碩士二維幾何量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)研究畢業(yè)論文

1、碩士學(xué)位論文二維幾何量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)研究67 / 77摘 要幾何量測(cè)量廣泛應(yīng)用于機(jī)械、儀表、電子、航空航天等行業(yè)，隨著科學(xué)技術(shù)與工業(yè)的發(fā)展，對(duì)幾何量測(cè)量技術(shù)與相應(yīng)的測(cè)量?jī)x器提出了愈來愈高的要求，近幾年出現(xiàn)了將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于幾何量測(cè)量的新方法。應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)的幾何量測(cè)量?jī)x器具有非接觸式測(cè)量，自動(dòng)化程度高，環(huán)境要求低，測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。本文設(shè)計(jì)了一套基于機(jī)器視覺技術(shù)的幾何量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度、角度、直線度、圓度等多種幾何量的自動(dòng)測(cè)量。該系統(tǒng)使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)二維數(shù)控平臺(tái)，采用CCD攝像機(jī)和光柵尺采集被測(cè)物體的輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)，運(yùn)用路徑自動(dòng)生成算法實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體輪廓坐標(biāo)

2、數(shù)據(jù)的自動(dòng)獲取，利用二維幾何量自動(dòng)測(cè)量軟件實(shí)現(xiàn)幾何量測(cè)量。本文主要工作容如下：（1）設(shè)計(jì)了二維幾何量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)了由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的二維數(shù)控平臺(tái)，平臺(tái)的正上方安裝有光學(xué)放大鏡頭和CCD攝像機(jī)，平臺(tái)的導(dǎo)軌上安裝有光柵尺。（2）研究了圖像采集與處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于DirectShow技術(shù)的圖像采集方法，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)閾值的Canny邊緣檢測(cè)算法和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法，實(shí)現(xiàn)了被測(cè)物體輪廓圖像的亞像素邊緣檢測(cè)。（3）研究了基于FPGA和單片機(jī)的光柵信號(hào)處理技術(shù)。設(shè)計(jì)了光柵信號(hào)處理電路和FPGA邏輯電路，編制了單片機(jī)控制程序，實(shí)現(xiàn)了光柵尺信號(hào)的處理。（4）設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制電路和測(cè)量路徑自動(dòng)生

3、成算法，實(shí)現(xiàn)了被測(cè)物體輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)的自動(dòng)獲取。（5）開發(fā)了幾何量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了被測(cè)物體直線度、圓度、平行度和長(zhǎng)度尺寸等的自動(dòng)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，二維幾何量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)被測(cè)物體待測(cè)幾何量的自動(dòng)測(cè)量，具有較高的智能化程度和測(cè)量精度。關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺，幾何量，圖像處理，傳感器，自動(dòng)控制，測(cè)量軟件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目錄摘要iAbstractii目錄iii圖目錄v表目錄vi第一章緒論11.1課題背景11.2選題依據(jù)11.3論文主要工作31.3.1論文的研究容31.3.2論文的章節(jié)安排4第二章系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)52.1系統(tǒng)組成52.2幾何量測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)62

14、.3系統(tǒng)工作過程6第三章圖像采集與處理模塊93.1圖像采集軟硬件設(shè)計(jì)93.1.1圖像采集的硬件設(shè)計(jì)93.1.2圖像采集的軟件設(shè)計(jì)103.1.3 CCD攝像機(jī)標(biāo)定133.2圖像處理算法173.2.1圖像的存儲(chǔ)與表示173.2.2彩色圖像的灰度化183.2.3圖像平滑化處理183.2.4閾值分割193.2.5數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)213.2.6邊緣檢測(cè)算法243.2.7亞像素邊緣檢測(cè)算法26第四章光柵尺數(shù)據(jù)采集模塊284.1光柵尺數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計(jì)284.1.1光柵尺的選擇284.1.2光柵尺信號(hào)采集電路284.2 光柵尺數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)314.2.1 FPGA邏輯電路設(shè)計(jì)314.2.2數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)33第五

15、章運(yùn)動(dòng)控制模塊355.1運(yùn)動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)要求355.2運(yùn)動(dòng)控制硬件設(shè)計(jì)355.2.1步進(jìn)電機(jī)的選取355.2.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的使用365.2.3運(yùn)動(dòng)控制模塊的硬件電路375.3運(yùn)動(dòng)控制軟件385.3.1單片機(jī)程序設(shè)計(jì)385.3.2上位機(jī)程序設(shè)計(jì)40第六章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)426.1軟件設(shè)計(jì)426.1.1輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)的自動(dòng)獲取與存儲(chǔ)436.1.2幾何量測(cè)量的實(shí)現(xiàn)436.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果516.2.1輪廓坐標(biāo)自動(dòng)獲取實(shí)驗(yàn)516.2.2幾何量測(cè)量實(shí)驗(yàn)526.3誤差分析59第七章總結(jié)和展望617.1總結(jié)617.2展望61參考文獻(xiàn)63致67攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表（錄用）論文情況68圖目錄圖2.1 二維幾何量自動(dòng)測(cè)

16、量系統(tǒng)5圖2.2 系統(tǒng)軟件模塊劃分6圖2.3 系統(tǒng)工作過程流程圖7圖3.1 DirectShow系統(tǒng)框圖12圖3.2 過濾器的連接13圖3.3 視頻顯示的截圖13圖3.4 透射投影模型14圖3.5 玻璃線紋尺刻線的檢測(cè)16圖3.6 數(shù)字圖像的矩陣表示17圖3.7 3×3高斯濾波模板19圖3.8 最大類間方差閾值20圖3.9 膨脹操作的例子22圖3.10 腐蝕操作的例子22圖3.11 形態(tài)學(xué)處理后目標(biāo)的邊緣位置23圖3.12 采樣圖像的八種模式24圖3.13 邊緣檢測(cè)算法對(duì)比實(shí)驗(yàn)26圖3.14 灰度值與其差分分布圖27圖4.1 光柵尺信號(hào)采集電路29圖4.2 四細(xì)分與辨向電路32圖4.

17、3 24位可逆計(jì)數(shù)器32圖4.4 接口電路32圖4.5 數(shù)據(jù)傳輸流程圖34圖5.1控制器與驅(qū)動(dòng)器電路37圖5.2 單片機(jī)接收數(shù)據(jù)流程圖39圖5.3 輪廓正方向和移動(dòng)路徑40圖6.1 輪廓坐標(biāo)自動(dòng)獲取用戶界面42圖6.2測(cè)量軟件界面42圖6.3 測(cè)量點(diǎn)的連接45圖6.4包含測(cè)量點(diǎn)的凸多邊形45圖6.5 最小二乘法求直線度誤差45圖6.6 最小二乘圓法求圓度誤差47圖6.7 網(wǎng)格搜索算法原理48圖6.8平行度誤差的測(cè)量51圖6.9 垂直度誤差的測(cè)量51圖6.10 齒輪齒廓坐標(biāo)的自動(dòng)采集52圖6.11 直線度測(cè)量界面52圖6.12 刀口型直線尺53圖6.13 打開數(shù)據(jù)文件界面53圖6.14 環(huán)規(guī)54

18、圖6.15圓度測(cè)量界面55圖6.16 環(huán)規(guī)徑的測(cè)量57圖6.17 量塊58圖6.18 平行度的測(cè)量58圖6.19 垂直度的測(cè)量59圖6.20 90度角度塊60表目錄表3.1 像素坐標(biāo)到實(shí)際坐標(biāo)的標(biāo)定16表4.1 光柵尺技術(shù)參數(shù)28表4.2地址與輸出數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系33表5.1 42H4630步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)36表5.2 命令幀38表5.3 數(shù)據(jù)幀39表5.4 應(yīng)答幀39表6.1 刀口尺工作棱邊的直線度54表6.2 環(huán)規(guī)徑的圓度55表6.3 環(huán)規(guī)的徑57表6.4 量塊的平行度59表6.5 90度角度塊的垂直度60第一章 緒論1.1課題背景幾何量的測(cè)量容包括：長(zhǎng)度（包括點(diǎn)、線的距離、軸徑、孔徑等）、

19、角度（包括平面角、錐角等）、幾何形狀（包括直線度、圓度等）、幾何位置（包括平行度、垂直度等）等。幾何量測(cè)量是科學(xué)技術(shù)以與大眾衣食住行都不可缺少的。自古以來，量布一尺、品食一碗、住房一間、 行路一里，無不用到長(zhǎng)度。如今，幾何量測(cè)量廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，如機(jī)械、儀表、冶金、電子、石油、化工、交通、紡織、航空航天、船舶、兵器、土木建筑、水利等行業(yè)1。 人類早期依靠人體器官獲得幾何量信息。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展, 人們發(fā)展了各種量?jī)x， 由人眼借助機(jī)械、光學(xué)系統(tǒng)采集幾何量（主要是刻線相對(duì)位置），并通過簡(jiǎn)單的初等數(shù)學(xué)運(yùn)算提取真值的估值，這類傳統(tǒng)的幾何量測(cè)量方法主要利用機(jī)械式、電動(dòng)式、氣動(dòng)式與光學(xué)式等計(jì)量

20、器具實(shí)現(xiàn)測(cè)量。機(jī)械式測(cè)量器具游標(biāo)卡尺和千分尺的出現(xiàn)，將測(cè)量精度提高到了0.01mm。量塊出現(xiàn)以后，采用量塊作為長(zhǎng)度基準(zhǔn)，大大推動(dòng)了微差測(cè)量法的發(fā)展，將測(cè)量精度提高到了微米級(jí)。萬能工具顯微鏡是一種傳統(tǒng)的二維坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，因其性能穩(wěn)定、測(cè)量精度高、操作方便而得到廣泛應(yīng)用，但是也存在著如瞄準(zhǔn)麻煩、讀數(shù)過程煩瑣、人員主觀誤差相對(duì)較大、長(zhǎng)期工作勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題2。測(cè)量機(jī)(CMM)是最重要的一種現(xiàn)代測(cè)量設(shè)備，CMM作為一種集光學(xué)、機(jī)械、數(shù)控技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的大型精密測(cè)量設(shè)備，廣泛的應(yīng)用在機(jī)械制造、儀器制造、電子工業(yè)、航空和國(guó)防等各個(gè)部門，雖然CMM測(cè)量精度高，但是使用條件卻很苛刻，且價(jià)格昂貴。隨著科

21、學(xué)技術(shù)與工業(yè)的發(fā)展，對(duì)測(cè)量技術(shù)與相應(yīng)的測(cè)量?jī)x器提出了愈來愈高的要求，同時(shí)，也促使科研人員采用當(dāng)代科技的最新成就研制開發(fā)新的各類測(cè)量?jī)x器，在機(jī)電工業(yè)中歷來占有主要地位的幾何量測(cè)量?jī)x器也是如此3，近幾年出現(xiàn)了將機(jī)器視覺47技術(shù)應(yīng)用于幾何量測(cè)量的新方法。應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)的新型幾何量測(cè)量?jī)x器具有分析速度快，自動(dòng)化程度高，識(shí)別能力強(qiáng)，環(huán)境要求低，測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提高生產(chǎn)效率和科學(xué)研究水平意義重大，具有廣泛的應(yīng)用前景。1.2選題依據(jù)近年來，國(guó)外許多大學(xué)、企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)把機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于光學(xué)測(cè)量?jī)x器，對(duì)目視光學(xué)儀器進(jìn)行改進(jìn)，研制了大量新型圖像測(cè)量?jī)x器。國(guó)外一些傳統(tǒng)的光學(xué)儀器公司在圖像測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)領(lǐng)域

22、一直處于領(lǐng)先地位，他們不斷推出功能強(qiáng)大的新型測(cè)量系統(tǒng)，這些測(cè)量系統(tǒng)大都集成了多種測(cè)量功能，并且各自具有不同的特點(diǎn)。在國(guó)外，瑞士豪澤(Hause)公司研制的H602型光電測(cè)量投影儀就是在普通投影儀的基礎(chǔ)上，加上高精度光柵定位系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，以CCD器件作為光電瞄準(zhǔn)頭，進(jìn)行動(dòng)態(tài)瞄準(zhǔn)與自動(dòng)采樣，使測(cè)量效率得到了很大的提高，勞動(dòng)強(qiáng)度也大大降低，數(shù)據(jù)處理方便、準(zhǔn)確。日本三豐公司研制的三坐標(biāo)CNC圖像測(cè)量機(jī)Quick Vision可利用其自身復(fù)雜的探測(cè)系統(tǒng)來測(cè)量形狀復(fù)雜的工件，該系統(tǒng)采用直流伺服電機(jī)控制X軸、Y軸和Z軸的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，而且每一軸都有置的高分辨率的Mitutoyo線性標(biāo)定器檢定，這種高分辨

23、力的線性標(biāo)定器部的CCD像機(jī)有380000個(gè)像素，能夠在CRT屏幕上顯示清晰的放大的圖像。該系統(tǒng)能進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦，系統(tǒng)的測(cè)量精度為(4+SL/100)m，最大驅(qū)動(dòng)速度為200mm/s。物鏡有1倍、3倍、5倍和10倍可供選擇。上述的兩套設(shè)備都采用了機(jī)器視覺技術(shù)，易操作性有了很大提高，測(cè)量精度也很高，但是價(jià)格昂貴，少則一二十萬，多則幾百萬，精度每提高1m，價(jià)格可能會(huì)上升幾千美元，然而其所使用的技術(shù)和測(cè)量原理卻并不復(fù)雜，為此，國(guó)的許多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)也展開了相應(yīng)的研究，取得了很多豐碩的成果。在國(guó)，大學(xué)的廖強(qiáng)等8設(shè)計(jì)了微尺寸視覺精密檢測(cè)系統(tǒng)，主要用于硬脆材料微小零件的檢測(cè)，其測(cè)量精度為±3m。全

24、思博等9研究的基于圖像拼接的大尺寸零件精密測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)500mm尺度零件進(jìn)行了圖像拼接實(shí)驗(yàn)，最大誤差不超過0.2mm。忠民等10用正交線陣CCD實(shí)現(xiàn)高精度小圓孔自動(dòng)測(cè)量，該方法充分利用了線陣CCD分辨率高的特點(diǎn)，通過適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)設(shè)計(jì)使兩個(gè)線陣CCD正交，測(cè)量小圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射條紋，實(shí)現(xiàn)了小圓孔半徑的一維參數(shù)高精度自動(dòng)測(cè)量和圓度誤差的二維參數(shù)定性自動(dòng)測(cè)量。輝等11開發(fā)了大尺寸弧長(zhǎng)非接觸精密測(cè)量系統(tǒng)，成功地應(yīng)用在航天飛船大型零件弧長(zhǎng)在線測(cè)量中，系統(tǒng)使用了一種分段式圖像測(cè)量方法，可實(shí)現(xiàn)大尺寸弧長(zhǎng)的精密在線測(cè)量，對(duì)于8m長(zhǎng)的弧長(zhǎng)，測(cè)量精度可達(dá)0.4mm。Hao Qun等12將面陣CCD應(yīng)用在大尺寸形位

25、誤差測(cè)量中，在半導(dǎo)體激光光纖和位相板相結(jié)合的準(zhǔn)直情況下，系統(tǒng)利用面陣CCD探測(cè)器測(cè)量大尺寸形位誤差，此系統(tǒng)與雙頻激光干涉儀測(cè)量直線度誤差的比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，二者的測(cè)量結(jié)果符合得很好，說明測(cè)量系統(tǒng)有很高的可信度。但是，在這些應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)所開發(fā)的幾何量測(cè)量系統(tǒng)中，鮮有在一臺(tái)儀器上同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)幾何參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量、并將測(cè)量數(shù)據(jù)分析處理后給出測(cè)量結(jié)果的系統(tǒng)，本文的主要工作即為通過結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)等來實(shí)現(xiàn)一個(gè)這樣的幾何量測(cè)量系統(tǒng)。綜上所述，本課題的選擇主要基于以下幾個(gè)因素：（1）基于機(jī)器視覺技術(shù)的幾何量測(cè)量方法優(yōu)點(diǎn)突出。該方法是一種非接觸式的測(cè)量，具有速度快、效率

26、高、適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用面廣等優(yōu)點(diǎn)。（2）幾何量測(cè)量自動(dòng)化的要求。隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)過程的自動(dòng)化，對(duì)幾何量測(cè)量與其自動(dòng)化提出越來越高的要求。幾何量測(cè)量與其自動(dòng)化技術(shù)按照測(cè)量過程不同環(huán)節(jié)，可分為：信息采集、信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果顯示等自動(dòng)化技術(shù)，本文所設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)正是將自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于這些環(huán)節(jié)，從而極大的節(jié)省人力、資金，同時(shí)能夠消除測(cè)量過程中由于人為因素而產(chǎn)生的誤差。（3）在同一臺(tái)儀器上同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種幾何量的自動(dòng)測(cè)量。本文設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)，在一臺(tái)儀器上同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)圓度、直線度、平行度與長(zhǎng)度尺寸的測(cè)量，能夠節(jié)省測(cè)量的成本和空間。1.3論文主要工作1.3.1論文的研究容在研究了國(guó)外幾何量測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上，

27、本文設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺技術(shù)的幾何量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，在一臺(tái)儀器上同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多種幾何量，如長(zhǎng)度、角度、直線度、圓度等的自動(dòng)測(cè)量。該系統(tǒng)使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)二維直角數(shù)控機(jī)械平臺(tái)，采用CCD攝像機(jī)與光柵尺采集被測(cè)物體的輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并設(shè)計(jì)用于自動(dòng)測(cè)量的算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)的自動(dòng)獲取；編制一套二維幾何量自動(dòng)測(cè)量軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)的分析和處理。系統(tǒng)的測(cè)量精度和自動(dòng)化程度較高，價(jià)格低廉，維護(hù)簡(jiǎn)單。在綜合研究了國(guó)外同行在機(jī)器視覺技術(shù)、光柵信號(hào)處理、圖像處理、自動(dòng)測(cè)量等領(lǐng)域所取得成果的基礎(chǔ)之上，完成了相應(yīng)的研究工作，涉與了光學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、圖像處理、傳感器、軟件工程、機(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制等多個(gè)學(xué)科

28、。論文的主要研究容如下：（1）設(shè)計(jì)一個(gè)放置被測(cè)零件的二維數(shù)控平臺(tái)，該平臺(tái)采用柯勒照明法，并滿足一定的控制精度。（2）設(shè)計(jì)光柵數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控平臺(tái)X和Y方向的位移量測(cè)量和反饋，實(shí)現(xiàn)光柵與計(jì)算機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)通訊。（3）設(shè)計(jì)一個(gè)圖像采集系統(tǒng)，采集被測(cè)物體的輪廓圖像，并送入計(jì)算機(jī)分析和處理。（4）選用合適的圖像預(yù)處理算法13, 14。路徑自動(dòng)生成算法需要以圖像為基礎(chǔ)，而CCD攝像機(jī)直接拍攝的圖像包含很多的噪聲，不利于算法的實(shí)現(xiàn)，這就需要根據(jù)情況選用一些圖像預(yù)處理算法對(duì)圖像加以處理，以方便路徑自動(dòng)生成算法的實(shí)現(xiàn)。（5）選擇一種適合的亞像素邊緣檢測(cè)算法。提高測(cè)量精度的方法15, 16很多，亞像素邊緣檢

29、測(cè)就是一種基于圖像處理技術(shù)的提高測(cè)量精度的方法?，F(xiàn)有的亞像素邊緣檢測(cè)方法17, 18很多也很成熟，從中選擇或設(shè)計(jì)合適的算法是需要研究的容之一。（6）設(shè)計(jì)路徑自動(dòng)生成算法。由于顯微測(cè)量的特點(diǎn)，圖像采集系統(tǒng)所提供的圖像不能包括被測(cè)物體的所有輪廓信息，因此，需要設(shè)計(jì)一種路徑自動(dòng)生成算法，目的在于控制數(shù)控平臺(tái)的移動(dòng)，從而使CCD攝像機(jī)鏡頭沿被測(cè)物體輪廓移動(dòng)一周，通過不斷移動(dòng)平臺(tái)并拍攝分段輪廓圖像的方法來完成對(duì)被測(cè)物體的所有輪廓信息的獲取。路徑自動(dòng)生成算法多用于機(jī)器人路徑生成、自動(dòng)焊接、刀具路徑生成與自動(dòng)跟蹤測(cè)量等1925應(yīng)用中，雖然本文的路徑自動(dòng)生成算法與機(jī)器人路徑控制、自動(dòng)焊接等所使用的算法的應(yīng)用領(lǐng)

30、域不同，但后者所使用算法的參考價(jià)值是不容質(zhì)疑的。（7）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一套二維幾何量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)軟件。該軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)控平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集、圖像處理等，并通過分析和處理采集到的被測(cè)物體的輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)，完成圓度、直線度、平行度與長(zhǎng)度尺寸等幾何量的自動(dòng)測(cè)量、結(jié)果顯示和保存。1.3.2論文的章節(jié)安排本文主要結(jié)構(gòu)安排如下：第一章 緒論，論述基于機(jī)器視覺的二維幾何量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的課題背景，闡述選題的依據(jù)和主要研究容；第二章 介紹系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)的構(gòu)成和系統(tǒng)軟件模塊，敘述系統(tǒng)的測(cè)量原理。第三章 設(shè)計(jì)圖像采集的軟硬件方案，研究圖像預(yù)處理、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、邊緣提取等圖像處理算法，設(shè)計(jì)基于Canny算子和灰度差

31、分重心法的邊緣提取算法、能夠簡(jiǎn)化邊緣的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法。第四章 簡(jiǎn)述光柵尺信號(hào)采集模塊軟硬件設(shè)計(jì)，包括運(yùn)用FPGA進(jìn)行光柵尺信號(hào)的采集與處理，設(shè)計(jì)FPGA與單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸接口，并通過單片機(jī)的串行通信接口將光柵尺所采集到的位移量傳送至上位機(jī)。第五章 闡述運(yùn)動(dòng)控制模塊的軟硬件設(shè)計(jì)，包括步進(jìn)電機(jī)與其驅(qū)動(dòng)器的選擇、以單片機(jī)為微處理器核的控制器設(shè)計(jì)、單片機(jī)與上位機(jī)間的基于串口的自定義通信協(xié)議設(shè)計(jì)以與路徑自動(dòng)生成方法的設(shè)計(jì)。第六章 設(shè)計(jì)幾何量測(cè)量軟件，實(shí)現(xiàn)依據(jù)測(cè)量系統(tǒng)自動(dòng)采集的被測(cè)物體輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)圓度、直線度、平行度與長(zhǎng)度尺寸等幾何量的測(cè)量，分析了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并分析了造成誤差的各種因素。

32、第七章 總結(jié)全文工作，并進(jìn)行后續(xù)研究方向的展望。第二章 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)2.1系統(tǒng)組成二維幾何量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)主要由光學(xué)照明系統(tǒng)、二維數(shù)控平臺(tái)、圖像采集模塊、光柵尺數(shù)據(jù)采集模塊與主控計(jì)算機(jī)組成。二維幾何量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的二維機(jī)械平臺(tái)以光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的JX-6型工具顯微鏡為基礎(chǔ)。JX-6型工具顯微鏡是一種基礎(chǔ)的精密光學(xué)測(cè)量?jī)x器，廣泛應(yīng)用于工廠、科學(xué)研究機(jī)構(gòu)與高等院校的計(jì)量部門。它的測(cè)量工作臺(tái)與物鏡間最大距離140mm，工作臺(tái)采用滾珠導(dǎo)軌，移動(dòng)圍25mm×25mm，使用白熾燈作為照明光源，采用透射式柯勒照明方式。二維幾何量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在JX-6型工具顯微鏡工作臺(tái)的X軸和Y軸方向各設(shè)計(jì)安裝了兩相步

33、進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源，電機(jī)的輸出通過聯(lián)軸器與絲杠相聯(lián)接，最后通過螺母帶動(dòng)工作臺(tái)沿X軸或Y軸方向運(yùn)動(dòng)，在工作平臺(tái)的兩端還安裝了兩條光柵尺，用于測(cè)量二維數(shù)控平臺(tái)在X軸和Y軸方向的位移量。JX-6型工具顯微鏡的照明系統(tǒng)采用柯勒照明系統(tǒng)，柯勒照明方式能充分利用光能，使物體得到均勻的照明，使被測(cè)零件清楚的與周圍的背景區(qū)分開來，這樣就可以大大簡(jiǎn)化圖像處理的算法，從而減少圖像處理運(yùn)算的時(shí)間，也減少了軟件開發(fā)的時(shí)間和難度，因此，二維幾何量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)直接使用工具顯微鏡的照明系統(tǒng)作為其照明系統(tǒng)。同時(shí)二維幾何量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)使用本文設(shè)計(jì)的光學(xué)鏡頭替代了工具顯微鏡瞄準(zhǔn)系統(tǒng)原有的光學(xué)鏡頭，使用CCD攝像機(jī)代替工具顯微鏡瞄準(zhǔn)

34、系統(tǒng)的目鏡，由CCD攝像機(jī)獲取被測(cè)零件的圖像，并通過圖像采集卡送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。本文所設(shè)計(jì)的二維幾何量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)如圖2.1所示。圖2.1 二維幾何量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)2.2幾何量測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)幾何量測(cè)量系統(tǒng)軟件以Windows平臺(tái)下的VC+6.0作為開發(fā)工具，同時(shí)使用了MFC應(yīng)用程序框架、DirectShow視頻開發(fā)包、Win32 SDK、OpenCV等類庫(kù)與開發(fā)包，從而完成了系統(tǒng)軟件的開發(fā)任務(wù)。為使系統(tǒng)軟件便于設(shè)計(jì)、組織、調(diào)試、修改與維護(hù)，采用了模塊化的開發(fā)方式，各個(gè)模塊功能明確又相互聯(lián)系，軟件模塊劃分如圖2.2所示。圖2.2 系統(tǒng)軟件模塊劃分系統(tǒng)軟件的模塊功能如下：（1）圖像采集模塊主要實(shí)

35、現(xiàn)視頻圖像的捕獲，本測(cè)量系統(tǒng)是基于機(jī)器視覺的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，采用了CCD攝像機(jī)代替人眼實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)工件的輪廓圖像信息的獲取，圖像采集軟件模塊主要使用DirectShow軟件開發(fā)包開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了將圖像采集硬件按幀傳送過來的圖像數(shù)據(jù)保存至存，以便圖像處理模塊使用。（2）圖像處理模塊主要對(duì)所采集到的被測(cè)工件的輪廓圖像進(jìn)行邊緣提取，并將所提取的邊緣信息提供給輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)獲取模塊使用。圖像處理模塊還對(duì)邊緣輪廓圖像做一定圖像預(yù)處理以供運(yùn)動(dòng)控制模塊使用。（3）串口通訊模塊主要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與步進(jìn)電機(jī)控制器與光柵尺數(shù)據(jù)處理電路的數(shù)據(jù)通訊；（4）運(yùn)動(dòng)控制模塊依據(jù)圖像處理模塊所提供的經(jīng)預(yù)處理后的輪廓圖像，實(shí)現(xiàn)二維數(shù)控平臺(tái)的

36、自動(dòng)移動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)工件整體輪廓圖像的獲取。（5）輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)獲取模塊通過結(jié)合圖像處理模塊所提供的邊緣信息與光柵尺所采集到的二維數(shù)控平臺(tái)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而獲得被測(cè)工件的輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)。（6）輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)處理模塊可以將所獲得的輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)保存至文件，或從文件中讀取已獲得的輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)工件的圓度、直線度、長(zhǎng)度量與角度量的測(cè)量。（7）用戶界面向用戶提供了友好的交互接口。提供了被測(cè)工件輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取的操作界面以與依據(jù)所獲得的輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行圓度、直線度、平行度與長(zhǎng)度尺寸測(cè)量的操作界面。2.3系統(tǒng)工作過程本系統(tǒng)是基于機(jī)器視覺的幾何量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，能夠自動(dòng)獲取被測(cè)工

37、件的二維輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并依據(jù)所獲得的二維輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)工件的多種幾何量的測(cè)量。系統(tǒng)工作流程圖如圖2.3所示。圖2.3 系統(tǒng)工作過程流程圖系統(tǒng)的工作過程分為以下幾個(gè)步驟：（1）調(diào)整工件位置，使視頻中的十字線中心對(duì)準(zhǔn)工件輪廓，啟動(dòng)工件輪廓坐標(biāo)的自動(dòng)測(cè)量過程。（2）系統(tǒng)將拍攝工件的分段輪廓圖像，并對(duì)所獲取的工件輪廓圖像進(jìn)行兩種處理，其一，對(duì)工件輪廓圖像進(jìn)行邊緣提取，獲取圖像中工件輪廓的像素坐標(biāo)；其二，對(duì)所獲取的工件輪廓圖像進(jìn)行平滑、閾值分割與數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理，經(jīng)過處理的圖像用于路徑自動(dòng)生成算法。（3）系統(tǒng)將從光柵尺數(shù)據(jù)采集電路中獲取二維數(shù)控平臺(tái)的位置坐標(biāo)。將數(shù)控平臺(tái)的位置坐標(biāo)視為視頻中的十字線

38、中心的坐標(biāo)（即圖像的中心坐標(biāo)），根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的像素坐標(biāo)到實(shí)際坐標(biāo)的標(biāo)定系數(shù)將第二步中所獲得的以圖像中心為原點(diǎn)的工件輪廓像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為實(shí)際坐標(biāo)，將轉(zhuǎn)化后的坐標(biāo)值與圖像的中心坐標(biāo)相加，最終獲取被測(cè)工件的輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)。（4）判斷是否已經(jīng)將被測(cè)工件的所有輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)測(cè)量完成，如果測(cè)量完成，保存所有的被測(cè)工件的輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)至文件；如果測(cè)量未完成，即所得到的輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)只是被測(cè)工件的部分輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)，則根據(jù)路徑自動(dòng)生成算法生成平臺(tái)移動(dòng)路徑，并控制二維數(shù)控平臺(tái)按所生成的路徑移動(dòng)，從而使CCD攝像機(jī)獲取尚未取得的被測(cè)工件輪廓圖像。（5）被測(cè)工件的所有輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)都已取得后，根據(jù)用戶的選擇實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)工件的輪廓坐

39、標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的測(cè)量。第三章 圖像采集與處理模塊3.1圖像采集軟硬件設(shè)計(jì)3.1.1圖像采集的硬件設(shè)計(jì)圖像傳感器把光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，即把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)換為按時(shí)序串行輸出的電信號(hào)視頻信號(hào)，從而可進(jìn)行圖像的存貯、傳輸、處理、顯示26。CCD器件以其自掃描、高分辨率、易與計(jì)算機(jī)連接等優(yōu)點(diǎn)，已成為空間光學(xué)、微光夜視、X光成像系統(tǒng)、遙感等系統(tǒng)中不可缺少的器件。近年來，隨著微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，CCD器件的性能價(jià)格比逐漸提高，CCD器件得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前，以CCD攝像機(jī)、視頻采集卡與PC機(jī)相結(jié)合進(jìn)行視頻捕獲的方式得到廣泛的應(yīng)用，在該種硬件連接基礎(chǔ)上的

40、軟件開發(fā)也得到有關(guān)研究人員的關(guān)注。鑒于CCD器件本身所具有的優(yōu)點(diǎn)，以與使用CCD攝像機(jī)與視頻采集卡進(jìn)行視頻捕獲的圖像采集方案所具備的大量資料，本課題采用CCD攝像機(jī)加圖像采集卡的圖像采集硬件設(shè)計(jì)方案。3.1.1.1 CCD攝像機(jī)本文根據(jù)系統(tǒng)測(cè)量精度、光學(xué)鏡頭的放大倍數(shù)以與亞像素定位算法的精度確定所選用的CCD器件的像素間距，如式（3.1）所示。（3.1）其中，d為CCD的像素間距，k是亞像素定位算法的精度系數(shù)，為系統(tǒng)測(cè)量精度，為光學(xué)鏡頭的放大倍數(shù)。本文設(shè)計(jì)的幾何量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度為微米級(jí)，光學(xué)鏡頭的放大倍數(shù)=2，使用亞像素細(xì)分技術(shù)可取k=5，根據(jù)式（3.2）可得CCD的像素間距d為：（3

41、.2）CCD分辨率是本系統(tǒng)選擇器件的主要條件，在分辨率達(dá)到設(shè)計(jì)要求的情況下，再綜合考慮成本以與圖像處理速度，從而確定對(duì)CCD器件的其他參數(shù)的要求，如光敏面尺寸等。由式（3.2）的要求可得要選用的CCD分辨率應(yīng)至少為440×300。本文選用的CM-2001CH的夏普CCD攝像機(jī)，其主要的性能參數(shù)如下：（1）攝像機(jī)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線。（5）最小照度：1.0Lux/F1.2。（6）信噪比：60dB。（7）工作溫度：-1050。（8）供電電源：DC12V。由上述CM-2001CH的夏普CCD攝像機(jī)的

42、主要性能參數(shù)可以看出，CM-2001CH的夏普CCD攝像機(jī)滿足幾何量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)CCD器件最低要求，且CM-2001CH價(jià)格適中。3.1.1.2圖像采集卡圖像采集卡，又稱視頻捕捉卡（Video Capture Card），它完成的主要功能是把攝像機(jī)的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成為離散的數(shù)字量。微視圖像公司的S400型視頻圖像采集卡是一款基于PCI總線的四路視頻圖像采集卡，它支持四路復(fù)合視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和顯示，可穩(wěn)定接收來自各種視頻源的標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)（PAL、NTSC、SECAM）。四路立體上輸出，支持768×24位×25場(chǎng)兩路實(shí)時(shí)采集和顯示。其性能參數(shù)如下：（1）視頻A/D為8位。

43、（2）視頻輸入：四路Video。（3）視頻制式：PAL四路100幀、NTSC四路120幀。（4）圖像分辨率：最大768×576（PAL）、640×480（NTSC）。（5）四路實(shí)時(shí)采集顯示，可同時(shí)多路實(shí)時(shí)預(yù)覽。（6）最大功耗：6W。根據(jù)幾何量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的需求、硬件設(shè)備的成本、課題現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件和相應(yīng)的軟件開發(fā)難易程度，本課題使用S400配合CM-2001CH作為圖像采集的硬件設(shè)備。3.1.2圖像采集的軟件設(shè)計(jì)3.1.2.1軟件開發(fā)方案在Windows平臺(tái)下進(jìn)行視頻捕捉的軟件開發(fā)，目前存在三種可選方案：VFW技術(shù)、WDM技術(shù)和DirectShow 技術(shù)、采用廠商提供的和硬件

44、對(duì)應(yīng)的專用軟件SDK開發(fā)包。1VFW技術(shù)是微軟公司最早提供的開放代碼，它提供一系列的底層API函數(shù)給使用者，使用者可以不考慮底層捕捉卡的接口程序就可以直接捕捉圖像。但是VFW技術(shù)是基于老式的16位VFW體系構(gòu)架之上的，而隨著Windows 98與更高版本的操作系統(tǒng)成為主流，基于新的32位WDM驅(qū)動(dòng)模型體系構(gòu)架必將成為主流。2WDM技術(shù)是微軟公司在VFW技術(shù)的基礎(chǔ)上，拋棄了原來VFW技術(shù)中不穩(wěn)定的部分，并提供了更多的可選功能給用戶，現(xiàn)在大多數(shù)的捕捉卡的開發(fā)商提供給用戶的播放軟件都是基于這種技術(shù)開發(fā)的，DirectShow是微軟公司提供的一套在Windows平臺(tái)上進(jìn)行流媒體處理的開發(fā)包，與Dire

45、ctX開發(fā)包一起發(fā)布。而微軟將DirectX定義為“設(shè)備無關(guān)”，即使用DirectShow可以用設(shè)備無關(guān)的方法提供設(shè)備相關(guān)的性能。因此，所開發(fā)的視頻采集程序不會(huì)嚴(yán)重依賴于所使用的硬件。3大多視頻捕捉卡的提供商都可以提供捕捉卡的SDK開發(fā)包給用戶。但是這種方式所開發(fā)的程序和硬件相關(guān)，當(dāng)替換硬件時(shí)，要改動(dòng)相應(yīng)的程序，局限性很大，并且SDK 軟件開發(fā)包的性能與設(shè)備提供商自身的研發(fā)水平相關(guān)。根據(jù)上述對(duì)三種視頻捕捉軟件開發(fā)方案的分析，本課題采用DirectShow技術(shù)進(jìn)行視頻捕捉軟件的開發(fā)。3.1.2.2 DirectShow技術(shù)DirectShow的設(shè)計(jì)初衷就是盡量要讓應(yīng)用程序開發(fā)人員從復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸

46、、硬件差異、同步性等工作中解脫出來，總體應(yīng)用框架和底層工作由DirectShow來完成，這樣，基于DirectShow框架開發(fā)多媒體應(yīng)用程序就會(huì)變得非常簡(jiǎn)單27。下面將對(duì)DirectShow中的幾個(gè)重要概念進(jìn)行說明。1過濾器（Filter）DirectShow是基于模塊化的系統(tǒng)，每個(gè)功能模塊都采取COM組件方式，稱為過濾器。DirectShow提供了一系列用于應(yīng)用開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)模塊，開發(fā)者也可以根據(jù)需要開發(fā)具有特定功能的模塊來擴(kuò)展DirectShow的應(yīng)用。Filter一般分為下面幾種類型： （1）源過濾器（Source Filter）：源過濾器引入數(shù)據(jù)到過濾器圖表中，數(shù)據(jù)來源可以是文件、網(wǎng)絡(luò)、照

47、相機(jī)等。不同的源過濾器處理不同類型的數(shù)據(jù)源。 （2）變換過濾器（Transform Filter）：變換過濾器的工作是獲取輸入流，處理數(shù)據(jù)，并生成輸出流。變換過濾器對(duì)數(shù)據(jù)的處理包括編解碼、格式轉(zhuǎn)換、壓縮解壓縮等。 （3）提交過濾器（Renderer Filter）：提交過濾器在過濾器圖表里處于最后一級(jí)，它們接收數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)送給顯卡、聲卡進(jìn)行多媒體的演示，或者輸出到文件進(jìn)行存儲(chǔ)。 2過濾器圖（Filter Graph）在應(yīng)用程序中，為了執(zhí)行一個(gè)給定的任務(wù)，需要將若干個(gè)過濾器連接起來，一個(gè)過濾器的輸出成為另一個(gè)過濾器的輸入，這樣連接在一起的一組過濾器稱為過濾器圖。3過濾器圖管理器（Filter G

48、raph Manager）過濾器圖管理器也是一個(gè)COM對(duì)象，用來控制過濾器圖中的所有的過濾器，主要有以下的功能：（1）用來協(xié)調(diào)過濾器之間的狀態(tài)改變，從而使過濾器圖中的所有過濾器的狀態(tài)改變達(dá)到一致。（2）建立一個(gè)參考時(shí)鐘。（3）將過濾器的消息返回給應(yīng)用程序。（4）提供方法用來建立過濾器圖。應(yīng)用程序與 DirectShow組件以與 DirectShow所支持的軟硬件之間的關(guān)系如圖3.1 所示。圖3.1 DirectShow系統(tǒng)框圖3.1.2.3視頻顯示與圖像捕獲首先，將微視圖像公司的S400型視頻圖像采集卡的WDM驅(qū)動(dòng)程序安裝至主控計(jì)算機(jī)；其次，在主控計(jì)算機(jī)中安裝DirectX9.0；最后，使用V

49、C+6.0作為開發(fā)環(huán)境，并進(jìn)行如下設(shè)置：將頭文件Dshow.h、庫(kù)文件Strmiids.lib和Quartz.lib包含至所創(chuàng)建的VC工程中。使用DirectShow技術(shù)來開發(fā)視頻捕捉程序，是相對(duì)比較簡(jiǎn)單的，下面簡(jiǎn)要介紹開發(fā)過程。Graph Edit是從最新的Microsoft DirectX SDK中提取的DirectShow Graph圖表工具，通過這個(gè)工具，可以很直觀地看到過濾器圖的運(yùn)行與處理流程，方便進(jìn)行程序調(diào)試以與各種音視頻處理。因此，在編寫應(yīng)用程序前，可以先使用Graph Edit這個(gè)工具創(chuàng)建一個(gè)可視化的過濾器圖，通過調(diào)試運(yùn)行這個(gè)可視化的過濾器圖，可以知道編寫視頻捕獲程序需要在過濾

50、器圖中創(chuàng)建哪些過濾器以與如何連接這些過濾器。1通過Graph Edit進(jìn)行過濾器圖的可視化創(chuàng)建和調(diào)試可以得出捕獲S400圖像采集卡輸出的視頻所需的標(biāo)準(zhǔn)過濾器： （1）源過濾器（Source Filter），用于將S400圖像采集卡提供的視頻數(shù)據(jù)引入過濾器圖。（2）多路過濾器（Smt Filter），用于將輸入視頻數(shù)據(jù)同時(shí)在兩個(gè)輸出端上輸出。（3）視頻捕獲過濾器（Sample Grabber），當(dāng)接收到應(yīng)用程序的消息后，此過濾器將捕獲視頻數(shù)據(jù)流中的單幀圖像，并保存至存。（4）空過濾器（Null Filter），空過濾器的輸入端連接視頻捕獲過濾器的輸出端。保證所有的數(shù)據(jù)流都有歸宿。（5）顏色空間變

51、換過濾器（ColorCvr Filter），用于顏色空間變換。（6）多功能提交過濾器（VMR Filter），用于在應(yīng)用程序界面上顯示視頻。2根據(jù)幾何量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)視頻顯示的需求，本文還設(shè)計(jì)了一個(gè)自定義過濾器（My Filter），這個(gè)Filter是根據(jù)幾何量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)視頻顯示的需求，而設(shè)計(jì)開發(fā)的用于在視頻顯示的圖像上繪制“十”字中心線的自定義過濾器。在創(chuàng)建視頻捕捉應(yīng)用程序時(shí)，首先，創(chuàng)建過濾器圖。其次，在過濾器圖中添加上述標(biāo)準(zhǔn)過濾器和自定義過濾器。最后，將各個(gè)過濾器按照要求連接起來。過濾器圖中各過濾器連接情況如圖3.2所示，圖中箭頭表示視頻數(shù)據(jù)流的方向。圖3.2 過濾器的連接當(dāng)程序結(jié)束時(shí)

52、，還需要進(jìn)行一些善后處理，包括停止過濾器圖的運(yùn)行，將過濾器圖的關(guān)聯(lián)視頻顯示窗口句柄設(shè)置為空，最后將過濾器圖刪除。通過使用DirectShow技術(shù)，開發(fā)了圖像采集的軟件，成功獲取了圖像數(shù)據(jù)，并將視頻按照需求顯示出來。圖3.3為視頻顯示的截圖。圖3.3 視頻顯示的截圖3.1.3 CCD攝像機(jī)標(biāo)定基于機(jī)器視覺的二維幾何量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在采集被測(cè)工件的輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)，其中一項(xiàng)基本任務(wù)就是從攝像機(jī)獲取的圖像信息出發(fā)計(jì)算二維的幾何信息，作為獲取輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之一。而二維幾何位置與其在圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的相互關(guān)系是由攝像機(jī)成像的幾何模型決定的，這些幾何模型參數(shù)就是攝像機(jī)參數(shù)。在大多數(shù)條件下，這些參數(shù)必須通過

53、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算才能夠得到，而這個(gè)過程被稱為攝像機(jī)標(biāo)定或定標(biāo)。攝像機(jī)標(biāo)定問題大致分為兩類：標(biāo)定物定標(biāo)與攝像機(jī)自定標(biāo)，本文使用標(biāo)定物定標(biāo)的方法。3.1.3.1標(biāo)定原理攝像機(jī)拍攝是一個(gè)光學(xué)成像過程，該過程隸屬于四個(gè)坐標(biāo)系：像素坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系。像素坐標(biāo)系(u,v)原點(diǎn)位于圖像的左上角，以像素為單位；圖像坐標(biāo)系(X,Y)原點(diǎn)是攝像機(jī)光軸與圖像平面的交點(diǎn)，是一個(gè)物理坐標(biāo)系；攝像機(jī)坐標(biāo)系(XC,YC,ZC)以攝像機(jī)的光心為坐標(biāo)原點(diǎn)；世界坐標(biāo)系(XW,YW,ZW)可根據(jù)自然環(huán)境選取。攝像機(jī)的成像模型則主要分為線性攝像機(jī)模型和非線性攝像機(jī)模型，其中，非線性的成像模型考慮了非線性畸變，主

54、要應(yīng)用于廣角鏡頭的攝像機(jī)標(biāo)定，本文采用線性攝像機(jī)模型。透射投影模型（針孔模型）是應(yīng)用最為廣泛的一種線性攝像機(jī)成像模型，該模型的中心思想為：物體通過透鏡成像后，在成像平面上可以找到與之對(duì)應(yīng)的理想像點(diǎn)。這種模型在假設(shè)鏡頭沒有畸變的情況下，能夠較好的與客觀實(shí)際相吻合，圖3.4為透射投影模型。圖3.4 透射投影模型根據(jù)透射投影模型，可以得到光學(xué)成像過程中的四個(gè)坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 (3.3) (3.4) (3.5)由式(3.3)、(3.4) 、(3.5)可以看出CCD攝像機(jī)有6個(gè)攝像機(jī)參和一個(gè)外參數(shù)矩陣。六個(gè)參是lx、ly、f、u0、v0、s。lx、ly是像素大小，f是焦距，（u0、v0）是圖像坐標(biāo)系的

55、原點(diǎn)O在像素坐標(biāo)系中的位置，s是傾斜因子，對(duì)于實(shí)際的攝像機(jī)，傾斜因子都很小，一般忽略不計(jì)，常取s=0。根據(jù)式子(3.3)、(3.4)可以得到像素坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系間的關(guān)系 (3.6)外參數(shù)矩陣為(R, T)，R是旋轉(zhuǎn)矩陣，T是平移向量。安裝二維幾何量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的CCD攝像機(jī)時(shí)，精確調(diào)整了攝像機(jī)的位置，使得攝像機(jī)坐標(biāo)系的ZC軸與工作平臺(tái)垂直，且XC、YC也分別與工作平臺(tái)的X軸與Y軸平行。由于測(cè)量過程中攝像機(jī)是靜止的，故可以選定世界坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系是同一個(gè)坐標(biāo)系，因此，可以確定攝像機(jī)的外參數(shù)，R是單位矩陣，T是零向量。根據(jù)式(3.6)，可以得到像素坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系間的關(guān)系 (3.7)因?yàn)?/p>

56、每次測(cè)量都需要調(diào)整物距，使得攝像機(jī)采集到的圖像中的物體具有最為清晰的邊緣，也就是物體邊緣距離攝像機(jī)光心的距離為一個(gè)固定值，即ZC為一個(gè)固定值，所以式(3.7)中ZW也是一個(gè)固定值，而lx、ly、f也是固定的數(shù)值，同時(shí)，將圖像坐標(biāo)系與像素坐標(biāo)系的原點(diǎn)都設(shè)在圖像中心，于是有u0 = v0 = 0，從而可以得到 (3.8)其中。由于本系統(tǒng)是二維測(cè)量系統(tǒng)，因此，只需要根據(jù)式(3.8)設(shè)計(jì)攝像機(jī)標(biāo)定方法確定u、v與XW、YW之間的關(guān)系即可。3.1.3.1標(biāo)定方法本文測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)精度為微米級(jí)，二等標(biāo)準(zhǔn)玻璃線紋尺的長(zhǎng)度為200mm，兩條相鄰刻線間的距離為1mm，測(cè)量不確定度為0.5m，因此，使用二等標(biāo)準(zhǔn)玻

57、璃線紋尺作為確定Kx、Ky的標(biāo)定物可以滿足系統(tǒng)對(duì)精度的要求。標(biāo)定方法為：首先，水平放置玻璃線紋尺，使用測(cè)量系統(tǒng)拍攝玻璃線紋尺圖像，并計(jì)算出圖像中兩條相鄰刻線間的像素距離nx，從而得到水平方向的標(biāo)定系數(shù)Kx=1000/nx；其次，垂直放置玻璃線紋尺，拍攝玻璃線紋尺圖像，并計(jì)算出圖像中兩條相鄰刻線間的像素距離ny，從而得出垂直方向的標(biāo)定系數(shù)Ky=1000/ny。3.1.3.1標(biāo)定實(shí)驗(yàn)（a）玻璃線紋尺圖像 （b）去噪、形態(tài)學(xué)分割后的圖像（c）hough變換處理后圖像圖3.5 玻璃線紋尺刻線的檢測(cè)表3.1 像素坐標(biāo)到實(shí)際坐標(biāo)的標(biāo)定刻線間距（mm）水平方向垂直方向像素個(gè)數(shù)nx標(biāo)定系數(shù)Kx像素個(gè)數(shù)ny標(biāo)定系數(shù)Kx1.0000