二次元影像测量仪系统设计说明

1、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 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

2、做又会造成测量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资料，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

3、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，拟定系统测量方案。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： 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

4、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、设计与其它说明等）、结束语和参考文献等容，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 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重承诺

5、：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与取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得与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

6、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容。作者签名： 日 期：学位论文原创性声明本人重声明：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容编

7、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 日二次元影像测量仪系统设计 摘要在国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

8、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Two dimensional imaging measurement system designYu Liang(Grade08,class2,Testing and Monitoring Technology and Instrumentation,School of Mechanics,shaan xi university of techn

9、ology han zhong 723003 shaanxi)Tutor:Chen Man longAbstract：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

10、 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 us

11、e 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.Fina

12、lly，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 me

13、asuring Image identification technology Photovoltaic technology rapid measurement non-contact measurement目 录1 绪论11.1机器视觉检测11.1.1机器视觉11.1.2机器视觉检测技术11.2虚拟仪器21.3机器视觉检测的发展现状31.4设计的主要容31.5设计的背景和意义42 影像测量仪测量系统62.1影像测量仪系统的基本结构62.2 系统硬件62.2.1 CCD相机62.2.1.1 CCD相机的分类62.2.2光源82.2.3镜头82.2.4图像采集卡92.3系统软件平台102.3.

14、2IMAQ视觉模块122.3.3程序总体框架143 图像采集和预处理153.1引言153.2 图像的采集设计153 .3图像增强153 .3 .1直方图153.4图像滤波163.4.1均值滤波173.4.2中值滤波173.4.3高斯平滑滤波1735边缘检测183.5.1 一阶微分算子183.5.2 LOG算子193.5.3 Canny算子203.6图像的处理214 CCD相机标定2241引言2242相机标定235 步进电机控制255.1 步进电机的系统组成和步进电机工作原理：255.2程序设计256 精度分析296.1 精度分析：296.1.1标准不确定度U( Ls1) 的评定296.1.2标

15、准不确定度U( Ls2)的评定296.1.3 标准不确定度U( Ls3)的评定296.1.4 输入量Ls的标准不确定度U ( Ls1)的计算306.2.1数学模型306.2.2 各标准不确定度分量汇总306.2.3 合成标准不确定度计算306.3扩展不确定度的评定306.4测量不确定度的报告和表示30致31参考文献3235 / 421 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、跟踪和测量等任务的科学1。由于机器视觉涉与到多个学科，给出一个精确的定义是很困难的。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

16、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

17、觉涉与了多们学科，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。先进制造技术以与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对于一组标准要求的偏差的过程通常称为机器视觉检测2。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

18、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与加工控制信息集成，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、医学等领域得到广泛关注和应用34。机器视觉检测通常涉与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

19、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与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

20、技术、仪器仪表技术密切结合共同孕育出的一项全新的成果5。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

21、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一样的：采集数据，对数据分析处理，以与数据的结果处理。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、软件以与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

22、仪器发展的最新方向和潮流，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解。文献4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、表面质量、装配结构和操作质量。文献6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

23、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。文献7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O3毫米，每个工件检测花费的时间约03秒。文献8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

24、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。文献9研究的机器视觉在线测量系统测量围从十几丝到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来越广泛，其测量精度也会逐渐提高10。1.4设计的主要容在查阅大量国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

25、觉检测程序。本课题具体的工作容包括：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与性能，这些硬件包括：光学镜头、光源、CCD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。2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。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的图像处理函数以与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、

26、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，以与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

27、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，以与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

28、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与突破国外公司对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。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

29、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。计算机摄像头光学镜头与光源驱动器步进电机光栅位置传感器图像采集卡运动控制卡二轴机械运平台图2.1 系统结构框图2.2 系统硬件本文通过对一些硬件资料后1215的分析总结后，根据各个硬件的参数与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

30、，己成为现代光电与现代测试技术中最为活跃、最富成果的新兴技术之一1112。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

31、围的全部图像信息；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)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

32、的进一步开展，选用了UNIQ公司的UP800型黑白面阵CCD数字相机，其主要参数如表21所示。UP800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，更适合用于处理、测量和分析方面的应用。 UP800可以应用在高速机器视觉、自动检测、运动采集分析以与很多其它科学和工业领域。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

33、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*83mm2.2.2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1314。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

34、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、支座接口形式以与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一样；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围，也就是与图像传感

35、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围所成的图像是清晰的，也就是说，这个围称为景深。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

36、数来表示。F数：假定光学系统的有效孔径是d，焦距是f那么，F=fd。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25MMF数 1:1.4 图像最大尺寸8.8MM*6.6MM工作围 光圈 F1.4-F16C工作围 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

37、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132MBS。在实际使用中，PCI接口的平均传输速率为5090MBS，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

38、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IO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。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要求时，可使用10位、12位、16位等来表示图像的灰度；彩色图像：可由RGB(或者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

39、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公司的IMAQ 1422图像采集卡，其主要性能参数见表2.3。表2.3 IMAQ 1422 参数性能指标参数存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PCINI公司的IMAQ1422LVDS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

40、不同用户的需求。IMAQ1422图像采集卡能够支持的软件开发平台有：LabView、LabWindowsCVI， Visual C+-、Visual Basic以与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。labview具有以下特点11：1.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，Labvi

41、ew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、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。Labview用图标表示功能模块，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

42、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，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Labview提供了大量的基本函数库供用户直接调用

43、，从底层的VXI、GPIB、串口与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IO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TCPIP通讯协议，用户无须编写大量的代码便可可以用DataSockct开发出支持TCPIP动态数据交换、DDE等网络功能的应用；NI SQL封装了复杂

44、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可以运行在常见的三大台式机操作系统上：Windows、Mac OS 与 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以与运行VxWorks和PharLap系统的RT设备。5、开放式的开发平台Labview提供DL

45、L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I

46、MAQ 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与科学家而设计的，是一套包含各种图像处理函数的功能库，它将400多种函数集成到LabVIEW和Measurement Studio开发环境中，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以与其他

47、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、彩色以与二值图象的显示、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学图像应用的开发。IMAQ Vision可用于工厂和实验室里那些需要高可靠性、高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

48、发的存管理以与符合命名逻辑的VI、函数和参数使得IMAQ Vision易于学习；其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 NT9895版的m饮Q Vision利用了Intel MMX技术。在图象处理中处理8位图象时，通常会用到整数或者浮点运算函数，而MMX技术可以加快这些运算的速度使用具有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ComponentWork

49、s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：NIIMAQ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。(

50、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 BasicMicrosoft 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NIIMAQ不论使用LabVIEWLabWindowsC

51、VIC或者Visual BasicNIIMAQ都能提供对NIIMAQ采集设备的高层控制。NIIMAQ是针对图像采集的一个完整的而可靠的APINIIMAQ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。NIIMAQ与NIDAQ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。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

52、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。K标定并保存K参数开始初始化相机定定K读取并标K定参数图像采集参数测量特征提取步进电机控制步进电机控制图像预处理是否结束结束图2.2 程序流程框图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

53、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UP800相机。在NI上得到相机的信息文件、相机支持文件以与相机数据文件后，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

54、利于计算机的处理与分析，这也是图像增强技术的主要目的所在。国外对图像增强的方法的研究也比较多16，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31是一个零件在不问的照明条件下的两幅图像以与各自的直方图。可以看出，两幅图像的狄度围、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31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。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