1、邮局订阅号 : 82-946 360 元 / 年技术创新传 感 器 与 仪 器 仪 表 PLC 技术应用 200 例 您的论文得到两院院士关注基 于LabVIEW机器视觉的微小位移动态测 量Dynamicly Measuring Weenie Displacement Based on Labview Vision( 佛山科学技术学院 ) 韩定安 曾亚光 苏佳槟 唐坚林HAN DINGAN ZENG YAGUANG SU JIABING TANG JIANLIN摘要 : 本文采用 LabVIEW 机器视觉平台开发设计基于 USB 摄像头的微小位移测量系统 。 使用 LabVIEW 软件平台编程
2、控制 USB 摄像头 , 采集显微镜中放大物体前后移动的图像 , 通过计算物体图像移动像素点数来测量物体移动的微小位移 。 本测量系统摄像帧速为 30 帧 / 秒 , 可以实现微小位移的动态测量 。关键词 : 微小位移 ; LabVIEW ; USB 摄像头 ; 读数显微镜中图分类号 :TN911.7 文献标识码 :AAbstract: With the Labview Vision, the reading microscope and USB camera, a proto- type instrument system measuring the weeniedisplacement i
3、s demonstrated The program can be used to control the USB camera and acquire the image enlarged by the readingmicroscope. As the shooting speed is 30 frame/s, the dynamic measure can be implemented.Key words:weenie displacement,LabVIEW,USB camera, eading microscope文章编号 :1008- 0570(2007)11- 1 - 0135-
4、 02前言测量物体的微小位移在许多方面如数控机床的精确加工等 , 有广泛的应用 。 目前测量物体的微小位移已经发展了多种方法 : 激光位移传感器测量法 、 电容位移传感器测量法等 。 本文实现了一种基于 LabVIEW 机器视觉软件平台和读数显微镜以及 USB 摄像头测量微小位移的系统 。 该系统成本低 , 操作方便 , 并实现了计算机的实时动态测量 。 由美国 NI 公司推出的LabVIEW 是目前最流行 、 应用最广 、 发展最快和功能最强的图形化数据软件 。 NI 公司推出的机器视觉平台是专门的图像处理软件平台 。 本测量系统采用 LabVIEW 和机器视觉软件平台编程控制 USB 摄像
5、头采集读数显微镜的物体图像移动 , 通过计算机判断物体图像的像素移动来计算物体移动的微小位移 。 整个实验过程中 , 图像采集和数据处理都是通过 LabVIEW软件编程实现 。 由于摄像头的帧速为 30 帧 / 秒 , 因此可实现动态测量 、 实时显示结果并将数据实时保存 。1 实验原理和思路通过读数显微镜的放大作用把物体发生的微小位移放大 , 利用摄像头拍摄物体放大的图像 , 用计算机对图像进行二值化处理 , 通过移动前后图像质心位置像素点的变化可计算出物体位移的变化 。 图 1 是实验原理和测量流程图 。图 1 微小位移测量实验原理实验思路如下 : 读数显微镜底座的 LED 发射出均匀稳定
6、的光 , 照射到显微镜载物台的玻璃片上 。 物体的移动牵引显微镜物镜下的细丝产生微小位移 , 这里 , 细丝的位移就是物体的位移 。 显微镜对细丝成一个清晰放大的像 , 被置于目镜上的USB 摄像头采集到图像并将图像传到计算机进行处理 。 计算机对采集到的图像先进行二值化处理 , 滤去背景图像的影响 , 计算出图像质心的位置 。 通过比较前后图像质心的位置坐标 , 可计算出质心移动的像素点 。 实验中通过多次测量 , 先得出图像单位像素点和物体实际位移的比例系数 。 实际测量物体的位移时 , 通过计算出图像质心像素点的变化 , 再乘以单位像素点的变化与物体实际位移的比例系数 , 计算出物体的实
7、际位移 。实验中使用的实验仪器和装置包括 : 读数显微镜 ( 型号为 :JCD- , 上海光学仪器厂 ) 。 实验中显微镜的目镜 10 , 物镜 10 , 对细丝的放大倍数为 100 倍 。 摄像头 : 普通罗技快看高手版( 罗技公司 ) , 摄像头的分辩率 320 240 , 30 万像素 , 拍摄帧速为30 帧 / 秒 。 细丝为精确加工的黑色细丝 , 直径约为 。2 基于 LabVIEW 和 视觉开 发 平 台测量系统的程序设计2.1 程序设计的思路实验通过采用 LabVIEW 视觉软件平台编程控制 USB 摄像头采集显微镜中放大的物体图像 。 通过对图像进行计算和处理 , 计算出移动物
8、体图像的质心像素的位置变化来测量物体的微小位移 。 在 LabVIEW 的机器编程中 , 采用编程控制 USB摄像头的采集 。 为了滤去背景图像和噪音的影响 , 采集到的图像需经过二值化处理 。 通过设定门限值 , 将图像像素值高于门限值的设为最高像素值 , 低于门限值的置零 , 获得细丝的二值化图像 。 调用视觉开发平台中的专门模块计算出细丝图像质心的像素位置 , 进一步计算出移动前后质心像素位置变化的像素点个数 。 测量时 , 通过计算出图像质心移动的像素点个数乘以单位像素点的变化与实际距离的比例系数 , 求得物体移动的实际距离 。2.2 测量程序显示界面的设计USB 摄像头将被测物体所成
9、像变为数字图像输入计算机 , 由 LabVIEW 软件平台调用并显示 。 考虑到显示的方便 , 测韩定安 : 讲师 博士基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (10547108)135-技术创新中文核心期刊 微计算机信息 ( 测控自动化 )2007 年第 23 卷第 11- 1 期360 元 / 年 邮局订阅号 : 82-946 现场总线技术应用 200 例 传 感 器 与 仪 器 仪 表量程序设为两个界面显示 。 图 2 是测量程序的实时同步测量界面 。“ 图像跟踪 ” 实时显示摄像头拍摄到的显微镜成的细丝图像 , 直观显示图像移动 , 图中黑色物体为细丝的图像 ; “ 结果 ” 和 “
10、位移记录 ” 实时显示物体位移变化 ; 点击 “ 开始测量 ”键 , 计算机启动摄像头开始测量 ; 点击 “ 复位 ” 键重新测量 。 考虑到摄像头开始工作时一般都不稳定 , 设置计算机启动摄像头开始测量后采集到的前 15 帧图像不予采用 。 为了方便显示 , 设置图像采集在蓝色进度条走完之后开始测量 。 通过这个界面 , 能够直观观测到物体的图像和位移 。图 2 同步测量显示界面2.3 测量的 LabVIEW 程序设计在 LabVIEW 中 , 由于将调用函数模块化了 , 因此调用 USB摄像头非常简单 。 图 3 是 LabVIEW 调用 USB 摄像头采集图像的编程 。 调用的过程如下
11、: 调用摄像头 IMAQ Create.vi IMAQ USB Grab Setup.vi IMAQ USB Grab Acquire.vi IMAQ USB Close.vi , 该过程为静态拍摄一帧 。 加上一个循环 While Loop , 通过 Wait Until Next ms Multiple 控制 While Loop每隔多少毫秒触发一次 ( 默认值为 33.3 毫秒 , 也就是每秒三十30 帧 ) , 输出 Image Display 。图 3 调用 USB 摄像头采集图像从 USB 摄像头采集到的图像经过图 4 进行二值化的编程处理 : 从 IMAQ USB Grab Ac
12、quire.vi 输出的图像 IMAQ Col-orImageToArray , 由 Optional Rectangle 功能截取采集图像的有效部分并转化为一个 32 位的二维数组 。 为了便于确定二值化门限的标度 , 使用 To Unsigned Byte Integer 把 32 位数组转化为8 位数组 , 通过两次使用 For Loop 的循环端口 i 和 IndexArray 对二维数组进行索引 ; 使用 Less Or Equal? 和 Select 对数组的每一个值与预先的门限值进行比较判断 , 规定大于预先给定门限值为 0( 亮度最小 ) , 否则为 255( 亮度最大 ) 。
13、 经过二值化处理后的数组通过 IMAQ ArrayToImage 转化为图像显示出来 ,这样就把采集到的图像变为只有黑白两种颜色 。 其中 , 白色代表物体所成的像 , 黑色为背景图像 。NI 公司的机器视觉软件平台是专门为图像处理开发的 , 有很多专用的软件模块 。 我们选用了其中计算质心的模块 。 将图像输入模块 , 它便能输出图像质心的坐标 。 按照实验设计思路 ,我们必须预先测量出图像单位像素点的变化和实际物体移动距离的比例系数 , 因此选用了读数显微镜 。 读数显微镜能够精确移动显微镜 。 物体不动 , 精确移动显微镜 , 可读出显微镜的移动距离 , 同时计算出图像变化的像素点数 。
14、 将移动距离除以总的像素点数 , 得到单位像素点的变化与实际物体移动距离的比例系数 。实验中物体的移动是通过牵引显微镜物镜下的细丝而产生的 , 因此细丝位移就是物体的位移 。 为了获得 100 m 的位移 , 我们将物体放在一个螺旋测微器控制的光学平台上 。 螺旋测微器总共 50 个小格 , 转动一周移动为 0.5mm , 因此转动一小格为10 m 。 通过调节螺旋测微器 , 我们获得 100 m 的位移范围 。 测量时 , 将采集到的数据实时保存到电脑中 , 再通过画图软件显示 。 图 5 是测量的实验结果 。 图中的横坐标表示测量的时间 , 纵坐标表示测量的位移 , 平直部分是移动螺旋测微
15、器时的停留时间 。 由于是手旋动螺旋测微器 , 因此移动的快慢不一致导致出现阶梯状的停顿 。图 4 二值化处理图像图 5 实验结果显示 , 物体移动范围为3 实验误差分析和改进方法讨论测量系统中误差主要来自两个方面 : 一个是测量系统本身带来的误差 , 例如物体牵引细丝的运动不同步 、 实验平台的震动等 ; 另一个重要的误差来源于图像单位像素点的变化和实际物体移动距离的比例系数 , 如果这个系数有较大的误差 , 测量结果就不可靠 。 实验中采用的方法是 : 细丝不动 , 精确移动显微镜 , 读出显微镜的移动距离 ; 计算出细丝图像变化的像素点数 , 将移动距离除以总的像素点数 , 得到单位像素
16、点的变化与实际物体移动 距 离 的 比 例 系 数 。 我 们 将 读 数 显 微 镜 精 确 移 动 100um 、150um 、 200um , 反复多次测量细丝质心像素点的变化点数 , 同时考虑回程误差 , 计算出该系数平均值约为 2um/ 像点 。 因此 , 测量系统的测量精度是 2um 。 选用更高倍数的显微镜 , 能够获得更高的测量精度 。4 总结本文详细介绍了基于 LabVIEW 软件和机器视觉平台 , 利用USB 摄像头和读数显微镜建立一个动态测量微小位移的系统 。( 下转第 286 页 )136-技术创新中文核心期刊 微计算机信息 ( 测控自动化 )2007 年第 23 卷第
17、 11- 1 期360 元 / 年 邮局订阅号 : 82-946 现场总线技术应用 200 例 软 件 天 地3Zip J,Lwmpil A , A Universal Algorithm for Sequential DataCompress.IEEE Transactions on Information Theory,1977,IT_23:337- 3434Zip J,Lwmpil A , A Universal Algorithm for Sequential DataCompress.IEEE Transactions on Information Theory,1977,IT_23
18、:337- 3435Storer J A,Data Compression - Mathods and Theory.ComputerScience Press 19887SIMATIC STEP7 User s Manual ， Simens Co.作者简介 : 王玉芳 , 女 , 1979 年出生 , 吉林人 , 硕士 , 检测技术与自动化装置专业 , 现为南京信息工程大学信息与控制学院教师 , 主要从事智能网络化控制的研究 。Biography: Wang Yu- fang (1979- ), female , master, major: de-tection technology a
19、nd automation devices. Teacher of NanjingUniversity of Information Science 研究方向为 : 光学 , 计算机应用Biography: Han Dingan, 1976- , Fm, born in Hunan. Main re-search domains are optics and computer applications.(528000 广东 佛山科学技术学院光电子与物理学系 ) 韩定安曾亚光 苏佳槟 唐坚林(Department of Physics, Foshan University, Foshan, 52
20、8000,China)Han Dingan Zeng Yaguang Su Jiabing Tang Jianlin通讯地址 :(528000 广东省佛山市江湾一路 18 号佛山科学技术学院理学院 ) 韩定安( 收稿日期 :2007.8.13)( 修稿日期 :2007.10.15) P L C 技术应 用 20 0 例 PLC ( 可编程序控制器 ) 广泛地应用在冶金 、 机械 、 机器人 、 石油化工 、 电力传动 、 纺织机械 、 注塑机 、 包装机械 、 印刷机械 、 造纸机械 、机床 、 自来水厂 、 污水 处理 、 煤矿 机械 、 焊 接机器 、 榨 糖机械 、 制烟机械 、 工程机
21、械 、 水泥机械 、 玻璃机械 、 食品机械 、 灌装机械 、 橡胶机械 、船舶 、 铁路 、 窑炉 、 车辆 、 智能建筑 、 电梯控制 、 中央空调控制 、 大型医疗机械 、 起重卷扬机械 , 大坝闸门 , 大型泵站 . 。各行各业机械工程师 , 电气设备工程师 , 高级 技工都 需要俱备PLC 的知识 , 才能做 好本职工 作 。 本书 汇 集 200 多 个 硬 PLC 和 软PLC 在 各 行 业 的 应 用 实 例 , PLC 故 障 诊 断 实 例 , PLC 抗 干 扰 措 施 ,PLC 使用经验 、 PLC 技术发展 , 均在本书之中论述 。本书适合大专院校机械类 、 电气类
22、 、 电力类 、 自动控制和自动化类专业的本科 、 研究生做毕业设计参考 , 同时适合老师进行教学 、 搞科研项目参考 。 本书是上述各行业的工程技术人员 , 技术工人的必备参考书 , 同时也是工厂和科研单位的技术领导 , 设备采购负责人的参考书 。 凡具备高中以上文化水平的人均可成为读者 。200 多个西门 子 、 三 菱 、 美 国 通 用 电 气 、 施 耐 德 、 欧 姆 龙 、 罗 克 韦尔 、 松下电器 、 和泉 . 等 PLC 应用实例 , 任您选读 。 一技之长 , 改变人生 。大 16 开 , 每册定价 110 元 ( 含邮费 ) 。 预购者请将书款及邮寄费通过邮局汇款至地址 : 北京海淀区皂君庙 14 号院鑫雅苑 6 号楼 601 室微计算机信息 编辑部 邮编 :100081电话 : 010-62132436 010-62192616 ( T/F )http:/ http:/E-mail:; E-mail:control--286 -
