【正文】 ，科學(xué)出版社共立出版，5510518 蔣先剛，數(shù)字圖像模式識(shí)別工程軟件設(shè)計(jì)，中國(guó)水利水電出版社，1993章及標(biāo)題 致謝畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我們知識(shí)運(yùn)用能力的一次全面的考核，也是對(duì)我們進(jìn)行科學(xué)研究基本功的訓(xùn)練，培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)獨(dú)立地分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，為以后撰寫(xiě)專業(yè)學(xué)術(shù)論文和工作打下良好的基礎(chǔ)。本次設(shè)計(jì)能夠順利完成，首先我要感謝我的母?！嗌酱髮W(xué)，是她為我們提供了學(xué)習(xí)知識(shí)的土壤，使我們?cè)谶@里茁壯成長(zhǎng)；其次我要感謝電氣工程學(xué)院的老師們，他們不僅教會(huì)我們專業(yè)方面的知識(shí)，而且教會(huì)我們做人做事的道理；尤其要感謝在本次設(shè)計(jì)中給予我大力支持和幫助的胡春海老師，胡老師淵博的專業(yè)知識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，嚴(yán)以律己、寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實(shí)無(wú)華、平易近人的人格魅力對(duì)我影響深遠(yuǎn)。不僅使我樹(shù)立了遠(yuǎn)大的學(xué)術(shù)目標(biāo)、掌握了基本的研究方法，還使我明白了許多待人接物與為人處世的道理。本論文從選題到完成，每一步都是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的，傾注了導(dǎo)師大量的心血。每有問(wèn)題，老師總是耐心的解答，使我能夠充滿熱情的投入到畢業(yè)設(shè)計(jì)中去；還要感謝我的同學(xué)們，他們熱心的幫助，使我感到了來(lái)自兄弟姐妹的情誼；最后還要感謝相關(guān)資料的編著者和給予我們支持的社會(huì)各界人士，感謝您們?yōu)槲覀兲峁┮粋€(gè)良好的環(huán)境，使本次設(shè)計(jì)圓滿完成。由于本人實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論技術(shù)有限，本次設(shè)計(jì)中必然存在不少紕漏及錯(cuò)誤之處，希望各位老師批評(píng)指正。附錄1 開(kāi)題報(bào)告附錄1 開(kāi)題報(bào)告一、本課題國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)及研究目的和意義國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)基于單攝像機(jī)的應(yīng)用和液位的測(cè)量，國(guó)外眾多文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行了理論和實(shí)踐的不同闡述。如TiHo Wang, MingChih Lu, ChenChien Hsu, ChengChuan Chen, JiaDong Tan所著的Liquidlevel measurement using a single digital camera等中提到： 通過(guò)從容器中液體表面選取不同顏色的浮漂，通過(guò)色度濾波和閾值技術(shù)計(jì)算出被攝像機(jī)捕捉到的浮漂圖像的像素?cái)?shù)，建立一個(gè)關(guān)于浮漂圖像直徑的像素?cái)?shù)和攝影距離的關(guān)系，那么該系統(tǒng)就能有效地測(cè)量液位的高度[13]。在國(guó)內(nèi)也有不少的文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行闡述。段輝偉在他的液位測(cè)量控制技術(shù)研究中就提到：利用模糊控制器與PID控制技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，通過(guò)分析控制過(guò)程，反復(fù)試驗(yàn)，準(zhǔn)確控制液位的波動(dòng)范圍，從而實(shí)現(xiàn)液位的最佳實(shí)時(shí)控制[4]。張之江等的單攝像機(jī)測(cè)頭成像視覺(jué)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)建模中提出了：利用已知的目標(biāo)測(cè)頭與被測(cè)表面接觸實(shí)現(xiàn)視覺(jué)坐標(biāo)測(cè)量的新思想，建立了確定目標(biāo)測(cè)頭三維（六自由度）運(yùn)動(dòng)的線性系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)表面坐標(biāo)測(cè)量，同時(shí)分析了系統(tǒng)分辨率。通過(guò)仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)建模的正確性[5]。 研究目的液位是一種非線性、變化大的多變量參數(shù)，搞好液位測(cè)量和控制，可有效保證生產(chǎn)系統(tǒng)正常工作。在生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行中，水位是一個(gè)很重要的參數(shù)，水位的高、低將直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行效果。特別是工藝要求液位必須控制在中水位177。50mm的范圍，否則將會(huì)造成系統(tǒng)事故[6]。為了很好地監(jiān)測(cè)液位的高度，長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)于全自動(dòng)操作測(cè)量系統(tǒng)的需求一直存在著，但人們還在使用就地讀出式的數(shù)據(jù)記錄儀，這就意味著所有的被采集的數(shù)據(jù)都是過(guò)期的，僅僅是提供了一個(gè)歷史數(shù)據(jù)。這種就地式儀器不具備持續(xù)監(jiān)測(cè)功能[7]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)液位測(cè)量方法派生出來(lái)的指標(biāo)體系的局限性日益暴露出來(lái)，為了彌補(bǔ)這一缺陷，本課題將設(shè)計(jì)一種基于單攝像機(jī)的液位測(cè)量方法。研究意義單攝像機(jī)液位測(cè)量系統(tǒng)具有體積小、測(cè)量速度快、成本低的優(yōu)點(diǎn)，非常適于對(duì)不能直接接觸目標(biāo)的測(cè)量。它是以光學(xué)為基礎(chǔ)，融合電子技術(shù)、圖像處理技術(shù)為一體的測(cè)量系統(tǒng)[8]。盡管已有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)液位測(cè)量在應(yīng)用中的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了研究，然而現(xiàn)實(shí)中基于單攝像機(jī)的液位測(cè)量方法很難真正應(yīng)用，希望通過(guò)本課題的研究分析找出真正原因，并試圖從理論角度，結(jié)合實(shí)際提出的應(yīng)用措施，從而使這種方法在生產(chǎn)生活中廣泛應(yīng)用起來(lái)。二、本課題研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問(wèn)題基本內(nèi)容本課題主要研究的是：利用單攝像機(jī)對(duì)與液體表面相接觸的目標(biāo)浮漂進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)目標(biāo)浮漂在單攝像機(jī)里所成像的大小，按照一定的比例關(guān)系推算出目標(biāo)浮漂距攝像機(jī)鏡頭的距離，進(jìn)而知道液位高度，從而達(dá)到對(duì)液位的連續(xù)測(cè)量[910]。擬解決的主要問(wèn)題i 圖1 基于單攝像機(jī)的液位測(cè)量測(cè)量系統(tǒng)圖利用單攝像機(jī)的基本成像原理，就是利用光學(xué)成像，通過(guò)分析成像變化，達(dá)到對(duì)被測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量的目的。從而，在被測(cè)點(diǎn)與成像圖像之間建立正確的求解關(guān)系對(duì)液位實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量。如圖1所示：三、本課題研究的步驟、方法及措施研究步驟（1）、根據(jù)測(cè)量范圍和分辨率設(shè)計(jì)選擇攝像機(jī)鏡頭以及光源[11]；（2）、設(shè)計(jì)目標(biāo)浮漂；（3）、推導(dǎo)測(cè)量模型；（4）、誤差分析和修正方法；（5）、圖像處理和分析程序。方法及措施（1）、學(xué)習(xí)了解單攝像機(jī)的相關(guān)基本知識(shí)，理解單攝像機(jī)的基本成像原理及其用法，推導(dǎo)測(cè)量模型；（2）、學(xué)習(xí)理解數(shù)字圖像處理與圖像通信技術(shù)的基本應(yīng)用。依據(jù)目標(biāo)浮漂所成像的大小與其距鏡頭距離的推導(dǎo)關(guān)系推算出目標(biāo)浮漂距攝像機(jī)鏡頭的距離。實(shí)際的圖像處理系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的、既包括硬件又包括軟件的系統(tǒng)，隨著具體的應(yīng)用目標(biāo)的不同，其構(gòu)成也是大不相同的。但是，從它最基本的功能特征出發(fā)，可以構(gòu)建出如下圖所示的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的概念模型。在這個(gè)基本的系統(tǒng)中，包括5大部分圖像處理功能：待處理的圖像信號(hào)的輸入，即采集模塊；已處理圖像的輸出，即顯示模塊；在處理過(guò)程中需要用到的控制和存儲(chǔ)模塊；和用戶打交道的存取、通信模塊；最為關(guān)鍵的是圖像處理核心模塊[1215]。 圖2 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)模型四、研究工作進(jìn)度 第1~4 周 查閱資料熟悉課題； 第 5~8周 設(shè)計(jì)選擇攝像機(jī)、鏡頭、光源，設(shè)計(jì)目標(biāo)浮漂； 第 9~11周 推導(dǎo)量模型，設(shè)計(jì)圖像處理和分析程序； 第12~15周 設(shè)計(jì)和調(diào)試仿真程序，撰寫(xiě)論文初稿； 第16~18周 撰寫(xiě)論文準(zhǔn)備答辯。五、指導(dǎo)教師意見(jiàn) 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日六、系級(jí)教學(xué)單位審核意見(jiàn)：審查結(jié)果： □ 通過(guò) □ 完善后通過(guò) □ 未通過(guò) 負(fù)責(zé)人簽字：年 月 日七、主要參考文獻(xiàn) 1 TiHo Wang, MingChih Lu, ChenChien Hsu, ChengChuan Chen, JiaDong Tan，Liquidlevel measurement using a single digital camera，Measurement, Volume42, Issue4, May 2009, Pages 604610.2 Ferran Reverter, Xiujun Li, Gerard . Meijer，Liquidlevel measurement system based on a remote grounded capacitive sensor，Sensors and Actuators A: Physical, Volume 138, Issue 1, 20 July 2007, Pages 18.3 Marcel Gautschi, Autonomous Measuring and Monitoring systems2,《中國(guó)儀器儀表》2009年 第10期4 段輝偉，液位測(cè)量控制技術(shù)研究，《自動(dòng)化與儀器儀表》2010年第1期（總第147期）5 張之江，車(chē)仁生，黃慶成，孫玉芹，單攝像機(jī)測(cè)頭成像視覺(jué)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)建模，《儀器儀表學(xué)報(bào)》1999年10月第20卷第5期6 王景芳，非線性動(dòng)態(tài)液位軟測(cè)量模型建立，《化工自動(dòng)化儀表》2006,33（1）：32347 葉東，解邦福，劉博，一種基于共面特征點(diǎn)的單攝像機(jī)姿態(tài)測(cè)量方法研究，《宇航計(jì)測(cè)技術(shù)》2009年12月第29卷第6期8 邾繼貴,李艷軍，葉聲華，唐大林，張國(guó)全等，單攝像機(jī)虛擬立體視覺(jué)測(cè)量技術(shù)研究，光學(xué)學(xué)報(bào)，2005年7月第25卷第7期9 楊雷，王彩申，盧廣建等，液位測(cè)量中的信號(hào)采集與處理，《微計(jì)算機(jī)信息》2006年第22卷第41期10 張小洪，吳誤，輸液瓶的實(shí)時(shí)液位測(cè)量及輸液報(bào)警，中國(guó)西部科技，2010年8月第09卷第23期總第220期11 范敦浩，圖像監(jiān)控系統(tǒng)攝像機(jī)和鏡頭的選擇，通信電源技術(shù)，2003年8 月第4期12 (日本)谷口慶治，數(shù)字圖像處理，科學(xué)出版社共立出版，5510513 朱秀昌，劉峰，胡棟等，數(shù)字圖像處理與圖像通信，北京郵電大學(xué)出版社，7813814 陳峰，基于Blackfin DSP的數(shù)字圖像處理，電子工業(yè)出版社，10315415 高峽，管靜云，管靜峰等，攝像機(jī)的成像原理及拍攝技巧，內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2003年第11期附錄2 文獻(xiàn)綜述附錄2 文獻(xiàn)綜述一、課題國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的連續(xù)監(jiān)控和對(duì)單攝像機(jī)的應(yīng)用，眾多學(xué)者分別提出了自己不同的見(jiàn)解：王景芳所著的非線性動(dòng)態(tài)液位軟測(cè)量模型建立中提到：設(shè)計(jì)一種具有高度非線性逼近能力的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)，以遺傳算法進(jìn)行該模型參數(shù)的組合優(yōu)化建模，解決連續(xù)攪拌反應(yīng)釜?jiǎng)討B(tài)液位測(cè)量問(wèn)題[1]。葉東等所著的一種基于共面特征點(diǎn)的單攝像機(jī)姿態(tài)測(cè)量方法研究中指出：利用單攝像機(jī)采集4個(gè)共面特征點(diǎn)圖像的方法來(lái)測(cè)量物體的相對(duì)姿態(tài)變化。系統(tǒng)選用IR—LED作為特征點(diǎn)并對(duì)其發(fā)光特性進(jìn)行優(yōu)化控制，利用基于雙線性插值的高斯曲面擬合方法確定圖像特征點(diǎn)的坐標(biāo)，最終使用解決P4P問(wèn)題的一種線性解法確定特征點(diǎn)坐標(biāo)及位姿變化信息。進(jìn)行了實(shí)物和仿真實(shí)驗(yàn)，并對(duì)該方法進(jìn)行了不確定度分析，結(jié)果表明這種方案具有較高的準(zhǔn)確度、實(shí)時(shí)性[2]。國(guó)外現(xiàn)狀在國(guó)外這一研究也得到較快的發(fā)展，如Ferran Reverter, Xiujun Li, Gerard . Meijer所著的Liquidlevel measurement system based on a remote grounded capacitive sensor 中提到：用一不銹鋼棒和聚四氟乙烯絕緣電線構(gòu)成電容傳感器的電極，該接口電路依賴于一個(gè)簡(jiǎn)單的張弛振蕩器和微控制器，一個(gè)主動(dòng)屏蔽電纜互連的傳感器接口電路，電路的穩(wěn)定性是考慮到互連電纜和傳感器的寄生元件。該系統(tǒng)已通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)量接地的金屬容器內(nèi)的自來(lái)水水位，在70厘米的水平范圍內(nèi)，[3]。Marcel Gautschi在全自動(dòng)液位測(cè)量與監(jiān)控系統(tǒng)—GSM2中提到：液位測(cè)量中，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和Internet的使用使得分散式的測(cè)量系統(tǒng)可以利用虛擬合并技術(shù)，在地域上實(shí)現(xiàn)一致，并隨時(shí)采集任何需要的數(shù)據(jù)[4]。二、研究主要成果 隨著科技的不斷發(fā)展，基于單攝像機(jī)的應(yīng)用也得到了體現(xiàn)，蘭玉杰等著的基于單攝像機(jī)手眼系統(tǒng)的距離測(cè)量標(biāo)定方法中提出了一種適用于機(jī)器人手眼系統(tǒng)進(jìn)行雙目測(cè)距的簡(jiǎn)單的測(cè)量標(biāo)定方法。這種方法通過(guò)控制深度方向上的一次移動(dòng)，即可得到某些參數(shù)的標(biāo)定解，從而克服了一些標(biāo)定系統(tǒng)技術(shù)上的難點(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本方法可以達(dá)到小于12%的測(cè)量精度?？梢杂糜跈C(jī)器人的視覺(jué)粗定位和三維避平障等實(shí)際應(yīng)用[5]。當(dāng)然液位的測(cè)量更是在生活中無(wú)處不在，張達(dá)等在中間包內(nèi)鋼水液位精確測(cè)量方法研究中提出了一種通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)檢測(cè)連鑄中間包內(nèi)鋼水層液位高度的方法。從中間包內(nèi)空氣層中穿過(guò)保護(hù)渣層向鋼水層中插入一個(gè)鋁碳質(zhì)的測(cè)量棒，通過(guò)安裝于測(cè)量棒側(cè)上方的攝像機(jī)采集測(cè)量棒圖像，進(jìn)而確定保護(hù)渣層的實(shí)時(shí)液位。待測(cè)量棒與周?chē)橘|(zhì)達(dá)到熱平衡后，升起測(cè)量棒，并通過(guò)攝像機(jī)采集測(cè)量棒外壁的溫場(chǎng)分布，根據(jù)保護(hù)渣層和鋼水層分界面處存在局部溫度梯度峰值的特征識(shí)別分界面位置及保護(hù)渣層厚度，從而確定中間包內(nèi)鋼水層液位。同時(shí)，本文對(duì)于液位測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成以及降溫、防塵等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明：本方法能夠有效克服保護(hù)渣層影響，實(shí)現(xiàn)中間包內(nèi)鋼水層液位的可靠測(cè)量，測(cè)量偏差小于5 mm[6]。三、 發(fā)展趨勢(shì)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、光電技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)的成熟和現(xiàn)代測(cè)試?yán)碚摰陌l(fā)展，測(cè)量方式向快速化、自動(dòng)化、智能化發(fā)展，在現(xiàn)代的工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，單攝像機(jī)液位測(cè)量充分利用它的靈活性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，在各種場(chǎng)合取代了復(fù)雜的人工檢測(cè)，提高了控制的準(zhǔn)確性和執(zhí)行速度，降低了成本。在非接觸測(cè)量中，液位測(cè)量成為重要的一門(mén)科學(xué)，在生活中幾乎無(wú)處不在，而且隨著現(xiàn)代集成電路技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)器件的發(fā)展，計(jì)算機(jī)處理能力和集成芯片功能的日益強(qiáng)大，專用圖像處理軟件的開(kāi)發(fā)成為熱門(mén)，單攝像機(jī)的液位測(cè)量潛在的應(yīng)用領(lǐng)域正在擴(kuò)大[78]。在今后它將以CCD為主的光電傳感器的高靈敏度、非接觸、高分辨率、高速度、實(shí)時(shí)性結(jié)合在一起，從而成為現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的主流趨勢(shì)。四、存在問(wèn)題首先，單一攝像機(jī)在拆分像面上帶來(lái)了視場(chǎng)的損失，縮小了攝像頭能夠觀察到的最大范圍，使得畫(huà)面清晰度不夠，降低了畫(huà)面質(zhì)量。此外，在國(guó)外，液位測(cè)量與單攝像機(jī)結(jié)合的研究時(shí)間比我們要早，研究范圍比我們要廣，研究的程度要深。如TiHo Wang, MingChih Lu, ChenChien Hsu, ChengChuan Chen, JiaDong Tan所著的Liquidlevel measurement using a single digital camera[9]。盡管?chē)?guó)內(nèi)外都取得了一些成就，但還是不夠成熟，在理論研究和定性分析上做得較好，對(duì)實(shí)證研究和定量分析就明顯做得不足。使得該技術(shù)的廣泛應(yīng)用受到了局限和約束。五、指導(dǎo)教師意見(jiàn) 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日六、系級(jí)教學(xué)單位審核意見(jiàn)：審查結(jié)果： □ 通過(guò) □ 完善后通過(guò) □ 未通過(guò) 負(fù)責(zé)人簽字：年 月 日七、主要參考文獻(xiàn)