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基于图像处理的高精度位移测量系统的研究

作　者: 张文干
导　师: 徐刚
学　校: 江苏大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 微小位移图像处理亚像素图像匹配
分类号: TP274.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 34次
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内容摘要

在工程实践中，小位移的精确测量技术的应用领域越来越广泛。目前，小位移测量方法很多，主要有接触式与非接触式的测量方法。然而对于某些实际工程应用中，如对结构物的挠度、弯沉、微小振动位移、构件的微小变形以及建筑物的变形等，对于这些小位移的测量仍然存在相当的技术难度。本文对微小位移的远距离非接触方式的高精度测量技术的研究，对于解决上述工程领域中的测量问题具有重要的现实意义和实用价值。本文在分析国内外各种位移测量技术的基础上，经过实验提出了利用图像精密测量技术解决远目标的微小位移的高精度测量问题。本文首先分析了国内外微小位移测量技术的发展现状以及远目标小位移的高精度测量所面临的问题。根据设计思想、设计原则及测量原理，制定了应用远距离摄像与图像处理技术相结合的方法来进行远目标微小位移高精度测量的方案。本文完成了测量系统的硬件构建和软件设计两部分。硬件部分主要选取了黑白CCD摄像机、图像采集卡和光学镜头，构建了图像采集系统；软件部分用MATLAB完成了算法验证，在Windows环境下的Visual C++开发平台上进行编程，设计并实现了测量系统软件。本文除了研究常规图像处理方法以及它们在本课题中的具体应用外，特别对利用亚像素图像匹配技术实现高精度的微小位移测量做了深入研究，并通过详实的数据说明了这种方法的精度本论文对亚像素相关系数曲面拟合测量位移的方法作了重要改进，提出了“标志图案的不同会对测量精度产生影响”的新观点，并分析了原因。在进行实验检验时，设计了多种不同情况的对比实验，详细分析了图案的变化；测量距离的变化以及常规图像处理方法的使用对测量精度的影响。使用这些改进后，测量精度有了明显的提高，使这种方法向工程实用化迈进了一步。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-15
  1.1 概述  10-14
    1.1.1 课题来源  10-11
    1.1.2 远距离位移检测的研究现状  11-13
    1.1.3 应用图像处理进行小位移远距离测量  13-14
  1.2 本文的研究目的和主要内容  14
    1.2.1 研究目的  14
    1.2.2 设计要求  14
    1.2.3 主要研究内容  14
  1.3 本文研究的工程意义  14-15
第二章测量系统的总体设计  15-28
  2.1 系统设计的基本原则  15-16
  2.2 图像处理技术简介  16-17
    2.2.1 数字图像处理的研究范畴  16-17
    2.2.2 图像处理应用领域  17
  2.3 应用图像处理进行位移测量的基本原理  17-19
  2.4 数字图像预处理方法  19-27
    2.4.1 图像的灰度直方图  19-20
    2.4.2 目标图像的增强  20-23
    2.4.3 图像的滤除噪声操作  23-25
    2.4.4 图像匹配  25-26
    2.4.5 图像分割  26-27
  2.5 本章小结  27-28
第三章测量系统的硬件构建  28-35
  3.1 光学镜头  28-30
    3.1.1 焦距f  28-29
    3.1.2 相对孔径D／f  29
    3.1.3 视场角2ω  29-30
  3.2 摄像机  30-32
    3.2.1 分辨率  31
    3.2.2 感光像元尺寸  31
    3.2.3 填充因子  31
    3.2.4 成像面积  31
    3.2.5 信号输出方式  31-32
  3.3 图像采集卡  32-34
  3.4 本章小结  34-35
第四章系统的亚像素算法设计  35-51
  4.1 亚像素的概念  35-36
  4.2 亚像素图像处理的常用方法  36-38
    4.2.1 形心法与重心法  36-37
    4.2.2 灰度矩方法  37
    4.2.3 拟合法  37-38
    4.2.4 相关法  38
  4.3 图像相关  38-41
    4.3.1 图像相关的基本原理  38-39
    4.3.2 图像相关的数学形式  39-41
  4.4 亚像素步长相关法  41-42
  4.5 亚像素相关系数曲面拟合法  42-46
    4.5.1 亚像素相关系数曲面拟合的原理  42-43
    4.5.2 获取高质量的图像  43-44
    4.5.3 相关系数的获得  44
    4.5.4 确定拟合窗口  44
    4.5.5 求拟合多项式系数  44-45
    4.5.6 获得亚像素坐标  45-46
  4.6 亚像素相关系数曲面拟合法的一些改进  46-48
    4.6.1 提高运算速度的一些方法  46
    4.6.2 关于模板尺寸的选择  46-47
    4.6.3 目标标志图案的选择  47-48
  4.7 摄像系统的标定  48-50
  4.8 本章小结  50-51
第五章系统软件的Visual C++实现  51-60
  5.1 图像的采集  51-57
    5.1.1 基于VFW的视频采集  51-54
    5.1.2 基于SDK的图像采集  54-57
  5.2 图像处理算法的C语言实现  57-59
    5.2.1 MATLAB向C语言的转换  57-58
    5.2.2 通过矩阵类的方法操作矩阵  58-59
  5.3 本章小结  59-60
第六章实验设计与分析  60-65
  6.1 实验方案的设计  60-61
  6.2 实验数据及误差分析  61-64
    6.2.1 实验数据与分析  61-63
    6.2.2 误差分析  63-64
  6.3 本章小结  64-65
第七章总结与展望  65-67
  7.1 全文总结  65-66
  7.2 研究展望  66-67
参考文献  67-69
致谢  69-70
在读学位期间发表的论文  70-71
附录1 十字丝目标的测量与计算结果  71-72
附录2 改进目标的测量与计算结果  72-73
附录3 多图平均的测量与计算结果  73-74
附录4 改变测量距离的测量与计算结果1  74-75
附录5 改变测量距离的测量与计算结果2  75-76
附录6 改变测量距离的测量与计算结果3  76-77
附录7 改变测量距离的测量与计算结果4  77-78
附录8 二维位移的测量与计算结果  78-79

基于图像处理的高精度位移测量系统的研究

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