硕士二维几何量自动测量系统研究毕业论文

1、硕士学位论文二维几何量自动测量系统研究67 / 77摘 要几何量测量广泛应用于机械、仪表、电子、航空航天等行业，随着科学技术与工业的发展，对几何量测量技术与相应的测量仪器提出了愈来愈高的要求，近几年出现了将机器视觉技术应用于几何量测量的新方法。应用机器视觉技术的几何量测量仪器具有非接触式测量，自动化程度高，环境要求低，测量精度高等优点，具有广泛的应用前景。本文设计了一套基于机器视觉技术的几何量自动测量系统，能同时实现长度、角度、直线度、圆度等多种几何量的自动测量。该系统使用步进电机驱动一个二维数控平台，采用CCD摄像机和光栅尺采集被测物体的轮廓坐标数据，运用路径自动生成算法实现被测物体轮廓坐标

2、数据的自动获取，利用二维几何量自动测量软件实现几何量测量。本文主要工作容如下：（1）设计了二维几何量自动测量系统的机械结构。设计了由步进电机驱动的二维数控平台，平台的正上方安装有光学放大镜头和CCD摄像机，平台的导轨上安装有光栅尺。（2）研究了图像采集与处理技术，实现了基于DirectShow技术的图像采集方法，设计了自适应阈值的Canny边缘检测算法和数学形态学算法，实现了被测物体轮廓图像的亚像素边缘检测。（3）研究了基于FPGA和单片机的光栅信号处理技术。设计了光栅信号处理电路和FPGA逻辑电路，编制了单片机控制程序，实现了光栅尺信号的处理。（4）设计了步进电机运动控制电路和测量路径自动生

3、成算法，实现了被测物体轮廓坐标数据的自动获取。（5）开发了几何量自动测量系统软件，实现了被测物体直线度、圆度、平行度和长度尺寸等的自动测量。实验结果表明，二维几何量自动测量系统能够实现对被测物体待测几何量的自动测量，具有较高的智能化程度和测量精度。关键词：机器视觉，几何量，图像处理，传感器，自动控制，测量软件AbstractThe measuring of geometrical parameter has been used in many industry fields, such as machinery, instrument, electronics and aerospace. W

4、ith the development of science, technology and industry, the increasingly higher requirements of the measuring technology and correlated instruments of geometrical parameter have been put forward in recent years, a new method using machine vision technology to realize the geometrical parameter measu

5、rement has been proposed. Due to the advantages of non-contact measuring, high automation, low environmental requirement and high precision, the measuring instrument of geometrical parameter based on machine vision technology has a wide application prospect.An automatic measurement system which can

6、implement the measurementand evaluation of straightness, roundness, parallelism and length dimension has been developed in this paper.In this system, the stepper motor was used to drive a two-dimensional platform, the CCD camera and grating ruler was used to collect the outline coordinate data of th

7、e measured object automatically by means of a novel automatic path generating algorithm, the measurement software was designed to evaluate the geometrical parameter. The main research contents are as follows:(1) The mechanical structure of the automatic measurement system of geometrical parameter wa

8、s designed. The two-dimension numerical controlled platform was designed, the magnifying glass and the CCD camera was installed just above the platform, the grating ruler wsa fixed to the guide rail of the platform.(2) The image acquisition and processing technology was studied, the image acquisitio

9、n method based on DirectShow technology has been completed, an adaptive threshold selection method forcanny edge detection algorithm and the mathematical morphology algorithm were designed, and the edge detection up to sub-pixel precision was realized.(3) The processing technology of grating ruler s

10、ignals based on FPGA and MCU were studied. The circuit for processing grating ruler signals and the FPGA logic circuit were designed, and the MCU program was compiled, as a result, the processing of grating ruler signals was completed.(4) The circuit of the stepper motor controller and the algorithm

11、 of automatic path generation were designed, and the automatic acquisition of outline coordinates set of the measured object was completed.(5) The software of the automatic two-dimension measuring system of geometrical parameter was developed, the measurementand evaluation of the straightness, round

12、ness, parallelism and length dimension was implemented consequently.The experiment results show that the measurement and evaluation of geometrical parameter of the measured object can be implemented automatically by using the designed two-dimension geometrical parameter measuring system in this pape

13、r, and the system has high intelligence level and measuring accuracy.Keywords:Machine Vision, Geometrical Parameter, Image Processing, Sensor, Automatic Control, Measuring Softwere目录摘要iAbstractii目录iii图目录v表目录vi第一章绪论11.1课题背景11.2选题依据11.3论文主要工作31.3.1论文的研究容31.3.2论文的章节安排4第二章系统总体结构52.1系统组成52.2几何量测量系统软件设计62

14、.3系统工作过程6第三章图像采集与处理模块93.1图像采集软硬件设计93.1.1图像采集的硬件设计93.1.2图像采集的软件设计103.1.3 CCD摄像机标定133.2图像处理算法173.2.1图像的存储与表示173.2.2彩色图像的灰度化183.2.3图像平滑化处理183.2.4阈值分割193.2.5数学形态学213.2.6边缘检测算法243.2.7亚像素边缘检测算法26第四章光栅尺数据采集模块284.1光栅尺数据采集硬件设计284.1.1光栅尺的选择284.1.2光栅尺信号采集电路284.2 光栅尺数据采集软件设计314.2.1 FPGA逻辑电路设计314.2.2数据传输程序设计33第五

15、章运动控制模块355.1运动控制模块设计要求355.2运动控制硬件设计355.2.1步进电机的选取355.2.2步进电机驱动器的使用365.2.3运动控制模块的硬件电路375.3运动控制软件385.3.1单片机程序设计385.3.2上位机程序设计40第六章系统软件设计426.1软件设计426.1.1轮廓坐标数据的自动获取与存储436.1.2几何量测量的实现436.2 实验结果516.2.1轮廓坐标自动获取实验516.2.2几何量测量实验526.3误差分析59第七章总结和展望617.1总结617.2展望61参考文献63致67攻读硕士学位期间发表（录用）论文情况68图目录图2.1 二维几何量自动测

16、量系统5图2.2 系统软件模块划分6图2.3 系统工作过程流程图7图3.1 DirectShow系统框图12图3.2 过滤器的连接13图3.3 视频显示的截图13图3.4 透射投影模型14图3.5 玻璃线纹尺刻线的检测16图3.6 数字图像的矩阵表示17图3.7 3×3高斯滤波模板19图3.8 最大类间方差阈值20图3.9 膨胀操作的例子22图3.10 腐蚀操作的例子22图3.11 形态学处理后目标的边缘位置23图3.12 采样图像的八种模式24图3.13 边缘检测算法对比实验26图3.14 灰度值与其差分分布图27图4.1 光栅尺信号采集电路29图4.2 四细分与辨向电路32图4.

17、3 24位可逆计数器32图4.4 接口电路32图4.5 数据传输流程图34图5.1控制器与驱动器电路37图5.2 单片机接收数据流程图39图5.3 轮廓正方向和移动路径40图6.1 轮廓坐标自动获取用户界面42图6.2测量软件界面42图6.3 测量点的连接45图6.4包含测量点的凸多边形45图6.5 最小二乘法求直线度误差45图6.6 最小二乘圆法求圆度误差47图6.7 网格搜索算法原理48图6.8平行度误差的测量51图6.9 垂直度误差的测量51图6.10 齿轮齿廓坐标的自动采集52图6.11 直线度测量界面52图6.12 刀口型直线尺53图6.13 打开数据文件界面53图6.14 环规54

18、图6.15圆度测量界面55图6.16 环规径的测量57图6.17 量块58图6.18 平行度的测量58图6.19 垂直度的测量59图6.20 90度角度块60表目录表3.1 像素坐标到实际坐标的标定16表4.1 光栅尺技术参数28表4.2地址与输出数据的对应关系33表5.1 42H4630步进电机技术参数36表5.2 命令帧38表5.3 数据帧39表5.4 应答帧39表6.1 刀口尺工作棱边的直线度54表6.2 环规径的圆度55表6.3 环规的径57表6.4 量块的平行度59表6.5 90度角度块的垂直度60第一章 绪论1.1课题背景几何量的测量容包括：长度（包括点、线的距离、轴径、孔径等）、

19、角度（包括平面角、锥角等）、几何形状（包括直线度、圆度等）、几何位置（包括平行度、垂直度等）等。几何量测量是科学技术以与大众衣食住行都不可缺少的。自古以来，量布一尺、品食一碗、住房一间、 行路一里，无不用到长度。如今，几何量测量广泛应用于国民经济各个领域，如机械、仪表、冶金、电子、石油、化工、交通、纺织、航空航天、船舶、兵器、土木建筑、水利等行业1。 人类早期依靠人体器官获得几何量信息。随着工业生产的发展, 人们发展了各种量仪， 由人眼借助机械、光学系统采集几何量（主要是刻线相对位置），并通过简单的初等数学运算提取真值的估值，这类传统的几何量测量方法主要利用机械式、电动式、气动式与光学式等计量

20、器具实现测量。机械式测量器具游标卡尺和千分尺的出现，将测量精度提高到了0.01mm。量块出现以后，采用量块作为长度基准，大大推动了微差测量法的发展，将测量精度提高到了微米级。万能工具显微镜是一种传统的二维坐标测量系统，因其性能稳定、测量精度高、操作方便而得到广泛应用，但是也存在着如瞄准麻烦、读数过程烦琐、人员主观误差相对较大、长期工作劳动强度大等问题2。测量机(CMM)是最重要的一种现代测量设备，CMM作为一种集光学、机械、数控技术和计算机技术为一体的大型精密测量设备，广泛的应用在机械制造、仪器制造、电子工业、航空和国防等各个部门，虽然CMM测量精度高，但是使用条件却很苛刻，且价格昂贵。随着科

21、学技术与工业的发展，对测量技术与相应的测量仪器提出了愈来愈高的要求，同时，也促使科研人员采用当代科技的最新成就研制开发新的各类测量仪器，在机电工业中历来占有主要地位的几何量测量仪器也是如此3，近几年出现了将机器视觉47技术应用于几何量测量的新方法。应用机器视觉技术的新型几何量测量仪器具有分析速度快，自动化程度高，识别能力强，环境要求低，测量精度高等优点，对提高生产效率和科学研究水平意义重大，具有广泛的应用前景。1.2选题依据近年来，国外许多大学、企业、科研机构把机器视觉技术应用于光学测量仪器，对目视光学仪器进行改进，研制了大量新型图像测量仪器。国外一些传统的光学仪器公司在图像测量系统的设计领域

22、一直处于领先地位，他们不断推出功能强大的新型测量系统，这些测量系统大都集成了多种测量功能，并且各自具有不同的特点。在国外，瑞士豪泽(Hause)公司研制的H602型光电测量投影仪就是在普通投影仪的基础上，加上高精度光栅定位系统与计算机处理系统，以CCD器件作为光电瞄准头，进行动态瞄准与自动采样，使测量效率得到了很大的提高，劳动强度也大大降低，数据处理方便、准确。日本三丰公司研制的三坐标CNC图像测量机Quick Vision可利用其自身复杂的探测系统来测量形状复杂的工件，该系统采用直流伺服电机控制X轴、Y轴和Z轴的机械运动，而且每一轴都有置的高分辨率的Mitutoyo线性标定器检定，这种高分辨

23、力的线性标定器部的CCD像机有380000个像素，能够在CRT屏幕上显示清晰的放大的图像。该系统能进行自动调焦，系统的测量精度为(4+SL/100)m，最大驱动速度为200mm/s。物镜有1倍、3倍、5倍和10倍可供选择。上述的两套设备都采用了机器视觉技术，易操作性有了很大提高，测量精度也很高，但是价格昂贵，少则一二十万，多则几百万，精度每提高1m，价格可能会上升几千美元，然而其所使用的技术和测量原理却并不复杂，为此，国的许多大学和科研机构也展开了相应的研究，取得了很多丰硕的成果。在国，大学的廖强等8设计了微尺寸视觉精密检测系统，主要用于硬脆材料微小零件的检测，其测量精度为±3m。全

24、思博等9研究的基于图像拼接的大尺寸零件精密测量系统，对500mm尺度零件进行了图像拼接实验，最大误差不超过0.2mm。忠民等10用正交线阵CCD实现高精度小圆孔自动测量，该方法充分利用了线阵CCD分辨率高的特点，通过适当的光学设计使两个线阵CCD正交，测量小圆孔的夫琅和费衍射条纹，实现了小圆孔半径的一维参数高精度自动测量和圆度误差的二维参数定性自动测量。辉等11开发了大尺寸弧长非接触精密测量系统，成功地应用在航天飞船大型零件弧长在线测量中，系统使用了一种分段式图像测量方法，可实现大尺寸弧长的精密在线测量，对于8m长的弧长，测量精度可达0.4mm。Hao Qun等12将面阵CCD应用在大尺寸形位

25、误差测量中，在半导体激光光纤和位相板相结合的准直情况下，系统利用面阵CCD探测器测量大尺寸形位误差，此系统与双频激光干涉仪测量直线度误差的比对实验结果表明，二者的测量结果符合得很好，说明测量系统有很高的可信度。但是，在这些应用机器视觉技术所开发的几何量测量系统中，鲜有在一台仪器上同时实现多个几何参数的自动测量、并将测量数据分析处理后给出测量结果的系统，本文的主要工作即为通过结合机器视觉技术、自动控制技术、计算机技术、传感器技术等来实现一个这样的几何量测量系统。综上所述，本课题的选择主要基于以下几个因素：（1）基于机器视觉技术的几何量测量方法优点突出。该方法是一种非接触式的测量，具有速度快、效率

26、高、适应性强、应用面广等优点。（2）几何量测量自动化的要求。随着科学技术和生产过程的自动化，对几何量测量与其自动化提出越来越高的要求。几何量测量与其自动化技术按照测量过程不同环节，可分为：信息采集、信号转换、数据处理、结果显示等自动化技术，本文所设计的测量系统正是将自动化技术应用于这些环节，从而极大的节省人力、资金，同时能够消除测量过程中由于人为因素而产生的误差。（3）在同一台仪器上同时实现多种几何量的自动测量。本文设计的测量系统，在一台仪器上同时实现了对圆度、直线度、平行度与长度尺寸的测量，能够节省测量的成本和空间。1.3论文主要工作1.3.1论文的研究容在研究了国外几何量测量技术的基础上，

27、本文设计了基于机器视觉技术的几何量自动测量系统，在一台仪器上同时实现对多种几何量，如长度、角度、直线度、圆度等的自动测量。该系统使用步进电机驱动一个二维直角数控机械平台，采用CCD摄像机与光栅尺采集被测物体的轮廓坐标数据，并设计用于自动测量的算法，实现对被测物体轮廓坐标数据的自动获取；编制一套二维几何量自动测量软件，实现对轮廓坐标数据的分析和处理。系统的测量精度和自动化程度较高，价格低廉，维护简单。在综合研究了国外同行在机器视觉技术、光栅信号处理、图像处理、自动测量等领域所取得成果的基础之上，完成了相应的研究工作，涉与了光学、计算机科学、图像处理、传感器、软件工程、机械设计、自动控制等多个学科

28、。论文的主要研究容如下：（1）设计一个放置被测零件的二维数控平台，该平台采用柯勒照明法，并满足一定的控制精度。（2）设计光栅数据采集系统，实现数控平台X和Y方向的位移量测量和反馈，实现光栅与计算机的测量数据通讯。（3）设计一个图像采集系统，采集被测物体的轮廓图像，并送入计算机分析和处理。（4）选用合适的图像预处理算法13, 14。路径自动生成算法需要以图像为基础，而CCD摄像机直接拍摄的图像包含很多的噪声，不利于算法的实现，这就需要根据情况选用一些图像预处理算法对图像加以处理，以方便路径自动生成算法的实现。（5）选择一种适合的亚像素边缘检测算法。提高测量精度的方法15, 16很多，亚像素边缘检

29、测就是一种基于图像处理技术的提高测量精度的方法。现有的亚像素边缘检测方法17, 18很多也很成熟，从中选择或设计合适的算法是需要研究的容之一。（6）设计路径自动生成算法。由于显微测量的特点，图像采集系统所提供的图像不能包括被测物体的所有轮廓信息，因此，需要设计一种路径自动生成算法，目的在于控制数控平台的移动，从而使CCD摄像机镜头沿被测物体轮廓移动一周，通过不断移动平台并拍摄分段轮廓图像的方法来完成对被测物体的所有轮廓信息的获取。路径自动生成算法多用于机器人路径生成、自动焊接、刀具路径生成与自动跟踪测量等1925应用中，虽然本文的路径自动生成算法与机器人路径控制、自动焊接等所使用的算法的应用领

30、域不同，但后者所使用算法的参考价值是不容质疑的。（7）设计实现一套二维几何量自动测量系统软件。该软件主要实现数控平台运动控制、数据采集、图像处理等，并通过分析和处理采集到的被测物体的轮廓坐标数据，完成圆度、直线度、平行度与长度尺寸等几何量的自动测量、结果显示和保存。1.3.2论文的章节安排本文主要结构安排如下：第一章 绪论，论述基于机器视觉的二维几何量自动测量系统的课题背景，阐述选题的依据和主要研究容；第二章 介绍系统的总体设计，包括系统的构成和系统软件模块，叙述系统的测量原理。第三章 设计图像采集的软硬件方案，研究图像预处理、数学形态学、边缘提取等图像处理算法，设计基于Canny算子和灰度差

31、分重心法的边缘提取算法、能够简化边缘的数学形态学算法。第四章 简述光栅尺信号采集模块软硬件设计，包括运用FPGA进行光栅尺信号的采集与处理，设计FPGA与单片机的数据传输接口，并通过单片机的串行通信接口将光栅尺所采集到的位移量传送至上位机。第五章 阐述运动控制模块的软硬件设计，包括步进电机与其驱动器的选择、以单片机为微处理器核的控制器设计、单片机与上位机间的基于串口的自定义通信协议设计以与路径自动生成方法的设计。第六章 设计几何量测量软件，实现依据测量系统自动采集的被测物体轮廓坐标数据实现对圆度、直线度、平行度与长度尺寸等几何量的测量，分析了实验数据并给出实验结果，并分析了造成误差的各种因素。

32、第七章 总结全文工作，并进行后续研究方向的展望。第二章 系统总体结构2.1系统组成二维几何量自动测量系统主要由光学照明系统、二维数控平台、图像采集模块、光栅尺数据采集模块与主控计算机组成。二维几何量自动测量系统的二维机械平台以光学仪器厂生产的JX-6型工具显微镜为基础。JX-6型工具显微镜是一种基础的精密光学测量仪器，广泛应用于工厂、科学研究机构与高等院校的计量部门。它的测量工作台与物镜间最大距离140mm，工作台采用滚珠导轨，移动围25mm×25mm，使用白炽灯作为照明光源，采用透射式柯勒照明方式。二维几何量自动测量系统在JX-6型工具显微镜工作台的X轴和Y轴方向各设计安装了两相步

33、进电机作为动力源，电机的输出通过联轴器与丝杠相联接，最后通过螺母带动工作台沿X轴或Y轴方向运动，在工作平台的两端还安装了两条光栅尺，用于测量二维数控平台在X轴和Y轴方向的位移量。JX-6型工具显微镜的照明系统采用柯勒照明系统，柯勒照明方式能充分利用光能，使物体得到均匀的照明，使被测零件清楚的与周围的背景区分开来，这样就可以大大简化图像处理的算法，从而减少图像处理运算的时间，也减少了软件开发的时间和难度，因此，二维几何量自动测量系统直接使用工具显微镜的照明系统作为其照明系统。同时二维几何量自动测量系统使用本文设计的光学镜头替代了工具显微镜瞄准系统原有的光学镜头，使用CCD摄像机代替工具显微镜瞄准

34、系统的目镜，由CCD摄像机获取被测零件的图像，并通过图像采集卡送入计算机进行处理。本文所设计的二维几何量自动测量系统如图2.1所示。图2.1 二维几何量自动测量系统2.2几何量测量系统软件设计几何量测量系统软件以Windows平台下的VC+6.0作为开发工具，同时使用了MFC应用程序框架、DirectShow视频开发包、Win32 SDK、OpenCV等类库与开发包，从而完成了系统软件的开发任务。为使系统软件便于设计、组织、调试、修改与维护，采用了模块化的开发方式，各个模块功能明确又相互联系，软件模块划分如图2.2所示。图2.2 系统软件模块划分系统软件的模块功能如下：（1）图像采集模块主要实

35、现视频图像的捕获，本测量系统是基于机器视觉的自动测量系统，采用了CCD摄像机代替人眼实现对被测工件的轮廓图像信息的获取，图像采集软件模块主要使用DirectShow软件开发包开发，实现了将图像采集硬件按帧传送过来的图像数据保存至存，以便图像处理模块使用。（2）图像处理模块主要对所采集到的被测工件的轮廓图像进行边缘提取，并将所提取的边缘信息提供给轮廓坐标数据获取模块使用。图像处理模块还对边缘轮廓图像做一定图像预处理以供运动控制模块使用。（3）串口通讯模块主要实现计算机与步进电机控制器与光栅尺数据处理电路的数据通讯；（4）运动控制模块依据图像处理模块所提供的经预处理后的轮廓图像，实现二维数控平台的

36、自动移动，最终实现对被测工件整体轮廓图像的获取。（5）轮廓坐标数据获取模块通过结合图像处理模块所提供的边缘信息与光栅尺所采集到的二维数控平台的坐标数据，从而获得被测工件的轮廓坐标数据。（6）轮廓坐标数据处理模块可以将所获得的轮廓坐标数据保存至文件，或从文件中读取已获得的轮廓坐标数据，并可以根据轮廓坐标数据实现对被测工件的圆度、直线度、长度量与角度量的测量。（7）用户界面向用户提供了友好的交互接口。提供了被测工件轮廓坐标数据自动获取的操作界面以与依据所获得的轮廓坐标数据进行圆度、直线度、平行度与长度尺寸测量的操作界面。2.3系统工作过程本系统是基于机器视觉的几何量自动测量系统，能够自动获取被测工

37、件的二维轮廓坐标数据，并依据所获得的二维轮廓坐标数据实现对被测工件的多种几何量的测量。系统工作流程图如图2.3所示。图2.3 系统工作过程流程图系统的工作过程分为以下几个步骤：（1）调整工件位置，使视频中的十字线中心对准工件轮廓，启动工件轮廓坐标的自动测量过程。（2）系统将拍摄工件的分段轮廓图像，并对所获取的工件轮廓图像进行两种处理，其一，对工件轮廓图像进行边缘提取，获取图像中工件轮廓的像素坐标；其二，对所获取的工件轮廓图像进行平滑、阈值分割与数学形态学处理，经过处理的图像用于路径自动生成算法。（3）系统将从光栅尺数据采集电路中获取二维数控平台的位置坐标。将数控平台的位置坐标视为视频中的十字线

38、中心的坐标（即图像的中心坐标），根据测量系统的像素坐标到实际坐标的标定系数将第二步中所获得的以图像中心为原点的工件轮廓像素坐标转化为实际坐标，将转化后的坐标值与图像的中心坐标相加，最终获取被测工件的轮廓坐标数据。（4）判断是否已经将被测工件的所有轮廓坐标数据测量完成，如果测量完成，保存所有的被测工件的轮廓坐标数据至文件；如果测量未完成，即所得到的轮廓坐标数据只是被测工件的部分轮廓坐标数据，则根据路径自动生成算法生成平台移动路径，并控制二维数控平台按所生成的路径移动，从而使CCD摄像机获取尚未取得的被测工件轮廓图像。（5）被测工件的所有轮廓坐标数据都已取得后，根据用户的选择实现对被测工件的轮廓坐

39、标数据进行相应的处理，实现对被测量的测量。第三章 图像采集与处理模块3.1图像采集软硬件设计3.1.1图像采集的硬件设计图像传感器把光学图像转变为电信号，即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息转换为按时序串行输出的电信号视频信号，从而可进行图像的存贮、传输、处理、显示26。CCD器件以其自扫描、高分辨率、易与计算机连接等优点，已成为空间光学、微光夜视、X光成像系统、遥感等系统中不可缺少的器件。近年来，随着微细加工技术的发展，CCD器件的性能价格比逐渐提高，CCD器件得到越来越广泛的应用。目前，以CCD摄像机、视频采集卡与PC机相结合进行视频捕获的方式得到广泛的应用，在该种硬件连接基础上的

40、软件开发也得到有关研究人员的关注。鉴于CCD器件本身所具有的优点，以与使用CCD摄像机与视频采集卡进行视频捕获的图像采集方案所具备的大量资料，本课题采用CCD摄像机加图像采集卡的图像采集硬件设计方案。3.1.1.1 CCD摄像机本文根据系统测量精度、光学镜头的放大倍数以与亚像素定位算法的精度确定所选用的CCD器件的像素间距，如式（3.1）所示。（3.1）其中，d为CCD的像素间距，k是亚像素定位算法的精度系数，为系统测量精度，为光学镜头的放大倍数。本文设计的几何量自动测量系统的测量精度为微米级，光学镜头的放大倍数=2，使用亚像素细分技术可取k=5，根据式（3.2）可得CCD的像素间距d为：（3

41、.2）CCD分辨率是本系统选择器件的主要条件，在分辨率达到设计要求的情况下，再综合考虑成本以与图像处理速度，从而确定对CCD器件的其他参数的要求，如光敏面尺寸等。由式（3.2）的要求可得要选用的CCD分辨率应至少为440×300。本文选用的CM-2001CH的夏普CCD摄像机，其主要的性能参数如下：（1）摄像机制式：PAL。（2）光敏面尺寸：1/3。（3）最高分辨率：768× 576。（4）水平解析度：480线。（5）最小照度：1.0Lux/F1.2。（6）信噪比：60dB。（7）工作温度：-1050。（8）供电电源：DC12V。由上述CM-2001CH的夏普CCD摄像机的

42、主要性能参数可以看出，CM-2001CH的夏普CCD摄像机满足几何量自动测量系统对CCD器件最低要求，且CM-2001CH价格适中。3.1.1.2图像采集卡图像采集卡，又称视频捕捉卡（Video Capture Card），它完成的主要功能是把摄像机的模拟视频信号转换成为离散的数字量。微视图像公司的S400型视频图像采集卡是一款基于PCI总线的四路视频图像采集卡，它支持四路复合视频信号的实时采集和显示，可稳定接收来自各种视频源的标准视频信号（PAL、NTSC、SECAM）。四路立体上输出，支持768×24位×25场两路实时采集和显示。其性能参数如下：（1）视频A/D为8位。

43、（2）视频输入：四路Video。（3）视频制式：PAL四路100帧、NTSC四路120帧。（4）图像分辨率：最大768×576（PAL）、640×480（NTSC）。（5）四路实时采集显示，可同时多路实时预览。（6）最大功耗：6W。根据几何量自动测量系统的需求、硬件设备的成本、课题现有的实验条件和相应的软件开发难易程度，本课题使用S400配合CM-2001CH作为图像采集的硬件设备。3.1.2图像采集的软件设计3.1.2.1软件开发方案在Windows平台下进行视频捕捉的软件开发，目前存在三种可选方案：VFW技术、WDM技术和DirectShow 技术、采用厂商提供的和硬件

44、对应的专用软件SDK开发包。1VFW技术是微软公司最早提供的开放代码，它提供一系列的底层API函数给使用者，使用者可以不考虑底层捕捉卡的接口程序就可以直接捕捉图像。但是VFW技术是基于老式的16位VFW体系构架之上的，而随着Windows 98与更高版本的操作系统成为主流，基于新的32位WDM驱动模型体系构架必将成为主流。2WDM技术是微软公司在VFW技术的基础上，抛弃了原来VFW技术中不稳定的部分，并提供了更多的可选功能给用户，现在大多数的捕捉卡的开发商提供给用户的播放软件都是基于这种技术开发的，DirectShow是微软公司提供的一套在Windows平台上进行流媒体处理的开发包，与Dire

45、ctX开发包一起发布。而微软将DirectX定义为“设备无关”，即使用DirectShow可以用设备无关的方法提供设备相关的性能。因此，所开发的视频采集程序不会严重依赖于所使用的硬件。3大多视频捕捉卡的提供商都可以提供捕捉卡的SDK开发包给用户。但是这种方式所开发的程序和硬件相关，当替换硬件时，要改动相应的程序，局限性很大，并且SDK 软件开发包的性能与设备提供商自身的研发水平相关。根据上述对三种视频捕捉软件开发方案的分析，本课题采用DirectShow技术进行视频捕捉软件的开发。3.1.2.2 DirectShow技术DirectShow的设计初衷就是尽量要让应用程序开发人员从复杂的数据传输

46、、硬件差异、同步性等工作中解脱出来，总体应用框架和底层工作由DirectShow来完成，这样，基于DirectShow框架开发多媒体应用程序就会变得非常简单27。下面将对DirectShow中的几个重要概念进行说明。1过滤器（Filter）DirectShow是基于模块化的系统，每个功能模块都采取COM组件方式，称为过滤器。DirectShow提供了一系列用于应用开发的标准模块，开发者也可以根据需要开发具有特定功能的模块来扩展DirectShow的应用。Filter一般分为下面几种类型： （1）源过滤器（Source Filter）：源过滤器引入数据到过滤器图表中，数据来源可以是文件、网络、照

47、相机等。不同的源过滤器处理不同类型的数据源。 （2）变换过滤器（Transform Filter）：变换过滤器的工作是获取输入流，处理数据，并生成输出流。变换过滤器对数据的处理包括编解码、格式转换、压缩解压缩等。 （3）提交过滤器（Renderer Filter）：提交过滤器在过滤器图表里处于最后一级，它们接收数据并把数据送给显卡、声卡进行多媒体的演示，或者输出到文件进行存储。 2过滤器图（Filter Graph）在应用程序中，为了执行一个给定的任务，需要将若干个过滤器连接起来，一个过滤器的输出成为另一个过滤器的输入，这样连接在一起的一组过滤器称为过滤器图。3过滤器图管理器（Filter G

48、raph Manager）过滤器图管理器也是一个COM对象，用来控制过滤器图中的所有的过滤器，主要有以下的功能：（1）用来协调过滤器之间的状态改变，从而使过滤器图中的所有过滤器的状态改变达到一致。（2）建立一个参考时钟。（3）将过滤器的消息返回给应用程序。（4）提供方法用来建立过滤器图。应用程序与 DirectShow组件以与 DirectShow所支持的软硬件之间的关系如图3.1 所示。图3.1 DirectShow系统框图3.1.2.3视频显示与图像捕获首先，将微视图像公司的S400型视频图像采集卡的WDM驱动程序安装至主控计算机；其次，在主控计算机中安装DirectX9.0；最后，使用V

49、C+6.0作为开发环境，并进行如下设置：将头文件Dshow.h、库文件Strmiids.lib和Quartz.lib包含至所创建的VC工程中。使用DirectShow技术来开发视频捕捉程序，是相对比较简单的，下面简要介绍开发过程。Graph Edit是从最新的Microsoft DirectX SDK中提取的DirectShow Graph图表工具，通过这个工具，可以很直观地看到过滤器图的运行与处理流程，方便进行程序调试以与各种音视频处理。因此，在编写应用程序前，可以先使用Graph Edit这个工具创建一个可视化的过滤器图，通过调试运行这个可视化的过滤器图，可以知道编写视频捕获程序需要在过滤

50、器图中创建哪些过滤器以与如何连接这些过滤器。1通过Graph Edit进行过滤器图的可视化创建和调试可以得出捕获S400图像采集卡输出的视频所需的标准过滤器： （1）源过滤器（Source Filter），用于将S400图像采集卡提供的视频数据引入过滤器图。（2）多路过滤器（Smt Filter），用于将输入视频数据同时在两个输出端上输出。（3）视频捕获过滤器（Sample Grabber），当接收到应用程序的消息后，此过滤器将捕获视频数据流中的单帧图像，并保存至存。（4）空过滤器（Null Filter），空过滤器的输入端连接视频捕获过滤器的输出端。保证所有的数据流都有归宿。（5）颜色空间变

51、换过滤器（ColorCvr Filter），用于颜色空间变换。（6）多功能提交过滤器（VMR Filter），用于在应用程序界面上显示视频。2根据几何量自动测量系统对视频显示的需求，本文还设计了一个自定义过滤器（My Filter），这个Filter是根据几何量自动测量系统对视频显示的需求，而设计开发的用于在视频显示的图像上绘制“十”字中心线的自定义过滤器。在创建视频捕捉应用程序时，首先，创建过滤器图。其次，在过滤器图中添加上述标准过滤器和自定义过滤器。最后，将各个过滤器按照要求连接起来。过滤器图中各过滤器连接情况如图3.2所示，图中箭头表示视频数据流的方向。图3.2 过滤器的连接当程序结束时

52、，还需要进行一些善后处理，包括停止过滤器图的运行，将过滤器图的关联视频显示窗口句柄设置为空，最后将过滤器图删除。通过使用DirectShow技术，开发了图像采集的软件，成功获取了图像数据，并将视频按照需求显示出来。图3.3为视频显示的截图。图3.3 视频显示的截图3.1.3 CCD摄像机标定基于机器视觉的二维几何量自动测量系统在采集被测工件的轮廓坐标数据时，其中一项基本任务就是从摄像机获取的图像信息出发计算二维的几何信息，作为获取轮廓坐标数据的基础之一。而二维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系是由摄像机成像的几何模型决定的，这些几何模型参数就是摄像机参数。在大多数条件下，这些参数必须通过

53、实验和计算才能够得到，而这个过程被称为摄像机标定或定标。摄像机标定问题大致分为两类：标定物定标与摄像机自定标，本文使用标定物定标的方法。3.1.3.1标定原理摄像机拍摄是一个光学成像过程，该过程隶属于四个坐标系：像素坐标系、图像坐标系、摄像机坐标系、世界坐标系。像素坐标系(u,v)原点位于图像的左上角，以像素为单位；图像坐标系(X,Y)原点是摄像机光轴与图像平面的交点，是一个物理坐标系；摄像机坐标系(XC,YC,ZC)以摄像机的光心为坐标原点；世界坐标系(XW,YW,ZW)可根据自然环境选取。摄像机的成像模型则主要分为线性摄像机模型和非线性摄像机模型，其中，非线性的成像模型考虑了非线性畸变，主

54、要应用于广角镜头的摄像机标定，本文采用线性摄像机模型。透射投影模型（针孔模型）是应用最为广泛的一种线性摄像机成像模型，该模型的中心思想为：物体通过透镜成像后，在成像平面上可以找到与之对应的理想像点。这种模型在假设镜头没有畸变的情况下，能够较好的与客观实际相吻合，图3.4为透射投影模型。图3.4 透射投影模型根据透射投影模型，可以得到光学成像过程中的四个坐标系间的转换关系 (3.3) (3.4) (3.5)由式(3.3)、(3.4) 、(3.5)可以看出CCD摄像机有6个摄像机参和一个外参数矩阵。六个参是lx、ly、f、u0、v0、s。lx、ly是像素大小，f是焦距，（u0、v0）是图像坐标系的

55、原点O在像素坐标系中的位置，s是倾斜因子，对于实际的摄像机，倾斜因子都很小，一般忽略不计，常取s=0。根据式子(3.3)、(3.4)可以得到像素坐标系与摄像机坐标系间的关系 (3.6)外参数矩阵为(R, T)，R是旋转矩阵，T是平移向量。安装二维几何量自动测量系统的CCD摄像机时，精确调整了摄像机的位置，使得摄像机坐标系的ZC轴与工作平台垂直，且XC、YC也分别与工作平台的X轴与Y轴平行。由于测量过程中摄像机是静止的，故可以选定世界坐标系与摄像机坐标系是同一个坐标系，因此，可以确定摄像机的外参数，R是单位矩阵，T是零向量。根据式(3.6)，可以得到像素坐标系与世界坐标系间的关系 (3.7)因为

56、每次测量都需要调整物距，使得摄像机采集到的图像中的物体具有最为清晰的边缘，也就是物体边缘距离摄像机光心的距离为一个固定值，即ZC为一个固定值，所以式(3.7)中ZW也是一个固定值，而lx、ly、f也是固定的数值，同时，将图像坐标系与像素坐标系的原点都设在图像中心，于是有u0 = v0 = 0，从而可以得到 (3.8)其中。由于本系统是二维测量系统，因此，只需要根据式(3.8)设计摄像机标定方法确定u、v与XW、YW之间的关系即可。3.1.3.1标定方法本文测量系统的设计精度为微米级，二等标准玻璃线纹尺的长度为200mm，两条相邻刻线间的距离为1mm，测量不确定度为0.5m，因此，使用二等标准玻

57、璃线纹尺作为确定Kx、Ky的标定物可以满足系统对精度的要求。标定方法为：首先，水平放置玻璃线纹尺，使用测量系统拍摄玻璃线纹尺图像，并计算出图像中两条相邻刻线间的像素距离nx，从而得到水平方向的标定系数Kx=1000/nx；其次，垂直放置玻璃线纹尺，拍摄玻璃线纹尺图像，并计算出图像中两条相邻刻线间的像素距离ny，从而得出垂直方向的标定系数Ky=1000/ny。3.1.3.1标定实验（a）玻璃线纹尺图像 （b）去噪、形态学分割后的图像（c）hough变换处理后图像图3.5 玻璃线纹尺刻线的检测表3.1 像素坐标到实际坐标的标定刻线间距（mm）水平方向垂直方向像素个数nx标定系数Kx像素个数ny标定系数Kx1.0000