题目

基于视觉的测量系统设计

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指导教师

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电气与信息工程学院计算机系

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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

  虚拟仪器是一个新型概念，是计算机技术在仪器仪表领域的应用所形成的一种新型的,富有生命力的仪器种类。

虚拟仪器是以计算机硬件为平台，由传感器、模块化硬件接口卡以及测量软件库构成虚实并存的测量系统。它是计算机硬件资源、仪器测控硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面软件之间的有效结合，具有传统仪器所没有的信号采集、分析和输出功能。其基本结构包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口和测控仪器，学术界把它称为虚拟仪器技术。

虚拟仪器最大的特点是“软件就是仪器”的观念。虚拟仪器利用计算机系统的强大功能和突出的性价比，结合相应的硬件，大大突破了传统仪器在数据处理、显示、传送和储存方面的限制，是仪器智能化、集成化、远程化及测控一体化的典型范例。虚拟仪器是对传统仪器的重大突破，是测控技术与计算机技术结合的产物。它从根本上改变了仪器的概念，具有传统仪器根本无法比拟的优势。

虚拟仪器技术是近年来发展起来的应用于工业测量方面的一种新技术[3]。虚拟仪器技术以其可视化、低成本的优势正在被越来越多的工程测试人员所采用，成为未来仪器发展的主流方向。

    虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机的出现使仪器的计算机化成可能。在仪器计算机化领域中，NI公司走在了前列，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。对虚拟仪器方面，LabVIEW的长期的、系统的和有效的研究开发，使得NI公司成为业界公认的权威[7]。

   虚拟仪器是计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的重要方向。粗略地说，这种结合有两种方式：一种方式是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器的功能也越来越强大，目前已经出现含有嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要指的是这种方式。下图反映了常见的虚拟仪器的组建方案。

2. 研究目的、意义

要想紧跟技术的发展，就要不断更新测量设备，以满足越来越高的测量要求，同时测量手段的进步也为技术的进一步发展奠定了基础。虚拟仪器则是提高测量精度和效率的有效手段。它改变了传统的测量模式，使测量系统由松散结合的、常常不兼容的独立仪器发展成紧密结合的虚拟测量系统，把计算机技术与仪器技术完美结合起来。

在各种现代测量手段中，计算机扮演着非常重要的角色。计算机以其优越的显示、打印输出及数据、图像处理等功能，与原由的测量系统相结合，可以大大提高测量的效率、精度和灵活性。计算机在测量过程中的作用主要包括：控制测量过程；采集测量过程；对信号进行各种数学逻辑运算，做出判断和估值；以各种方式输出测量结果；监控报警；测量数据管理等。计算机辅助测量的突出优越性在于软件提高测量的准确性、可靠性、经济性，投资小，见效大，性能价格比好。而且由于软件的柔性，可以在不改变硬件的情况下，通过软件来实现不同的测量功能，用于不同测量对象，是测量系统具有通用性。

随着计算机技术日新月异的发展，计算机的速度越来越快，功能越来越强大，基于计算机平台的应用的性能也更加优越，而基于PC平台的测试系统由于其独特的性能特点、高度的系统集成能力和较低的成本，将发展成为计算机仪器仪表的主流。强大的软件处理及图形界面，使用户可以熟练使用，完成各种复杂的实验测试、测量、控制及方针工作。

本课题要研究基于虚拟仪器的视觉测量系统。即是在优越的计算机技术及其强大的应用功能的基础上，将虚拟仪器同机器视觉相结合的产物。

    虚拟仪器和机器视觉的结合，体现了现代科技的自动化、高速化和节能化。虚拟仪器视觉测量系统为自动化提供并解决了过程监视、信息集中和反馈控制等一系列复杂的难题。基于虚拟仪器的视觉测量系统以其前所未有的效率、灵活性、一致性、可靠性和强大的数据、图像吞吐能力，在现代化的生产中执行着相当复杂的测量任务。

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

    （1）了解机器视觉技术和虚拟仪器技术结合的必要性、可行性。

（2）对机器视觉进行市场调查：传统工艺与机器视觉的比较。

（3）对机器视觉系统硬件模块的设计：系统的整体结构设计、光源设计、

系统软件的设计和摄像头和图像采集卡的选取。

（4）机器视觉系统软件模块的设计，包括程序的设计、调试

（5）根据机器视觉系统的逻辑结构，实现对“电池夹的机器视觉测量系

统”的设计。

2.设计方案

机器视觉测量系统的物理结构包括以下几个部分：高频环形光源、1394摄像头、1394图像采集卡、机器视觉软件及装有LABVIEW系统的计算机及其显示器，如图所示。

在机器视觉测量中，合适的光源为视觉系统提供了良好的外界条件，使得系统得到的图像信号有很高的信噪比。非接触式的传感器（如1394摄像头等）将目标转换为视频信号并输送到图像采集卡中，图像采集卡对视频信号进行解析、数字化后输送给专用的图像处理系统，图像处理系统对图像信号施加各种运算来提高目标特征， 根据预先设定的条件做出决定，以控制外部的其他控制机构来执行机构的动作，同时记入相应的数据到数据库中，以便分析。

机器视觉测量的总体构成   

3.技术路线

    深入分析了机器视觉检测系统的研制要求，根据这些要求完成了系统的结构设计，系统主要由一个1394摄像头，一个1394图像采集卡和一台和图像采集卡相连的装载系统软件LabVIEW的计算机组成。

4.预期结果

  实现对电池夹的机器视觉检测系统的系统分析、软件模块的实现以及软件合成技术的研究。利用机器视觉与虚拟仪器的结合，对机器视觉系统及其实现方法进行探索，以便能为以后机器视觉系统的开发借鉴。

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

   要从实际应用出发，把机器视觉技术和虚拟仪器技术结合起来，实现工业产品的机器视觉检测系统的开发。本课题对机器视觉检测技术所涉及的1394摄像头、1394图像采集卡、照明光源等进行了分析和设计；另外，结合实际把边缘检测和模板匹配等数据图像处理技术应用到视觉检测当中。

2.解决途径

    选用NI公司的创新产品LabVIEW软件，该软件是目前应用最广泛、发展最快、功能最强的图形化软件开发环境。具有开发周期短、可重用性、使用方便灵活等优点。本课题还选用NI的图像处理工具软件包IMAQ Vision Builder和IMAQ Vision，采用IMAQ Vision Builder无需编程便可以产生机器视觉与图像处理功能的程序块的特点，以简化学习和开发过程。

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、2周：           查阅各种文献资料，学习LabVIEW软件；

第3、4周：           准备开题报告，学习LabVIEW软件；

第5、6周：           1.了解工业机器视觉系统，学习LabVIEW软件； 

2.毕业实习，学习LabVIEW软件；

第7、8周：           1.了解虚拟仪器技术国内外研究现状，

学习LabVIEW软件；

2.掌握NI公司图像采集卡的知识；

学习IMAQ Vision Builder；

3.掌握NI图像采集卡的使用；

第9、10、11、12周：  1.设计图像采集硬件连接图；

2.编写程序；

第13、14周：         调试硬件和程序；

第15、16周：         书写毕业论文，

                       对写好的论文进行修改 

第17周：             整理及打印毕业论文，准备答辩

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]  侯国屏，王坤，叶齐鑫.LabVIEW7.1编成于虚拟仪器设计.清华大学出版社.2009

[2]  周求湛，钱志鸿，刘萍萍等.虚拟仪器与LabVIEW7Express程序设计.北京：北京航天航空出版社.

[3]  杨乐平，李海涛，赵勇.LabVIEW高级程序设计.北京：清华大学出版社，2008

[4] 清华大学虚拟仪器实验室，北京中科泛华测控技术有限公司编译.LabVIEW用户指南，2009

[5]  刘君华主编.基于LabVIEW的虚拟仪器设计.北京：电子工业出版社，2008

[6]  北京中科泛华测控技术有限公司. LabVIEW高级培训教材.2009

[7]  肖相生，杨乐平，李海涛等. LabVIEW程序设计与应用.北京：电子工业出版社，2009

[8]  雷振山，LabVIEW7Express实用技术教程.北京：北京航空航天大学出版社，2008

[9]  李庆扬，关冶，白峰杉.数值计算原理.北京：清华大学出版社，2009

[10] 李海青，黄志尧.软测量技术原理与应用.北京：化学工业出版社，2009

[11] 郑君里，应启珩，杨为理.信号与系统（第二版）.北京：高等教育出版社，2009

[12] 张小牛. LabVIEW环境下的数据采集系统：[硕士学位论文].北京：清华大学，2009

[13] 时秋兰，基于虚拟仪器的新型电磁测量研究室：[工学硕士论文].北京：清华大学，2010

[14] 宗孔德，胡广书.数字信号处理。北京：清华大学出版社，2008

[15] 杨高科.基于虚拟仪器的质量检测机器视觉系统.：硕士学位论文.西北大学，2002

[16] 于晓薇.基于LabVIEW的虚拟仪器研究及其在板材厚度检测中的应用：[硕士学位论文].浙江：浙江大学，2008

[17] 雷俊. 基于虚拟仪器技术的机器视觉系统研究：[硕士学位论文].西北工业大学，2009

[18] 郑利峰. 虚拟仪器实验室设计与实现：[研究生学位论文].西南交通大学，1999

[19] 李亚渌. 远程虚拟电子实验室系统的设计与开发：[研究生学位论文].大连理工大学，2002

[20] 李小玲. 虚拟环境下的电子实验：[研究生学位论文].电子科技大学，2002

[21] 吴立力. 信号采集系统中的数据传输、显示与处理：[研究生学位论文].北京工业大学，2009

[22] 何利. 现代测试系统模型及体系结构研究：[硕士学位论文].成都电子科技大学，2009

[23] 刘江峰. 基于DSP的互感器校验仪设计及实现：[硕士学位论文].武汉理工大学，2008

[24] 周培霞，李巴津，薛志刚. 通用数据采集器与LabVIEW接口驱动设计.内蒙古石油化工，2009

[25] National Instruments .LabVIEW7.1 Release Notes，2008

[26] National Instruments .LabVIEW Quick Reference Card，2008

[27] National Instruments .NI Vision Concepts Manual .2009

[28] National Instruments .NI Vision for LabVIEW' User Manual

[29] National Instruments .DAQ Quick Start Guide.2008

成绩