【正文】 化水平比較高，要求在無人操作的情況下能完成系統(tǒng)的功能。采用的是下面的方法。攝像頭2相對于物理坐標系OXYZ的位置為： ()其中為攝像頭2相對于物理坐標系為OXYZ的旋轉(zhuǎn)矩陣，為平移向量。不妨以A為例，因為坐標系OXYZ的X，Y軸分別平行于O1X1Y1坐標系的X1，Y1軸，XOY平面平行于X1O1Y1平面，所以物理坐標系上的任意一點投影到O1X1Y1坐標系上時，旋轉(zhuǎn)向量R1的值為單位陣。根據(jù)上式可以求出A點x，y軸坐標。A點在物理坐標系中的Y和Z方向的坐標(y，z) A點在攝像機2圖像中的坐標為，則 ()其中和分別為攝像機2在y，z方向上的放大倍數(shù)，為攝像機2的平移向量。綜上所述，就可以求出A點在物理坐標系中的坐標(x，y，z)，根據(jù)同樣的理論就可以求出B，C，D在物理坐標系中OXYZ的坐標。攝像機是本系統(tǒng)獲取被測對象信息的唯一途徑，它的作用就像人的眼睛，它在本系統(tǒng)中起著非常重要的作用，所以在盡可能降低系統(tǒng)總成本的情況下選擇一個合適的攝像機在本系統(tǒng)中顯得至關(guān)重要，攝像機一般要根據(jù)以下幾個參數(shù)進行選擇。(2)動態(tài)范圍動態(tài)范圍是衡量圖像傳感器對于明暗光線差別較大的場景下的表現(xiàn)。目前高端CMOS可實現(xiàn)高達100dB以上的動態(tài)范圍，而常見CCD的動態(tài)范圍基本在60dB左右。(3)焦距目前，、4mm、6mm、8mm、12mm等不同規(guī)格的焦距指標，對于具有相同的成像面積的兩個攝像機，鏡頭焦距越短的攝像機視角就越大，具體選擇多大焦距的鏡頭還得看要拍攝的距離，焦距大一些，相應(yīng)你要看到的圖像范圍就要比現(xiàn)在看到的小一些了。在本系統(tǒng)中，拍攝的距離為23米，拍攝的場景是1m1m的區(qū)域。(4)線數(shù)目前，市場上對于民用級選用的購攝像機一般有380線、420線、480線、520等不同的規(guī)格，線數(shù)代表攝像機的清晰度，即在監(jiān)視器上水平掃描的線數(shù)，線數(shù)越高，圖像的清晰度越好。 ASBH88B攝像頭光源設(shè)計也是圖像測量系統(tǒng)的一個重要組成部分。而隨著光源光譜成分的變化，以及光源強度分布隨時間等的變化，攝像機輸出的圖像信號也會發(fā)生變化。因而，在恰當?shù)剡x擇光源，有利于我們獲得理想的圖像信號，為后續(xù)的圖像處理降低了難度。由于本系統(tǒng)的工作環(huán)境在工廠，工廠里的自然光會受到工廠中自身的照明系統(tǒng)和工廠中的其他設(shè)備的影響，因而本系統(tǒng)中不適合使用自然光源。目前，人工光源主要有如白熾燈、鹵素燈、激光器等，此為還有今年來發(fā)展迅猛的LED燈。激光器在本系統(tǒng)中的成本相對比較高。因而本系統(tǒng)選用了LED日光燈作為系統(tǒng)的光源。 LED日光燈(2)光照系統(tǒng)的設(shè)計光照系統(tǒng)設(shè)計時，本著盡可能使成像區(qū)的光照度均勻的原則， 光照系統(tǒng)模型由圖知，本系統(tǒng)專門為成像系統(tǒng)設(shè)計了一個封閉的成像環(huán)境，這樣就消除了外界光線對系統(tǒng)的干擾，成像系統(tǒng)的光照度只由系統(tǒng)內(nèi)部的光照度決定。根據(jù)以上的分析，圖像測量系統(tǒng)由成像系統(tǒng)和光照系統(tǒng)組成的搭建效果如下圖所示： 光學(xué)成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖(1)標定放大倍數(shù)市場上購買的相機一般不提供相機的內(nèi)部參數(shù), 所以當相機用于測量時, 必須進行標定。標定方法如下：在實際測量之前，先在測量系統(tǒng)中放置一個標定物D(本系統(tǒng)用的是一個實心立方體),假設(shè)它在攝像機1的成像范圍中實際長度是和，而成像的長度為和，所以攝像機1在X,Y方向上的放大倍數(shù)分別為： () ()同理可求，攝像機2的放大倍數(shù)和。攝像機的標定是由人機交互的方式完成的，標定由以下幾個步驟完成。(2)在圖像上取點單擊“開始取點”按鈕，使物體的兩幅圖像顯示在界面的第二列中，其中上面的圖像是攝像機1拍攝的，記為圖1，下面的圖像是攝像機2拍攝的，記為圖2。A點坐標存放在point1[0]中，B點坐標存放在point1[1]中，C點坐標存放在point1[2]中，D點坐標存放在point1[3]中。(3)坐標轉(zhuǎn)化單擊“停止取點”，數(shù)組point1[4]和數(shù)組point2[4]中存的坐標值是,以窗口左上角為原點的坐標值，point1[4]數(shù)組中的坐標轉(zhuǎn)化為以圖1中心(01)為原點的坐標值，point1[4]數(shù)組中的坐標轉(zhuǎn)化為以圖2中心(02)為原點的坐標值。(4)求兩個攝像機的放大倍數(shù) 兩個攝像機分別有4個放大倍數(shù)需要標定，攝像機1的和和攝像機2的和。把A、B、C、根據(jù)計算可得到如下的結(jié)果： () ()圖像采集部分是本系統(tǒng)完成后續(xù)圖像處理部分的基礎(chǔ)和保障，正確、實時的采集圖像數(shù)據(jù)是圖像采集部分的關(guān)鍵。其工作原理如下，在圖像成像區(qū)的生產(chǎn)線上安裝了一個限位開關(guān)，當生產(chǎn)線上的產(chǎn)品傳輸?shù)匠上駞^(qū)的正中間時，這個限位開關(guān)被觸發(fā)。由于生產(chǎn)線的傳輸速度比較低，而限位開關(guān)從觸發(fā)到被計算機響應(yīng)時間非常短，所以當計算機執(zhí)行抓拍動作時，產(chǎn)品還在成像區(qū)的正中間，基本不會偏離成像區(qū)的中間位置，即使出現(xiàn)了微小的偏離現(xiàn)象，通過多次的實驗知，這個偏離也在系統(tǒng)的誤差范圍內(nèi)。由于本系統(tǒng)用了兩個攝像頭來采集產(chǎn)品的形狀和坐標信息，因此視頻采集卡應(yīng)至少含有兩路視頻輸入口。 DS4004HC圖像采集卡本測試系統(tǒng)采用的是?？低暪镜腄S4004HC型號的視頻采集卡，DS4004HC系列壓縮板卡是?？低暤牡谌曇纛l壓縮卡。 DS4004HC型號的采集卡具有以下功能和性能： （1） DS4004HC支持4路音頻輸入和4路視頻輸入。（3） 開放的SDK使用戶根據(jù)自己的需要編寫應(yīng)用軟件。（5） 支持運動檢測、OSD、LOGO和區(qū)域屏蔽以及水印技術(shù)。采集卡如圖所示： 圖像采集卡 PCI2312光電隔離DI/DO卡PCI2312是一塊光電隔離輸入輸出板，具有16路開光量隔離輸入和16路開關(guān)隔離輸出。(2)輸入輸出信號最高切換頻率 10KHz(方波)(3)輸入輸出電壓為5V~24V(4)輸入輸出電壓為5V~24V(5)工作溫度：10℃~55℃(6)儲存溫度：20℃~80℃PCI2312光電隔離DI/DO卡如圖所示： PCI2312光電隔離DI/DO卡 軟件設(shè)計流程上面介紹了圖像的采集工作過程，下面主要介紹一下利用軟件來設(shè)計圖像采集的過程。若初始化成功，該函數(shù)返回可用的編碼通道，否則返回零，表示初始化失敗，可能沒有找到相應(yīng)的DSP模塊，系統(tǒng)退出。在成功初始化采集卡并打開通道的情況下，接著就設(shè)置預(yù)覽模式。Overlay(覆蓋)是一種數(shù)字視頻的顯示技術(shù)，它允許數(shù)字信號不經(jīng)過顯示芯片處理，而直接通過顯存輸出到顯示器屏幕上。由于不同的視頻有不同基準色調(diào)、亮度、對比度和飽和度，對于不同的電腦、不同的視頻文件，為了獲得最好的顯示效果就需要對各種顯示屬性進行調(diào)節(jié)，普通顯示模式顯然無法勝任，因而就使用Overlay顯示模式進行單獨調(diào)節(jié)。在成功設(shè)置預(yù)覽模式后就啟動預(yù)覽模式，啟動預(yù)覽由StartVideoPreview (HANDLE hChannelHandle,HWND WndHandle, RECT *rect,BOOLEAN bOverlay, int VideoFormat, int FrameRate) 函數(shù)完成 ，該函數(shù)有六個參數(shù)，HANDLE hChannelHandle表示通道句柄，是ChannelOpen()函數(shù)的返回值；HWND WndHandle，顯示窗口句柄；RECT *rect，顯示窗口內(nèi)的矩形區(qū)域；BOOLEAN bOverlay，是否啟用Overlay預(yù)覽模式；* int VideoFormat，視頻預(yù)覽格式(目前無效)；int FrameRate，視頻預(yù)覽幀率(PAL：125，NTSC：130)。 設(shè)置完預(yù)覽模式后，整個采集卡的配置工作就完成了。抓拍過程主要有兩個函數(shù)來完成，int GetOriginalImage(HANDLE hChannelHandle,UCHAR*ImageBuf,ULONG*Size)和int SaveYUVToBmpFile(char *FileName, unsigned char *yuv, int Width,int Height)；GetOriginalImage()用來獲取原始圖像yuv422格式數(shù)據(jù)，其中，HANDLE hChannelHandle表示通道句柄，UCHAR *ImageBuf表示原始yuv422格式圖像指針，ULONG *Size表示原始yuv422格式圖像尺寸，函數(shù)調(diào)用前是ImageBuf的大小，調(diào)用后是實際圖像所占用的字節(jié)數(shù)。其中char *FileName表示要保存的圖片文件名及路徑，unsigned char *yuv表示yuv422格式圖像指針，int Width表示保存圖像寬度，int Height表示保存圖像高度，圖片的寬度和高度是由具體的采集卡決定的，本系統(tǒng)使用的采集卡DS4004HC，則所抓圖的寬為704個像素，高為576個像素。 第三章 數(shù)字圖像處理的基本理論 本章主要介紹了數(shù)字圖像處理的基本理論，包括數(shù)字圖像處理的基本知識、圖像表示方法之間的轉(zhuǎn)換、圖像平滑、腐蝕膨脹等基本理論以及圖像處理的工具軟件Matlab的介紹。 數(shù)字圖像處理的基本知識 數(shù)字圖像的表示方法(1)彩色圖像彩色圖像不僅有亮度信息，還包含顏色信息。因此，RGB模型在各種彩色成像設(shè)備和彩色顯示設(shè)備中使用，常規(guī)的彩色圖像也都是用RGB三基色來表示的，每個像素包括RGB三基色數(shù)據(jù)，每個基色用1個字節(jié)(8位二進制位)表示，則每個像素的數(shù)據(jù)為3個字節(jié)(即24位二進制位)，這就是人們常說的24位真彩色?；叶葓D像只表達圖像的亮度信息而沒有顏色信息，因此，灰度圖像的每個像素點上只包含一個量化的灰度級(即灰度值)，用來表示該點的亮度水平，并且通常由一個字節(jié)(8個二進制位)來存儲灰度值。注意到人眼對灰度的分辨能力通常在20~60級，因此，灰度值存儲以字節(jié)為單位既保證了人眼的分辨能力，又符合計算機數(shù)據(jù)尋址的習慣。(3)二值圖像 二值圖像(Binary image)是指每個像素不是黑就是白(即每個像素值只有兩種選擇0或255)，其灰度值沒有中間過渡的圖像。(1)RGB模型RGB模型是最典型最常用的面向硬件設(shè)備的彩色模型，它與人的視覺系統(tǒng)結(jié)果密切相連。CIE所規(guī)定的紅綠藍這三種基本色的波長分別為700nm。： RGB彩色模型RGB模型的空間是個正立方體，原點對應(yīng)黑色，離原點最遠的頂點對應(yīng)白色。對于一般的RGB分量中的某一分量，其取值范圍為[0，255]。根據(jù)這個模型，每幅彩色圖像包括三個獨立的基色平面，或者說可以分解到三個平面上。HSV模型的三維表示從RGB立方體演化而來。六邊形邊界表示色彩，水平軸表示純度，明度沿垂直軸測量。該參數(shù)用角度量來表示，紅、綠、藍分別相隔120度。純度S為一比例值，范圍從0到1，它表示成所選顏色的純度和該顏色最大的純度之間的比率。表示色彩的明亮程度，范圍從0到1。圓錐的頂面對應(yīng)于V=1. 它包含RGB模型中的R=1，G=1，B=1 三個面，所代表的顏色較亮。紅色對應(yīng)于角度0176。藍色對應(yīng)于角度240176。飽和度S取值從0到1，所以圓錐頂面的半徑為１。圓錐的頂面中心處S=0，V=1,H無定義，代表白色。對于這些點，S=0，H的值無定義。 在圓錐頂面的圓周上的顏色，V=1，S=1,這種顏色是純色。圖像中的噪聲種類很多。因此要減少圖像中的噪聲，必須針對具體情況采用不同的方法，否則很難獲得滿意的處理效果。如果平滑不當，就會使圖像本身的細節(jié)如邊界輪廓，線條等變得模糊不清，從而使圖像降質(zhì)；所以圖像平滑過程總是要付出一定的細節(jié)模糊代價。椒鹽噪聲是由圖像傳感器，傳輸信道，解碼處理等產(chǎn)生的黑白相間的亮暗點噪聲。中值濾波是基于排序統(tǒng)計理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號處理技術(shù)，中值濾波的基本原理是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中一點的值用該點的一個鄰域中各點值的中值代替，讓周圍的像素值接近的真實值，從而消除孤立的噪聲點。二維中值濾波輸出為g（x,y）=med{f(xk,yl),(k,l∈W)} ，其中,f(x,y)，g(x,y)分別為原始圖像和處理后圖像。并且中值濾波適合處理椒鹽噪聲（黑白亮點）。設(shè)G為輸入信號頻譜，F(xiàn)為輸出信號頻譜，定義H=G/F為中值濾波器的頻率響應(yīng)特性，實現(xiàn)表明H是與G有關(guān)，呈不規(guī)則波動不大的曲線，其均值比較平坦，可以認為信號經(jīng)中值濾波后，傳輸函數(shù)近似為1，即中值濾波對信號的頻域影響不大，頻譜基本不變。均值濾波也稱為線性濾波，均值濾波采用模板計算的思想，模板操作實現(xiàn)一種鄰域運算，即某個像素點的結(jié)果不僅與本像素灰度有關(guān)，而且與其鄰域點的像素值有關(guān)。最簡單的均值濾波是將原圖中的一個像素的灰度值和它周圍鄰近8個像素點的灰度值相加，然后將所求的平均值作為新圖中的該像素的灰度值。與中值濾波相比均值濾波適合處理高斯噪聲（隨機噪聲）。 圖像在平滑處理之后，會出現(xiàn)圖像邊緣和圖像輪廓模糊的情況。圖像銳化處理的目的是為了使圖像的邊緣、輪廓線以及圖像的細節(jié)變得清晰，經(jīng)過平滑的圖像變得模糊的根本原因是因為圖像受到了平均或積分運算，因此可以對其進行逆運算(如微分運算)就可以使圖像變得清晰。但要注意能夠進行銳化處理的圖像必須有較高的性噪比，否則銳化后圖像性噪比反而更低，從而使得噪聲增加的比信號還要多，因此一般是先去除或減輕噪聲后再進行銳化處理。梯度模算子用于計算梯度模值，通常認為它是邊界提取算子，具有極值性、位移不變性和旋轉(zhuǎn)不變性。差分可取為后向差分，前向差分或前向差分。實用中，梯度模還有很多近似式，此處不加列舉。其原理是，在攝像記錄圖像的過程中，光點將光漫反