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曲面视觉检测的光学系统与轮廓提取的研究

作　者: 钟艺
导　师: 邓善熙
学　校: 合肥工业大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 计算机视觉测量准直扩束扩展轮廓提取
分类号: TH741
类　型: 硕士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

本论文所研究的课题来源于安徽省重点科研项目“特殊工况异性曲面在线检测系统”，本项目主要研究如何应用计算机视觉测量技术来检测火车车轮轮廓几何参数。经过长期的研究和探索，车轮轮廓的测量方式从机械量具测量的接触式测量方式发展到光电测量法，即通过光束照射或激光扫描踏面获得踏面断面曲线，利用摄像技术和视觉测量技术获取数据。伴随着计算机图形图像处理、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。本课题应用视觉测量技术来检测车轮踏面的轮廓几何参数。测量系统采用线激光投射到车轮踏面轮廓上，通过左、右CCD摄像机系统的拍摄和图象采集得到车轮轮廓的激光曲线图。作者主要研究的是光学结构的设计和光学轮廓的提取。研究成果表明了激光准直扩束和扩展的必要性和可行性。作者独立完成的工作包括： 1、提出了曲面测量的光学系统的整体方案； 2、提出了四种激光扩束的方案，用光学设计软件ZEMAX完成了其中三种的设计；经过像差分析和追迹，达到了准直扩束的要求； 3、点光源到线光源的单方向扩展，达到了覆盖轮缘踏面的要求； 4、通过实验采集图像和图像处理，提取出被测轮缘的轮廓。

全文目录

第一章前言  14-20
  1.1 课题来源  14
  1.2 国内外研究现状  14-19
    1.2.1 车轮外形几何参数的测量方法。  14-16
      1.2.1.1 静态检测法  14-15
      1.2.1.2 动态检测法  15-16
    1.2.2 视觉测量方法  16-19
      1.2.2.1 主动式方法  16-17
      1.2.2.2 被动式方法  17-19
  1.3 本课题研究内容及科学意义  19-20
第二章测量系统的总体设计  20-28
  2.1 测量原理设计方案  20
  2.2 系统硬件构成  20-28
    2.2.1 光学装置  21-25
      2.2.1.1 面阵CCD的选择  21-25
    2.2.2 图像采集系统  25-28
      2.2.2.1 图像采集卡的工作原理  26-27
      2.2.2.2 图像采集卡的选择  27
      2.2.2.3 系统的图像处理软件  27-28
第三章光学设计的理论基础  28-51
  3.1 激光原理  28-35
    3.1.1 激光产生原理  28
    3.1.2 激光器的分类  28
    3.1.3 激光的方向性  28-29
    3.1.4 高斯光束  29
    3.1.5 表达式  29-35
      3.1.5.1 高斯光束的特性  30-33
      3.1.5.2 高斯光束的变换  33-34
      3.1.5.3 高斯光束的准直  34-35
  3.2 像差理论基础  35-51
    3.2.1 任意轴外点的初级像差公式  37-38
      3.2.1.1 初级像差普遍式  37-38
    3.2.2 共轴球面系统初级像差的计算  38-42
    3.2.3 薄透镜系统的初级像差  42-47
      3.2.3.1 薄透镜系统的单色初级像差公式  42-44
      3.2.3.2 P、W规化为(?)_∞、(?)_∞  44-46
      3.2.3.3 薄透镜系统的初级色差公式  46-47
    3.2.4 典型物镜结构参数和(?)_∞、(?)_∞的关系  47-51
      3.2.4.1 双胶合透镜结构参数和(?)_∞、(?)_∞的关系  47-50
      3.2.4.2 单透镜结构参数和(?)_∞、(?)_∞的关系  50-51
第四章光学系统的结构参数设计  51-76
  4.1 像质评价  51-52
    4.1.1 瑞利判断  51
    4.1.2 中心点亮度  51
    4.1.3 点列图  51-52
    4.1.4 光学传递函数  52
  4.2 光学系统自动设计  52-56
    4.2.1 光学系统的结构参数和像差  52-56
      4.2.1.1 评价函数和权因子  53
      4.2.1.2 数学描述  53-54
      4.2.1.3 阻尼最小二乘法  54-56
  4.3 设计软件ZEMAX介绍  56-59
    4.3.1 主要功能  56-57
    4.3.2 序列性光学面  57-58
    4.3.3 棱镜数据库  58
    4.3.4 分析能力  58
    4.3.5 Glass和Lens数据库  58-59
  4.4 运用ZEMAX进行光学系统总体优化设计  59-76
    4.4.1 优化步骤  59-63
      4.4.1.1 评价函数  59
      4.4.1.2 优化类型  59-63
    4.4.2 设计原则  63
    4.4.3 系统结构  63-64
    4.4.4 准直扩束系统  64-73
      4.4.4.1 透射式激光扩束器  64-72
      4.4.4.2 反射式扩束系统  72-73
      4.4.4.3 准直扩束系统的选择  73
    4.4.5 点激光束的拉伸和压缩  73-76
第五章轮廓的提取  76-84
  5.1 图象的获取  76-77
  5.2 图象处理  77-84
    5.2.1 图象二值化  77-80
      5.2.1.1 双峰法  78-79
      5.2.1.2 用直方图同高斯滤波相结合的方法求取二值化阈值  79-80
    5.2.2 滤波处理  80-83
      5.2.2.1 低通滤波  80-81
      5.2.2.2 均值滤波  81-82
      5.2.2.3 边缘保持滤波  82-83
    5.2.3 细化  83-84
第六章结束语  84-85
参考文献  85-88
附录  88

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