（精密仪器及机械专业论文）基于图像处理方法的柴油机喷油泵喷油量的检测(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 喷油泵是柴油机的一个关键部件。它根据柴油机的转速均匀分配各气缸的进 油量，其质量的好坏直接影响到柴油机的整体性能。对喷油泵的校核、调整一般 是在喷油泵试验台上进行的。目前国内外喷油泵试验台量油系统普遍采用量筒式 计量法，肉眼观察，工作效率低。该方法存在量筒的制造误差、沉积误差、液面 读数误差、气泡误差、挥发误差以及测量人员的视觉误差等，使得测量精度较低、 耗时长，已不能满足对汽车发动机的环保技术要求和节能要求。 本论文分析了目前喷油泵试验台量油系统存在的问题，并针对所存在的问题， 利用图像处理技术研究一种新型的柴油机喷油泵喷油量的检测方法：通过油雾的 数字图像信息直接转换为喷油量的数值。全文主要包括以下几个方面的内容： 首先，根据图像检测厥理和现有的喷油泵喷油量检测技术，建立了实验系统 的构架，实现了对油雾图像的自动采集和存储。 其次，研究了相关的图像处理算法，并针对油雾图像的特点，确立了实验中 油雾图像处理的算法。 然后，应用v c + + 技术，结合油雾图像处理的相关算法，建立了柴油机喷油泵 喷油量检测的图像处理系统。 最后，通过多次试验，建立了油雾图像的相关样本，并利用图像处理系统实 现了对油雾图像样本的灰度值的测定。然后通过试验标定了相对应的喷油量，基 本建立了喷油量和灰度值之间对应关系。 关键词：喷油泵，喷油量，灰度值，图像处理 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t f u e l m j e e t i 伽p u m pi sak e yp a r ti nd i e ie 1 1 8 i n e a n dt l l eq 岫n t i t yo f 旬e li s d i s t r i b u t e dt oe a c hc y l i n d 盯a c c o r d i n gt ot h er o t a t i o ns p e e do fd i e ie n t g i n e w l l i c h a f f e c t st h ew h o l ef u n c t i o no f t h ed i e s e le n g i 鹏d i r e e t l y f u d 两e e t i p u m pi sa 咖髓e d i nt e s ib c ho ff i j e l 画e e t i o np i l m p m e a s u r i n ge y l m d 盯i su s e d t e s tb e n c h0 f 矗j e l i n j e e t i o np u n l pa l lo v e rt h ew o d d i l l a m l f a c l m e 锄；s i g h te l t o re t c m a k et h e a c , e u r a e y l o w e ra n d 珊哪n el o i 喀 t h ep a p e ra n a l y s e st h er , r o b l e mo ff u e lm e s 蚍r e m e l l ts y s t e mo ft h et e 或b e n c ho f 删面e c t i o np u 呷e u r r e n t l y ，a n da c c o r c t i n gt on l ep r o b l 呱m a k i n gw i t h t h ed i g i t a l i m a g e 矿o e e s s i n 8t l m i q u et os t u d yan e wm e t h o d t ot e s tt h ei n j e e t i o nq u a n t i i yo ff l l e l 叫e e t i p u n l p ：i t n 嘣血e t i o nq 删i t yv i at h of u e l e c t i o ni m a g ed i r e c t l y t h et h e s i sm e l u d 鹤向l l o w i n g v e r a lc o n t e n t s ： f i r s t l y t h e 仃啷o f t h ee x p e r i m e n t 趼n 锄i sb i l i l tt o 瀚l i z et h ea n t o m a t i cg r a b b i n g i m a g ea n d 髓v i n gi m a g ea e e o r 她t ot h ep r i n c i p l eo ft h ed e t 硎n g b a s e do ni m a g e a n dt h et e s tt e e h n i q u ef o ri n j e c t i o nq u a n t i t yo f t i i e l e e t i p u m p 懿i 髓i i l g s e e o n d l y ，t h ei m a g ep r o e e s s i n ga l g o r i t h m si nt h ee x p e r i m e n t a t i o ni se s t a b l i s h e d b a s e do nt h ee h a r a e t e f i m c $ o ft h e 血e ls t r a yi m a g ea n d s t u d y t h ec o r r e l a t i v e i m a g ep r o e e s s i n g 蛔r i t h r a s , t h i r d i y t h ei m a g e 印髑i n gs y s t e mi s “hb a s e d t h ev c + + a n d 伽b i n e d w i t ht h e e l a t i v ei m a g e p r o e e s s m ga l g o r i t h m sf o rt h ef i i ds p r a yi m a g e a tl a s t t h es a m p l eo ff l l e ls p r a yi m a g ei sb u i nb a s e d t h ee x i ) c r i m e n t a t i o na n d t h ec o n n e c t i o f 埘e e t i o nq u a n t 时a n dv a l o f g r a yl e v e li sr e a l i z e db y 删觚删血g k e y 肿r d s ： f u e li n j o e t i p i i 皿驴，, t u a m a yo ff u e l 叫t i 伽， i m a g ep r o e e s s i n g ， v a l u eo f g r a yl e v e l 诹l ；| l 童工繁失港 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者始毒暖波 日期矽7 年6 月伽 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 指导教师签名 日期彻年 | 汲 弛妇娩阳 黼中 沦 、 鞭 呐 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题的背景 由于柴油机具有扭矩大、动力性能好、热效率高、燃油经济性好、排气污染 少以及可靠性高等优点，因此被广泛应用于汽车货运、客运、船运、火车等交通 运输设备上。在西方发达国家，几乎所有的货车、9 0 的商务车采用柴油杌作为动 力。虽然目前我国车用柴油机的发展和使用尚处于起步阶段，但这是未来发展的 必然趋势，也是控制排放污染的有效途径例。 随着世界柴油机行业的飞速发展，以及世界环保组织逐渐加强防治环境污染问 题，柴油机喷射装置的正确运转就变得越来越重要。喷油量是否准确直接与柴油 机的动力性能、油耗和尾气捧放质量相关。为了达到柴油机的最佳运转、最小油 耗和减少废气排放的目的，就必须在发动机的生产以及使用全过程中尽量校准燃 油系统。现在世界上针对柴油机排放的相关阀题制定了许多标准。在2 0 0 8 年北京 将执行有关柴油机排放的欧标准，在未来十年中我国将贯彻实行该标准，因此 对柴油机燃油系统的测量装置的性能的要求就必须提高。 数字图像检测的基础是数字图像采集和数字图像处理部分，随着其它学科如 光学镜头，c c d 等图像传感器等的发展。以及数字图像处理理论中各种算法的改 进与完善，使得基于数字图像检测的技术应用越来越广，在很多领域，数字图像 检测的应用极大的改进了检测系统的准确性与速度性，能够提高检测的速度与准 确性，减少了检测的不确定度。在本论文中正是综合应用图像采集技术和图像处 理技术对柴油机喷油泵喷油量的检测方法进行的研究。 l 。2 喷油泵及其喷油量的检测 喷油泵是各种柴油汽车的供油泵，柴油汽车的主要性能决定于喷油泵的性能。 喷油泵喷油量的检测，是喷油泵装配生产线中一个重要的检测单元，也是众多汽 车维修站必要的检测设备。喷油量是否准确直接与柴油机的动力性能、油耗和尾 气排放质量相关。 1 2 1 喷油泵 湖北工业大学硕士学位论文 喷油泵的作用是根据柴油机工况的变化调节柴油量，并提高柴油压力，按规 定的时间与规律将柴油供给喷油器。柴油机燃油供给系包括喷油泵、喷油器、高 压油管及一些附属辅助件等。柴油机燃油供给系工作性能的好坏，在很大程度上 取决于喷油泵及喷油器的下作质量u “。喷油泵是柴油机燃料供给系统中最精密的 部件是柴油机的心脏，喷油泵包括凸轮、滚轮体、柱塞、出油阀、调速器等p 。 凸轮推动滚轮体上下运动，滚轮体推动柱塞在柱塞套内作直线往复运动。 喷油泵的工作过程：当柱塞下移到下止点时，燃油自低压油腔经油孔被吸入并 充满泵腔。在柱塞自下止点上移的过程中，起初柱塞端面未完全密封进回油孔前， 部分燃油被从泵腔挤回低压油腔，直到柱塞上部的端面将油孔完全封闭为止。此 后，柱塞继续上升，直到柱塞上部的燃油压力足以推动出油阀克服出油阀弹簧的 作用力而上升，出油阀打开泵油开始。当柱塞上斜槽同回油孔开始接通，于是泵 腔内的燃油经柱塞中央孔道、斜槽和油孔流向低压油腔，这时泵腔中油压迅速下 降，出油阀在弹簧压力作用下立即回位，喷油泵供油立即停止。 1 2 2 喷油器 喷油器是柴油机燃油供给系的重要部件。喷油器包括针阀、挺杆、弹簧座、 弹簧、调压螺母、壳体等。其作用是将喷油泵供给的高压柴油雾化，并按一定的 油束形状、射程喷入燃烧室内。 喷油器的工作原理：来自喷油泵的高压油进入针阀前部的高压油室，对针阀的 锥面产生压力，其轴向推力大于弹簧力时，针阀抬起，高压油喷入燃烧室。调整 调节螺母，可改变弹簧的压力，进而调节喷油压力。当喷油泵工作时，高压柴油 经进油管与喷油器体的内油道进入针阀体环形槽内，再经过针阀体内油道而进入 喷油嘴外部空腔中，由于这时的柴油对针阀的锥面产生的向上推力还不足以克服 弹簧的预紧力针阀与针阀体密封，柴油不能喷出 1 2j 。当高压柴油对针阀锥面的 轴向推力克服了弹簧的预紧力时，针阀上升面密封锥面离开周座，高压柴油便通 过轴针与针阀体喷孔之间的环形缝隙而喷入燃烧室内。当喷油泵停止供油时，油 腔内油压迅速下降，针阀便在喷油器弹簧作用下迅速下落面关闭喷孔，停止供油。 1 。2 3 目前国内外柴油机赜油泵喷油量检测现状 喷油泵单次及累计喷射油量的测量目前国内普遍采用一种效率较低的试验 台。因喷油泵单次喷射的油量很小，约0 i r a 左右，国内目前还无法对其进行自动 测量。普遍采用的是；用玻璃量管检测，多次测量( 1 0 0 4 0 0 次) ，肉眼观察，工 作效率低，且存在视觉误差和量筒增湿误差，精度较低。如图i - 1 所示： 2 图卜11 2 p s i ) b1 1 0 型喷油泵试验台【5 ) 国外英国h a r t r i d g e 公司研制的容积法喷油泵试验台量油系统，其工作原理 是喷油器喷出的燃油推动活塞移动同时带动光栅传感器，光学读数器将移动信号 经微祝处理转化为油量p “。该量油系统的缺点是：喷油推动活塞受活塞间隙和摩擦 的影响较大，没有考虑温度的影响等，因此小油量时的精度也不高。 德国m o e h w a l d 公司研制成功的e p b 2 0 0 0 型、r p b 2 0 0 0 型喷油泵试验台采用 k 瑚测量系统可以连续测量各缸喷油量。既能用屏幕显示喷油量，也能用打印机打 出每行程或多次喷油量，还能用计算机半自动化地检测喷油泵，其原理如图卜2 。 主要应用流量法，即喷油泵的每个喷油器都装有一个流量传感器，由喷油器喷出 的油流入油杯后经回油管流回油箱，流量泵与马达连在一起。马达上装有圆光栅， 光学读数器将马达转动角度信号送入微机处理后在屏幕上显示出油量n “。该量油 系统的缺点是：驱动流量泵和马达需要一定的压力，马达内部的间隙和摩擦直接影 响量油精度，尤其对小油量的测量误差较大。 德国b o s c h 公司生产了一种喷油量快速检测设备。其原理是；喷油泵的单次、 累计喷油量用精密定量泵检测、液位压差进行控制。无试验油从喷油器喷出时， 压差等于零，屏幕上无流量显示；有试验油从喷油器喷出时，压差不等于零，并 转换为正比于压差的电信号，启动定量泵的伺服驱动装置。使压差重新回到零， 检测定量泵的转速即可获得正比于油量的脉冲信号。经过计算机处理。并对温度 湖北工业大学硕士学位论文 的影响随时进行修正，在屏幕上显示出喷油量。该方法成熟，但复杂且价格昂贵， 高精度定量泵国内无法生产，须从国外进口。 图卜2k i 系统原理图。1 1 3 课题的来源和意义 1 3 1 来源 本课题来源于湖北省现代制造质量工程重点实验室开放基金 1 3 2 本课题的意义 由于目前国内喷油泵试验台量油系统普遍采用量筒式计量法，该方法存在量 筒的制造误差、沉积误差、液面读数误差、气泡误差、挥发误差以及测量人员的 视觉误差等，使得测量精度较低，耗时长，已不能满足对柴油汽车发动机的生产 和维修的要求，从而不能满足发动机环保技术和节能的要求。 本项目研究一种新型的柴油机喷油泵喷油量快速检测方法和设备。通过喷油 油雾的数字图像信息直接转换为喷油量数值测量速度快、测量精度高，具有一 定实用价值。 本项目研究涉及到图像技术、传感器技术、信号分析、计算机技术以及机械 设计等方面内容，对精密仪器与机械学科的发展具有一定的意义。 4 湖北工业大学硕士学位论文 1 4 论文的主要研究内容 本论文的研究内容主要是：对采集来的原始图像进行系列的图像处理，图 像各像素的原始灰度值表达了油雾幕各点的透光强度，对灰度值进行分析计算并 标定为与喷油量相关的量值；然后通过喷油油雾的数字图像信息直接转换为喷油 量数值。具体的研究内容分布如下： 第一章主要是介绍了课题来源、目的、现有技术的国内外发展现状以及本论 文的主要研究内容。 第二章主要是介绍了各种试验方案的比较，并对在实验中采用的硬件系统和 软件系统设计做了下简单的根述。 第三章主要介绍了基于图像处理技术的检测原理，以及相对应的在试验中的 各种硬件选择和采集过程。 第四章主要介绍了对图像处理的各种算法进行了比较和分析，并结合油雾图 像的实际特点选定了图像处理的方案。 第五章主要是介绍了在v c h 环境下实现了各种图像处理内容，实现了对油雾 图像样本的预处理和灰度值提取。 第六章主要介绍了通过实验获取了各种实验样本的灰度值，并标定了相应的 喷油量值。 第七章总结和展望 5 湖北工业大学硕士学位论文 皇詈皇詈量詈詈曼量鼍i 詈詈皇皇詈鼍詈詈皇穹詈詈皇詈詈詈詈皇暑詈詈詈曼曼曼曼詈! 曼量曼曼曼曼皇量量詈暑 第2 章检测系统方案设计 检测系统方案设计主要包括硬件装置设计和软件系统设计，其中硬件装置设 计在这个实验中主要是喷雾室的设计和整个实验平台的搭建；软件设计主要是图 像处理的实现和分析。 2 1 各种实验方案比较 实验的调研阶段，在查阅大量国内外文献资料的基础上，了解了柴油机燃油 喷雾特性的传统和现代的各种研究手段之后拟定过许多方案，现归纳如下： 方案1 直接利用测量油雾图像来测量喷油量 图2 - 1 实验装置示意图 这种方法是笔者在试验中所采取的方案，如图2 - 1 所示，测量原理是：在喷雾 室摄取一定背景框下的油雾图像。通过提取被测量油雾图像的灰度值并标定为喷 油量值，从而建立起油雾图像灰度值和喷油量之间的关系。其主要优点直接建立 油雾图像和其量值之问的关系，测量精度比较高。而且实验装置比较简单，实现 起来比较容易。缺点是由于油雾的挥发性，在实验中很难把握油雾图像的最佳状 6 湖北工业大学硕士学位论文 态( 分布均匀) ，这也是实验的难点之一。 方案2 利用测量金属薄皮管的变形量来测量喷油量 图2 - 2 实验装置示意图 如图2 2 所示，这种方法的检测原理是：通过图像边缘检测喷油泵喷油前后， 金属薄皮管的变形量来测定喷油量值。其主要缺点是对金属薄皮管的材料要求比 较高，要求屈服强度非常好；而且期望金属薄皮管的变形规则且成线性变化，这 些都很难把握。 方案3 利用测量薄油团体积来测量喷油量 图2 - 3 实验装置示意图 7 湖北工业大学硕士学位论文 如图2 - 3 所示，这种方法的检测原理：是通过振动将喷射至托盘上的油滴均匀 化，形成一个规则的薄油团，然后通过测量它的透射图像，灰度值表现为薄油团 的厚度，结合边缘检测可以测出其体积v 。其主要缺点是通过托盘后形成的透射图 像不能真实反映薄油团的体积。 2 2 实验系统硬件方案设计 系统硬件设计不是我的工作重点，在这里简单介绍一下： 笔者在试验中采用的是上述方案l 的设计：实验装置由喷雾室，光源，o 四图 像传感器及图像采集卡，还有手压喷油泵，p c 机和外围控制系统组成 实验装置如图2 - i 所示：喷雾室主要由l ，2 ，3 三部分组成：1 是放置光源的 地方。2 是喷雾区域，3 是放置c c d 摄像头的地方。l ，2 ，3 三部分通过二块透光 挡板彼此隔开，为了使透光均匀，透光板采用散光好的玻璃板。透光板采用插入 式安装，便于拆卸下来清洗透光板上的油雾。喷雾主区域用黑色油漆涂成黑色， 上盖板设计成可拆卸的以便安装。上盖板和下面箱体之闻用黑色材料密封以免透 光。 实用装置的外围控制系统是与喷油泵试验台的控制系统集成在一起的，由于 试验台的控制系统已经比较成熟，在这里就不作论述。在本实验装置中外围控制 系统主要用于喷油泵喷油和摄像机采集图像的延迟触发。 主要的设计是在喷油嘴附近安置一个对射式光电开关，光电开关发射器发出 的光线直接进入光电开关接收器；当喷油嘴喷射油时，油柬就阻断了发射器和接 收器之间的光线，从而触发了这个开关；然后通过这个开关发出的信号反馈给控 制系统，发出采集命令。由于从喷油后到形成均匀的油雾有一定的时间，还要通 过控制系统给它一个延迟( 这个延迟时间通过实验测定最佳) 。其基本原理如图2 4 所示： 图2 - 4 对射式光电开关原理 8 湖北工业大学硕士学位论文 这个触发装置的控制和喷油泵试验台的各种参数设置及开关控制是傲在一起 的。都是属于控制模块的内容。 2 3 实验系统软件方案设计 系统软件主要是完成图像处理和分析，初步拟定图像分析处理流程如图2 - 5 所示： 采集图像 图像滤波 之多 图像分割 上 灰廑值提取 弋夕 数据分析 图2 - 5 图像分析处理流程 对于具体的图像处理算法和软件实现在局面的章节会有具体和详尽的论述， 在这里就不介绍了。 但对于从滤波到灰度值的提取的中问环节的处理，还有一些思考，由于对灰 度值的提取期望是：灰度值最后的数据完全是被测物体( 油雾) 的，不包含背景 因素。在这里就存在把背景分离出来的问题。笔者综合一些别人的经验和自己的 想法，觉得有二种方法可供采用： 方法一：就是采用处理流程中的图像分割。这种方法的优点是处理算法已经 比较成熟，处理起来比较快。缺点是如果分离方法不处理好，误差会很大。主要 是担心被测量物体的信息量被当作背景分离掉了，损失了大量有效信息。 方法二：就是分别拍摄完全背景和包含背景的被测对象。然后作减运算。这 种方法的优点是相对比较准确，但处理起来相对比较复杂。因为油雾的挥发性， 背景由于不断沾染油雾而不断发生改变。每次采集前都要重新采集一副背景图象 9 湖北工业大学硕士学位论文 而且采集背景和采集对象二次采集之问也有时间问隔，虽然时问极短，采集来的 包含背景目标图像的背景和和采集来的完全背景也有差别。这也存在着误差 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章基于图像处理技术的检测原理 基于图像的检测技术就是采用图像传感器( 0 c d 器件等) 和图像采集卡以及p c 机等实现对被测物体的尺寸、质量等的非接触测量。不同的基于图像检测系统工 作方式和过程不尽相同，但检测的过程一般都可以分三个步骤： 首先是图像获取，利用图像输入装置( 如光源和图像传感器) 获取被测物体的 图像并对源图像作a d 转换。进行数据采集。 其次是图像数据处理、特征提取及分析。由于种种原因得到的图像不够理想， 如模糊、噪声、变形等，通过对图像进行滤波、增强、校正等一系列预处理的操 作，使其尽可能与实际景物一致。注意预处理虽然能改善图像的质量，增强视觉 效果，但是它常常会改变图像的原始信息，因此在许多图像检测系统中预处理操 作比较简单。然后，对预处理后的图像的特性进行检测，得到图像在不同区域的 灰度、色彩或纹理等特性参数，利用这些差别把图像划分区域或者抽取它们的轮 廓边界以及一些特征参数1 6 j 。 最后是识别，数据分析等操作，并输出检测结果。根据机器预先设定的模型 知识，对各种区域进行识别，把图像转变成能正确描述视觉空间中物体的类型、 位置和关系的符号表示，作为整个视觉系统的最后结果，并将检测结果输往执行 机构。 个典型的基于图像处理的检测系统如3 - 1 所示： 图3 - 1 图像检测系统原理 3 1 图像的获取 利用图像输入装置( 如光源和图像传感器) 获取被测物体的图像，并对源图像 湖北工业大学硕士学位论文 作a d 转换，进行数据采集。( 现在图像采集卡已经集成了相应的转换功能) 图像的获取实际上是一个光电转换过程，即将被测物体的图像转换成能被系 统处理的图像信号，它主要由c c i ) 摄像机，光源和图像采集卡组成。 1 ) c c d 摄像机 电荷藕合摄像器件( c c d ) 是2 0 世纪7 0 年代初发展起来的新型半导体集成光 电器件，是由美国贝尔电话实验室首先提出的。它由分布于各个像元的光敏二极 管的线性阵列或矩形阵列构成，通过按一定顺序输出每个二极管的电压脉冲，实 现将图像光信号转换成电信号的目的。近3 0 年来，c c d 器件及其应用技术的研究 取得了惊人的进展。特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。 电荷藕合摄像器件( c c d ) 的突出特点是以电荷为信号的载体，不同于大多数 以电流或电压为信号载体的器件。c c d 的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因 此o 的基本工作过程主要是信号电荷的产生，存储，转移和检测f j 。 c c i 有线型和面型两大类。两者都需要用光学成像系统将被测物体图像成像在 c c d 的像敏面上。像敏面将入射到每个像敏单元上的光照度分布信号转变为少数载 流子密度分布信号，存储在像敏单元( m o s 电容) 中。然后，再通过驱动脉冲的驱 动，使其从c c i ) 的移位寄存器中转移出来，形成时序的视频信号【l 】。如图3 2 示为 c c d 的一般结构图： 光敏区 d 输入7 ni f 输出螨陪 存储区 水平移位寄存器 图3 - 2c c i ) 的一般结构图 线型c c d 可以直接将接受到的一维光信号转换为时序的电信号输出，获得一 维的图像信号。若想用线型c c d 获取二维图像信号，必须使线型c c d 与二维图像 做相对的扫描运动；而面阵o c d 是二维的图像传感器，它直接将二维图像转换为 视频信号输出。 选择摄像头的一个重要标准就是分辨率。分辨率越高，对后续的图像处理算 法就越有利。但分辨率越高，摄像头的价格也会越高。根据我们的实验要求及特 点在实验中我们选用的c c d 摄像头是：c o s t a rs i - m 3 5 0 ( 如图3 - 3 所示) 湖北工业大学硕士学位论文 图3 - 3c o s t a rs i l 3 5 0 摄像头 其主要技术特点是： 高分辨率单色1 2 英寸h y p e rh a di tc c d 传感器 ；e i a ：7 6 8 ( 水平) * 4 9 4 ( 垂直) 像素 ：c c i r ：7 5 2 ( 水平) 5 8 2 ( 垂直) 像素 ：改进动态范围 ：高信嗓比 ：5 6 d b ：隔行扫描或逐行扫描 ：场( f i e l d ) 和帧( f r a m e ) 集成模式 ：电子或异步快门 i 外部、r d 脉冲下长时间曝光 ：为o e m 应用提供用户定制f l e xt r i g 触发模式范围 ：t t l 电平皿v d 同步输入或输出 ：曝光允许( e e n ) 和写允许( 盹n ) 的输出 ：支持亚像素精度 ：友好的图像采集界面 ：结构紧凑、坚固 ：可调整的c - m o u n t 接口选择 2 ) 光源 光源是图像传感器技术的重要组成部分。许多目标物图像是在光源的照射下 成像在各种图像传感器的像面上才能获取图像信号的。而且，随着光源光谱成分 的变化，以及光源强度分布随时间等变化，图像传感器输出的图像信号也要发生 变化。因此，恰当的选择光源是获取理想图像信号的关键。是图像传感器应用技 术的重要环节f j j 。 图像传感器的应用系统大致可以分为图像传感，图像分析和图像检测三种类 湖北工业大学硕士学位论文 型。不同的应用类型对照明光源的要求也不相同。应该根据具体的需要选用不同 的照明光源。 图像检测系统一般有两种：一种是通过测量被检测物体的像来测量被检测物 体的某些特征参数；另一种是通过测量被检测物体的空间频谱分布来确定被检测 物体的某些特征参数。对于前者只需要选用白炽灯或者卤钨等就可以了；而对于 后者应选用激光照明，因为它能够满足单色性好，相干性好等特点【1 j 。 在对物体的检测过程中，光源起着决定性的作用。光源按其照射方法可分为： 背向照明、前向照明、结构光和频闪光照明等。背向照明是被测物放在光源和摄 像机之间，其优点是能获得高对比度的图像。前向照明是光源和摄像机位于被测 物的同侧。照相机拍摄要求与光源同步，这样能有效地拍摄高速运动物体的图像。 常用光源的类型有卤素灯、荧光灯和l e d 光源等，其主要性能的比较见表i ： 表i 各种光源性能比较 由于我们在实验中是通过采集来的图像来分析图像灰度值和喷油量之同的关 系，所以我们选用1 8 - 长寿命的荧光灯，亮度不错，波长短，均匀性好。 3 ) 图像采集卡 传统的a t 图像采集卡是以帧存储器为核心的系统，其主要任务是将模拟的图 像信息转换为运算处理所需要的数字信号。其中包括了高速采样和a d 转换等环 节。 随着计算机p c i 总线的出现和完善，图像采集卡的结构已经大大简化了。而 且由于p c i 总线的高速度，使 0 转换以后的数字信号只需经过一个简单的缓存 器即可直接存到计算机内存。供计算机进行图像处理；也可以将采集到内存的图 像信号传送到计算机显示卡上显示，基于p c i 总线的图像采集系统如3 - 4 所示： 由于高速p c i 总线可以实现直接采集图像到v g a 显存或主杌内存，而不必像 传统a t 总线的采集卡那样自带帧存储器。这不仅可以将图像直接采集到v g 实现 单屏工作方式，而且利用p c 内存的可扩展性，实现所需要的序列图像帧连续采集， 进行序列图像分析。此外，由于图像可直接采集到主机内存，图像处理可直接在 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 内存中进行，因此图像处理的速度随c p u 速度的提高而提高，使得对主机内存图 像进行并行实时处理成为可能。 l 怔因恒习 时序发生嚣 圈霉值皇一和同步控篇 埋悃 l嚣 3 粼 圈童采羹卡l 广r - j ll 弋夕， 7 k ! i 搬 j 嚣 计算瓠肉存删 型 旦示曩 图3 - 4 基于p c i 总线的图像采集系统d 】 我们在实验中选用的是：m e t e o r l i c ：p c i 彩色黑白采集卡( 如图3 - 5 所示) 图3 5m a t r o xm e t e o ri i 图像采集卡 其主要技术特点； 并有r g b 分量采集和外触发功能，能够连结两个r g b 或6 路黑白标准、非标 准视频源。3 0 b d l z 采样速率，3 个2 5 6 x 8 - b i t 查找表，4 硒缓存。 三通道模拟可交频扫描输入 湖北工业大学硕士学位论文 支持逐行或隔行黑白或r g b 采样频率最高3 0 m h z 象素抖动小于或等于1 5 纳秒 可变增益放大器 1 0 删z 低通滤波器 可调节模数转换器( a d o ) 参数 三个2 5 6 x 8 - b it 可编程l u t s 分离的点时钟，行同步，场同步，曝光及辅助的i o 同步或异步触发输入 可接2 个r g b 或6 个黑自信号源 4 ) 图像采集 图像采集过程主要是由其自带的软件m a t r o xi n t e l l i c 衄来实现的。图3 - 6 所示是采集界面，图3 7 是采集中的部分设置： 图3 _ 6 采集界面 湖北工业大学硕士学位论文 图3 - 7 采集部分设置 下面是有关g a t r o xi n t e l l i c n 的一些特征介绍： m - t r o xi n t d l i c a m2 0i sah i g h - t e v e l 3 2 - b i tw i n d o w s - b a s e d p r o g r a mt h a t p r o v i d e sf a s tc r i t i e r ai n t e r f a c i n ga n di n t e r a c t i v c a c c e s st oa l lt h eg r a bf e a t u r e sa n d f u n c t i o n a l i t yo f y o u rm a t r o x d i g i f i z e r d i g i t i z e f i ta l l o w sy o ut o ： i n t e r f a c ew i t hv a r i o u sc a m e r at y p e s ， i n t e r a c t i v e l ye x p e r i m e n tw k hy o u rd i g i t i z e r u s ea n de x p e r i m e n tw i t ht h ev a r i o u sm a 仰o xl 盥g i n g l i b r a r yo v a l ) f u n c t i o n s , u s i n g t h em i l i n t v r p r e t e r 3 2 图像处理，参数测量及分析 由于种种原因得到的图像不够理想，如模糊、噪声、变形等，通过对图像进 行滤波、增强、校正等一系列预处理的操作，使其尽可能与实际对象一致。然后， 对预处理后的图像的特性进行检测，得到图像的灰度、色彩或纹理等特性参数， 然后利用这些参数进行分析处理并最终输出检测结果。 图像处理，参数测量和分析是这个课题的关键技术之一，也是本论文的重点， 在后面会有详细的论述，在这里就不展开分析了。它们之问的关系如3 书所示： 在本论文中图像处理主要是：对原始的采集来的图像先进行预处理( 主要是 各种滤波和去噪) ，使实验图像尽可能反映油雾的实际特征，然后提取其灰度值作 为后续数据分析的依据 1 7 湖北工业大学硕士学位论文 图3 - 6 图像处理，参数测量及图像分析之间关系 湖北工业大学硕士学位论文 第4 章图像处理方法探讨 图像处理包括图像预处理和图像数据提取，分析。其中图像预处理主要是对 图像进行滤波去噪，从而提高图像的质量。是提取图像的有效数据，从而进行最 后的分析处理的基础。图像数据提取分析是继续对预处理过的图像进行进一步处 理，最终提取出我们需要的有用信息。 4 1 关于图像数字化的基本概念 人眼看到的图像都是连续的模拟图像，模拟图像必须转化为数字图像才能被 计算机处理，所以要对连续图像进行采样和量化以获取离散的数字图像。这个过 程就叫图像的数字化。图像数字化的基本过程如图4 - 1 所示： 图4 - 1 图像数字化基本过程 其中采样就是空间坐标的离散化，而量化就是灰度的离散化。 采样是将时间和空问上连续的图像转换为离散的采样点( 即像素) 集的过程。 实际上，采样就是决定用多少点来描述一张图像，采样的结果就是通常所说的图 像的分辨率。量化是将像素点上的灰度值离散为整数。量化的结果是图像容纳的 所有颜色数据。量化决定使用多大范围的数值来表示图像采样之后的每一个点， 这个数值范围确定了图像能使用的颜色总数例。 采样量化后的图像就是一个灰度值的二维数组。该数组若用f ( x ，y ) 来表示， 其含义是位于坐标( x y ) 处的像素，其灰度值是f ( x ，y ) 。因此，研究数字图像的处 理，最基本的就是研究一个二维数组的处理。 一幅数字图像是一个平面能量分布图，在数学上可用如下函数表示： e 司( x ，y ，五，t ) 公式( 4 1 ) 变量x ，y 表示图像上象素点的位置，入表示辐射能量的波长，t 表示时间。以 上四个变量通过函数对应关系可以确定唯一的e 值。这样。在空间上取样，能量 1 9 湖北工业大学硕士学位论文 值量化了的图像就是数字图像。通常，为便于计算机操作，量化等级一般取2 的m 次幂，且每级灰度值只取整数。例如当m 为8 时，图像被量化为2 5 6 级，2 5 5 灰度 级为白色，0 灰度级为黑色。一般情况下取样是等间隔的，因此，数字图像可以看 成一个整数矩阵。如下面矩阵所示就是一个完整的 x n 数字图像： ，妨姆d f ( o , n - z ) l ，0 ，0 )f 0 ，1 ) g n - 1 ) 【。f ( m 一1 0 )( m l 1 ) ( m l 一1 ) 图像直方图是图像处理中一种十分重要的图像分析工具，它描述了一幅图像 的灰度级内容。从数学上来说图像直方图是图像各灰度值统计特性与图像灰度值 的函数，它统计一幅图像中各个灰度级出现的次数和概率。灰度直方图的横坐标 是灰度级，纵坐标是该灰度级出现的频率，是图像的最基本的统计特征。从概率 的观点来理解，灰度出现的频率可以看作其出现的概率，这样直方图就对应于概 率密度函数p d f ( p r o b a b i i i t yd e n s i t yf u n c t i o n ) 。而概率分布函数就是直方图的 累积和，即概率密度函数的积分1 4 其数学关系如下： ： p ( ，) = p ( ，) 玉公式( 4 2 ) 0 肿) ：皇掣公式( 4 3 ) 口 其中p ( r ) 是概率分布函数p ( r ) 为概率密度函数。 在离散的情况下，设定图像像素总数目为1 1 ，具有r 灰度级的像素数为坼，则 图像的概率密度函数为：p ( r ) = 一，n 图4 心就是实验中所采集到的一幅油雾图像和它的直方图： 图4 - 2 油雾图像及其直方图 2 0 湖北工业大学硕士学位论文 4 3 图像平滑 图像平滑主要是为了消除噪声。噪声并不限于人眼所看的见的失真和变形， 有些噪声只有在进行图像处理时才可以发现。图像的常见噪声主要有加性噪声， 乘性噪声和量化噪声等。 在灰度连续变化的图像中，如果出现了与相邻像素的灰度相差很大的点。比 如说一片暗区中突然出现了一个亮点，人眼能很容易觉察到。就像看老电影时， 由于胶片太旧，屏幕上经常会出现一些亮斑。这种情况被认为是一种噪声。灰度 突变在频域中代表了一种高频分量，低通滤波器的作用就是滤掉高频分量，从而 达到减少图像噪声的目的。 由于一幅图像的大部分像素的灰度与邻近像素的灰度差别不大，存在很大的 灰度相关性，这就导致了图像的能量主要集中在低频区域，图像的噪声往往出现 在高频区域中。这样就找到了去掉噪声的有效途径。 常用的平滑方法有邻域平均法和中值滤波： 4 3 1 邻域平均法 邻域平均法是一种直接在空问域上进行平滑的技术。该技术是基于这样一种 假设：图像由许多灰度恒定的小块组成，相邻像素问存在很高的空间相关性，而 噪声则相对独立。基于上面的假设，可以将一个像素及其邻域内的所有像素的平 均值赋给平滑图像中对应的像素。从而达到平滑目的。常见的有均值滤波器和高 斯滤波器。 1 ) 均值滤波器 最简单的线性滤波器就是局部均值运算，即每一个像素值用其局部邻域内所 有值的均值置换： m 肛万1 。委严丹公式( 4 4 ) 其中，冒是邻域内的像素点总数，n 是所取邻域中的各邻近像素的坐标。 在f ( i ，j ) 上按行( 或列) 对每个像素选取一定的尺寸的邻域，并用邻域中邻近像 素的灰度平均值来置换这一像素值，对全部像素处理后就可以得到g ( x ，y ) 在设计线性平滑滤波器时，选择滤波权值应使得滤波器只有一个峰值，称之 为主瓣，并且在水平和垂直方向上是对称的一个典型的3 * 3 均值滤波器的模板 如下： 2 l 湖北工业大学硕士学位论文 吉 ： 如图4 3 所示就是采用3 3 邻域的均值滤波器示意图： i x 上，1 j i _i r巳如 一一 1 i l ire il _ 一 ol | 且霄 i -l 。 一t “上 i 一 图4 3 采用3 x 3 邻域的均值滤波器示意图1 2 1 均值滤波处理是以图像模糊为代价来换取噪声的减小的，且面积( 即模板大 小) 越大，噪声减小越显著。 2 ) 高斯滤波器 高斯滤波器是一类根据高斯函数的形状来选择权值的线性平滑滤波器。高斯 平滑滤波器对去除服从正态分布的噪声是很有效的。对图像处理来说，常用二维 零均值离散高斯函数作平滑滤波器，函数表达式为： 一( i 2 + j f 2 ) g p ，刀= e 驴”公式( 4 5 ) ( 1 ) 高斯函数是单值函数。这表明，高斯滤波器用象素邻域的加权均值来代 替该点的象素值，而每一邻域象素点权值是随该点与中心点的距离单调递减的。 这一性质是很重要的，因为边缘是一种局部特征。如果平滑运算对离算子中心很 远的象素点仍然有很大作用，则平滑运算会使图像失真1 3 j 。 ( 2 ) 高斯函数的傅里叫变换频谱是单瓣的。这一性质是高斯函数傅里叶变换 等于高斯函数本身这一事实的直接推论。图像常被不希望的高频信号所污染( 噪声 和细纹理) 。而所希望的图像特征( 如边缘) ，既含有低频分量，又含有高频分量。 湖北工业大学硕士学位论文 高斯函数傅里叶变换的单瓣意味着平滑图像不会被不需要的高频信号所污染，同 时保留了大部分所需信号例。 ( 3 ) 高斯滤波器宽度( 决定着平滑程度) 是由参数表征的，而且和平滑程度 的关系是非常简单的。越大，高斯滤波器的频带就越宽，平滑程度就越好。 通 过调节平滑程度参数，可在图像特征过分模糊( 过平滑) 与平滑图像中由于噪声和 细纹理所引起的过多的不希望突变量( 欠平滑) 之间取得折衷【3 j 。 ( 4 ) 由于高斯函数的可分离性，大高斯滤波器可以得以有效地实现。一维高 斯函数卷积可以分两步来进行，首先将图像与一维高斯函数进行卷积，然后将卷 积结果与方向垂直的相同一维高斯函数卷积。因此，一维高斯滤波的计算量随滤 波模板宽度成线性增长而不是成平方增长p j 。 高斯滤波实际上利用高斯函数将均值模板修正为一个加权模板，其实现的过 程是一样的，在这里就不作论述。 4 3 2 中值滤波 中值滤波也是一种典型的低通滤波器，它的目的是保护图像边缘的同时去除 噪声。所谓中值滤波，是指把以某点代y ) 为中心的小窗e l 内的所有象素的灰度按从 大到小的顺序排列，将中间值作为( ，【 y ) 处的灰度值( 若窗e l 中有偶数个象素，则取 两个中间值的平均) 。 中值滤波的基本思想是用像素点邻域灰度值的中值来代替该像素点的灰度 值，该方法在去除脉冲噪声、椒盐噪声的同时又能保留图像边缘细节，这是因为 它不依赖于邻域内那些与典型值差别很大的值中值滤波器在处理连续图像窗函 数时与线性滤波器的工作方式类似，但滤波过程却不再是加权运算例如，取函 数窗，计算以点为中心的函数窗像素中值步骤如下： ( 1 ) 按强度值大小捧列像素点 ( 2 ) 选择排序像素集的中问值作为点的新值 这一过程如图4 - 4 所示一般采用奇数点的邻域来计算中值，但如果像素点 数为偶数时，中值就取排序像素中间两点的平均值。 中值滤波的核心运算是将模板中的数据进行捧序，这样，如果一个亮点( 暗 点) 的噪声，就会在排序过程中被排在序列的最右侧或者是最左侧，因此，最终 选择的数据序列中间位置上的值一般不是噪声的值，由此便可以达到抑制噪声的 湖北工业大学硕士学位论文 目的。 ! t i 7 , 5帕- _ i 7 5朝冀i 冀91 0 掘b埘 1 9岫硷i 、 1 9蟹匏l 弋天 、 i 、 、l 、- l l l 冀 e 1 t 、i l 纛羹t 大小辱耐 座i l 纂 i 鞠4 摊 i 棚! i 5 ； i