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机器视觉测量系统的研究与应用 摘要 本论文所研究的课题来源于安徽省重点科研项目“特殊工况异形曲面在线 检测系统”，项目研究的内容之一是如何应用机器视觉测量技术来检测火车车轮 轮缘踏面轮廓的几何参数。 采用机器视觉测量技术实现对车轮轮缘踏面磨损的在线自动检测，对提高 我国铁路车轮轮对的检测水平，具有重要的现实意义。目前，车轮轮缘踏面测 量技术从接触式测量己发展到非接触式的光电测量方法。随着计算机图像处理、 光电技术等相关学科的发展而日益成熟，视觉测量技术在工业测量中得到广泛 的应用。 本测量系统采用线激光投射到车轮轮缘踏面上，通过c c d 摄像机系统的拍 摄和图像采集得到车轮轮缘踏面轮廓的激光曲线图。 作者完成的主要工作包括：( 1 ) 摄像机标定技术的研究，图像采集与处理， 数据处理；( 2 ) 火车在轨测量实验装置的研制与组装，包括结构的设计、制造、 组装调试等：( 3 ) 图像采集的自动控制电路的设计与调试；( 4 ) 火车车轮静态 与动态测量的误差分析，对动态测量建立了待求参数与车轮位移之间的数学模 型，并应用于动态测量误差修正。实验数据表明，测量结果满足精度要求。 关键词： 机器视觉测量轮缘踏面动态测量误差分析摄像机标定 r e s e a r c h & a p p l i c a t i o n o nm a c h i n ev i s i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m a b s t r a c t t h i sp a p e ri so r i g i n a lf r o m “o n l i n em e a s u r i n gs y s t e mf o rc r a g g e ds u r f a c eo n s p e c i a lw o r k i n gc o n d i t i o n s ”，s u p p o s e db yt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yr e s e a r c h f o u n d a t i o no fa n h u ip r o v i n c e t h i sp r o j e c ti sm a i n l yr e s e a r c ho nt h et e c h n i q u eo f m e a s u r i n gg e o m e t r i cp a r a m e t e r s o nt r a i nw h e e lp r o f i l ea p p l y i n gm a c h i n ev i s i o n m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y i ti ss i g n i f i c a n tt oi m p r o v et h ei n s p e c t i o nl e v e lb yu s i n gm a t h i n ev i s i o n m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi n0 1 1 1 i n ea u t o m a t i ci n s p e c t i o nf o rt r a i nw h e e lf l a n g ea n d t r e a dw e a rr a t e s n o w a d a y s ，t h et e c h n i q u ef o rf l a n g ea n dt r e a dp r o f i l em e a s u r i n gh a s d e v e l o p e df r o mc o n t a c tm e a s u r e m e n tt ou n c o n t a c tm e a s u r e m e n ta sp h o t o e l e c t r i c t e c h n i q u e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ri m a g ep r o c e s s i n ga n dp h o t o e l e c t r i c t e c h n i q u e s ，v i s i o nm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e sh a v eb e e nd e v e l o p e dr a p i d l y i th a sb e e n w i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lm e a s u r e m e n t t h i sm e a s u r i n gs y s t e mw e r k sw i t h1 i n e a rl a s e rp r o j e c t e do n t ot 1 1 es u r f a c eo ft l l e t r a i nw h e e jf l a n g ea n dt r e a d t h el a s e rl i g h tp l a n ei si n t e r s e c t e d 、v i t l 血ew h e e l p r o f i l et of o r map r o f i l ec u r v eo fw h e e lt r a c k s i d e t h ei m a g eo fc l l r v ei so b t a i n e db v p l a n a rc c ds y s t e m t h ea u t h o rm a i n l yw o r k so n ：( 1 ) c a l i b r a t i o nt e c h n o l o g y , i m a g ec a p t u r ea n d p r o c e s s i n g ，d a t ap r o c e s s i n g ；( 2 ) d e v e l o p i n g t h el a b o r a t o r y a p p a r a t u s f o r m e a s u r e m e n to ft r a i n w h e e lo r lr a i lw a y ；( 3 ) t h ea u t o c o n t r o lc i r c u i tf o rc c dc a l t l e r a o p e r a t i o n ；( 4 ) t h es t a t i ca n dd y n a m i cm e a s u r e m e n te r r o ra n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g ，t h e m a t h e m a t i c sm o d e l i n gb e t w e e nw h e e id i s p l a c e m e n ta n dt h em e a s u r e dp a r a m e t e r si n d y n a m i cm e a s u r e m e n ts y s t e m t h ed a t ao fe x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ea c c u r a c y o fm e a s u r e m e n tm e e t st h er e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：m a c h i n ev i s i o nm e a s u r e m e n t ，f l a n g ea n dt r e a d ，c a m e r ac a l i b r a t i o n , d y n a m i cm e a s u r e m e n t ，e r r o ra n a l y s i s 插图清单 图卜l 测量原理图2 图卜2 测量装置实物图2 图卜3 磨损检测算法流程图3 图2 一i 计算机视觉测量的基本模块5 图2 2 三角法测量原理图6 图2 3 测量系统的实验装置7 图2 4 轮缘踏面轮廓曲线7 图2 5 测量系统框图7 图2 - 6c c d 信号量化处理过程9 图2 7 图像采集卡的硬件原理图1 0 图3 1 摄像机坐标系与世界坐标系1 2 图3 2 图像坐标1 3 图3 3 平面靶标1 5 图4 1c c b 拍摄的图像1 8 图4 2 低通滤波处理流程图1 9 图4 3 低通滤波结果图2 0 图4 4 均值滤波后的图像2 l 图4 - 5 中值滤波后的图像2 1 图4 6 直方图2 3 图4 7 域值为0 4 时二值化2 3 图4 - 8 域值为0 ，6 时二值化2 4 图4 9 细化2 5 图4 一l o 最大斜率法求拐点2 6 图5 1 车轮踏面外形2 8 图5 - 2 轨距定义2 9 图5 3 铁轨截面形状3 0 图5 - 4c c d 摄像机和激光器固定支架设计图3 1 图5 5c c d 摄像机、激光器、车轮和铁轨四者空间位置示意图3 1 图5 6 固定板空间位置实物图3 2 图5 7 标定装置3 2 图5 8 标定情形图3 3 图6 - 1 光电开关接收电路3 4 图6 2 光电开关发射端处理电路3 4 图6 3 光电开关工作原理图3 6 图6 - 4 ( a ) 单限比较器3 7 图6 4 ( b ) 传输特性3 7 图6 - 5 光电耦合器工作原理3 9 图6 - 6 光电耦合器开关特性4 0 图6 7 夕 部触发时间4 0 图6 - 8 光电开关安装位置示意图4 1 图6 9 光电开关安装位置4 1 图6 1 0 采集中断原理图4 2 图7 1 ( a ) 夹角示意图4 4 图7 1 ( b ) 左右曲线的拼接4 5 图7 2 ( a ) 激光线像素较多4 7 图7 2 ( b ) 激光线像素较少4 7 图7 - 3靶标平面与左右激光亮线平面夹角示意图4 7 图7 - 4靶标少量倾斜时左右靶标图4 9 图7 5靶标少量倾斜时左右拍摄图4 9 图7 6靶标少量倾斜时拟合的蛆线图4 9 图7 7动态测量示意图”5 l 图7 8传动装置示意图5 l 图7 - 9 ( a ) 能识别的图像5 3 图7 - 9 ( b ) 不能识别的图像5 3 图7 一1 0 拟合图5 4 图7 一l l火车轮磨损示意图5 6 图7 1 2 左右激光器不共面实物图5 7 图7 1 3 ( a ) 无拼接5 7 图7 1 3 ( b ) 拼接后5 7 表格清单 表5 一i 钢轨与轻轨性能比较3 0 表5 2 重轨的尺寸及质量3 0 表6 - 1 比较器开关特性3 8 表6 2 光电耦合器工作条件3 9 表6 3 光电耦合器开关特性3 9 表7 - 1 夹角3 0 0 时参数值4 5 表7 2 夹角4 5 0 时参数值4 5 表7 3 夹角6 0 0 时参数值4 6 表7 4 像素个数较少时参数值4 6 表7 - 5a 为4 0 时参数值4 8 表7 - 6a 为8 。时参数值4 8 表7 7 靶标倾斜时数据5 0 表7 8l = o c m 时参数值5 2 表7 9l = 1 6 c m 时参数值5 2 表7 1 0n = l o o r m i n 转速下的各参数值5 3 表7 一】1 实验验证待求参数计算公式5 5 致谢 本论文是在导师邓善熙教授的悉心指导下完成的。三年的读研期间，邓老 师无论是在学习上还是在生活上都给与我很多的帮助。邓老师严谨的治学作风、 丰富的实践经验和诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，将使我受益终生。在 此，向邓老师表示衷心的感谢和深深的敬意。 感谢杨永跃老师对我课题的研究提供了很有价值的帮助。在课题研究中， 得到了王训四硕士的指导，徐慧博硕士生、赵阳硕士生、刘丹硕士生和王冕硕 士生的鼓励和帮助，在此向他们表示深深的感谢。实验室良好的学习氛围和和 睦的生活坏境，给我留下了美好的印象，感谢学院的关心和支持。 感谢我的父母和姐姐，是他们给予的爱使我在学习和生活中努力奋斗。 谨以此文献给所有关心和帮助我的家人、老师和朋友们! 作者：王风伟 2 0 0 6 年3 月 1 1 课题来源 第一章前言 本课题来源于安徽省重点科研项目“特殊工况异性曲面在线检测系统”，此 项目研究的目的在于应用视觉测量技术测量火车车轮轮缘踏面的轮廓几何参 数。作者对现有的测量系统进一步改进与完善，以满足车轮轮廓测量装置的现 场安装和测量精度的要求。 1 2 国内外研究现状 国内外对于火车车轮轮廓几何参数的检测已经进行了长期的研究和探索， 取得了显著的成果。概括起来，车轮外形几何参数的测量方法基本分为静态检 测法和动态检测法。 静态检测是指车轮在检修时进行的测量。该法检测精度高，静态检测技术 经历了机械量具测量和电子量具测量等阶段。随着微电子技术和可编程技术的 发展，机械量具已逐渐被电子量具所取代。静态检测有接触测量法和光电测量 法。 接触测量法是通过将探头传感器沿着车轮宽度方向扫描而获得踏面数据 的。美国于2 0 世纪8 0 年代末研制了3 种检测仪器：便携式车轮断面测量仪， 便携式轮径测量仪和车轮轮廓测量仪。芬兰铁路于9 0 年代初期研制成功车轮外 形测量仪。这种仪器可以测绘磨耗车轮的外形并将测得的数据与存储的参考数 据比较，进而计算出车轮外形参数并对近限或超限车轮发出旋修指令。仪器能 在大约3 s 的时间内测量1 0 0 0 个点，每2 点的间隔仅有0 1 0 m m 。测量装置用永 久磁铁安装在车轮上，包括齿轮和齿条的测量架可在车轮踏面上移动，传感器 和直线形滑杆负责采集数掘并传输给控制装置。计算机程序能够把车轮外形放 大3 倍、4 倍或1 0 倍，并以图像或数字形式显示出来，另外还可以直接从控制 装置或从计算机绘出车轮形状或打印测量结果。 光电测量法通过光束照射或激光扫描踏面获得踏面断面曲线，利用摄像技 术获取数据。日本铁路于8 0 年代末期研制成功轮对自动检查装置“。该装置可 以同时检测轮对2 个车轮的外形参数。整套装置主要由平行光源( 2 只) 、c c d 摄 像机( 2 台) 、控制处理机构和外部设备等组成。当轮对沿着垂直方向以较低的速 度匀速升高时，c c d 摄像机可拍摄车轮的外形轮廓，经过计算机处理运算后，将 车轮参数和轮廓图像显示在屏幕上并存储在磁盘里。该装置可测量轮廓厚度、 踏面磨耗和车轮内距等数据，测量误差小于0 2 0 r a m 测量周期约为2 0 分钟 对。其测量原理图如下： 围f 丁j 图1 一l测量原理幽 动态检测是指车辆在运行时进行的检测，是与静态检测技术同步发展起来 的。自动化程度高，不占用机车车辆的周转时间，效率高。近1 0 多年来日益受 到世界各国的重视。对车轮外形参数施以动态检测，可采用随车载式或地面式 检测系统。车载式检测就是通过检测车轴振动的加速度来间接获得踏面外形参 数，这需要在每根车轴上安装传感器，不经济也不必要，一般不采用；地面式 检测是在线路上安装车轮外形测量系统，适用于检测运行中的机车车辆。 俄罗斯于9 0 年代中期研制成功轮对参数自动化检测装置。它采用超声遥测 的非接触方法，当机车车辆以不大于5 k m h 的速度运行时，遥测传感器组可测 出距车轮各个特征表面的距离，经分析处理后，可得出车轮直径、轮缘厚度、 踏面磨耗和垂直磨耗等参数。测量误差分别为；轮径误差不大于l m m ，轮缘厚度 误差不大于0 5 m m ，踏面磨耗误差不大于0 3 0 m m 。整套测量装置由传感器组、 地面测量单元、数据传输线路、操纵控制单元和外部设备等组成。 英国a e a 技术铁路公司开发了一系列机器视觉系统，能对火车车轮进行自 动检测。t r e a dv i e 胛系统就是其中之一，它可在火车通过时自动检测车轮轮廓， 测量安全，结果可靠、稳定，能提供车轮的磨损率，从而可对其表面轮廓进行 更有效的修复。”。其测量装置实物图如下： 图1 2 测量装置实物图 我国对于火车车轮轮廓几何参数检测也由完全的人工测量逐渐发展到半自 动或自动化测量。成都主导科技有限责任公司研制的便携式轮轨检测仪，可以 测量目前国内运用的各型机车车轮的外形轮廓曲线和基本外形尺寸，包括轮缘 高度、轮缘厚度、踏面磨耗、轮缘磨耗和车轮直径等。该检测仪采用高精度的 光电旋转编码器作为测量传感器，在数据的采集处理过程中使用了先进的d s p 技术及曲线拟合、匹配技术，保证了测量结果的高精度。仪器测量的各项最大 误差为：轮缘高度、轮缘厚度、轮缘磨耗、踏面磨耗和车轮直径均为0 。4 唧”1 。 华中理工大学机械学院研制出一种应用线阵c c d 图像传感器测量火车车轮 踏面磨损量的检测系统”1 ，天津大学精仪学院研究了利用数码获取图像并采用 数字图像处理技术实现对火车车轮轮缘踏面磨损进行自动检测的新方法，该检 测装置与方法对车轮轮缘踏面磨损的测量误差都不大于0 5m m ”1 。即应用图像 传感器准确采集车轮轮缘的径向轮廓投影图像，从中提取轮缘踏面的轮廓曲线， 确定测量基准线和基准点，从而计算得出轮缘踏面磨损值。由数码相机获取的 车轮轮缘踏面径向轮廓投影图像，经过一系列的图像处理过程得到清晰的磨损 轮廓曲线，再对磨损曲线与准确曲线进行分析和比较，判断是否需要切削，以 及计算切削量。完整的磨损检测算法流程为： 匦竺卜叫三些卜叫霆要鼗卜1 = 赢l _ 一 i 叨擞瑁5 自一一 一一j ! 缩放率标定 图卜3 磨损检测算法流程图 1 3 本课题研究内容及科学意义 机器视觉是研究用计算机来模拟人类宏观视觉功能的科学和技术。机器视 觉系统的基本任务之一是从摄像机获取的图像信息出发，获取三维空间中物体 的几何信息，并由此重建和识别物体。目前，机器视觉测量技术广泛地应用于 智能机器人、夜视眼镜、三维成像、坐标测量等领域。在国外，立体视觉测量 还用于人体头部轮廓的建模“1 。 机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度。在一些不适合于人 工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代 人工视觉；同时在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率低且 精度不高，而用机器视觉检测方法则可以大大提高生产效率和生产的自动化程 度。并且机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术之一。 目前，国内火车机车和车辆维修中，主要使用手持量规人工目测车轮表面， 由于量规很难甚至不能真实反映轮廓的磨损大小，因此往往会带来人为的误差， 而且- y u 火车中各个车轮尺寸参数的分组、对比也很困难，从而不利于车轮的 维修、车轮副的合理使用和早发现车辆存在的问题。 在导师的指导下，我完成的工作包括： l 、摄像机标定技术的研究，图像采集与处理的分析和数据处理。 2 、火车在轨测量实验装置的研制与组装。主要包含结构的设计、制造、 组装调试等。 3 、c c d 自动控制拍摄电路的设计与调试。 4 、火车车轮静态与动态测量的误差分析，对动态测量建立了待求参数与 车轮位移之间的数学模型，及误差修正方法。 系统主要硬件设备包括：激光器，两台面阵c c d 摄像机，p c 机，图像采集卡， 光电传感器等。软件系统包括m a t r o x 图像处理软件。测量系统采用线激光投射 到车轮踏面轮廓上，通过左、右c c d 摄像机系统的拍摄和图像采集得到车轮轮 廓的激光曲线图。然后经过图像处理、图像坐标到实际坐标的变换、曲线的拼 接，最终得到完整的踏面轮廓曲线，并计算出了反映车轮磨损程度的重要参数。 通过实验模拟实际车轮在铁轨上运行情况，建立车轮位移和被测轮缘踏面参数 之间的数学模型，分析火车不同速度对这些参数测量精度的影响，为现场测量 提供理论依据。 本课题通过对机器视觉测量系统的进一步研究，完善测量系统以满足实际 测量的各种要求。它可以直接把c c d 摄像机系统所拍摄的图像转换成实际被测量 参数尺寸值，由此实现高精度动态非接触测量。该系统可以用于火车车轮轮缘 踏面轮廓的在线检测，能及时检测出车轮轮缘踏面轮廓的参数尺寸和磨损量， 以便于及时对其进行维修。特别是火车提速后，对车轮运行造成的磨损，要求 及时监测和维修，以保证火车运行的安全，因此本课题的研究具有重要实际应 用的意义。 4 第二章测量系统的总体设计 2 1 计算机视觉测量基本原理 人类的大部分信息是通过视觉系统来获取的，随着科学技术的不断进步，研 究了利用计算机现代化工具来实现视觉功能，以增加对三维世界的理解，由此 形成了一门崭新的学科技术，即计算机视觉技术。计算机视觉测量的基本模块 见下图： i 被测量对象1 特征检测卜一 反求 ：一识别卜一 图像 低层特性位置与形状 物体描述 图2 - 1 计算机视觉测量的基本模块 其中，反求意思是由某种图像特征( 如边缘点、直线、曲线、纹理、物体轮 廓线、序列图像对应特征、图像灰度和颜色等) 恢复物体三维形状。视觉系统的 任务是由二维图像感知环境三维信息，其能从摄像机获取的图像信息出发，计 算三维环境物体的位置、形状等几何信息，并由此识别环境中的物体。图像上 每一点的亮度反映了空间物体表面某点反射光的强度，而该点在图像上的位置 和空间物体表面相应点的几何位置有关。 视觉测量技术按照照明方式和几何结构关系的不同分为主动视觉检测和被 动视觉检测两类。被动视觉采用非结构光照明，它是根据被测空间点在不同像 面上的相关匹配关系，来获得空间点的三维坐标；主动视觉是采用结构光照明， 通过结构光在被测物体上的精确定位来获取被测信息。激光三角法是激光视觉 检测的基础，也是激光在工业测量中的一种较为典型的测量方法，应用很广泛。 激光三角法测量原理如下： 测量原理图如图2 2 。激光器1 发出的光线，经会聚透镜2 聚焦后入射到被 测物体表面3 上，物体移动或表面变化导致入射光点沿入射光轴移动。接收透 镜4 接收来自入射光点处的散射光，并将其成像在光电位置探测器5 ( 如p s d 、 c c d ) 敏感面上。若光点在成像面上有位移时，按下式可求出被侧面的位移： a x x = - 一 b s i n 0 一x c o s 0 ( 2 - 1 ) 式中，a 为激光束光轴和接收透镜光轴的交点到接收透镜前主面的距离：b 为接收透镜后主面到成像面中心点的距离；臼为激光束光轴与接收透镜光轴之 间的夹角。 图2 - 2 三角法测量原理图 在视觉测量中，用激光作光源可产生各种结构光：点结构光、线结构光、 及多线结构光。用一个和多个c c d 摄像机来接收，通过一定算法来获取结构光 所携带的被测物体的三维信息。把由结构光和c c d 摄像机组成的测量装置称为 激光视觉传感器。按激光产生结构光的形式，激光视觉传感器可分为点结构光 传感器、线结构光传感器及多线结构光传感器。 ( 1 ) 点结构光传感器：以半导体激光器作为光源，其产生的光束照射被测物体 表面，经表面散射( 或反射) 后，用面阵c c d 摄像机接收，光点在c c d 敏感面上 的位置将反映出表面在法线方向上的变化。 ( 2 )线结构光传感器：半导体激光器产生的激光经柱面镜变成线结构光，投射 到被测区域形成一激光带，用面阵c c d 摄像机接收散射光，从而获得被测表面 区域的截面形状或轮廓。 ( 3 ) 多线结构光传感器：半导体激光器产生的激光扩束后照射到光栅上，便产 生多条线结构光，投射到被测表面上形成多条亮带，用面阵c c d 摄像机接收， 可获得表面的三维信息“。 2 2 系统的硬件结构 在火车轮缘踏面检测系统中，采用线激光投射到车轮轮缘踏面轮廓上， 通过左、右c c d 摄像机系统的拍摄和图像采集得到车轮轮廓的激光曲线图，实 验装置如图( 2 - 3 ) 。经过图像处理、坐标变换、曲线拼接，最终得到完整的踏 面轮廓曲线，并计算出反映车轮磨损程度的重要参数h 、s 、e 值，如图( 2 4 ) 所示。测量系统的框图见图( 2 - 5 ) 。 幽2 - 3 测每系统的实验装置 图2 4 轮缘踏面轮廓曲线 图2 - 5 测量系统框图 由测量系统的框图( 2 5 ) 知，测量系统的主要硬件与其相应的功能为： 7 l 、线性激光器：左右激光亮线投射到轮缘踏面上，来反映其轮廓曲线。 2 、面阵c c d 摄像机：图像拍摄。 3 、图像采集卡：图像采集，并与光电传感器的连接来控制c c d 摄像机拍摄 时刻。 4 、光电开关：探测车轮的位移，并把信号传递给图像采集卡。 5 、p c 机：图像采集处理，数据分析与控制c c d 摄像机系统的拍摄。 6 、电动机：为车轮提供动力。 7 、变频器：改变频率，使得电动机有不同转速的输出。 2 3 面阵c c d 摄像机系统 2 3 ic c d 概述 c c d ( c h a n g ec o u p l e dd e v i c e ) 即电荷祸合器件，是一种新型的固体成像器 件。它是在大规模硅集成电路工艺基础上研制而成的模拟集成电子芯片，它既 具有光电转换的功能，又具有信号电荷的存储、转移和读出的功能。 c c d 的突出特点是以电荷作为信号，而不同与其他大多数器件是以电流或电 压为信号。c c d 具有光电转换、信息存储等功能，因而在图像传感领域应用发展 最为迅速。在计算机视觉测量技术中，c c d 是不可缺少的图像传感器。被测对象 的光信息通过光学成像系统成像于c c d 的光敏面上，c c d 的光敏面象元将其上的 光强度转换成电荷量，c c d 在一定频率的时钟脉冲的驱动下，在c c d 的输出端可 以获得被测对象的视频信号。视频信号中的每一个离散的电压信号的大小对应 于该光敏象元上图像的光强，信号输出的时序对应于该光敏象元在c c d 的空间 位置，从而c c d 用自身电子扫描方式完成信息的从空间域到时间域的变换。 c c d 器件本身具有许多独特的优点： ( 1 ) c c d 器件是一种固化的器件，体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命 长： ( 2 ) 图像畸变小，尺寸重现型好： ( 3 ) 具有较高的空间分辨率，光敏元间距的几何尺寸精度高，可以获得较高 的定位精度； ( 4 ) 具有较高的光电灵敏度和较大的动态范围。 根据光敏像素的排列方式，c c d 摄像器件可分为面阵c c d 和线阵c c d 两大类。 光敏元排成一行的称为线阵c c d ，面阵c c d 器件的光敏元排列为一个平面，它包 含若干行和列的结合。线阵c c d 主要用于产品外部尺寸的非接触检测、控制和 分类、产品表面质量评定、自动化及机器视觉中的精确定位等。面阵c c d 主要 用于图像记录、存储、计算机视觉测量等方面。 在本测量系统中，激光器发出的绿色亮线投射到车轮轮缘踏面上，由左右 c c d 摄像机拍摄含有激光亮线的区域，通过图像采集、处理，曲线拼接和坐标变 换，最终得到反映车轮磨损程度的轮缘踏面轮廓曲线的几何参数。 2 3 2c c d 视频信号量化处理 c c d 传感器在测量光强信息时需要把对应c c d 空问光敏元所感受光强转换成 输出电压幅值再转换成数字编码送入计算机处理。c c d 信号的量化处理过程如图 2 - 6 所示。首先，将c c d 视频输出的脉冲调制信号经低通滤波器滤波后变换成在 时问上的模拟信号。再通过采样保持电路对连续的视频信号进行采集，从而转 换成离散的模拟信号，由a d 转换器将模拟信号转变成数字信号。 一一r 一r 一l r c c d 频信号i 一低通滤波l _ 卜 采样保持r 一【量化编码卜1 一l 计算机l l l 。 图2 6c c d 信号量化处理过程 2 。4 图像采集卡 面阵c c d 的输出信号是视频信号，需要将模拟的视频信号转换成为离散的 数字量，才能被计算机所采集和显示。所以系统中需要图像采集卡来完成这种 转换。图像采集卡，又称视频捕捉卡( v i d e oc a p t u r ec a r d ) ，是视频卡的一种 类型。其它的视频卡还有视频叠加卡( v i d e oo v e r l a yc a r d ) 、电视编码卡、k t p e g 卡和t vt u n e r 卡等类型。图像采集卡完成的主要功能是把摄像机的模拟视频信 号转换成为离散的数字量。数字化过程由采样和量化组成，采样是坐标空间的 离散，量化是性质空间的离散。 2 4 1 图像采集卡的工作原理 图2 - 7 是图像采集卡的硬件原理图1 。图中的视频信号源一般为面阵c c d 输出的视频信号。陔信号进入图像采集卡后分为两路，一路经同部分离器分离 出行、场同步信号送给鉴相器，使之与卡内时序发生器产生的行、场同步信号 保持同相关系，并通过控制电路使卡上的各单元按视频信号的行、场电视制式 的要求同步工作。另一路视频信号经过预处理电路，将视频的灰度信号由峰值 为i v 的标准电视信号放大到a d 转换器所需要的幅度。预处理电路输出的信号 送a d 转换器转换成数字信号。时序控制器将数字信号存于帧存储器。同时， 卡上设置了为监视器提供的全电视信号输出单元。它由查找表、d a 转换器和同 步合成电路构成。查找表在微机接口电路的控制下，将a d 转换器输出的数字 图象中相同灰度值的地址放到指定的空间。这些数据经d a 转换成模拟电压值， 使d a 转换器的输出在查找表指定的行列的灰度，便可以快速的还原图像于视 频监示器上。 例2 7 酗像采集卡的硬件原理图 图像采集卡通常需要占用p c 机总线的一个插槽，并带有外接的c c d 摄像头、 图像监视器、视频信号接口。图像采集卡与摄像机、监视器、p c 机一起就构成 了一个典型微机图象处理系统。图像采集卡的工作过程就是：对摄像机输出的 景物的视频信号进行实时采集，经a d 转换后将数字图像存放在图像存储单元 的一个或多个通道中，通过计算机发出指令，将某一帧图像静止在图像存储通 道中，即采集或捕获了一帧图像，计算机对采集的图像进行处理。图像采集卡 上的d a 转换电路自动将图像实时显示在图像监视器上。 2 4 2 图像采集卡的选择 本测量系统选用的图像采集卡是加拿大m a t r o x 生产的o r i o n 图像采集卡。 该图像采集卡兼容s - v i d e o 、p a l n t s c 、r g b 、r s 一1 7 0 c c i r 等视频格式，支持8 路视频输入，任意视频扫描，支持触发输入，支持显示分辨率1 2 8 0 1 0 2 4 ，3 2 m 图形和显示缓存。 2 5 光电开关 对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收 器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之 间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。在检测物体是不透明时，对射 式光电开关是最可靠的检测模式。当火车车轮经过光电开关时，光电开关的接 收端将产生输出与没有物体通过时的不同电压信号，由此可以判断车轮的位置。 所选用的光电开关检测距离为小于等于5 m 1 0 。 1 0 叵 一一 产了 斗l野上黼翟扇 趣 当 卜叩急j n 一 面一 2 6 系统的软件平台与图像处理软件 系统开发的软件平台是w i n d o w s2 0 0 0 ，m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 ，加拿大 m a t r o x 公司的i n s p e c t o r3 0 、m a t r o xi m a g el i b r a r y ( m i l ) 6 0 图像处理软 件，m a t l a b6 5 和a u t o c h d 2 0 0 4 。 m i l 是一个图像处理和分析的开发平台，提供了一个图像处理和分析的函数 接口，做成为静态库的形式。 2 7 测量系统的任务和精度指标 本测量系统研究的目的是对在轨车轮轮缘踏面的检测，能现场时时地对每 一个车轮轮缘踏面轮廓参数进行测量。检测参数定义如图2 - 4 所示。 图中。h 为轮辋宽度，s 为距离车轮内侧5 3 毫米处的轮缘高度，e 为距离车轮内侧7 0 毫 米处的轮缘高度。精度指标：h 、s 和e 的测量误差在i m m 范围内；火车最小 速度为5 k m h 。 2 8 本章小结 本章从了解计算机视觉测量技术所必需的一些基本理论知识入手，介绍了 本测量系统的总体设计情况。系统设计包含硬件和软件两部分的设计，对主要 硬件给出了一定的原理分析，并介绍了系统的软件平台和图像处理软件。最后 介绍了本测量系统的任务和所要达到测量精度的要求。 第三章机器视觉测量系统的标定技术 3 1 摄像机标定技术概述 摄像机标定技术在视觉测量系统是关键而又重要的环节。摄像机所获取三 维物体的二维图像是以像素为单位的，如何确定物体的三维空间坐标与二维图 像坐标之间的对应关系是摄像机标定的基本问题。空间物体表面的三维几何位 置与其二维图像的对应关系是由摄像机的成像几何模型决定的。获取摄像机的 成像几何模型参数的过程，就称为摄像机的标定。 摄像机模型是光学成像关系的简化，最简单的数学模型是线性模型，又称 为针孔模型。在摄像机标定时需要提供一个以知形状和几何尺寸的物体作为标 定参照物。通过实验和计算可以确定摄像机成像模型的参数，其包括内、外部 参数。摄像机内部参数是指成像的基本参数，如主点、实际焦距、尺度因子， 径向、切向镜头畸变以及其他系统误差参数；摄像机外部参数是指坐标转换参 数。摄像机的标定就是求解摄像机数学模型的内外部参数。 3 2 视觉测量系统的标定技术“2 1 3 2 1 摄像机坐标系与世界坐标系 摄像机针孔成像模型的几何关系可以由图3 1 表示。其中，0 点称为摄像机 光心，五轴与【轴与图像的z 轴与y 轴平行，互为摄像机光轴，它与图像平面 垂直。光轴与图像平面的交点，即为图像坐标系的原点，由点d 与五，e ，五轴组 成的直角坐标系称为摄像机坐标系。o o , 为摄像机焦距。 z c 图3 1 摄像规坐标系与世界坐标系 由于摄像机可安放在环境中的任何位置，因此选择一个基准坐标系来描述 摄像机的位置，并用它描述环境中任何物体的位置，该坐标系称为世界坐标系。 它由x 。匕，乙轴组成。摄像机坐标系和世界坐标系间的关系可以用旋转矩阵r 与平移向量t 来描述。因此空间中某一点在世界坐标系和摄像机坐标系下的齐次 坐标如果分别为( x w ，匕，乙，i ) 7 与( 以，i ，乙，1 ) 7 1 ，于是存在如下关系： x ： e z 。 l 置， z z 。 1 = m x 。 f ， z 。 i ( 3 - 1 ) 其中，r 为3 x 3 正交单位矩阵：t 为三维平移矢量：0 = ( o ，0 ，o ) 7 ；m 1 为4 x 4 矩阵。 3 2 2 图像坐标系 摄像机采集的图像在计算机中是以数字图象存储的。每幅数字图象为m 行n 列数组，图像中的每一个元素称为像素，其数值就是图像点的亮度( 或灰度) 。 如图3 - 2 所示，在图像上定义直角坐标系( t ，v ) ，每一像素的坐标( “，v ) 为该像素 在数组的列数与行数。所以，( u ，v ) 是以像素为单位的图像坐标系的坐标。由于 ( “，v 1 只表示像素位于数组中的列数与行数，并没有用物理单位表示出该像素在 图像中的位置：因而，需要建立以物理单位表示的图像坐标系。该坐标系以图 像内某一点0 为原点，x 轴与y 轴分别与“，v 轴平行，如图3 - 2 所示。在x 轴与 y 轴的坐标系中，原点0 1 定义在摄像机光轴与图像平面的交点，该点位于图像 平面的中心处，但由于摄像机制作的原因，也会有些偏离。若0 在( “，v ) 坐标系 中的坐标( ，) ，每一个像素在。轴与y 轴方向上的物理尺寸为出，咖，则图像 中任意一个像素在两个坐标系下的坐标有如下关系。 用齐次坐标与矩阵形式将上式表示为 o “。 o 素v 。 001 o ( 1 如协) y 图3 2 图像坐标 l3 ( 3 3 ) 卜p i | 2 3 o 0 副 v + + 三如上咖 = j l 甜 v 目 3 3 针孔模型摄像机的标定技术m 1 空间任意一点p 在图像上的成像位置可以用针孔模型近似表示，即任何点p 在图像上的投影位置p 为光心o 与p 点的连线o p 与图像平面的交点( 如图3 一l 所 示) 。这种关系也称为中心射影和透视投影。由比例关系有如下关系： ，一 茎! 。：五 。4 z 。 其中，( z ，y ) 为p 点的坐标；( 爿。，【，乙) 为空间点p 在摄像机坐标系下的坐标。 用齐次坐标与矩阵表示上述透视投影关系： h ，o0 0 互iyl = 0 ，00 1 1 jl o o1 o j x ： i z c l ( 3 - 5 ) 将式( 3 1 ) 与( 3 - 3 ) 代入式( 3 5 ) ，就得到以世界坐标系表示的p 点的坐标与 其投影点p 的坐标( “，v ) 的关系： o “。 积 o v o 鲫 0ol黔 = 雕u 冲o ； x 。 瓦 z h ， 1 x 。 匕 邑， l ：m m x 。= m x 。 ( 3 - 6 ) 其中，g = 勉，q = ；m 为3 4 矩阵，称为投影矩阵：m - 由町日，、吣v 0 决定，由于町口。、只与摄像机内部结构有关，称为摄像机内部参数，m 。 完全由摄像机相对于世界坐标系的方位决定，称为摄像机外部参数。确定摄像 机内外部参数的过程就是标定。 摄像机标定一般要在摄像机前放一个特制的标定参照物，本系统选用平面 靶标，如图3 3 所示i 标定情形如图5 9 。平面靶标上的每一个特征点为黑圆点 的圆心，其相对于世界坐标系的位置在制作时已精确规定，世界坐标系可选为 平面靶标的坐标系。在得到这些己知点在图像上的投影位置后，可以由式( 3 - 6 ) 4 门列 求出摄像机的内外参数。 将式( 3 6 ) 写为 图3 3 平面靶标 嘲2 啊3 玛4 i 鸭2 码，4 j x 。j 匕 z 。j l ( 3 - 7 ) 其中，( j 0 ，l ，z 。，1 ) 是空间第i 个点的坐标；( “，v ，1 ) 是第i 个图像坐标；m 。 是投影矩阵m 的第i 行j 列的元素。 以上介绍了摄像机标定的计算过程。在进行标定的过程中，利用标