【正文】 ，科學(xué)出版社共立出版，5510518 蔣先剛，數(shù)字圖像模式識別工程軟件設(shè)計，中國水利水電出版社，1993章及標(biāo)題 致謝畢業(yè)設(shè)計是對我們知識運(yùn)用能力的一次全面的考核，也是對我們進(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)知識獨(dú)立地分析問題和解決問題的能力，為以后撰寫專業(yè)學(xué)術(shù)論文和工作打下良好的基礎(chǔ)。本次設(shè)計能夠順利完成，首先我要感謝我的母校——燕山大學(xué)，是她為我們提供了學(xué)習(xí)知識的土壤，使我們在這里茁壯成長；其次我要感謝電氣工程學(xué)院的老師們，他們不僅教會我們專業(yè)方面的知識，而且教會我們做人做事的道理；尤其要感謝在本次設(shè)計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，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)無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠(yuǎn)。不僅使我樹立了遠(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各界人士，感謝您們?yōu)槲覀兲峁┮粋€良好的環(huán)境，使本次設(shè)計圓滿完成。由于本人實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論技術(shù)有限，本次設(shè)計中必然存在不少紕漏及錯誤之處，希望各位老師批評指正。附錄1 開題報告附錄1 開題報告一、本課題國內(nèi)外動態(tài)及研究目的和意義國內(nèi)外動態(tài)基于單攝像機(jī)的應(yīng)用和液位的測量，國外眾多文獻(xiàn)對其進(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： 通過從容器中液體表面選取不同顏色的浮漂，通過色度濾波和閾值技術(shù)計算出被攝像機(jī)捕捉到的浮漂圖像的像素數(shù)，建立一個關(guān)于浮漂圖像直徑的像素數(shù)和攝影距離的關(guān)系，那么該系統(tǒng)就能有效地測量液位的高度[13]。在國內(nèi)也有不少的文獻(xiàn)對其進(jìn)行闡述。段輝偉在他的液位測量控制技術(shù)研究中就提到：利用模糊控制器與PID控制技術(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，通過分析控制過程，反復(fù)試驗(yàn)，準(zhǔn)確控制液位的波動范圍，從而實(shí)現(xiàn)液位的最佳實(shí)時控制[4]。張之江等的單攝像機(jī)測頭成像視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)建模中提出了：利用已知的目標(biāo)測頭與被測表面接觸實(shí)現(xiàn)視覺坐標(biāo)測量的新思想，建立了確定目標(biāo)測頭三維（六自由度）運(yùn)動的線性系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了對被測表面坐標(biāo)測量，同時分析了系統(tǒng)分辨率。通過仿真驗(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，否則將會造成系統(tǒng)事故[6]。為了很好地監(jiān)測液位的高度，長期以來對于全自動操作測量系統(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)都是過期的，僅僅是提供了一個歷史數(shù)據(jù)。這種就地式儀器不具備持續(xù)監(jiān)測功能[7]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)液位測量方法派生出來的指標(biāo)體系的局限性日益暴露出來，為了彌補(bǔ)這一缺陷，本課題將設(shè)計一種基于單攝像機(jī)的液位測量方法。研究意義單攝像機(jī)液位測量系統(tǒng)具有體積小、測量速度快、成本低的優(yōu)點(diǎn)，非常適于對不能直接接觸目標(biāo)的測量。它是以光學(xué)為基礎(chǔ)，融合電子技術(shù)、圖像處理技術(shù)為一體的測量系統(tǒng)[8]。盡管已有相關(guān)文獻(xiàn)對液位測量在應(yīng)用中的相關(guān)問題進(jìn)行了研究，然而現(xiàn)實(shí)中基于單攝像機(jī)的液位測量方法很難真正應(yīng)用，希望通過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。二、本課題研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題基本內(nèi)容本課題主要研究的是：利用單攝像機(jī)對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)到對液位的連續(xù)測量[910]。擬解決的主要問題i 圖1 基于單攝像機(jī)的液位測量測量系統(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，通過分析成像變化，達(dá)到對被測點(diǎn)坐標(biāo)測量的目的。從而，在被測點(diǎn)與成像圖像之間建立正確的求解關(guān)系對液位實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量。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)測量范圍和分辨率設(shè)計選擇攝像機(jī)鏡頭以及光源[11]；（2）、設(shè)計目標(biāo)浮漂；（3）、推導(dǎo)測量模型；（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，理解單攝像機(jī)的基本成像原理及其用法，推導(dǎo)測量模型；（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；在處理過程中需要用到的控制和存儲模塊；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)計選擇攝像機(jī)、鏡頭、光源，設(shè)計目標(biāo)浮漂； 第 9~11周 推導(dǎo)量模型，設(shè)計圖像處理和分析程序； 第12~15周 設(shè)計和調(diào)試仿真程序，撰寫論文初稿； 第16~18周 撰寫論文準(zhǔn)備答辯。五、指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日六、系級教學(xué)單位審核意見：審查結(jié)果： □ 通過 □ 完善后通過 □ 未通過 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,《中國儀器儀表》2009年 第10期4 段輝偉，液位測量控制技術(shù)研究，《自動化與儀器儀表》2010年第1期（總第147期）5 張之江，車仁生，黃慶成，孫玉芹，單攝像機(jī)測頭成像視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)建模，《儀器儀表學(xué)報》1999年10月第20卷第5期6 王景芳，非線性動態(tài)液位軟測量模型建立，《化工自動化儀表》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)測量方法研究，《宇航計測技術(shù)》2009年12月第29卷第6期8 邾繼貴,李艷軍，葉聲華，唐大林，張國全等，單攝像機(jī)虛擬立體視覺測量技術(shù)研究，光學(xué)學(xué)報，2005年7月第25卷第7期9 楊雷，王彩申，盧廣建等，液位測量中的信號采集與處理，《微計算機(jī)信息》2006年第22卷第41期10 張小洪，吳誤，輸液瓶的實(shí)時液位測量及輸液報警，中國西部科技，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、課題國內(nèi)外現(xiàn)狀國內(nèi)現(xiàn)狀為了更好地實(shí)現(xiàn)對液位的連續(xù)監(jiān)控和對單攝像機(jī)的應(yīng)用，眾多學(xué)者分別提出了自己不同的見解：王景芳所著的非線性動態(tài)液位軟測量模型建立中提到：設(shè)計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)釜動態(tài)液位測量問題[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)測量方法研究中指出：利用單攝像機(jī)采集4個共面特征點(diǎn)圖像的方法來測量物體的相對姿態(tài)變化。系統(tǒng)選用IR—LED作為特征點(diǎn)并對其發(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)時性[2]。國外現(xiàn)狀在國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簡單的張弛振蕩器和微控制器，一個主動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)已通過實(shí)驗(yàn)測試，測量接地的金屬容器內(nèi)的自來水水位，在70厘米的水平范圍內(nèi)，[3]。Marcel Gautschi在全自動液位測量與監(jiān)控系統(tǒng)—GSM2中提到：液位測量中，移動通信網(wǎng)絡(luò)和Internet的使用使得分散式的測量系統(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)行雙目測距的簡單的測量標(biāo)定方法。這種方法通過控制深度方向上的一次移動，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)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本方法可以達(dá)到小于12%的測量精度?？梢杂糜跈C(jī)器人的視覺粗定位和三維避平障等實(shí)際應(yīng)用[5]。當(dāng)然液位的測量更是在生活中無處不在，張達(dá)等在中間包內(nèi)鋼水液位精確測量方法研究中提出了一種通過計算機(jī)視覺技術(shù)檢測連鑄中間包內(nèi)鋼水層液位高度的方法。從中間包內(nèi)空氣層中穿過保護(hù)渣層向鋼水層中插入一個鋁碳質(zhì)的測量棒，通過安裝于測量棒側(cè)上方的攝像機(jī)采集測量棒圖像，進(jìn)而確定保護(hù)渣層的實(shí)時液位。待測量棒與周圍介質(zhì)達(dá)到熱平衡后，升起測量棒，并通過攝像機(jī)采集測量棒外壁的溫場分布，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，本文對于液位測量系統(tǒng)的構(gòu)成以及降溫、防塵等關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究?，F(xiàn)場應(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量，測量偏差小于5 mm[6]。三、 發(fā)展趨勢隨著計算機(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)代測試?yán)碚摰陌l(fā)展，測量方式向快速化、自動化、智能化發(fā)展，在現(xiàn)代的工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中，單攝像機(jī)液位測量充分利用它的靈活性、實(shí)時性、準(zhǔn)確性，在各種場合取代了復(fù)雜的人工檢測，提高了控制的準(zhǔn)確性和執(zhí)行速度，降低了成本。在非接觸測量中，液位測量成為重要的一門科學(xué)，在生活中幾乎無處不在，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發(fā)成為熱門，單攝像機(jī)的液位測量潛在的應(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)時性結(jié)合在一起，從而成為現(xiàn)代檢測技術(shù)的主流趨勢。四、存在問題首先，單一攝像機(jī)在拆分像面上帶來了視場的損失，縮小了攝像頭能夠觀察到的最大范圍，使得畫面清晰度不夠，降低了畫面質(zhì)量。此外，在國外，液位測量與單攝像機(jī)結(jié)合的研究時間比我們要早，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]。盡管國內(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 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日六、系級教學(xué)單位審核意見：審查結(jié)果： □ 通過 □ 完善后通過 □ 未通過 負(fù)責(zé)人簽字：年 月 日七、主要參考文獻(xiàn)