【正文】 ）設(shè)計了步進電機運動控制電路和測量路徑自動生成算法，實現(xiàn)了被測物體輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)的自動獲取。幾何量測量是科學(xué)技術(shù)以及大眾衣食住行都不可缺少的。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展, 人們發(fā)展了各種量儀， 由人眼借助機械、光學(xué)系統(tǒng)采集幾何量（主要是刻線相對位置），并通過簡單的初等數(shù)學(xué)運算提取真值的估值，這類傳統(tǒng)的幾何量測量方法主要利用機械式、電動式、氣動式及光學(xué)式等計量器具實現(xiàn)測量。測量機(CMM)是最重要的一種現(xiàn)代測量設(shè)備，CMM作為一種集光學(xué)、機械、數(shù)控技術(shù)和計算機技術(shù)為一體的大型精密測量設(shè)備，廣泛的應(yīng)用在機械制造、儀器制造、電子工業(yè)、航空和國防等各個部門，雖然CMM測量精度高，但是使用條件卻很苛刻，且價格昂貴。國外一些傳統(tǒng)的光學(xué)儀器公司在圖像測量系統(tǒng)的設(shè)計領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位，他們不斷推出功能強大的新型測量系統(tǒng)，這些測量系統(tǒng)大都集成了多種測量功能，并且各自具有不同的特點。物鏡有1倍、3倍、5倍和10倍可供選擇。全思博等[9]研究的基于圖像拼接的大尺寸零件精密測量系統(tǒng)，對500mm尺度零件進行了圖像拼接實驗。但是，在這些應(yīng)用機器視覺技術(shù)所開發(fā)的幾何量測量系統(tǒng)中，鮮有在一臺儀器上同時實現(xiàn)多個幾何參數(shù)的自動測量、并將測量數(shù)據(jù)分析處理后給出測量結(jié)果的系統(tǒng)，本文的主要工作即為通過結(jié)合機器視覺技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)等來實現(xiàn)一個這樣的幾何量測量系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)過程的自動化，對幾何量測量及其自動化提出越來越高的要求。在研究了國內(nèi)外幾何量測量技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了基于機器視覺技術(shù)的幾何量自動測量系統(tǒng)，在一臺儀器上同時實現(xiàn)對多種幾何量，如長度、角度、直線度、圓度等的自動測量。論文的主要研究內(nèi)容如下：（1）設(shè)計一個放置被測零件的二維數(shù)控平臺，該平臺采用柯勒照明法，并滿足一定的控制精度。路徑自動生成算法需要以圖像為基礎(chǔ)，而CCD攝像機直接拍攝的圖像包含很多的噪聲，不利于算法的實現(xiàn)，這就需要根據(jù)情況選用一些圖像預(yù)處理算法對圖像加以處理，以方便路徑自動生成算法的實現(xiàn)。（6）設(shè)計路徑自動生成算法。該軟件主要實現(xiàn)數(shù)控平臺運動控制、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物體的輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)，完成圓度、直線度、平行度及長度尺寸等幾何量的自動測量、結(jié)果顯示和保存。第五章 闡述運動控制模塊的軟硬件設(shè)計，包括步進電機及其驅(qū)動器的選擇、以單片機為微處理器核的控制器設(shè)計、單片機與上位機間的基于串口的自定義通信協(xié)議設(shè)計以及路徑自動生成方法的設(shè)計。二維幾何量自動測量系統(tǒng)的二維機械平臺以上海光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的JX6型工具顯微鏡為基礎(chǔ)。JX6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，使被測零件清楚的與周圍的背景區(qū)分開來，這樣就可以大大簡化圖像處理的算法，從而減少圖像處理運算的時間，也減少了軟件開發(fā)的時間和難度，因此，二維幾何量自動測量系統(tǒng)直接使用工具顯微鏡的照明系統(tǒng)作為其照明系統(tǒng)。為使系統(tǒng)軟件便于設(shè)計、組織、調(diào)試、修改及維護，采用了模塊化的開發(fā)方式，各個模塊功能明確又相互聯(lián)系。（3）串口通訊模塊主要實現(xiàn)計算機與步進電機控制器及光柵尺數(shù)據(jù)處理電路的數(shù)據(jù)通訊；（4）運動控制模塊依據(jù)圖像處理模塊所提供的經(jīng)預(yù)處理后的輪廓圖像，實現(xiàn)二維數(shù)控平臺的自動移動，最終實現(xiàn)對被測工件整體輪廓圖像的獲取。提供了被測工件輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)自動獲取的操作界面以及依據(jù)所獲得的輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)進行圓度、直線度、平行度及長度尺寸測量的操作界面。（3）系統(tǒng)將從光柵尺數(shù)據(jù)采集電路中獲取二維數(shù)控平臺的位置坐標(biāo)。第三章 圖像采集及處理模塊圖像傳感器把光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺窗讶肷涞絺鞲衅鞴饷裘嫔习纯臻g分布的光強信息轉(zhuǎn)換為按時序串行輸出的電信號——視頻信號，從而可進行圖像的存貯、傳輸、處理、顯示[26]。鑒于CCD器件本身所具有的優(yōu)點，以及使用CCD攝像機及視頻采集卡進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攝像機加圖像采集卡的圖像采集硬件設(shè)計方案。由式（）的要求可得要選用的CCD分辨率應(yīng)至少為440300。（4）水平解析度：480線。（8）供電電源：DC12V。四路立體上輸出，支持76824位25場兩路實時采集和顯示。（4）圖像分辨率：最大768576（PAL）、640480（NTSC）。在Windows平臺下進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對應(yīng)的專用軟件SDK開發(fā)包。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。根據(jù)上述對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)進行視頻捕捉軟件的開發(fā)。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展DirectShow的應(yīng)用。變換過濾器對數(shù)據(jù)的處理包括編解碼、格式轉(zhuǎn)換、壓縮解壓縮等。（2）建立一個參考時鐘。 DirectShow系統(tǒng)框圖首先，將微視圖像公司的S400型視頻圖像采集卡的WDM驅(qū)動程序安裝至主控計算機；其次，；最后，使用VC++，并進行如下設(shè)置：、。1．通過Graph Edit進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。保證所有的數(shù)據(jù)流都有歸宿。在創(chuàng)建視頻捕捉應(yīng)用程序時，首先，創(chuàng)建過濾器圖。 過濾器的連接當(dāng)程序結(jié)束時，還需要進行一些善后處理，包括停止過濾器圖的運行，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。在大多數(shù)條件下，這些參數(shù)必須通過實驗和計算才能夠得到，而這個過程被稱為攝像機標(biāo)定或定標(biāo)。攝像機的成像模型則主要分為線性攝像機模型和非線性攝像機模型，其中，非線性的成像模型考慮了非線性畸變，主要應(yīng)用于廣角鏡頭的攝像機標(biāo)定，本文采用線性攝像機模型。六個內(nèi)參是lx、ly、f、u0、v0、s。由于測量過程中攝像機是靜止的，故可以選定世界坐標(biāo)系與攝像機坐標(biāo)系是同一個坐標(biāo)系，因此，可以確定攝像機的外參數(shù)，R是單位矩陣，T是零向量。標(biāo)定方法為：首先，水平放置玻璃線紋尺，使用測量系統(tǒng)拍攝玻璃線紋尺圖像，并計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。（b）（a）進行去噪、閾值分割后的圖像，（c）（b）進行hough變換后的圖像。數(shù)字圖像在外存儲器設(shè)備中的存儲形式是圖像文件，圖像必須按照某個已知的、公認的數(shù)據(jù)存儲順序和結(jié)構(gòu)進行存儲，才能使不同的程序?qū)D像文件順利進行打開或存盤操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。最典型的例子是灰度圖像，灰度圖像的像素數(shù)據(jù)就是一個矩陣，矩陣的行對應(yīng)圖像的高（單位為像素），矩陣的列對應(yīng)圖像的寬（單位為像素），矩陣的元素對應(yīng)圖像的像素，矩陣元素的值就是像素的灰度值。通過CCD攝像機和圖像采集卡采集到的圖像是24位的彩色圖像，由三原色RGB組成，R代表紅色，G代表綠色，B代表藍色，每種原色可以分為0~255共256個等級。由于人眼對綠色的敏感度最高，對紅色的敏感度次之，對藍色的敏感度最低，因此使將得到較合理的灰度圖像。一個較好的平滑方法應(yīng)該是既能消掉這些寄生效應(yīng)又不使圖像輪廓和線條變模糊。本文使用低通濾波法進行圖像的平滑濾波，所使用的低通濾波器是高斯平滑濾波器，它是一種根據(jù)高斯函數(shù)的形狀來選擇權(quán)值的線性平滑濾波器。（3）高斯函數(shù)的傅立葉變換頻譜是單瓣的。這些性質(zhì)使得它在圖像處理中特別有用，高斯平滑濾波器無論在空間域還是在頻率域都是十分有效的低通濾波器。閾值分割中閾值的選取是關(guān)鍵。最大類間方差法是用于圖像分割的二值化全局算法的典型方法，它按圖像的灰度特性將圖像分成背景和目標(biāo)兩部分，背景和目標(biāo)之間的類間方差越大，說明構(gòu)成圖像的兩部分的差別越大，當(dāng)部分目標(biāo)錯分為背景或部分背景錯分為目標(biāo)時都會導(dǎo)致兩部分差別變小，因此，使類間方差最大的分割意味著錯分概率最小。在編程求解最大類間方差的閾值時，通過以下步驟迭代求解：（1）首先選擇一個近似值Tk作為圖像 f ( x, y)的初始閾值Tk=(zmin+zmax)/2，式中zmin，zmax為最小、最大灰度值，算出每個灰度級的像素個數(shù)與像素總數(shù)之間的比值pi。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)(Mathematical Morphology)是一種應(yīng)用于圖像處理和模式識別領(lǐng)域的新的方法。（2）根據(jù)該模式選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)元素，結(jié)構(gòu)元素應(yīng)該簡單而對模式具有最強的表現(xiàn)力；（3）用選定的結(jié)構(gòu)元對圖像進行擊中與否（HMT）變換，便可以得到比原始圖像顯著突出物體特征信息的圖像。在形態(tài)算法設(shè)計中，結(jié)構(gòu)元的選擇十分重要，其形狀、尺寸的選擇是能否有效地提取信息的關(guān)鍵。1．膨脹A，B為Z2中的集合，為空集，A被B膨脹，記為，為膨脹算子，膨脹的定義為 （）其中，為集合B的映射同在其他的形態(tài)學(xué)處理中一樣，集合B在膨脹操作中通常被稱為結(jié)構(gòu)元素。這樣實線內(nèi)的所有點構(gòu)成了A被B的膨脹。實線表示若B的原點平移至x點超過了此界限，則A不能完全包含B。開運算一般能平滑圖像的輪廓，削弱狹窄的部分，去掉細的突出。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法設(shè)計主要包括兩方面內(nèi)容：一、結(jié)構(gòu)元素設(shè)計；二、運算方法設(shè)計。 形態(tài)學(xué)處理后目標(biāo)的邊緣位置數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法的設(shè)計要求就是在滿足上述目標(biāo)的邊緣位置規(guī)定的情況下，經(jīng)形態(tài)學(xué)算法處理后的圖像中央位置大小為21。因此，邊緣是圖像分割所依賴的最重要的特征，也是形狀特征的基礎(chǔ)。邊緣檢測的方法國內(nèi)外研究的很多，Sobel邊緣算子、Prewitt邊緣算子、Kirsch邊緣算子、Laplacian算子等都是非常成熟的邊緣檢測算法，但是這些邊緣檢測算法是在原始圖像上進行的，由于眾多原因，圖像常常受隨機噪聲干擾，在其上進行邊緣檢測，常常把噪聲當(dāng)做邊緣點而檢測出來。 Canny邊緣檢測算法利用 Canny算子進行邊緣檢測主要包括的過程有利用高斯函數(shù)進行低通濾波、計算梯度的幅值及方向、對梯度幅值進行非極大值抑制、檢測和連接邊緣等。（4）雙閾值方法檢測和連接邊緣對判定為可能的邊緣點集合確定上、下限閾值tdown和ttop。不同的圖像由于灰度分布的不同，所采納的高低閾值不應(yīng)相同。在閾值分割中本文使用了最大類間方差法來求取圖像二值化的閾值。 （a）測量圖像 （b）Sobel算子檢測結(jié)果 （c）Laplace算子檢測結(jié)果 （d）本文自適應(yīng)閾值Canny算子檢測結(jié)果 邊緣檢測算法對比實驗在圖像測量領(lǐng)域，被測件有關(guān)邊緣點的定位精度往往直接影響到整個測量的精度[38]。然而，應(yīng)當(dāng)注意的是，對于某種算法不能絕對的說優(yōu)于其他算法，只能說在某個特定領(lǐng)域要好于其他方法。首先，對圖像進行像素級的邊緣定位，主要使用本文的自適應(yīng)閾值Canny邊緣檢測方法；其次，確定了邊緣的像素級位置后，在原圖像中，沿垂直和水平方向以像素邊緣點為中心左右各取5個像素值作為灰度差分重心法的分析基礎(chǔ)，從而得出邊緣點的精確位置。對水平方向和垂直方向所取得的各11個像素分別求取灰度差分值，并使用灰度差分值作為權(quán)值，求出重心（x0, y0） ()其中Wi、Wj為權(quán)值。第四章 光柵尺數(shù)據(jù)采集模塊光柵尺數(shù)據(jù)采集硬件包括：光柵尺、光柵尺信號處理電路和數(shù)據(jù)傳輸電路。但是，國外產(chǎn)品的價格非常昂貴。(5+5L/1000) μm60 m/min光柵尺信號采集電路包括整形濾波電路、FPGA信號處理電路及數(shù)據(jù)傳輸電路，首先，通過整形濾波電路對光柵尺輸出的信號進行整形濾波；其次，將整形濾波后的信號送入FPGA，用FPGA實現(xiàn)光柵尺信號采集、細分與計數(shù)；最后，將光柵尺信號的計數(shù)值由串行通信接口傳送至上位機。 光柵尺信號采集電路2．FPGA信號處理電路FPGA是光柵尺信號處理電路的核心器件，負責(zé)對光柵尺信號進行辨向、細分及計數(shù)。（2）外圍硬件電路外圍硬件電路包括配置電路、復(fù)位電路和時鐘電路。EPCS1是基于SRAM的配置芯片，可以通過ByteBlaster（MV）并口下載電纜來在線將程序?qū)懭朐撔酒?，并可多次擦除、寫入。軟件?fù)位通過拉低FPGA芯片的全局時鐘引腳CLK3來生效。（1）單片機與FPGA之間的數(shù)據(jù)傳輸電路在FPGA中所設(shè)計的計數(shù)器中保存有當(dāng)前的X方向和Y方向兩條光柵尺脈沖信號的各24位計數(shù)值，共48位；將單片機的P0口和FPGA的I/O6I/O6I/O67~72端口相連作為數(shù)據(jù)總線，、~60端口相連作為地址總線；將24位的計數(shù)值分為高、中、低3段8位的數(shù)據(jù)，兩條光柵尺則有6段8位數(shù)據(jù)，分別使用6個固定的地址：0x000x00x100、0x010x100x110。STC89LE52RC單片機使用的是TTL電平，因此在應(yīng)用中，需要將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232C電平，本文使用專用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232來實現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換。FPGA邏輯電路設(shè)計包括電路設(shè)計與輸入、綜合優(yōu)化、實現(xiàn)及布局布線、調(diào)試及加載配置等步驟，下面介紹本文的FPGA邏輯電路設(shè)計：1．電路設(shè)計與輸入。、B39。39。39。、B39。（2）計數(shù)電路計數(shù)電路的功能是依據(jù)細分、辨向電路所輸出的計數(shù)信號Count、方向信號Dir進行可逆計數(shù)，即累加或累減計數(shù)，當(dāng)光柵尺信號A超前于B時，計數(shù)器依據(jù)脈沖信號進行累加計數(shù)；反之，計數(shù)器則依脈沖信號進行累減計數(shù)。綜合的結(jié)果是邏輯網(wǎng)表，需要使用FPGA廠商提供的軟件工具，根據(jù)所選芯片的型號，將邏輯網(wǎng)表適配到具體的器件上，這個過程就是實現(xiàn)過程。設(shè)計開發(fā)的最后步驟就是在線調(diào)試或?qū)⑸傻呐渲梦募懭胄酒羞M行測試。數(shù)據(jù)傳輸程序首先完成串口、定時器以及I/O的初始