數(shù)字圖像處理技術(shù)在水平測控系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、數(shù)字圖像處理技術(shù)在水平測控系統(tǒng)中的應(yīng)用摘要 由于工業(yè)生產(chǎn)過程的多樣性，普通的水平儀裝置常受外部因素的影響。本文介紹一種新的基于數(shù)字圖像處理的水平控制系統(tǒng)，與CCD攝像機技術(shù)結(jié)合形成一種新的測量方法。固定波束是激光測量的測量需求，它在物體表面上形成一個特殊的光點，我們可以根據(jù)這些點的變化范圍或移動的距離來測量。從實驗中我們可以看到，基于CCD的水平測量方法不僅抗干擾能力強，可用性好，適應(yīng)性方便，而且還適用于各種更復(fù)雜的工業(yè)應(yīng)用。關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理;水平測量和控制;水平儀; CCD攝像機1、引言 目前，水平測量被廣泛應(yīng)用在工業(yè)上。在任何時間和任何地點都必須對各種原料和成品在每一個生產(chǎn)過程中的動力

2、運輸和傳遞，以及容器中材料的數(shù)量了解清楚。當(dāng)阻塞運輸發(fā)生，水平測量技術(shù)的概念被提出應(yīng)用在工業(yè)自動化中。水平測量裝備稱為水平儀，它與普通裝備不同能適應(yīng)各種各樣的工業(yè)條件，如溫度的影響和變化，濕度，頻率，超聲波，電磁波，以及經(jīng)常測量。水平測量有許多準則，如：雷達、電阻、電容、音叉,靜壓力、輻射、超聲波、射頻導(dǎo)納、阻力旋轉(zhuǎn)、錘、等等。但它仍不能涵蓋工業(yè)材料要求的所有條件，仍然需要從實際情況出發(fā)并根據(jù)個別的，特殊的站點需求來專業(yè)的和深入的研究和發(fā)展水平儀。與其它設(shè)備制造業(yè)相同，我們對水平測量和控制技術(shù)的研究和發(fā)展比西方國家起步較晚。由于各種工業(yè)生產(chǎn)的需求，水平測量和控系統(tǒng)的必要性是緊迫的，但我們的技術(shù)

3、水平還遠遠達不到要求，造成了一些外企公司壟斷市場的現(xiàn)象。如今，對于工業(yè)生產(chǎn)中的水平測量技術(shù)學(xué)者探討出一種新的技術(shù)解決方法，即水平測量系統(tǒng)的數(shù)字圖像處理技術(shù)。它適應(yīng)水平測量和控制的所有場景，其主要原理是可以把測量轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)和圖像，因此我們能直接和精確的計算測量。2、數(shù)字圖像處理技術(shù) 在五十年代當(dāng)數(shù)字計算機的發(fā)展發(fā)展到某一水平時數(shù)字圖像處理技術(shù)是一種相對較新的技術(shù)，是計算機應(yīng)用的一個新的發(fā)展領(lǐng)域。把圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字矩陣并存儲在計算機中，或者將應(yīng)用顯示在計算機上，還有一系列圖像處理如增強，分割，相加等?，F(xiàn)在數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛。主要應(yīng)用技術(shù)是圖像輸入輸出技術(shù)，圖像分析，變換預(yù)處理技術(shù)，圖

4、像識別和提取圖像特征相關(guān)信息技術(shù)。直到六十年代和七十年代，數(shù)字圖像處理才有了進一步的發(fā)展，進步和提高。所涉及的領(lǐng)域在不斷的增加和擴展，本文主要介紹水平測量和控制系統(tǒng)的數(shù)字圖像處理技術(shù)。數(shù)字圖像處理技術(shù)主要強調(diào)圖像處理技術(shù)，水平測量的主要測量參數(shù)和測量材料的表面區(qū)域。因此，材料表面圖像處理的水平測量精度非常重要，具體包括以下兩個方面1。2.1 圖像分割圖像分割處理就是從圖像的子體背景中分離主要目標。圖像分割最簡單最基礎(chǔ)的方法就是首先設(shè)置一個閾值然后再進行轉(zhuǎn)換。比閾值大的像素灰度級設(shè)置為1，比閾值小的設(shè)置為0。因此一個多級灰度圖像轉(zhuǎn)變?yōu)槎祱D像。這種方法被稱為簡單閾值方法。此方法很簡單，應(yīng)用也很廣

5、泛，但它在水平測量中應(yīng)用并不多。由于在不同的高度和各種因素如大氣的影響，材料的圖像灰度值不同。因此，用簡單閾值將造成很大的錯誤。其主要準則是把圖像分割為若干塊，其中有50%的重疊，大小是64x64。然后每一塊單獨繪制直方圖。如果直方圖表示明顯的雙峰特征，簡單閾值方法可以直接使用。其它閾值的獲得可以通過周圍像素插值來確定所有64x64塊的閾值；用二次插值來確認32x32塊的閾值，等等，直到每個塊都有自己的閾值。具體性能請參考圖片1，即用這種方式獲得的分割后的圖像2。圖1，原材料的原圖及分割后的圖像。2.2.面積估計描述完圖像分割后,我們將開始預(yù)測材料的表面區(qū)域為以后的精確計算做準備，分割后的材料

6、表面圖像包含兩個要素，即代表容器表面的黑色背景和代表材料的白色目標?，F(xiàn)在，我們設(shè)置“0”和“1”。 “1”指材料和“0”表示背景。通過統(tǒng)計二進制圖像所得的“1”的數(shù)量可以估算材料的表面面積，并添加容器的部分面積，公式可用于計算水平高度。 CCD攝像機技術(shù)和圖分割技術(shù)是兩個平行的技術(shù)概念。沒有交集也可以應(yīng)用于水平測量系統(tǒng)。用CCD攝像機拍攝材料表面通過計算機數(shù)字化、圖像處理來獲得圖像。3. 基于CCD攝像的水平測量方法 水平測量技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中具有不可替代的地位。從目前我國的情況來看，常見的水平測量儀器在材料的工業(yè)生產(chǎn)過程中將受外部因素的影響，如浮子式水位計，其所使用的環(huán)境溫度不高，測量對象的粘

7、度比較小，腐蝕相對較低。電容水平測量儀的測試對象，不僅物理特性穩(wěn)定，而且環(huán)境溫度適中，超聲波和雷達物位測量是一種非接觸式測量儀器，它不僅受測量物體的巨大影響，而且測量結(jié)果還因容器結(jié)構(gòu)和形狀的不同而不同，隨容器的變化而變化3。此外，我們正在開發(fā)特殊材料水平儀，如SA-2高爐原料物資倉庫料位計和CFL系列粉位測量儀，但其應(yīng)用范圍是有限的，并不實惠。因此，結(jié)合上述測量儀器的優(yōu)點和缺點，本文提出一個新的基于CCD（電荷耦合器件）的水平測量方法，CCD水平測量是一種新的計算機視覺測量方法，采用CCD作為圖像傳感器，并采取計算機圖像處理，來獲得物質(zhì)層面。CCD水平測量方法一般分為主動和被動的方法，但積極的

8、方法-結(jié)構(gòu)光方法更適用。主要應(yīng)用原則是，發(fā)射控制光源指向測量目標，并通過水平測量儀模型獲得目標圖像。此方法不僅實用，簡單，實惠，而且適用于各種工業(yè)測量的應(yīng)用4。 下面的圖2是CCD 2水平測量示意圖。由激光測量產(chǎn)生的固定波束測量需求，在物體表面形成特殊光點，當(dāng)物體改變或移動時，特殊光點在CCD衛(wèi)星圖像上所形成的圖像也隨之移動，然后可以根據(jù)這些點的變化范圍或移動距離進行測量5。在這個原則下，沒有必要在激光和能自動控制及得到允許安裝條件的最大角的CCD水平測量平面1之間設(shè)立一個交叉點，L是CCD攝像機和激光之間的水平距離，從d1到d2意味著從表面1和表面2的光點圖像的距離到CCD圖像平面的中心。在

9、實際的應(yīng)用選擇中，我們必須考慮安裝條件，激光影響，設(shè)備成本和設(shè)備簡化這些因素的限制，簡言之，基于CCD的水平測量方法不僅有較強的抗干擾能力，并且適應(yīng)于各種更復(fù)雜的工業(yè)化應(yīng)用；設(shè)備應(yīng)具有普遍的適應(yīng)性。 圖2 CCD水平測量示意圖4、水平測控系統(tǒng)的基本原則4.1 系統(tǒng)組成水平檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的具體模型如圖3所示，主要由CCD攝像機，計算機，伺服電機和控制器組成?；镜墓ぷ鬟^程是首先在合適的時間和地點用CCD攝像機獲得容器中材料的表面圖像然后再傳送到計算機。用計算機分析、處理和存儲功能等來分析和處理所獲得的圖像信號。根據(jù)分析和處理結(jié)果來評估物質(zhì)表面。最后實施控制程序，用伺服系統(tǒng)有效調(diào)節(jié)給水閥來合理和有

10、效的控制流，形成物位測量系統(tǒng)6。 圖3 液位測量系統(tǒng)示意圖4.2 水平測控的基本準則首先，準確設(shè)置CCD攝像機和材料容器之間的位置。相關(guān)草圖如圖4，作為一般準則，CCD攝像機和材料容器是對角關(guān)系，且在同一平面上。CCD攝像機平面和材料表面之間的角設(shè)為，是CCD攝像機平面和容器底部之間的夾角?？梢杂^察到容器的一般大小比CCD攝像機和容器之間的距離要小的多，因此：。得到以下近似關(guān)系（1）：。關(guān)系中：是指容器的物質(zhì)層面，指容器的高度，是CCD攝像機所獲得物體表面圖像的面積，是指容器橫截面的面積8。圖4 CCD攝像機和容器位置關(guān)系草圖根據(jù)式（1），把上面的圖像區(qū)域轉(zhuǎn)換為高度是很方便的，當(dāng)容器截面的形狀

11、是其他形狀，如橢圓形，圓形和菱形等，但不管其形狀如何變化，在數(shù)字圖像面積和物質(zhì)表面之間總會有相似的單調(diào)遞增函數(shù)。然而，應(yīng)該注意到，圖中指所允許的最高材料高度，是指材料的最低高度。4.3系統(tǒng)控制算法的設(shè)計 對于在工業(yè)生產(chǎn)中一些材料的測量，控制物料的流動性是非常關(guān)鍵的一步，所謂的液位測量其主要目的之一是控制材料的流動。這涉到系統(tǒng)的設(shè)計和控制算法。在不同的生產(chǎn)工藝階段，對原料的需求有很大的不同。在許多情況下，這種變化將相當(dāng)顯著，關(guān)系到閥門的開啟與關(guān)閉。因此，我們可以通過改變開啟和關(guān)閉閥門來控制物質(zhì)流。當(dāng)達到所允許的最高平面時，設(shè)計關(guān)閉閥；當(dāng)?shù)竭_所允許的最低面時，將打開閥門的最大流量。一般來說，最好的

12、是實現(xiàn)自動化。所以，我們應(yīng)該完全摒棄單一的控制器方法，因為控制器將無法滿足上述要求，此外根據(jù)水平測量和控制的不同階段的制定相應(yīng)算法。 關(guān)于設(shè)計的控制算法在每個階段通常有一個函數(shù),我們最終會在圖像中顯示。具體的控制算法如下：當(dāng)物質(zhì)平面達到最低允許位時，閥門自動打開使材料以最大程度進入容器迅速達到所需的值，以確保容器有足夠的材料供應(yīng)；當(dāng)物質(zhì)平面達到最高允許位時，閥門會自動關(guān)閉，這不僅能限制材料超過需求值而造成浪費，同時也避免了材料從容器溢出。5 結(jié)論 本文提出的基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的水平測量系統(tǒng)應(yīng)用廣泛且與通用測量設(shè)備相比比較容易實現(xiàn)。有關(guān)數(shù)據(jù)，實驗，計算和實踐都表明，該控制系統(tǒng)具有很好的測量精度

13、和控制效果。此外，在CCD攝像機技術(shù)的協(xié)助下，系統(tǒng)變得更加完美。文章介紹和分析的液位測量系統(tǒng)，具有良好的應(yīng)用前景，液位測量技術(shù)需要進一步的發(fā)展，它將取得簡單化、成本效益、自動化、想象力、中傷和更廣泛應(yīng)用領(lǐng)域方向的進展。參考文獻1 W.G.Lv，J.Q.Liu，Z.Y.Chen，應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)的物位測量和控制系統(tǒng)。廣東科技大學(xué)機械和電氣工程學(xué)院，2005(11):106 - 107。2Gilles Aubert and Pierre Kornprobst，數(shù)學(xué)問題的圖像處理，斯普林格出版社,柏林,20023 Y.Z.Zhu, Q.J.Xiong, XiaoQin, H.Q.Luo.我國的物位測量技術(shù)發(fā)展之路。武漢信息科學(xué)技術(shù)大學(xué)與武漢環(huán)境保護工程學(xué)院 ,2006(4):7 - 8。(2011-5-19)4 SongHua, X.F.Meng.基于CCD的物位測量方法。北京大學(xué)航空與自動化控制學(xué)院,2002 college-4,(2):127 - 130。5 X.J.Liu, P.H.Hu.掃描探針測量模型中的CCD攝像機