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1、西安理工大学 硕士学位论文 曲面烧蚀面积的测量及数据处理系统的研究 姓名：张涛 申请学位级别：硕士 专业：测试计量技术及仪器 指导教师：郭俊杰 20040301 摘 要 1 题目题目题目题目曲面烧蚀面积的测量及数据处理 系统的研究 学科名称学科名称学科名称学科名称: 测试计量技术及仪器 作者姓名作者姓名作者姓名作者姓名张 涛 签名 导师姓名导师姓名导师姓名导师姓名郭俊杰 教授 签名 答辩日期答辩日期答辩日期答辩日期2004.3 摘摘摘摘 要要要要 随着近代科学技术的发展几何尺寸与形位测量已从简单的一维二维坐标 或形体发展到复杂的三维物体测量而被测物的图像包含丰富的信息为此利用 图像测量已经成为
2、一个重要的研究课题这对进一步提高测量精度测量速度 测量自动化减轻操作人员的劳动强度具有重要的现实意义 对利用图像检测技术测量几何量如长度面积形状等的研究和应用大量 出现然而对面积测量的研究应用均局限于平面实际上在生产科研中对曲面 面积的测量有着重要的意义如火炮药筒烧蚀面积的测量它是分析炮弹的质量 和发射状况的一个重要手段 本文首次将三坐标测量机CMM与图像检测技术相结合利用 CMM 可 以准确运动的优点和图像测量的非接触测量能力研究回转曲面面积的测量 完成 了多幅图像的拼接并应用物体的颜色特征识别被测曲面的特定区域测量其面 积 其中文章对图像检测技术应用于回转曲面上特定区域面积检测时遇到的标
3、定几何校正图像展开与拼接图像分割等问题进行了深入研究实现了图像 检测系统的自动标定 图像特征区域准确 客观的识别和多幅图像高精度的拼接 较以往的手工测量是一个巨大的进步 据此所研发的烧蚀面积测量系统顺应测量仪器精密化集成化智能化的发 展趋势将机电光电和计算机技术有机地融为一体实际运行中在效率和速 西安理工大学硕士学位论文 2 度上达到良好的效果 现已成功应用于总参某兵器试验中心的火炮药筒烧蚀面积 测量系统中文章所提出的方法对于利用图像测量回转曲面物体的面积以及划 伤磨损锈蚀等具有重要的参考价值 关键词关键词关键词关键词 坐标测量机面积测量曲面图像分割颜色 ABSTRACT 3 SUBJECT:
4、 STUDY OF MEASURING & DATA PROCESSING SYSTEM OF ABLATION AREA ON CURVED SURFACE SPECIALITY: MEASUREMENT METROLOGY TECHNOLOGY & INSTRUMENT CANDIDATE: Zhang Tao SIGNATURE: INSTRUCTOR: ProfGuo Junjie SIGNATURE: ABSTRACT As the development of modern science and technology, measurement of geometric size,
5、 shape and position has expanded from one or two dimension to three. The image of workpiece contains rich information so image-based measurement has become an important subject to study. Its significant for further improvement of precision, speed and automatization of measurement and minimization of
6、 labor. There are many studies and applications of image-based measurement to inspect geometric quantum such as lengthareashape and so on. However, the research and application are limited within two-dimensional field. Actually, its significant of area measurement on curved surface in production and
7、 research. For example, the area measurement of cartridge surface ablation is an important means to analyze the quality and shoot of cannon. The paper deeply studies calibration correct of image distortion curved-surface spread and mosaicimage segmentation which happen in the area measurement of spe
8、cial regions on the curved surface using image technique. It achieved automatic calibrationcorrect recognition of characteristic region and exact joint of images. Its a great advancement compared with manual measurement. 西安理工大学硕士学位论文 4 Based on that, the system developed for ablation area measuremen
9、t combines mechanicsoptics and computer organically, according with the development trend of instrument towards high precisionintegration and intelligentizing. It has been in work with excellent efficiency. Now, it has run successfully on the measurement system developed for CPLA weapon trial center
10、. The method proposed in this paper can be referred when measuring areanicksabrasion and rust on curved surface. KeywordsCoordinates measuring machine (CMM)Area measurementCurved surfaceImage segmentationColor 第 1 章 绪论 1 1 1 1 1 绪论绪论绪论绪论 1.1 研究的背景和意义 近三四十年计算机的高速发展促进了数字图像处理技术的研究 并取得了许多成果得到了一些成功的应用在工业
11、领域研制出的 各种机器人视觉已能完成如物体识别与定位障碍识别与回避自动 导航等任务在航天军事运用中卫片与航片的自动判读景物识别 目标检测识别与定位目标跟踪成像与精确制导等也运用了数字 图像技术在医学领域基于 CT 图像的内部器官重建医学图像的分 析描述和识别DSA数字减影技术盲人导航等与图像技术的研 究成果密不可分 测量领域也不例外由于被测物图像包含有丰富的信息对于愈 来愈复杂的测量显示出强大的优势和潜力因此越来越多的人正致 力于研究应用图像处理技术去完成传统方法所无法完成的测量任务 许多国内外学者技术人员将各个学科如神经网络模糊数学模式 识别遗传算法小波分析等等与图像工程结合起来利用计算机的
12、 优点试图解决许多工程上的难题并已有成功地将图像检测应用于 各种工业检测如集成芯片检测钢管焊缝检测传统轴瓦裂缝检测等 图像检测技术的研究对满足日益复杂化和高精度的测量具有重要的 意义 本论文所研究课题正是在这样的环境下提出的首次将三坐标测 量技术与图像检测技术结合起来测量回转曲面上的特征面积并实 际应用于西安理工大学测控实验室为中国人民解放军总参某兵器实验 中心研制的炮弹结构特征量测量系统中的药筒烧蚀面积测量子系统 炮弹的结构特征量是用来描述炮弹的各个结构部位的外形尺寸 形状和位置的特征值例如弹体外径尾翼对称度药筒烧蚀面积 西安理工大学硕士学位论文 2 等该测量系统利用坐标测量机技术对多种型号
13、炮弹结构特征量中的 所有常规的几何量进行自动化高精度的测量 火炮炮弹发射后留在药筒表面上的烧蚀面积的大小和形状是分析 炮弹的制作和发射过程状况的一个重要参数以前一直靠手工进行测 量测量精度受到使用器材的限制和人为主观因素的影响测量误差 大而且效率低如何进行高精度快速自动检测是长期以来亟待解决的 问题另外随着烧蚀程度不同烧蚀的区域范围形状大小颜色 深浅均不相同造成这些区域的特征非常复杂被测对象表面又是曲 面使得准确测量面积遇到很多难点在传统测量方法对这种特殊问 题没有有效解决办法的情况下研制一种新颖有效的方法势在必行 1.2 国内外现状 对面积测量方法有很多文献 1 中根据光电扫描测量面积的原
14、理采用单片机进行光电采样和辛普生积分法连续测量不规则大面积 这种方法只能测量物体整体面积 文献 2 中介绍一种用激光作光源输 入的光纤笔以 CCD 检测时变图形面积的测量系统光纤笔沿产品边界 移动CCD 记录光纤笔亮点的轨迹闭合轨迹经图像处理可得面积 这种方法在确定边界的时候误差比较大 目前利用图像检测技术对面积测量具有一定的优势在文献 3 中 作者介绍了用 CCD 测量植物叶片面积的方法软件采用交互方式实现 图像分割系统标定和最终测量文献 4 中介绍应用图像法测量不规 则皮革表面积的方法上述文章研究的虽然是不规则物体面积测量 但只限于平面 三维曲面测量国内外的研究很多方法也提出了很多但大都是
15、 针对物体形貌测量 4的 文献 5 中介绍一种利用线阵 CCD 测量圆柱表 面的方法该方法对于本文所要实现的测量目的来说效率低而且 第 1 章 绪论 3 不能以同样的方法测量锥体的面积 1.3 研究的目的和方案 本论文提出将三坐标测量机与图像检测技术巧妙结合完成了传统 方法无法实现的烧蚀面积测量 其中利用三坐标测量机精确运动和准确定 位功能实现图像拼接 达到高的测量精度 另外根据物体图像的颜色测量 不规则曲面面积也是前所未有的 要求该测量系统在规定的时间内按照一定精度要求一次装卡 自动完成对药筒烧蚀区域面积的测量 1 1 1 1. . . .3 3 3 3. . . .1 1 1 1 系统组成
16、系统组成系统组成系统组成 药筒基本上由一个圆台或两个锥度不同的圆台表面组成是回转 体用图像检测的方法需要多幅图像才能获得整个表面的信息另 外为了提高测量精度常常采用提高光学系统放大倍数的方法这样 一来每次拍摄的实际区域相对较小为了保证精度和实现所需功能需 要进行图像拼接测量系统主要由三部分组成三维扫描测量的机电 系统信息获取的图像采集系统计算机测控系统第一部分为四自 由度坐标测量机图 1-1药筒的尾部与回转工作台相联支在 V 型 支撑微调机构上调整微调 V 型机构使药筒的轴线与回转中心重合并 平行于 Y 轴XYZ 三个平移量和回转角度的控制精度均高于图 像检测系统的分辨率第二部分由光源光学成像镜头安装在 Z 轴 上的 CCD 摄像头图像采集卡等组成完成图像拍摄任务第三部分 主要包括计算机测控和数据采集处理计算的各种软件硬件接口电路 及计算机自己编制的程序能保证整个控制和信息处理过程完全自动 和协调地进行 西安理工大学硕士学位论文 4 ? ? 转台 Z
