【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 （8）供電電源：DC12V。由上述CM2001CH的夏普CCD攝像機(jī)的主要性能參數(shù)可以看出，CM2001CH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CM2001CH價(jià)格適中。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(lái)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76824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。（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768576（PAL）、640480（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(kāi)發(fā)難易程度，本課題使用S400配合CM2001CH作為圖像采集的硬件設(shè)備。在Windows平臺(tái)下進(jìn)行視頻捕捉的軟件開(kāi)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(duì)應(yīng)的專用軟件SDK開(kāi)發(fā)包。1．VFW技術(shù)是微軟公司最早提供的開(kāi)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及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。2．WDM技術(shù)是微軟公司在VFW技術(shù)的基礎(chǔ)上，拋棄了原來(lái)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(kāi)發(fā)商提供給用戶的播放軟件都是基于這種技術(shù)開(kāi)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(kāi)發(fā)包，與DirectX開(kāi)發(fā)包一起發(fā)布。而微軟將DirectX定義為“設(shè)備無(wú)關(guān)”，即使用DirectShow可以用設(shè)備無(wú)關(guān)的方法提供設(shè)備相關(guān)的性能。因此，所開(kāi)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(kāi)發(fā)包給用戶。但是這種方式所開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)。 DirectShow技術(shù)DirectShow的設(shè)計(jì)初衷就是盡量要讓應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員從復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸、硬件差異、同步性等工作中解脫出來(lái)，總體應(yīng)用框架和底層工作由DirectShow來(lái)完成，這樣，基于DirectShow框架開(kāi)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(shuō)明。1．過(guò)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(guò)濾器。DirectShow提供了一系列用于應(yīng)用開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)模塊，開(kāi)發(fā)者也可以根據(jù)需要開(kāi)發(fā)具有特定功能的模塊來(lái)擴(kuò)展DirectShow的應(yīng)用。Filter一般分為下面幾種類型： （1）源過(guò)濾器（Source Filter）：源過(guò)濾器引入數(shù)據(jù)到過(guò)濾器圖表中，數(shù)據(jù)來(lái)源可以是文件、網(wǎng)絡(luò)、照相機(jī)等。不同的源過(guò)濾器處理不同類型的數(shù)據(jù)源。 （2）變換過(guò)濾器（Transform Filter）：變換過(guò)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(guò)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(guò)濾器（Renderer Filter）：提交過(guò)濾器在過(guò)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(guò)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(guò)濾器連接起來(lái)，一個(gè)過(guò)濾器的輸出成為另一個(gè)過(guò)濾器的輸入，這樣連接在一起的一組過(guò)濾器稱為過(guò)濾器圖。3．過(guò)濾器圖管理器（Filter Graph Manager）過(guò)濾器圖管理器也是一個(gè)COM對(duì)象，用來(lái)控制過(guò)濾器圖中的所有的過(guò)濾器，主要有以下的功能：（1）用來(lái)協(xié)調(diào)過(guò)濾器之間的狀態(tài)改變，從而使過(guò)濾器圖中的所有過(guò)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(guò)濾器的消息返回給應(yīng)用程序。（4）提供方法用來(lái)建立過(guò)濾器圖。應(yīng)用程序與 DirectShow組件以及 所示。 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(dòng)程序安裝至主控計(jì)算機(jī)；其次，；最后，使用VC++，并進(jìn)行如下設(shè)置：、。使用DirectShow技術(shù)來(lái)開(kāi)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(kāi)發(fā)過(guò)程。Graph Edit是從最新的Microsoft DirectX SDK中提取的DirectShow Graph圖表工具，通過(guò)這個(gè)工具，可以很直觀地看到過(guò)濾器圖的運(yùn)行及處理流程，方便進(jìn)行程序調(diào)試以及各種音視頻處理。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(guò)濾器圖，通過(guò)調(diào)試運(yùn)行這個(gè)可視化的過(guò)濾器圖，可以知道編寫視頻捕獲程序需要在過(guò)濾器圖中創(chuàng)建哪些過(guò)濾器以及如何連接這些過(guò)濾器。1．通過(guò)Graph Edit進(jìn)行過(guò)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(guò)濾器： （1）源過(guò)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(guò)濾器圖。（2）多路過(guò)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(guò)濾器（Sample Grabber），當(dāng)接收到應(yīng)用程序的消息后，此過(guò)濾器將捕獲視頻數(shù)據(jù)流中的單幀圖像，并保存至內(nèi)存。（4）空過(guò)濾器（Null Filter），空過(guò)濾器的輸入端連接視頻捕獲過(guò)濾器的輸出端。保證所有的數(shù)據(jù)流都有歸宿。（5）顏色空間變換過(guò)濾器（ColorCvr Filter），用于顏色空間變換。（6）多功能提交過(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)濾器。在創(chuàng)建視頻捕捉應(yīng)用程序時(shí)，首先，創(chuàng)建過(guò)濾器圖。其次，在過(guò)濾器圖中添加上述標(biāo)準(zhǔn)過(guò)濾器和自定義過(guò)濾器。最后，將各個(gè)過(guò)濾器按照要求連接起來(lái)。，圖中箭頭表示視頻數(shù)據(jù)流的方向。 過(guò)濾器的連接當(dāng)程序結(jié)束時(shí)，還需要進(jìn)行一些善后處理，包括停止過(guò)濾器圖的運(yùn)行，將過(guò)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(guò)濾器圖刪除。通過(guò)使用DirectShow技術(shù)，開(kāi)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(lái)。 視頻顯示的截圖 CCD攝像機(jī)標(biāo)定基于機(jī)器視覺(jué)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(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算才能夠得到，而這個(gè)過(guò)程被稱為攝像機(jī)標(biāo)定或定標(biāo)。攝像機(jī)標(biāo)定問(wèn)題大致分為兩類：標(biāo)定物定標(biāo)及攝像機(jī)自定標(biāo)，本文使用標(biāo)定物定標(biāo)的方法。攝像機(jī)拍攝是一個(gè)光學(xué)成像過(guò)程，該過(guò)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(guò)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(méi)有畸變的情況下，能夠較好的與客觀實(shí)際相吻合。 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(guò)程中的四個(gè)坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 () () ()由式()、() 、()可以看出CCD攝像機(jī)有6個(gè)攝像機(jī)內(nèi)參和一個(gè)外參數(shù)矩陣。六個(gè)內(nèi)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()、()可以得到像素坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系間的關(guān)系 ()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(guò)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()，可以得到像素坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系間的關(guān)系 ()因?yàn)槊看螠y(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()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 ()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()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。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，因此，使用二等標(biāo)準(zhǔn)玻璃線紋尺作為確定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。 （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 玻璃線紋尺刻線的檢測(cè) 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)Kx245245246245245244245246246245245245243245244246244245245245均值245245為確定像素坐標(biāo)到實(shí)際坐標(biāo)的標(biāo)定系數(shù)，進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。將玻璃線紋尺水平放置在載物平臺(tái)上，調(diào)整CCD攝像機(jī)的焦距使得玻璃線紋尺中的刻線顯示的最為清晰，然后通過(guò)CCD攝像機(jī)獲取線紋尺的圖像，（a）所示。線紋尺相鄰兩條刻線的距離為1mm，（a）所示的玻璃線紋尺進(jìn)行去噪、閾值分割及hough變換最終得到兩條玻璃線紋尺的刻線。（b）（a）進(jìn)行去噪、閾值分割后的圖像，（c）（b）進(jìn)行hough變換后的圖像。（c）中兩條直線間的像素?cái)?shù)n，從而得出標(biāo)定系數(shù)Kx=1000/n。進(jìn)行了10次標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，通過(guò)同樣的方式，對(duì)垂直方向的標(biāo)定系數(shù)也進(jìn)行了10次實(shí)驗(yàn)。由實(shí)驗(yàn)可以得出，幾何量測(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)Kx、因此，本文取標(biāo)定系數(shù)Kx、。數(shù)字圖像在外存儲(chǔ)器設(shè)備中的存儲(chǔ)形式是圖像文件，圖像必須按照某個(gè)已知的、公認(rèn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)順序和結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)，才能使不同的程序?qū)D像文件順利進(jìn)行打開(kāi)或存盤操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。圖像數(shù)據(jù)在文件中的存儲(chǔ)順序和結(jié)構(gòu)稱為圖像文件格式。目前廣為流傳的圖像文件格式有許多種，常見(jiàn)的格式包括BMP、GIF、JPEG、TIFF、PSD、DICOM、MPEG等，本文所有靜態(tài)圖像的存儲(chǔ)均使用位圖格式。 數(shù)字圖像的矩陣表示在計(jì)算機(jī)內(nèi)處理時(shí)則往往將數(shù)字圖像視為一個(gè)矩陣，圖中M=m，N=n。最典型的例子是灰度圖像，灰度圖像的像素?cái)?shù)據(jù)就是一個(gè)矩陣，矩陣的行對(duì)應(yīng)圖像的高（單位為像素），矩陣的列對(duì)應(yīng)圖像的寬（單位為像素），矩陣的元素對(duì)應(yīng)圖像的像素，矩陣元素的值就是像素的灰度值。由于數(shù)字圖像可以表示為矩陣的形式，所以在計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理程序中，通常用二維數(shù)組來(lái)存放圖像數(shù)據(jù)。二維數(shù)組的行對(duì)應(yīng)圖像的高，二維數(shù)組的列對(duì)應(yīng)圖像的寬，二維數(shù)組的元素對(duì)應(yīng)圖像的像素，二維數(shù)組元素的值就是像素的灰度值。采用二維數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)數(shù)字圖像，符合二維圖像的行列特性，同時(shí)也便于程序的尋址操作，使得計(jì)算機(jī)圖像編程十分方便。通過(guò)CCD攝像機(jī)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(lán)色，每種原色可以分為0~255共256個(gè)等級(jí)。在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行對(duì)圖像平滑、去噪、閾值分割、形態(tài)學(xué)處理時(shí)，需要使用8位灰度圖像。因此，圖像灰度化的主要工作就是將24位的彩色圖像變?yōu)?位的灰度圖像。本文采用加權(quán)平均值法將24位彩色圖像轉(zhuǎn)變?yōu)?位灰度圖像，加權(quán)平均值法根據(jù)重要性或其他指標(biāo)給R、G、B賦予不同的權(quán)值，