數字圖像處理在距離測量中的應用

張坤平

摘要：為避免距離測量中的一些誤差，例如，測量的時候由于物理屬性、環境影響、人為造成的誤差等等，運用現代的數字圖像相關處理技術以及視覺測量，二者相結合，用非接觸式的測量方式進行距離的測量。建立起圖像采集相關系統，運用專業的編程工序對采集的圖像的邊緣進行檢測，將所得邊緣線像素的差值代入測量距離的公式求值。所得值證明，這種測量方法的最終結果和實際數值一致，證明了數字圖像的相關處理技術在距離測量中精確性。

關鍵詞：距離測量 數字圖像技術 邊緣檢測 專業集成編序

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）06-0000-00

科技發展日新月異，測量方法和檢測技術也相應有了很大程度的革新，尤其是非接觸式的測量逐漸在實際測量工作中得以普及，電磁技術和光電技術是該測量技術的基礎，非接觸式測量僅通過物體表面的圖像的參數，再加上展業的PC系統就可以完成物體的測量工作，不用對物體的表面有直接接觸。非接觸測量以視覺測量技術為主，這種技術測得的數據具有很高的精確度，當被測物體處于動態時，依舊可以進行測量。本次測量主要采用視覺測量與數字圖像處理相關技術，二者相結合對物體進行測量。

1測量機器及系統

測量機器主要由PC機、圖像采集系統以及CCD芯片攝像機構成。該系統設備為視頻采集卡和黑白攝像機。圖像采集系統的功能包括顯示和收集圖像信息，相機通過該系統向PC輸出視頻和圖像。采集系統的內存插入PC的USB接口，把其中保存接受的圖像動態的模擬信號轉入PC，由PC吧圖像信息專換為數字，最后再存進圖像幀的存儲體。存儲體的大小和存入速度與系統的實時狀態有直接關系，存儲體是高速的存儲器組成的陣列，黑白或彩色數據的存放是由位映射的形態存放，每一個單位的信息對應圖像的一個單位像素灰度值，PC系統能夠對存儲體里的具體真圖像進行掃描讀寫并完成數字圖像的處理。[1]

2測量涉及的原理

2.1 相機內存工作的原理

內存的構成為若干電荷組合。相機內存的原單位為N型（或P型）硅襯底之上形成的厚度大約為120納米的二氧化硅，二氧化硅層之上，由鋁電極沉積構成場效應管型電容式的轉移器。再把場效應管陣列加上輸出和輸入的端口，就形成了CCD。用正偏壓施加于二氧化硅表面的電極，P型的硅襯底會出現一些耗盡區，正偏壓升高，耗盡區變大。耗盡區中的一些帶電離子被最大的耗盡區吸收，形成電荷組。N型硅襯底，一般是加負偏壓，少數電離子成為空穴。光學系統將物體成像在CCD的像素表層時，因為光的刺激，半導體中會產生電子空穴，這當中的少數載流子被就近的空穴吸納。由于空穴中儲存的載流電子數目和光的強度相關，所以可以將光學圖像轉為電子圖像。[2]然后依據一定順序把電荷轉移，最后電荷在輸出端被輸送出來，實現了把圖像轉換為視頻信號的過程。

2.2圖像邊緣檢測系統的工作原理

邊緣檢測以圖像的灰度不連續的分割法為操作基礎。邊緣是區域的結束點與起始點的統一體，圖像西部的特征由此表現出不連續性，是背景和目標的分界。通過邊緣檢測描繪出被測對象，發現其包含的豐富圖像信息和圖特征。邊緣的檢測可以通過“空域微分”算法利用卷積或類似卷積運算來完成。邊緣檢測的算法最常主要用的有以下算法：（1）Roberts算法，這種法算法最容易實現，這種算法通過利用局部差分算子來找圖像的邊緣。（2）Sobel算法，Sobel算法利用濾波的算法，圖像包含的全部點做卷積都是用這兩個算法，第一種算法主要是利用影圖像垂直邊緣，算出圖像垂直方向的差分；第二種算法主要影響水平方向的圖像邊緣，計算水平方向圖像的差分。。Sobel算法的計算方法有兩種，第一種選水平差分與垂直查分的最大數值；第二種方法是選兩個兩個方向的差分的和。一般使用較多的是第一種算法。（3）Prewitt算法，Prewitt算法與Sobel算法一樣，圖像當中的每個點都用這兩個模板做卷積分，并選所得的最大值輸出。（4）Log 算法，這是一種微積分二階算子，圖像邊緣會出現陡峭零交叉，這種算法是一個線性、移不變的算子，通過圖像灰度值二階微分為零的點實現邊緣點的檢測。

用上述算法分別對圖像邊緣進行檢測所得效果的比較，通過圖像分析可以直觀看到，用Sobel算法和Prewitt算法對圖像邊緣檢測的效果相對較好。但從垂直的方向上測量來看，Sobel算法比Prewitt算法所測得邊緣更明顯。

3距離測量

確定采集圖像的測量系統后，保證焦距、物距完全一致，使光軸和被測對象平面保持垂直，方可進行圖像采集。圖像距離測量過程中，也會產生一些誤差。產生誤差的主要因素：系統定位完成后很難保證焦距、物距始終絕對相同；測量過程當中，物像邊緣輪廓不清晰，PC系統查找邊緣有誤差；CCD相機的攝像頭不是真正小孔成像。

4結語

本次測量，采用數字成像技術進行邊緣測量，最終獲得的數據與實際數據相吻合，證明了數字成像技術在測量方面的精確性。這一測量技術易操作、精確度高、省時省力，一定會在今后非接觸式測量中日漸普及。

參考文獻

[1] 張少軍，艾矯建.利用數字圖像處理技術測量幾何尺寸[J].北京科技大學學報，2002（24）.

[2] 朱學芳，智文廣.計算機圖像處理導論[M].上海：上海科學技術文獻出版社，2002.