摆动喷管的摆动角度的测量系统及摆动角度的测量方法.pdf

1、(10)申请公布号 CN 102494663 A (43)申请公布日 2012.06.13 CN 102494663 A *CN102494663A* (21)申请号 201110382116.2 (22)申请日 2011.11.25 G01C 1/00(2006.01) (71)申请人 北京电子工程总体研究所 地址 100854 北京市海淀区永定路 50 号北 京电子工程总体研究所 85-1 号楼 (72)发明人 顾彬彬 邵云峰 朱瑾 李金波 秦建尊 吕东明 (74)专利代理机构 哈尔滨市松花江专利商标事 务所 23109 代理人 张宏威 (54) 发明名称 摆动喷管的摆动角度的测量系统及摆

2、动角度 的测量方法 (57) 摘要 摆动喷管的摆动角度的测量系统及摆动角度 的测量方法， 涉及一种角度测量技术， 具体设计到 一种摆动喷管的摆动角度的测量技术。它实现了 对装配完成的喷管的摆动角度的测量。测量系统 中的图像采集装置用于连续采集待测尾喷管的图 像信息， 并将采集到的图像信息发送给图像处理 计算机， 图像处理计算机用于将接收到的图像信 息进行处理， 并根据连续采集的图像信息获得待 测尾喷管的摆角信息。 测量方法中， 首先执行对测 量系统进行标定的步骤， 然后开始测量尾喷管的 摆动角度的步骤， 该步骤为下述两个步骤循环执 行 ： 一、 采集尾喷管的图像的步骤 ； 二、 根据采集 的图

3、像计算获得此刻待测尾喷管的摆动角度的步 骤。本发明适用于对装配完成的喷管的摆动角度 的测量。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 12 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 12 页 附图 1 页 1/2 页 2 1. 摆动喷管的摆动角度的测量系统， 其特征在于， 所述测量系统包括图像采集装置和 图像处理计算机， 所述图像采集装置用于连续采集待测尾喷管的图像信息， 并将采集到的 图像信息发送给图像处理计算机， 所述图像处理计算机用于将接收到的图像信息进行处 理， 并根据连续采集的图像信息获得待测尾喷管的摆角信息

4、。 2. 根据权利要求 1 所述的摆动喷管的摆动角度的测量系统， 其特征在于， 图像采集设 备采用 CCD 高速相机实现。 3. 根据权利要求 1 所述的摆动喷管的摆动角度的测量系统， 其特征在于， 所述图像处 理计算机中嵌入有图像处理模块， 该图像处理模块用于将接收到的图像信息进行处理， 并 根据连续采集的图像信息获得待测尾喷管的摆角信息 ； 所述图像处理模块包括图像获取单元、 图像处理单元、 人机界面单元模块和接口传输 单元， 其中 ： 图像获取单元， 用于通过接口传输单元读取图像采集装置发送的连续的图像信息， 还 用于将读取的连续的图像信息依次发送给图像处理单元 ； 图像处理单元， 用于

5、对接收到的多幅图像信息进行处理， 进而获得待测尾喷管的运动 角度， 还用于将获得的运动角度信息发送给人机界面单元 ； 人机界面单元， 用于实现操作者与硬件系统的命令及信息交互， 还用于显示输出接收 到的运动角度信息 ； 接口传输单元， 用于实现图像处理计算机与外部硬件系统之间的数据传输。 4. 根据权利要求 1 所述的摆动喷管的摆动角度的测量系统， 其特征在于， 所述的图像 采集装置由辅助光源和摄像设备组成， 所述摄像设备采用带有高速图像传输接口的图像采 集设备实现， 所述摄像设备通过该高速图像传输接口与图像处理计算机连接 ； 所述辅助光 源用于照射待测尾喷管， 给摄像设备提供辅助光源。 5.

6、 采用权利要求 1 所述的摆动喷管的摆动角度的测量系统实现摆动角度的测量方法， 其特征在于， 所述测量过程包括如下步骤 ： 首先执行对测量系统进行标定的步骤， 然后开始测量尾喷管的摆动角度的步骤， 该步 骤为下述两个步骤循环执行 ： 采集尾喷管的图像的步骤 ； 根据采集的图像计算获得此刻尾测尾喷管的摆动角度的步骤。 6. 根据权利要求 5 所述的摆动角度的测量方法， 其特征在于， 在执行对测量系统进行 标定的步骤之前， 将图像采集装置通过卡具与装有待测尾喷管的设备固定连接在一起。 7. 根据权利要求 5 所述的摆动角度的测量方法， 其特征在于， 对测量系统进行标定的 步骤进一步包括 ： 基准圆

7、的绘制步骤 ： 使图像采集装置采集图像， 并在该幅图像的中心位置画出一个圆 心标记 ； 以上述圆心标记为圆心绘制一个圆作为基准圆， 并保证所述待测尾喷管的全部图 像均位于该基准圆内 ； 以此基准圆所在平面为图像采集装置的镜头所在平面， 然后执行尾 喷管图像采集的步骤 ； 尾喷管图像采集的步骤 ： 图像采集装置采集待测尾喷管的图像， 然后执行拟合圆的绘 制步骤 ； 拟合圆的绘制步骤 ： 摄取该幅图像中的待测尾喷管的图像信息， 采用圆拟合算法拟合 权 利 要 求 书 CN 102494663 A 2 2/2 页 3 出所述图像信息中待测尾喷管的圆轮廓、 以及该圆轮廓的圆心和半径， 并根据计算结果在

8、 该图像中绘制出拟合圆， 定义该拟合圆所属的平面为待测尾喷管所在平面， 然后执行判断 步骤 ； 判断步骤 ： 判断所述图像中的原轮廓和基准圆的圆心是否重合、 半径是否相等， 当两个 条件都满足时， 标定完成 ； 如果有任意一个条件不满足， 则调整图像采集装置的镜头的摄像 角度， 返回执行尾喷管图像采集的步骤， 直到两个条件都满足为止。 8. 根据权利要求 5 所述的摆动角度的测量方法， 其特征在于， 根据采集的图像计算获 得此刻尾测尾喷管的摆动角度的步骤的包括下述步骤 ： 尾喷管识别的步骤、 尾喷管定位的步骤和摆动角度计算的步骤， 其中 ： 尾喷管识别的步骤为 ： 通过边缘检测， 识别待测尾喷

9、管是否出现在图像中 ； 尾喷管定位的步骤为 ： 通过模版匹配的方法获得待测尾喷管的初步位置 ； 然后通过最 小二乘法对获得的初步位置进行修改， 实现精确定位， 获得尾喷管的最终位置 ； 摆动角度计算的步骤为 ： 根据尾喷管的最终位置计算获得此时尾喷管的摆动角度。 9.根据权利要求8所述的摆动角度的测量方法， 其特征在于， 所述边缘检测采用Canny 边缘检测器实现。 10. 根据权利要求 8 所述的摆动角度的测量方法， 其特征在于， 所述摆动角度计算的步 骤为 ： 首先根据像素当量将偏转像素数转换为物理距离， 然后利用固定锥点高度和反正切公 式确定偏转角度。 权 利 要 求 书 CN 1024

10、94663 A 3 1/12 页 4 摆动喷管的摆动角度的测量系统及摆动角度的测量方法 技术领域 0001 本发明涉及一种角度测量技术， 具体设计到一种摆动喷管的摆动角度的测量技 术。 背景技术 0002 现有技术中， 在未装配状态下的喷管转角测量中， 可以通过在喷管上安置位移传 感器或者加速度传感器等方式实现测量， 此时需要较大尺寸的工装设备辅助。但当喷管 处于装配完整状态时， 受空间限制， 喷管显然无法使用工装设备， 从而无法使用接触式传感 器。 发明内容 0003 为了实现对装配完成的喷管的摆动角度的测量， 本发明设计了一种摆动喷管的摆 动角度的测量系统及摆动角度的测量方法。 0004

11、本发明所述的摆动喷管的摆动角度的测量系统包括图像采集装置和图像处理计 算机， 所述图像采集装置用于连续采集待测尾喷管的图像信息， 并将采集到的图像信息发 送给图像处理计算机， 所述图像处理计算机用于将接收到的图像信息进行处理， 并根据连 续采集的图像信息获得待测尾喷管的摆角信息。 0005 所述图像采集设备可以采用 CCD 高速相机实现。 0006 所述图像处理计算机中嵌入有图像处理模块， 该图像处理模块用于将接收到的图 像信息进行处理， 并根据连续采集的图像信息获得待测尾喷管的摆角信息 ； 0007 所述图像处理模块包括图像获取单元、 图像处理单元、 人机界面单元模块和接口 传输单元， 其中

12、 ： 0008 图像获取单元， 用于通过接口传输单元读取图像采集装置发送的连续的图像信 息， 还用于将读取的连续的图像信息依次发送给图像处理单元 ； 0009 图像处理单元， 用于对接收到的多幅图像信息进行处理， 进而获得待测尾喷管的 运动角度， 还用于将获得的运动角度信息发送给人机界面单元 ； 0010 人机界面单元， 用于实现操作者与硬件系统的命令及信息交互， 还用于显示输出 接收到的运动角度信息 ； 0011 接口传输单元， 用于实现图像处理计算机与外部硬件系统之间的数据传输。 0012 本发明所述的摆动角度的测量方法包括如下步骤 ： 0013 首先执行对测量系统进行标定的步骤， 然后开

13、始测量尾喷管的摆动角度的步骤， 该步骤为下述两个步骤循环执行 ： 0014 采集尾喷管的图像的步骤 ； 0015 根据采集的图像计算获得此刻待测尾喷管的摆动角度的步骤。 0016 在上述执行对测量系统进行标定的步骤之前， 将图像采集装置通过卡具与装有待 测尾喷管的设备固定连接在一起。 说 明 书 CN 102494663 A 4 2/12 页 5 0017 所述对测量系统进行标定的步骤进一步包括 ： 0018 基准圆的绘制步骤 ： 使图像采集装置采集图像， 并在该幅图像的中心位置画出一 个圆心标记 ； 以上述圆心标记为圆心绘制一个圆作为基准圆， 并保证所述待测尾喷管的全 部图像均位于该基准圆内

14、 ； 以此基准圆所在平面为图像采集装置的镜头所在平面， 然后执 行尾喷管图像采集的步骤 ； 0019 尾喷管图像采集的步骤 ： 图像采集装置采集待测尾喷管的图像， 然后执行拟合圆 的绘制步骤 ； 0020 拟合圆的绘制步骤 ： 摄取该幅图像中的待测尾喷管的图像信息， 采用圆拟合算法 拟合出所述图像信息中待测尾喷管的圆轮廓、 以及该圆轮廓的圆心和半径， 并根据计算结 果在该图像中绘制出拟合圆， 定义该拟合圆所属的平面为待测尾喷管所在平面， 然后执行 判断步骤 ； 0021 判断步骤 ： 判断所述图像中的原轮廓和基准圆的圆心是否重合、 半径是否相等， 当 两个条件都满足时， 标定完成 ； 如果有任

15、意一个条件不满足， 则调整图像采集装置的镜头的 摄像角度， 返回执行尾喷管图像采集的步骤， 直到两个条件都满足为止。 0022 所述根据采集的图像计算获得此刻待测尾喷管的摆动角度的步骤的包括下述步 骤 ： 0023 尾喷管识别的步骤、 尾喷管定位的步骤和摆动角度计算的步骤， 其中 ： 0024 尾喷管识别的步骤为 ： 通过边缘检测， 识别待测尾喷管是否出现在图像中 ； 0025 尾喷管定位的步骤为 ： 通过模版匹配的方法获得待测尾喷管的初步位置 ； 然后通 过最小二乘法对获得的初步位置进行修改， 实现精确定位， 获得尾喷管的最终位置 ； 0026 摆动角度计算的步骤为 ： 根据尾喷管的最终位置

16、计算获得此时尾喷管的摆动角 度。 0027 本发明所述的摆动喷管的摆动角度测量系统的能够测量喷管的摆动角度的方 向范围达到了单轴 5.5 ； 角度测量结果以 Y、 Z 单轴对应角度显示， 测量精度不低于 0.3 ； 采样速率不小于 50Hz ； 能够实现对采集的数据进行初步实时处理， 并实时显示运 动方向及角度数值、 同时描绘出运动轨迹。 0028 本发明所述的摆动喷管的摆动角度测量系统能够综合测试摆动喷管的摆动角度， 进而给喷管控制系统提供精确的测量信息， 使得摆动喷管的动作能够与指令保持一致， 达 到规定要求。 附图说明 0029 图 1 是待测量的喷管截面示意图， 图 2 是本发明所述的

17、 PC-Based 视觉系统的原理 框图， 图 3 是具体实施方式五中所述的被搜索图 S 的示意图， 图 4 是模板示意图。 具体实施方式 0030 具体实施方式一 ： 本实施方式所述的摆动喷管的摆动角度的测量系统包括图像采 集装置和图像处理计算机， 所述图像采集装置用于连续采集待测尾喷管的图像信息， 并将 采集到的图像信息发送给图像处理计算机， 所述图像处理计算机用于将接收到的图像信息 进行处理， 并根据连续采集的图像信息获得待测尾喷管的摆角信息。 说 明 书 CN 102494663 A 5 3/12 页 6 0031 所述图像采集装置一般采用三角架固定， 可使图像采集装置的的镜头方向在三

18、维 空间内以任意自由度向任意方向调整。 0032 本实施方式中的图像采集装置的图像分辨率不低于 10241024、 图像采集速率不 低于 50fps。 0033 本实施方式中， 图像采集设备采用 CCD 高速相机实现， 例如， 可以采用型号为 Adimec公司Opal 1000系列相机， 该相机具有GigE Vision接口， 可直接通过千兆以太网口 直接连接到计算机。 0034 在测量过程中， 将图像采集装置通过卡具与装有待测尾喷管的设备固定连接在一 起， 进而保证在测量过程中， 待测尾喷管与图像采集装置之间的相对位置稳定， 便于图像采 集装置的标定， 提高测量精度。 0035 本实施方式所

19、述的摆动喷管的摆动角度的测量系统可以采用基于 PC-Based 视觉 系统实现， 该系统的原理框图参见图 2 所示， 该系统中， 采用摄像机对尾喷管进行图像采 集， 采集的图像数据经采集卡传输至图像处理计算机， 并存储至存储器， 由图像处理计算机 上运行的图像处理模块实时完成图像的处理及角度的测算， 或者在所有图像采集完成后对 图像数据进行处理及角度的测算。由于 PC-Based 视觉系统可以在图像采集之后对数据进 行处理， 从而可以计算复杂度高但精度也较高的图像处理算法， 从而提高测量精度， 且由于 采用存储器对图像数据进行了存储， 方便历史测试信息的查询。 0036 上述 PC-Based

20、 视觉系统中， 可以采用大容量内存实现图像数据的存储。 0037 在该方案中， 图像数据通过安装于图像处理计算机中的图像采集卡直接存储至图 像处理计算机中， 或者通过 GigE 接口和 1000M 网卡直接存储至图像处理计算机的内存中， 在内存中进行图像处理后， 可以转储至图像处理计算机的硬盘中。 0038 上述系统中， 图像处理计算机的其 CPU 性能不低于酷睿 II 2.4GHz ； 内存不低于 1G ； 硬盘不低于 500G ； 并且配有 10M/100M/1000M 自适应标准网卡， 可选择工控机实现。 0039 上述系统中， 图像处理计算中的图象处理模块是实现对图像采集装置获取的图像

21、 信息进行处理及角度的测算， 该图像处理模块包括图像获取单元、 图像处理单元、 人机界面 单元模块和接口传输单元 ； 0040 图像获取单元， 用于通过接口传输单元读取图像采集装置发送的连续的图像信 息， 还用于将读取的连续的图像信息依次发送给图像处理单元 ； 0041 图像处理单元， 用于对接收到的多幅图像信息进行处理， 进而获得待测尾喷管的 运动角度， 还用于将获得的运动角度信息发送给人机界面单元 ； 0042 人机界面单元， 用于实现操作者与硬件系统的命令及信息交互， 还用于显示输出 接收到的运动角度信息 ； 0043 接口传输单元， 用于实现图像处理计算机与外部硬件系统之间的数据传输。

22、 0044 上述图像处理模块采用软件实现， 编辑该模块的过程中可以采用 Sapera Processing， Sapera 是一套用于图像处理与分析的高度优化的软件编程库， 该软件编程库 包括用于滤波、 形态分析、 点对点操作、 几何分析、 变换和测量的图像处理库， 以及能进行模 式匹配、 字符识别、 条形码和 Blob 分析的高级图像分析工具集。 0045 所述快速原型开发工具 Sapera Processing 是用于图像处理与分析的基于 Windows 的综合编程库， 旨在简化视觉应用的开发过程。Sapera Processing 提供一个综 说 明 书 CN 102494663 A 6

23、 4/12 页 7 合的优化工具集， 可作为套件使用， 也可单独使用。虽然 Sapera Processing 针对 DALSA Coreco 生产的板卡进行了优化， 但它独立于硬件以外， 可以移植到第三方平台上。Sapera 使用高性能的 C+ 类和 MMX、 SSE( 流式 SIMD 扩展 ) 以及 SSE2， 以满足当前的图像处理系统 复杂的操作要求。 0046 具体实施方式二 ： 本实施方式是对具体实施方式一所述的摆动喷管的摆动角度的 测量系统的中的图像采集装置作进一步限定， 本实施方式中所述的图像采集装置由辅助光 源和摄像设备组成， 所述摄像设备采用带有高速图像传输接口的图像采集设备

24、实现， 所述 摄像设备通过该高速图像传输接口与图像处理计算机连接 ； 所述辅助光源用于照射待测尾 喷管， 给摄像设备提供辅助光源。 0047 由于喷管视场比较大， 且喷管运动速度较高， 因此在摄像时视场内的亮度对图像 质量影响比较大， 因此需要辅助光源对摄像设备的视场区域进行补光， 进而为图像系统提 供稳定且易突出图像特征的照明。 0048 本实施方式中所述的辅助光源， 可以采用一对光源实现， 所述一对光源对称摆放 在待测尾喷管的两侧， 保证摄像设备摄像区域的光源分布均匀。 所述辅助光源可以采用LED 光源实现。 0049 所述摄像设备的镜头是摄像设备的关键部件， 对其的选择直接影响摄像设备取

25、图 像的质量。 0050 所述摄像设备的镜头的焦距是根据实际测量物体的大小远近来确定的， 一般情 况， 镜头的焦距可根据如下公式来计算， 0051 f wD/W 0052 式中 f 表示镜头焦距， w 表示被摄物体在 CCD 靶面上的成像宽度， W 表示被测物体 的实际宽度， D 表示被摄物体至镜头的距离。 0053 例如， 当视场 W 取 650mm， 摄取图像采用的工业相机使用了 1/2” CCD(6.4*4.8)， 考 虑 CCD 尺寸较小方向， 因此 w 取 4.8mm， 物距 D 可选取 1300mm， 此时根据焦距计算公式可算 出镜头焦距由公式计算获得为 ： 0054 0055 根

26、据上述计算结果， 实际可选取焦距为 12mm 的镜头， 该焦距的镜头可兼顾畸变与 长焦的抖动敏感问题， 在利用较大焦距镜头的小畸变优势的同时， 也可在一定程度上减弱 因轻微抖动造成的测量误差。 0056 在对动态物体进行摄像的技术中， 曝光时间是个关键参数， 其不但要保证摄像时 的光线的充足、 图像清晰， 还需要保证不产生不产生模糊现象， 因此， 在摄像技术中， 曝光参 数是个关键技术参数。 0057 本实施方式中设定图像设备的曝光时间为 ： 曝光时间摄像设备的像素当量 / 待 测尾喷管的运动速度。 0058 例如， 当摄像设备的像素当量为 0.635 时， 待测尾喷管的运动速度是 20 度

27、/s 时， 曝光时间应满足 ： 0059 说 明 书 CN 102494663 A 7 5/12 页 8 0060 上式中， 所述的待测喷管的运动速度是指待测喷管末端的切线速度。当待测尾喷 管的固定锥点高度为 457mm 时， 由上式计算获得曝光时间约为 3.98ms。 0061 根据上述计算结果， 可以选择摄像设备的最小曝光时间为 2s， 能够满足最大 3.98ms 曝光时间的限制。 0062 具体实施方式三、 本实施方式所述是采用本发明所述的摆动喷管的摆动角度的测 量系统实现摆动角度的测量过程的说明。 0063 本实施方式所述的测量过程为 ： 0064 首先执行对测量系统进行标定的步骤，

28、然后开始测量尾喷管的摆动角度的步骤， 该步骤为下述两个步骤循环执行 ： 0065 采集尾喷管的图像的步骤 ； 0066 根据采集的图像计算获得此刻待测尾喷管的摆动角度的步骤。 0067 具体实施方式四、 本实施方式是对具体实施方式三所述的测量方法中的对测量系 统进行标定的步骤的进一步说明， 本实施方式所述的对测量系统进行标定的步骤进一步包 括 ： 0068 基准圆的绘制步骤 ： 使图像采集装置采集图像， 并在该幅图像的中心位置画出一 个圆心标记 ； 以上述圆心标记为圆心绘制一个圆作为基准圆， 并保证所述待测尾喷管的全 部图像均位于该基准圆内 ； 以此基准圆所在平面为图像采集装置的镜头所在平面，

29、 然后执 行尾喷管图像采集的步骤 ； 0069 尾喷管图像采集的步骤 ： 图像采集装置采集待测尾喷管的图像， 然后执行拟合圆 的绘制步骤 ； 0070 拟合圆的绘制步骤 ： 摄取该幅图像中的待测尾喷管的图像信息， 采用圆拟合算法 拟合出所述图像信息中待测尾喷管的圆轮廓、 以及该圆轮廓的圆心和半径， 并根据计算结 果在该图像中绘制出拟合圆， 定义该拟合圆所属的平面为待测尾喷管所在平面， 然后执行 判断步骤 ； 0071 判断步骤 ： 判断所述图像中的原轮廓和基准圆的圆心是否重合、 半径是否相等， 当 两个条件都满足时， 标定完成 ； 如果有任意一个条件不满足， 则调整图像采集装置的镜头的 摄像角

30、度， 返回执行尾喷管图像采集的步骤， 直到两个条件都满足为止。 0072 当所述基准圆和拟合圆的圆心重合、 切半径相等， 就可以认为相机轴线与尾喷管 轴线重合， 进而达到消除透视畸变误差的校正。 0073 本发明所述的摆动喷管的摆动角度的测量系统在使用之前， 需要进行标定， 进而 修正图像采集装置中的镜头产生的畸变误差， 确定目标与摄像机的相对坐标， 提高角度测 量精度。 0074 下面， 以像素为 1024*1024 的图像为例说明上述标定过程 ： 0075 首先在采集到的图像中画出圆心为 (512， 512)( 位于图像中心处 )， 半径为 340 的 圆 ( 保证画出的圆小于图像大小且留

31、出一定余量 )， 单位为像素， 此圆所在平面为相机平 面 ； 然后利用圆拟合等算法拟合出图像中的尾喷管的轮廓圆， 并得到拟合圆的圆心和半径， 判断圆心是否为 (512， 512)， 半径是否为 340 ； 若不等， 则调图像采集装置镜头的角度， 重复 说 明 书 CN 102494663 A 8 6/12 页 9 上述过程， 得到新的拟合圆心和半径值， 再次判断 ； 以任意自由度使脚架上的相机向上下、 左右、 前后任意方向不断调整位置， 直到两圆圆心重合， 半径相等为止， 则此时相机轴线与 尾喷管轴线重合。 0076 在本实施方式所述的标定步骤中， 可以采用喷管模拟器代替测量对象， 该模拟器

32、用于模拟喷管的动作特性， 辅助测量系统的调试以及精度校准。 0077 所述喷管模拟器的外形与实际待测喷管的外观、 尺寸、 运动方式完全一致。 0078 上述喷管模拟器可以由待测尾喷管样件和驱动装置实现， 所述待测尾喷管样件采 用铝合金材料制作， 其外形尺寸与喷管及喷管外侧的壳体完全相同， 并且各部分颜色与实 际待测尾喷管完全一致 ； 驱动装置用于带动待测尾喷管样件进行摆动。所述驱动装置采用 步进电机实现， 所述步进电机的转动角度误差在 0.05 度以内， 使尾喷管的实际转动角度误 差相同。 0079 上述喷管模拟器的精度需高于视觉测量系统， 其转动角度误差应小于 0.1 度， 按 照误差传递

33、1/3 原则， 本实施方式所述的测量系统精度仅为 0.3 度。 0080 具体实施方式五、 本实施方式是对具体实施方式三所述的测量方法中， 根据采集 的图像计算获得此刻待测尾喷管的摆动角度的步骤的进一步说明， 该步骤包括尾喷管识别 的步骤、 尾喷管定位的步骤和摆动角度计算的步骤， 其中 ： 0081 尾喷管识别的步骤为 ： 通过边缘检测， 识别待测尾喷管是否出现在图像中 ； 0082 尾喷管定位的步骤为 ： 通过模版匹配的方法获得待测尾喷管的初步位置 ； 然后通 过最小二乘法对获得的初步位置进行修改， 实现精确定位， 获得尾喷管的最终位置 ； 0083 摆动角度计算的步骤为 ： 根据尾喷管的最

34、终位置计算获得此时尾喷管的摆动角 度。 0084 本实施方式中， 所述边缘检测采用 Canny 边缘检测器实现， 具体过程为 ： 0085 1)、 用高斯滤波器对待处理图像进行平滑处理， 采用 Gauss 滤波函数的标准方差 和邻域对待处理图像进行卷积运算， 得到平滑图像 ； 利用平滑滤波可以达到抑制噪声的 目的， 但同时也会造成边缘损失。 0086 2)、 采用一阶偏导数的有限差分计算梯度的幅值和方向 ； 0087 3)、 对待处理图像， 采用梯度幅值进行非极大值抑制的方法获得待处理图像中的 所有边缘点 ； 具体过程为 ： 以图像上某一点处的边缘强度值大小并不能确定该点是否为边 缘点， 需要

35、采用非极大值抑制确定边缘点。 0088 非极大值抑制的基本思想是， 如果图像上某像素点的边缘强度小于沿梯度线方向 上的两个相邻像素点的边缘强度， 则认为该像素点为非边缘点， 将该处梯度幅值置 0。经过 非极大值抑制处理后的图像依然存在许多由噪声和细纹理引起的假边缘， 仍需用双阈值算 法进一步检测边缘并进行边缘连接。 0089 4)、 采用双阈值算法检测方法连接步骤 3) 获得的的所有边缘点， 获得待处理图像 中的待测尾喷管的轮廓。 0090 Canny 算子边缘检测性能较好其中原因之一是采用了双阈值技术。通常在只有一 个阈值的情况下， 阈值选择过大会导致边缘信息丢失， 阈值选择过小会保留一部分

36、伪边缘， 选择一个合适的阈值是比较困难的， 而双阈值技术是一种比较好的解决方案。 0091 所述双阈值算法是设定两个阈值 1和 2(2 1)， 对非极大值抑制图像进行 说 明 书 CN 102494663 A 9 7/12 页 10 双阈值化， 可得到一个高阈值检测结果和一个低阈值检测结果。然后在高阈值检测结果中 连接边缘轮廓， 连接到端点时， 到低阈值检测结果中寻找边缘点， 直到高阈值检测结果所有 间隙连接起来为止。固定的阈值作用于图像是不能满足实际需要的， 在双阈值算法的基础 上， 采用动态阈值算法可以弥补 Canny 算法对灰度值不均匀图像进行边缘检测时丢失边缘 的不足， 具有检测模糊边

37、缘的能力。 0092 边缘是指图像局部亮度变化最显著的部分。边缘主要存在于目标与目标、 目标与 背景、 区域与区域之间， 是图像分割、 纹理特征提取和形状特征提取等图像分析的重要基 础。图像分析和理解的第一步常常是边缘检测。 0093 本项目中的尾喷管检测考虑到光照不均匀及光照强度变化等因素的干扰， 如果基 于图像灰度进行检测， 检测结果会出现较大误差， 在光照变化较剧烈的情况下甚至会出现 误识别现象。 为避免上述情况的发生， 可利用对光照较不敏感的边缘图像进行检测， 本项目 的尾喷管检测算法是基于边缘图像的， 因此边缘检测是定位算法的第一步。 0094 图像边缘是图像灰度(亮度)发生空间突变

38、或者在梯度方向上发生突变的像素的 集合。 图像边缘可以划分为阶跃状边缘和脉冲状边缘， 其中， 阶跃状边缘两边的灰度值有明 显的变化， 而脉冲状边缘处于灰度增加和减小的交界处。在数学上可以利用其灰度变化曲 线的一阶、 二阶导数来描述两种不同的边缘。 0095 检测阶跃边缘的基本思想是检测出图像中局部梯度值最大的点， 但实际的图像由 于是经过摄像机获取， 由于其光学和电路系统带宽限制， 图像相当于经过了一个低通滤波 器的平滑， 因此边缘变得不十分陡立。同时图像也会受到摄像机本身的系统噪声和场景噪 声等的干扰， 为精确确定边缘位置， 既要滤除噪声， 又要保留边缘信息， 有一种线性算子可 以在滤除噪声

39、和精确定位之间选择一个最佳折衷方案， 这就是高斯函数的一阶导数。 0096 Canny 边缘检测器是高斯函数的一阶导数， 在高斯噪声中， 一个典型的边缘代表一 个阶跃的强度变化。根据这个模型， Canny 提出了评价边缘检测性能优劣的 3 个指标 ： 0097 (1) 好的信噪比， 即尽可能少丢失真正的边缘点又尽可能避免将非边缘点检测为 边缘点。漏检真实边缘和误检非边缘这两种错误概率都是输出信噪比 SNR 的单调递减函 数， 因此信噪比可用来作为衡量边缘检测算子性能的指标之一。 设输入图像为G(x)， 边缘检 测滤波函数为 f(x)， 滤波器为有限冲激响应， 窗口为 -W， W， 边缘发生在

40、x 0， 信号中的 噪声是加性高斯白噪声 n(x)， 其方差为 02， 则信噪比 SNR 可表示为 0098 0099 (2)好的定位性能， 即检测的边缘尽可能接近真实的边缘。 可以用检测精度L进行 定量描述 0100 0101 L 的值越大， 对于边缘的定位越准确。 0102 将 (1) 与 (2) 两个准则结合起来， 可以用检测边缘的信噪比 SNR 和检测精度 L 的 乘积来描述边缘检测算子， 即 说 明 书 CN 102494663 A 10 8/12 页 11 0103 0104 (3) 对单一边缘有唯一响应， 即单个边缘产生多个响应的概率要低， 并且最大限度 地抑制虚假边缘的响应。

41、0105 Canny 边缘检测的基本思想是 ： 首先对图像选择一定的 Gauss 滤波器进行平滑滤 波， 然后求取一阶偏导， 对求导后的图像进行非极大值抑制， 得到最后的边缘图像。从本质 上讲， Canny 边缘检测算子属于具有平滑功能的一阶微分算子。 0106 视觉系统受外界自然光线影响较大， 外界杂光对摄像系统会产生光照强度改变及 光照不均的情况， 这对基于图像灰度进行检测的算法来说影响较大， 而边缘图像对光照较 不敏感， 因此定位算法在预处理阶段对获取的原始图像进行了边缘提取， 以此为基础进行 定位， 可较好地克服自然光线改变所带来的影响。 0107 通过模版匹配的方法获得待测尾喷管的初

42、步位置的过程中， 采用边缘检测步骤获 得的待测尾喷管的轮廓图像进行模版匹配。 0108 模板匹配是计算机视觉技术中常用的识别或验证方法， 它可以从图像中检测某一 特定目标是否出现及出现的位置， 是目前视觉应用中较为成熟的技术之一， 具有速度快、 精 度高的特点。 0109 本实施方式中， 是基于边缘图像进行模版匹配方法， 而不是对于整个图像进行模 版匹配， 因此， 计算量小、 节约计算资源， 且处理速度块。 0110 模板匹配问题可以用一般的相关模型来描述。设 g(i， j) 为一模板， f(i， j) 为一 待匹配图像， 所谓匹配就是确定图像中是否有模板目标存在以及模板相对于匹配图像的位 置

43、。 基于以上目的， 最简单的一种方法就是将模板放置在图像中的某一位置， 比较模板和图 像对应位置处的灰度值， 如果灰度值相同， 即可确定图像该位置存在模板中的目标。 但通常 情况下灰度值很少能够较好地匹配， 因此需要另外定义一些相似性测度来判断模板是否匹 配于图像某一特定位置。如下定义是常用的误差平方和测度， 即 0111 0112 其中， Re 代表模板区域。 0113 上式是一种应用最广泛的相似性测度， 通过该式， 可导出另外一种相似性侧度， 以 大大减小计算量。将误差平方和式展开， 得 0114 0115 一般情况下， 可将 S 和 T 看成是固定不变的， 上式右边第一项和第二项分别是图

44、 像和模板的能量， 它们与模板匹配无关， 因此可用替代误差平方和测度， 由式可见， 越大， 则模板与图像相应位置子图的匹配程度越高。称为S与T的互相关。 如模板大小为 MN， 则互相关值可以下式计算 0116 0117 模板匹配的目的是找到互相关值最大且大于某一阈值的位置， 该位置即是模板的 说 明 书 CN 102494663 A 11 9/12 页 12 最佳匹配位置。然而， 当假设 S 与 T 为常量时， 模板 T 虽然可以看成固定不变， 但随着模板 的移动， 图像 S 上与模板对应的子图却是变化的， 此时， 互相关值 R 取决于 S 中与模板对应 的子图， 因此， 单通过互相关公式无法

45、确定正确的匹配位置。 这一问题可通过归一化互相关 的方法来解决。此时的互相关值 R 可通过下式来计算 0118 0119 归一化后， 互相关值满足不等式0R(i， j)1， 当且仅当T(m， n)kS(m， n)时， R(i， j) 1。这里 k 为标量常数。 0120 模板可看成是一幅小的图像， 模板匹配的一般过程就是在带匹配图像中进行搜 索， 其过程可参见图 3 和图 4 表示， 其中图 3 是被搜索图 S， 图 4 是模板。 0121 子图 Si， j就是被搜索图 S 中与模板对应的部分， 以模板从某一起始位置开始在被 搜索图中逐像素移动并作互相关， 即可得到每一像素位置处的互相关值，

46、搜索完毕后， 找出 互相关最大且大于某一规定阈值的位置， 该位置即为模板最佳匹配位置。这种方式计算量 比较大， 计算速度缓慢。 0122 作为一个有实际应用意义的图像匹配系统， 必须满足快速匹配的要求， 在不损失 或基本不损失匹配效果的基础上高速完成匹配过程， 这就要求在一般的图像匹配算法的基 础之上再进行算法研究， 从而得到既保证匹配效果， 又兼顾匹配速度的图像匹配算法。 0123 本实施方式中， 相机是在静止的状态下拍摄运动的尾喷管， 并给出尾喷管坐标信 息或角度信息， 尽可能减少处理等待时间。 0124 所述模板匹配的过程可以采用金字塔分层搜索算法实现模版匹配， 具体过程为 ： 0125

47、 1)、 图像预处理 0126 对待匹配的图像进行分层预处理， 将每 nn 个像元加权平均为一个像元构成第 二级图像， 如此继续下去可构成一系列的序列 ： 0127 为 MM 维的实时图序列， 0128 为 NN 维的模板图像序列， 0129 式中 l 0， 1， 2， ， I， I 是实际分层的层数， 分层层数的选取， 要根据实时图和模 板图的大小以及 n 的大小确定， 一般来讲， 在实际应用中通常选取不超过 5 的分层数。 0130 将每一个图像序列叠摞起来形成一个金字塔结构， 获得两个金字塔结构， 位于金 字塔底层的图像的分辨率最高， 维数最大， 即 l 0 层， 金字塔顶层， 即 l

48、I 层的图像分辨 率最低 ； 0131 第一次相关搜索从分辨率最低和维数最小的图像对开始， 由于最高一层图像对的 像元数比较少， 加上损失了一部分高频信息， 所以， 在粗相关过程中正确匹配的概率是不大 的。因此， 为了提高匹配概率， 应该设法改善金字塔上层图像对的信噪比。如将较高分辨率 的图像对通过低通滤波器以后， 再以二倍于它的空间采样间隔进行采样， 从而得到具有比 直接分层法更高信噪比的图像对。 对于其它各层， 也作相应处理， 这种技术称之为分层搜索 说 明 书 CN 102494663 A 12 10/12 页 13 预处理。 0132 2)、 从金字塔的顶层开始、 向底层逐层进行相关性搜索， 逐一对比两个金字塔的第 1 层图像， 在每一层的搜索过程中， 在每一个搜索位置上进行相关计算， 并确定该层中的所 有相匹配的位置 ； 然后在下一层的搜索过程中， 只对与本次搜索获得的每一个相匹配的位 置对应的位置区域进行相关性搜索， 依次类推， 直到在最高分辨率的最底层的匹配时， 获得 模板图和实时图上找到匹配位置为止。 0133 所述金字塔分层搜索算法又称金字塔加速算法， 是模仿人类搜寻目标时先粗后细 的顺序而设计的， 它可以有效地提高模板匹配的速度。 0134 本实施方式中， 在模型匹配过程中除了在分辨力最低和尺寸最小的图上作全区搜 索之外， 其它各层的搜索都是在少数几