题目

Labview和matlab在现代光测图像处理中的应用

姓名

学号

指导教师

班级

所在院系

电气与信息工程学院计算机系

学生姓名

导师姓名

专业

毕业时间

课题名称

计划完成初稿时间

计划定稿时间

一、立题依据（包括研究目的、意义、国内外研究现状与发展趋势、是否为导师科研课题的一部分）

1. 国内外发展状况

   光测是近年来发展起来的新的测量技术。光测分为两类：一类是以测应力为主的光测弹性技术，另一类则是以测位移为主的现代光测技术。光测弹性技术得到的是等差条纹和等倾条纹，通过条纹的分布信息可以知道构件各点的主应力及其方向，但是光测弹性技术需要对被测物体进行模型化。上世纪六十年代以来，激光技术的出现扩展了光测技术的研究和应用。光测的初期记录方式采用感光胶片（全息干板），而采用感光胶片需要进行湿处理，这给应用带来了许多困难。随着光电子技术的发展，摄相机的广泛应用，给记录方式带来了革新，而它与计算机图像系统的结合则给光测技术带来了新的活力，不仅使整个测量过程完全自动化，而且具有高精度、现场测量、实时显示等许多优点。光测技术具有无损伤、非接触、精度高、全场检测等优点，己被应用在航空航天、工业检测、汽车工艺及道桥工程等领域。因此，光测技术受到广大学者的重视，正成为无损检测的前沿研究方向。数字图像处理技术的引入，为光测技术在无损检测领域中的应用开辟了新的方向。   

   早在 70 年代，Butters 和Leendertz 首次采用电视摄象机记录物体表面的散斑，并采用电子线路相减、滤波得到了干涉条纹。1971 年Butters 和Leendertz 首先应用光电子器件（摄相机）代替了全息干板记录散斑场的光强信息，并存储在磁带上，由电视摄相机输入的物体变形后的散斑图通过电子处理的方法不断与磁带中的变形前散斑图进行比较处理，从而在监视器上能观察到散斑干涉条纹，这种方法就称为电子散斑干涉法(Electronic Speckle Pattern Interferometry 简写为ESPI)。随后的近十年里，Pedetsen，Lokberg，Lolkberg，Wykes 等人相继对电子散斑进行了研究，完成了对电子散斑技术的基本原理和它的性质的研究，提出了改善ESPI 条纹质量的系统参数选取方法，为以后的研究和应用打下了基础。

   八十年代以后，随着电子存储技术与电视技术的发展，散斑图可以以点阵的形式量化为数字量存储，并可以读出和写入，这就是数字散斑干涉技术(DSPI)，典型的数字散斑干涉测量如图1.1 所示。它通过把物体变形前后的散斑图量化为数字图像，由计算机用数字的方法对它进行运算，从而在监视器上再现干涉条纹图。数字散斑干涉减小了电子散斑的噪声，大大提高了干涉条纹的清晰度。目前，该技术逐步代替了以往的用电子处理方法的电子散斑干涉法，但在习惯上，人们往往将电子处理方法实现的电子散斑干涉法(ESPI)和用数字处理方法实现的数字散斑干涉法(DSPI)统称为电子散斑干涉法(ESPI)。

图 1.1 数字散斑干涉示意图

   为了进一步提高 ESPI 的抗振性能，1985 年Hung 提出了将剪切技术引入电子散斑的设想，提出了电子散斑剪切术的概念(ES)，从而进一步把激光无损检测从实验室推向生产现场提供了可能。

    国内也有许多学者对此进行了研究：金观昌、唐寿鸿采用计算机图像技术和云纹方法测量物体变形，而且利用剪切棱镜替代参考光而获得位移偏导数的电子散斑剪切干涉术方面做了不少研究。郑文开发了一套相移激光数字散斑干涉自动测量系统，运用一系列的图像处理方法，实现了高精度的自动测量。侯振德、秦玉文充分地利用了散斑图的相关性特征，从分形理论出发提出了图像分形相关位移测量的新方法。谢蒙萌、陶宝祺提出一种新的基于光栅数字散斑剪切干涉的无损检测技术。陈华平在硕士论文中利用VC 为开发工具对散斑干涉技术及其图像处理系统进行了研究。宋庆和在论文中利用VC++编程技术，对检测微小离面位移的系统进行了模拟。黄忠文、朱鸿茂对测量位移的数字散斑相关法进行了研究，利用介质粗糙界面反射超声散斑场的数字相关法来测量物体的运动位移。

2. 研究目的、意义

   由于测量的需要，一些仪器化、商品化的电子散斑干涉仪也相继问世，1980 年英国的Vimen 公司首次推出一种电子散斑干涉仪。1988 年美国激光技术公司首次推出电子散斑剪切干涉仪ES-9100，1990 年美国的Newpon 公司推出HC-4000 型的ESPI 干涉仪。1992 年瑞士的Vibro-meter 公司也推出了RETRA100 型电子散斑干涉仪。1992 年美国激光技术公司又推出了新型的电子散斑剪切干涉系统ES-9200，ES9400，ES9120，ES9600 及SC-4000 便携式电子散斑剪切干涉仪。国内1989 年天津大学首次研制成功了电子散斑剪切干涉系统(ESS)随后又开发了DSSPI 系统。1992 年，中国科学技术大学将半导体激光器成功地应用于电子散斑干涉中，并由可切换的双频光栅实现了剪切，1993 年西安交通大学也研制了光纤电子散斑干涉系统。

   然而，以上电子散斑干涉仪器价格昂贵，而且测量功能往往比较单一。虚拟仪器技术是近年来发展迅速的一种新技术，已经广泛应用于工业自动化等领域，软件即仪器的思想使得仪器功能扩展非常方便。有关虚拟仪器技术在光测领域中的应用目前在国内外尚无相关报道。因而，开发以软件为主、硬件为辅、功能方便扩展的现代光测虚拟仪器具有重要的研究意义和良好的应用前景。

二、研究内容（说明课题的具体研究内容，构思及初步见解。着重分析学术构思、技术路线、主要关键技术、实验方案、社会调查、预期结果）

1.研究内容

   本课题针对数字散斑干涉技术，把虚拟仪器技术引入现代光测领域，基于LabVIEW 和MATLAB 混合编程，开发现代光测图像处理系统。

2.设计方案

   在计算机为核心的硬件平台上，利用虚拟仪器开发软件在计算机屏幕上虚拟出仪器的面板以及相应的功能，人们通过鼠标或键盘操作面板上的旋钮、开关和按键，来选择仪器功能，设置各种工作参数，启动或停止一台仪器的工作。在计算机软件控制下对输入的信号进行采集、分析、处理，测量结果（数据、波形）和仪器工作状态都可从虚拟仪器面板上读出。用户在屏幕上通过虚拟仪器面板对仪器的操作如同在真实仪器上的操作一样直观、方便、灵活。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI 公司的LabVIEW。具体方案如下：

3.技术路线

  （1）对时间相移技术进行研究，通过三步相移技术和相位解包裹处理，得到散斑的实际相位分布图，从而计算出物体的变形信息；对载波散斑技术进行研究，在空域和频域进行解调，得到散斑的相位图；

  （2）研究比较空域和频域的多种滤波方法，得到去除噪声效果良好的散斑条纹图，在此基础上提出迭代滤波的方法，并应用在中值滤波中抑制散斑噪声；

  （3）基于虚拟仪器技术的思想，通过LabVIEW 与MATLAB 混合编程，开发数字散斑测量图像处理系统，在LabVIEW 环境下进行散斑图像的采集及图像处理参数的设置，调用MATLAB 图像处理功能实现散斑图的处理。

4.预期结果

   通过LabVIEW 和MATLAB 混合编程，实现数字散斑干涉测量系统。在LabVIEW 下进行散斑图像采集和图像处理参数的设定，应用MATLAB编程实现图像处理。

三、研究方法和手段（拟采用的研究方法和实验手段，需要的科研条件，阐述课题研究工作可能遇到的困难以及解决的方法和措施。）

1.主要难点

   LabVIEW 与MATLAB 混合编程

2.解决途径

   LabVIEW 使用图标代替文本代码创建应用程序，拥有大量与其它应用程序通信的VI 库，大大简化了过程控制和测量软件的开发；但在对各种算法的支持方面，LabVIEW 的工具箱非常有限，这就限制了大型应用程序的快速开发。MATLAB 具有强大的科学计算功能和大量稳定可靠的算法库，缺点在于界面开发能力较差，并且数据输入、网络通信、硬件控制等方面都比较繁琐。由于两者各有欠缺，如果利用混合编程可以在LabVIEW 中调用和操作MATLAB，则可以相互补充，充分发挥两者的优势.

四、研究计划（估计课题的工作量，以及研究工作进度计划）

1.估计课题所需工作量及工作进度安排

起讫日期              工作内容

第1-3周       调研查阅收集相关资料，了解此课题的研究背景及动态，完成开题报

                告及科技文献翻译。

第4-5周         根据原始数据进行设计计算，初步完成系统方案设计。

第6周         与指导老师讨论设计方案的可行性，确定最终系统设计。

第7周         完成现代光测图像处理系统设计。

第8周         实现现代光测图像处理。

第9-10周     毕业论文撰写

第11周         指导老师审查毕业论文

第12周         毕业论文定稿并打印

五、现有条件（包括已经做过的有关研究工作、本单位或外单位可供使用的仪器设备和实验条件）

六、主要参考文献（不少于10篇，主要以近三年的论文为主）

[1] 金观昌，计算机辅助光学测量，北京，清华大学出版社，2008

[2] 计欣华，许方宇，陈金龙等，数字全息计量技术及其在微小位移测量中的应用，

    实验力学，2009，19(4)：443～447

[3] J. M. Burch，A. E. Ennos and R. J. Wilton，Nature，1996 (209)，1015

[4] J. M. Bruch and J.M. J. Tokarski，Opt. Acta，1968 (15)，101

[5] Groh，Proc. of Symp. Engineering Uses of Holography，Cambridge Univ. Press，

    London，1970.(8)

[6] J. A. Leendertz，J. Phys.E，1970 (3)，214

[7] J. A. Leendertz，J.N.Butters，J.Phys.E，1973 (6)，1107

[8] Butters J N and Leendertz JA，Speckle and holographic techniques in engineering

   metrology，Opt Laser Tech，1971，(3)，26

[9] 唐寿鸿，金观昌，一种用于分析条纹图像的自动相位测量方法，中国激光，2008，

    18 (6)

[10] 金观昌，唐寿鸿，偏振相移电子错位散斑干涉术及其应用于弯曲板的曲率测量，

     应用激光，2009，12 (1)

[11] 郑文，相移数字散斑干涉计量系统，计量学报，2000，21 (3)：167～171

[12] 侯振德，秦玉文，基于图像分形相关位移测量新方法的研究，光学学报，2008，

     22 (2)：210～214

[13] 谢蒙萌，陶宝祺，基于光栅大错位数字散斑干涉的无损检测技术，激光技术，2010，

     25 (4)：279～282

[14] 陈华平，散斑干涉技术及其图像处理系统的研究，硕士学位论文，广东，广东工

     业大学，2010

[15] 宋庆和，数字图像处理在光学检测中的研究应用，硕士学位论文，云南，昆明理

     工大学，2010

[16] 黄忠文，测量位移的数字散斑相关法的研究，硕士学位论文，湖北，华中科技大

     学，2009

[17] 秦玉文，戴嘉彬，陈金龙，电子散斑方法的进展，实验力学2009，11(4)：410～416

[18] 戴福隆，金观昌等，现代光测力学，北京，科学出版社，2009

[19] 国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材编审委员会，王任达主编，

     全息和散斑检测，北京，机械工业出版社，2009

[20] 赵清澄，光测力学教程，北京，高等教育出版社，2008

[21] (美)厄尔夫(Erf，R.K.)，散斑计量学，北京，中国计量出版社，2009.5

成绩