而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。 首先非常感谢学校开设这个课题~为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验~奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年~现在终于到结尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计~我的能力有了很大的提高~比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血~在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助~我将无法顺利完成这次设计。 首先~我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导~在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导~为我理清了设计思路和操作方法~并对我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上~我学到了许多能受益终生的东西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。 其次~我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求~感谢他们对我学习上和生活上的帮助~使我了解了许多专业知识和为人的道理~能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。 另外~我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持~与他们一起学习、生活~让我在大学期间生活的很充实~给我留下了很多难忘的回忆。 最后~我要感谢我的父母对我的关系和理解~如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持~我将无法顺利完成今天的学业。 四年的大学生活就快走入尾声~我们的校园生活就要划上句号~心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出~对我的人生来说~将是踏上一个新的征程~要把所学的知识应用到实际工作中去。 回首四年~取得了些许成绩~生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲~对我成长的关心和爱护。 学友情深~情同兄妹。四年的风风雨雨~我们一同走过~充满着关爱~给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。 在我的十几年求学历程里~离不开父母的鼓励和支持~是他们辛勤的劳作~无私的付出~为我创造良好的学习条件~我才能顺利完成完成学业~感激他们一直以来对我的抚养与培育。 最后~我要特别感谢我的导师赵达睿老师、和研究生助教熊伟丽老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励~给了我很多解决问题的思路~在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度~严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中~都给与我很大的帮助~使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助~感谢他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助~帮助解决了不少的难点~使得论文能够及时完成~这里一并表示真诚的感谢。 第 37 页 共 34页
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