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基于图像处理的微小形状误差测量系统的设计

作　者: 郭文清
导　师: 万文略
学　校: 重庆理工大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 图像测量形状误差 CMOS图像传感器图像采集边缘检测曲线拟合 OV9121 图像处理
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 88次
引　用: 2次
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内容摘要

随着数字图像采集和处理技术的飞速发展,图像已成为人类获取信息的重要途径之一。利用图像信息对零件的几何参数进行评定也就成了图像处理的重要内容。基于图像处理的微小形状误差测量系统的设计结合计算机强大的数据处理能力,将图像处理和分析技术应用于精密测量领域,通过处理被测物体图像的边缘纹理获得物体的几何参数,从而实现对形状误差的精确测量,因此图像处理技术成为图像测量系统的基础和关键。重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心长期从事时栅精密角位移传感器的研究。其研究开发的角位移传感器的测量精度达±1″。研究时栅传感器转子的加工精度对时栅传感器精度的影响时,需要精确测量时栅传感器转子的形状误差,时栅传感器转子的直径为100～300mm,最多要在圆周上加工360个槽。由于转子的开槽数多,槽的尺寸小,人工测量费时费力,所以需要设计专用自动测量系统测量转子的形状误差。本文研究内容是以时栅传感器转子形状误差为测量对象,运用数字图像采集和处理技术,设计基于CMOS图像传感器的图像测量系统。本文设计的图像测量系统由光学系统、图像采集系统和PC机图像处理系统组成。论文主要工作内容包括以下几个方面:(1)给出了系统的设计方案,根据设计要求,采用主动视觉传感技术,选择了合适的光源、照明方式以及光学放大系统。文中还详细阐述了系统的测量原理、实验标定方法以及影响系统测量精度的因素。(2)给出了图像采集系统的硬件框图,搭建了由CMOS图像传感器OV9121、STM32控制模块、FIFO缓存控制模块和串口通信模块组成的图像采集系统的硬件平台,并详细地阐述了图像采集系统各模块的设计及器件选择。(3)给出了图像采集系统的软件流程图,分别介绍了各个模块的软件设计思路与实现,包括OV9121初始化模块软件设计、STM32控制模块软件设计、FIFO缓存控制模块软件设计和串口通信模块软件设计。(4)文中详细论述了图像预处理、边缘检测、Hough变换、最小二乘法等算法的原理,并对各种算法的图像处理效果进行了分析和比较。(5)基于Visual C++6.0开发了系统可用的图像处理软件,实现了基本的图像预处理、边缘提取、曲线拟合以及形状误差测量和结果显示等功能。并给出了图像处理系统的软件流程图。(6)选取时栅传感器转子的一个槽距进行实验,对实验数据进行处理并对误差进行了分析。分析计算结果表明,该系统测量精度达到了18μm ,满足系统的精度要求。本文设计的图像测量系统实现了对时栅传感器转子的图像采集、传输以及形状误差的自动测量。通过实验验证本系统达到了预期的性能要求,具有稳定性好、测量精度高、测量速度快、测量的非接触性以及成本低等优点,减轻了人的劳动强度,是传统测量仪器的替代品,大大扩展了可测量的范围和领域。能从根本上改变国内测量仪器发展不足的现状,具有较高的推广价值和广泛的应用前景。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1. 绪论  11-19
  1.1 引言  11-12
  1.2 图像测量技术的发展与现状  12-14
  1.3 课题的研究内容及意义  14-17
    1.3.1 课题的研究背景  14-15
    1.3.2 课题的研究意义  15-16
    1.3.3 论文的主要内容  16-17
  本章小结  17-19
2. 系统方案设计及工作原理  19-27
  2.1 图像测量系统方案设计  19-20
  2.2 光学系统  20-23
    2.2.1 照明系统的设计  20-22
    2.2.2 光学放大系统  22-23
  2.3 图像测量系统测量原理  23-24
  2.4 实验标定原理  24-25
  2.5 影响图像测量系统的测量精度的因素  25
  本章小结  25-27
3. 图像采集系统的硬件设计  27-39
  3.1 系统的硬件组成  27
  3.2 图像的采集  27-32
  3.3 STM32 与OV9121 接口设计  32-33
  3.4 FIFO 缓存控制模块  33-36
  3.5 图像采集与缓存的具体实现  36-37
  3.6 图像传输模块  37
  本章小结  37-39
4. 图像采集系统的软件设计  39-47
  4.1 软件设计总体方案  39-40
  4.2 图像采集系统的开发环境  40
  4.3 OV9121 寄存器的设置  40-42
  4.4 FIFO 控制模块软件设计  42-43
  4.5 图像采集模块软件设计  43-45
  4.6 图像传输模块软件设计  45-46
  本章小结  46-47
5. 图像处理算法研究  47-69
  5.1 图像预处理  47-50
    5.1.1 传统中值滤波  48
    5.1.2 快速并行中值滤波法  48-50
  5.2 图像分割  50-64
    5.2.1 二值化  51-55
    5.2.2 数学形态学处理  55-58
    5.2.3 边缘检测  58-64
  5.3 特征提取及尺寸测量  64-68
    5.3.1 Hough 变换  64-66
    5.3.2 最小二乘法拟合直线  66-68
  本章小结  68-69
6. 图像处理系统软件设计  69-77
  6.1 上位机软件设计的一般原则  69
  6.2 图像处理系统软件设计  69-70
  6.3 图像处理系统功能模块  70-75
    6.3.1 测量系统主界面模块  71-72
    6.3.2 图像采集模块  72-74
    6.3.3 图像处理模块  74-75
  本章小结  75-77
7. 图像测量实验与误差分析  77-83
  7.1 系统标定  77-78
  7.2 图像预处理  78-80
  7.3 图像的测量和尺寸计算  80-81
  7.4 测量误差分析  81-82
  本章小结  82-83
8. 总结  83-85
  8.1 总结  83-84
  8.2 今后待研究的问题  84-85
致谢  85-87
参考文献  87-90
附录  90-96
个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果  96

基于图像处理的微小形状误差测量系统的设计

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