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1、本科毕业设计（论文）微动系统的图像处理及控制设计燕 山 大 学2013年6月 本科毕业设计（论文）微动系统的图像处理及控制设计学 院： 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 答辩日期： 2013年6月16日 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：电气工程学院 系级教学单位：自动化系 学号学生姓名专 业班 级过控09-2题目题目名称微动系统的图像处理及控制设计题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.文管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生
2、产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容1.学习步进电机驱动、430单片机原理及vc软件编程。2.学习微动平台控制原理。学习光学成像及显微镜的基本原理。3.学习图像处理及机器视觉的基本原理。4.设计视觉显微控制系统。5.控制系统仿真及实验基本要求1、设计说明书一份（不少于60页）；2、说明书要求条理清晰、文笔通顺、字迹工整，图形及文字符号符合国家现行标准；3、说明书及图纸需经指导教师审核通过（签字），并经专业（教研室）教学主任签字；4、遵守毕业设计期间的纪律，按时答疑；5、独立完成设计任务，培养基本的科研能力；6、给出程序清单，仿真结果；7、绘制A1图纸一张，符号、文字规范，英文摘要。参考资料1.
3、光学成像及显微镜和机器视觉的基本原理书籍。2.步进电机驱动、430单片机原理及vc软件编程。3.视觉伺服控制方面的论文。周 次第 1 4 周第 5 8 周第 912 周第 1316周第1718周应完成的内容查阅相关资料，学习步进电机驱动、430单片机原理、vc软件编程。学习光学成像及显微镜的基本原理。学习微动平台控制原理。图像部分的处理及显微视觉控制系统的设计。控制系统的仿真及实验撰写毕业论文，准备答辩指导教师：李惠光职称：教授 2012年 12月6 日系级教学单位审批： 年 月 日注：表题黑体小三号字，内容五号字，行距18磅。（此行文字阅后删除）摘要微动平台的机构优化及其超精确的运动控制技术
4、，是目前微/纳制造领域中的研究重要热点之一，具有十分广阔的应用前景。本论文研究的目标在现有的微操作系统平台基础上，以提高自动化程度和控制精度为主要的目的，增加其视觉处理的功能。进入21世纪以来，随着计算机技术迅速的发展和相关理论的日益不断完善，数字图像处理技术在许多应用领域受到十分广泛重视并且取得了十分重大的开拓性的成就。随着计算机技术和人工智能、思维科学研究的快速发展，数字图像处理技术向更高、更深层次发展。人们已开始了研究如何用计算机系统解释图像，实现类似人类视觉系统理解外部世界，这技术被称为图像理解或计算机视觉。双目立体视觉测量方法具有效率高、精度合适、系统结构简单、成本低等优点，非常适合
5、于制造现场的在线、非接触产品检测和质量控制。对于运动中物体（包括动物和人体形体）测量，由于图像获取是在瞬间完成的，所以立体视觉方法是一种更有效的测量方法。双目立体视觉系统是计算机视觉的十分关键的技术之一，如何获取空间三维场景的距离信息也是计算机视觉研究中最基础的内容。关键词微动平台；图像处理；双目立体视觉AbstractPlatform for organizations to optimize micro ultra-precision motion control technology and is currently micro / nano manufacturing field in
6、 one of the focus has broad application prospects. The goal of this study the existing operating system platform based on micro to increase the degree of automation and control accuracy for the purpose of increasing its visual processing.In the 21st century, with the rapid development of computer te
7、chnology and the constant improvement of the theory, digital image processing technology in many application areas widespread attention and has made significant pioneering achievement. With computer technology and artificial intelligence, the rapid development of scientific thinking, digital image p
8、rocessing to a higher, deeper level. People have begun to study how to interpret the images using a computer system, to achieve a similar understanding of the human visual system outside world, this is known as image understanding or computer vision.Binocular stereo vision measurement method with hi
9、gh efficiency, precision fit, simple structure, low cost, very suitable for the manufacturing site online, non-contact product testing and quality control. The moving objects (including animal and human body) measurement, since the image acquisition is completed in an instant, so stereo vision metho
10、d is a more efficient measurement method. Binocular stereo vision system is one of the key technologies of computer vision, access to spatial information is also three-dimensional scene from the most basic computer vision research content.Keywords Micro platform; Image processing; binocular stereo v
11、ision 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2图像处理及微动控制系统研究现状21.2.1图像处理研究现状21.2.2微动控制系统研究现状31.3本文研究内容5第2章 微动控制系统的组成及原理62.1微动控制平台的组成62.2微动控制系统原理82.2.1微动控制系统结构及原理82.2.2微动控制系统控制要求和目标122.2.3微动控制系统常用策略142.3本章小结15第3章 图像处理原理163.1 图像处理介绍163.2立体匹配原理和双目视觉系统建模193.2.1图像处理原理193.2.2双目视觉建模223.3仿真工具293.4本章小结33第4章 MATLAB
12、的仿真研究344.1MATLAB仿真工具344.2立体视觉匹配方法364.3窗口区域匹配方法374.4 仿真分析比较384.5本章小结46结论47参考文献48致谢50附录151附录256附录361附录466第1章 绪论1.1 课题背景近几年来,由于多媒体技术和因特网的迅速普及和发展,数字图像处理技术同样也受到了前所未有的十分广泛重视,并且出现了许多新的应用领域。最显著的就是数字图像处理技术已从工业领域、实验室走进了商业领域和办公室,甚至走进了人们的日常生活。图像处理的基础是数字处理，而主要任务就是进行各种算法设计还有算法实现。数字图像处理就是采用一定的算法对数字图像进行处理的过程，用来获得人眼
13、视觉或者某种接受系统所需的图像处理过程，计算机对其进行处理的过程。数字图像处理最早是出现在20世纪50年代，当时的电子计算机已经发展到了一定的水平，那时候人们就已经开始利用计算机来处理图形和图像等信息了。数字图像处理技术作为一门学科大约出现在20世纪60年代早期。那时候的图像处理的目的是为了改善图像的质量，它是以人为对象，以改善人的视觉效果为目的。图像处理过程中，输入的是质量低的图像，输出的是改善质量后的图像，常用的图像处理方法主要有图像增强、复原、编码、压缩等双目立体视觉技术是计算机视觉的一个十分重要的分支，即由不同位置的两台经过移动或旋转拍摄同一幅场景的摄像机，通过计算空间点在两幅国像中的
14、视差，获得该点的三维坐标值。80年代的时候美国麻省理工学院人工智能实验室的Marr提出了一种视觉计算理论并成功的应用在双睛匹配上，使两张有视差的平面图成功产生在深度的立体图形中，就此奠定了双目立体视觉发展的理论性基础。相比于其他类的体视方法来说，如透镜板三维成像、投影式三维显示、全息照相术等，双目本视直接模拟人类双眼处理景物的方式，可靠简便，在许多领域均极具应用价值，如微操作系统的位姿检测与控制、机器人导航与航测、三维测量学及虚拟现实等。1.2图像处理及微动控制系统研究现状1.2.1图像处理研究现状数字图像处理技术又称为计算机图像处理技术，它是指把图像信号转换成数字信号并且利用计算机对其进行信
15、号处理的过程。最先获得实际成功应用的是美国喷气推进实验室（JPL）。他们成功的对航天探测器徘徊者7号在1964年发回的数千张月球照片使用了图像处理技术，如几何校正、灰度变换、去除噪声等处理方法，并考虑了太阳位置和月球环境的影响，用计算机成功地绘制出月球表面图片，最终获得了巨大的成功。随后又对探测飞船发回的近十万多张照片进行更复杂的图像处理，并且获得了月球的地形图、彩色图及全景镶嵌图，并且取得了非凡的研究成果，为人类登月奠定了坚实的基础，同时也推动了数字图像处理这门学科的诞生。在以后的宇航空间技术中，如对火星、土星等星球的探测研究中，数字图像处理都发挥了极其巨大的作用。数字图像处理取得的另一个巨
16、大成就是在医学上获得的成功。1972年英国EMI公司工程师Housfield发明了用于头颅诊断的X射线计算机断层摄影装置，也就是我们通常所说的CT（ComputerTomograph）。CT的基本方法是根据人的头部截面的投影，经计算机处理来重建截面图像，这称为图像重建。1975年EMI公司又成功研制出了全身用的CT装置，获得人体各个部位清晰鲜明的断层图像。在1979年，这项无损伤诊断技术获得了诺贝尔奖，因此也证明它对人类作出了划时代的贡献。与此同时，图像处理技术在许多应用领域也受到了广泛重视并取得了重大的开拓性的成就，这些领域的有航空航天、生物医学过程、工业检测、机器人视觉、公安司法、军事制导
17、、文化艺术等，使图像处理成为了一门引人注目、前景远大的新型学科。随着图像处理技术的不断深入发展，从70年代中期开始，随着计算机技术和人工智能、思维科学研究的迅速发展，推动了数字图像处理向更高、更深层次发展。人们已经开始研究如何用计算机解释图像，实现类似人类的视觉系统来理解外面世界，这种技术被称为图像理解或计算机视觉。很多国家，特别是发达国家已经投入很多的人力、物力到这个领域研究，取得了很多重要的研究成果。其中代表性的成果是70年代末MIT的Marr提出的视觉计算理论，这个理论成为计算机视觉领域后来十多年的主导思想。计算机视觉虽然在理论方法研究上已取得不小进展，但它仍然是一个比较难的研究领域，存
18、在不少困难，因人类本身对自己的视觉过程还是了解很少，因此计算机视觉仍然是一个有待人们探索的新领域。1.2.2微动控制系统研究现状对于微动控制系统的研究，在国外起步是比较早的，以美、日、欧为代表的发达国家由于科技基础较好，因此取得了比较好的成绩。其中，美国是微动控制研究的发源地，在此领域积累了相当丰富的经验，不论是美国的民间组织还有政府研究机构都在这个领域做了大量的研究工作；日本在微动控制系统的研究，虽然起步晚于美国，但是其发展速度更为迅速，大有后来居上之势，不同于美国将在军事方面的应用，日本的微动控制系统一般以民用产品为主，如硬盘驱动头，喷墨打印头和陀螺仪等：而欧洲发达国家对微动控制系统的研究
19、介于美日之间，并具有着自己的研究特点，比如说德国的Karlsruhe大学的原子能研究所于上个世纪80年代初的成功。总的来说，国外的微动控制系统研究涉及面广、工艺较为先进，且体现了一种集成化的趋势。国内方面，自从80年代以来，在中国科学院、国家基金委、国家科委的支持下，国内的微动控制系统的研究也取得了一定成绩，如天津大学研制的微进给工作台，可以达到O01urn的位移分辨率，重复定位精度01um；但研究工作尚显薄弱，仍需要进行大力的扶持。由于我国基础制造业水平仍然较低，受制造和系统集成技术所限，在制造和应用高精度微动机器人方面，国内产品与国外仍有相当大的差距，从总体上说还处于起步阶段。国外微操作系
20、统除了价格昂贵外，还存在以下问题：(1)自动化程度低。操作模式以手动调节和遥控式为主，无法自动完成复杂的微操作，操作的效率和精度受人为因素的影响。(2)没有对微注射量进行精确测量和控制。(3)由于采用液压或气动驱动定位和控制，注射介质可压缩性和温度变化等阴素对操作精度有影响。细胞微操作系统中存在的问题和缺点，影响了微操作的效率和成功率。生物技术必须实现产业化、规模化，才能真正发挥它的潜力。规模化对生产效率、成功率提出了要求，这是现有微操作系统无法胜任的，所以需要研制具有自动化、高精度的微操作系统。在精密机械和生物工程及医学的发展和应用过程中,不可避免的要对各种微小器件作出各种操作，目前通用的做
21、法是在显微镜下由手动操作完成，但是手动操作存在着劳动时间长，劳动强度大，与操作者经验关联度大等缺点,很容易造成操作失败，并且很多系统功能单一成本高。针对以上问题,微动控制系统在微器件或细胞的微操作过程中重点要实现的是目标的精确定位、跟踪、捕捉和最终操作(装配、药物注射、细胞核移植或人工受精)有着很高的可靠性。但是,由于目标的多样性,如果要实现目标的自动微操作，就要求系统必须具备较高的性能以适应多种目标，同时又要求微操作器件在对目标操作时,使用的力量不能很大以免破坏目标或系统器件。另外,对于系统目前无法实现自动操作的目标,还要使系统具备手动操作能力。微动控制系统特点：1) 由于操作对象的几何尺寸
22、小, 在操作过程中, 静电力、 摩擦力、 表面张力等其主要作用, 即微观操作的尺度效应。2) 操作对象质量小, 构造薄弱, 因而操作力不宜过大, 空气阻力相对其重量可能很大, 在进行操作时, 还需要释放操作。3) 由于操作对象小, 特别是在0. 5mm 以下时,用肉眼很难看清其形状、 位姿, 系统必须配有显微镜实现微细作业, 显微镜的视野大小决定系统的作业空间, 机构应保证操作对象始终在显微镜的视野中。4) 具有多自由度, 操作灵活, 便于调整, 运动精微, 根据操作对象的不同, 位移分辨率可达亚微米级或纳米级。5) 采用一定的方式(声、光、力) 将操作的接触力等传递给操作者。操作者可通过主从
23、遥控的方式对微操作过程及进行遥操作实现微操作过程中的力信息的放大和操作者宏操作位移的缩小。1.3本文研究内容 本文基于微动控制平台进行的图像处理研究，主要的研究内容是对左右两幅图像进行立体匹配研究。同时选择出合适的匹配算法并给出了相应的仿真研究，仿真结果对比表明所选择方法的正确性。论文具体安排如下：第1章第一章是绪言部分，主要介绍了本论文的课题背景发展进行说明,对论文的章节内容做了安排。第2章介绍了微动控制平台，详细说明微动平台各部分的组成和它的原理。第3章是课题相关的理论与数学知识,在这章里，着重介绍了如何进行图像处理的相关知识，还重点介绍了双目视觉系统如何建模，同时也对仿真时所要涉及的MA
24、TLAB仿真做了说明。第4章图像匹配算法及仿真的研究。最后，在结论部分对所作的研究工作进行了总结，同时也对以后的研究工作提出一些展望。 第2章 微动控制系统的组成及原理微动控制系统是在微米直至亚微米级精度范围内,对尺寸在几微米至几十微米的物体进行稳定、可靠的抓取或操作。微动控制是集机械,材料,电子,控制以及计算机等多学科为一体的综合应用技术，采用微操作机器人是实现微动控制系统的重要手段，系统要求机器人能够快速的移动到被操作目标附近,而在关键部位还要实现微米级或亚微米的运动和定位精度；要求机器人在快速运动的同时,具有精确的位移检测等,这些对机器人的制造及控制理论提出了更高的要求。(1)微动控制系
25、统要满足以下的一些主要要求：(2)微米级的操作、定位精度；(3)大范围的可操作空间；(4)灵活的操作手结构；(5)精确、快速的显微视觉处理与控制系统；(6)多种速度加速度控制方式；2.1微动控制平台的组成根据微装配的工艺要求，微动控制系统主要由微装配机械手、真空微夹(末端执行器)和显微视觉三部分组成，系统总体结构（参见图2-1）其中真空微夹是微装配机器人的末端执行器，用来吸取和放置微工件(微靶)，由单片机小系统控制。微装配机械手由三维微动平台和遥控手杆组成，由DSP多轴运动控制器实现对机械手的位置与速度控制。显微视觉由光学显微镜、CCD摄像头、人工光源、图像采集卡和上位机(控制主机)组成，它负
26、责获取并处理显微视觉图像信息，实现对微装配过程的动态监控。微动控制系统特点：1) 由于操作对象的几何尺寸比较小, 在操作过程中, 静电力、摩擦力、表面张力等其主要作用, 即微观操作的尺度效应。2) 操作对象质量小，构造薄弱,因而操作力不宜过大，空气阻力相对其重量可能很大，在进行操作时，还需要释放操作。3) 由于操作对象小, 特别是在0.5mm 以下时,用肉眼很难看清其形状、位姿, 系统必须配有显微镜实现微细作业, 显微镜的视野大小决定系统的作业空间, 机构应保证操作对象始终在显微镜的视野中。图2-1 微动控制系统框图4) 具有多自由度, 操作灵活, 便于调整, 运动精微, 根据操作对象的不同,
27、 位移分辨率可达亚微米级或纳米级。5) 采用一定的方式 声、光、力，将操作的接触力等传递给操作者。操作者可通过主从遥控的方式对微操作过程及进行遥操作实现微操作过程中的力信息的放大和操作者宏操作位移的缩小。真空微夹是根据真空吸附原理设计而成的，该装置由玻璃吸管、真空单元和控制单元三部分组成。玻璃吸管是末端的执行器，由它的尖端来操作靶球；真空单元由压力源、压力调节阀、真空发生器、开关阀和真空软管构成；控制单元由单片机小系统构成，由它控制真空系统中的压力调节阀和开关，使真空系统根据微动控制系统的要求，在适当时候产生适当大小的正负气压，负压时，可使玻璃吸管的尖端可以牢牢地吸取微装配对象，正压时，将装配
28、对象可以准确地“吹”放到装配点上。显微视觉是由CCD摄像头、光学显微镜或者电子显微镜构成的，所以显微视觉就成为了微操作过程中信息获取的主要手段。以为立体视觉中通常采用双目视觉方案，所以只要标定出摄像机的参数及两摄像机之间的距离，并且通过对左右两路采集到的视觉图像信息进行匹配，就可以确定出操作物体在摄像机坐标系下的三维坐标。微动控制系统的机械结构由电动操作臂和电动微操作平台两部分组成。电动操作臂主要用来固定各种操作工具，它通过控制6路步进电机，并且提供操作臂沿X、Y、Z三个方向的平动运动。电动微操作平台由电动载物台，电动调焦机构和电动物镜转换器组成，主要用于为显微视觉系统提供硬件支持，所有用于变
29、换显微视野的操作都由它来完成。电动载物台通过控制2路步进电机提供操作目标沿x、Y两个方向上的平动运动；电动调焦机构通过控制步进电机带动固定于倒置显微镜的细准焦螺旋上的轴套旋转，提供高精度的转动；电动物镜转换器通过步进电机驱动蜗杆，带动固定于物镜转换器上的异型蜗轮进行转动，提供高精度镜头转换的转动。2.2微动控制系统原理2.2.1微动控制系统结构及原理该系统采用的是计算机视觉反馈完成微装配作业的,在装配过程中的微观领域场景信息是先由显微镜放大,然后经过CCD摄像头形成显微数字图像送入计算机（参见图2-2）。该系统采用的是万能工具显微镜的透镜组,可视为由物镜、目镜组成的光路系统。被观测的物体置于物
30、镜前面,经光路系统放大后,形成一个放大的实像,投射在目镜后面的CCD靶面上,最终形成计算机可以识别处理的显微数字图像。但并不是所有位于物镜前方的物体都可以被转换成有用的数字图像,只有在显微镜的景深范围之内的物体,光路放大系统才有效。把处于显微镜景深范围以内的区域称为“清晰区”,处于显微镜景深范围以外,图像虽然模糊,但大概可以分清背景和操作对象的区域,称为显微镜的“像感区”,如果继续向离焦方向移动,景象会变得完全不可识别,操作场景和背景图2-2 基于显微视觉反馈控制的微装配系统结构示意图完全不可分辨,称为“无像区”。当然这三个区域之间并没有严格的界限,是渐变的过程。一般的基于数字图像处理的显微镜
31、自动调焦算法,研究的都是从“像感区”到“清晰区”的问题,对于大范围的微操作而言,还要考虑“无像区”到“清晰区”的问题。据此该系统提出了“粗调一细调”的两极调焦算法,“粗调”使操作场景从“无像区”快速进入“像感区”,“细调”使操作场景从“像感区”进入“清晰区”。系统（参见图2-3）由显微视觉分系统、左右精密三维微定位台、末端微执行器、操纵单元和控制用计算机等模块构成。显微视觉（参见图2-4）分系统包括光学显微镜、CCD摄像机、图像采集和图像观测等装置。将视觉信息作为反馈参与伺服控制形成视觉控制系统，可以提高微操作机器人系统的精度，而且视觉系统还可以作为微操作机器人系统不可缺少的观测手段，所以显微
32、视觉系统是微操作机器人的一个重要组成部分。如图2-4所示，微操作机器人的显微视觉系统主要由以下几部分组成：图2-3 微操作系统平台结构组成及工作原理1 操纵装置；2控制用计算机；3左微定位平台；4光学显微镜；5右微定位平台；6末端微执行器图2-4 显微视觉系统组成 (1) 能完成对被操作物体精确移动、旋转等操作的操作手；(2) 有足够分辨率、并能从多方向观察操作对象的显微镜监视系统：(3) 能不失真地记录操作过程、操作对象和操作工具位置信息的图像采集系统；(4)图像信息处理系统；(5)操作手控制系统。根据操作对象的不同，各显微视觉系统的组成虽略有不r同，但均是在上述几方面基础上构建的。微动控制
33、平台（摄像机）所在点为世界坐标系的原点如图2-5，对环境物体进行三维建模。首先利用立体靶标对两个 CCD 相机进行标定，用 CCD 相机采集环境物体的图像，接着对采集到的图像进行滤波和特征提取，然后进行图像的立体匹配，最后计算出三维世界坐标，得到物体的三维点云图数据。如果机器人作战平台不移动，只能建立 2.5 维物体模型，但可以从不同角度观察环境物体，不影响对环境的理解。如果机器人作战平台围绕环境物体移动，可以建立物体三维模型。由重构的三维模型所组成的虚拟环境增强了操控人员对环境物体的理解，即增强了临场感，从而提高微动控制平台遥操作的效率。微操作手具备X-Y-Z 三个平移自由度的辅助操作手，其
34、运动行程为20mm20mm20mm，定位精度为5m，由Nikon/NARISHIGE 微操作器MO-188NE改造而成，具有结构紧凑、体积小、安装方便的特点。MO-188NE 本身是一独立控制系统，由微动平台、微电机、驱动器及遥杆构成，不具备外部控制指令输入接口，通过对其进行硬件改造，添加与上位机通讯控制单元，使其可以实时接收上位机指令实现计算机控制。实际操作中，上位机监控程序通过接收键盘输入命令或程序自动执行命令，将其转换为操作手运动指令后由RS232 接口转发给操作器。三自由度操作手结构如图2-7所示。图2-5 三自由度微操作手结构图2-6 压电双晶片微夹钳由于压电陶瓷具有结构紧凑、分辨率
35、高、响应快、无摩擦等优点，目前由压电元器件驱动的微夹钳比较普遍。本系统设计了一种双悬臂梁结构的压电双晶片微夹钳（如图2-6所示），两片压电双晶片相当于两个手指，当施加相同电压时，双晶片产生相同的偏转位移，往中间靠拢以夹取微装配对象。微夹钳的最大开口变化量为1.5mm。同时，为了实现微力检测，在悬臂梁根部集成电阻应变片，通过应变信号同时实现微夹钳的闭环控制以及夹持力的检测。通过装配实验验证了微夹钳结构模型的有效性，在实际装配操作中对微装配对象的夹取、放置操作安全有效且成功率高。2.2.2微动控制系统控制要求和目标由于被操作对象需要放置在此工作台上，因此应以满足使用要求而又经济合理为准则。但用作定
36、位补偿的微位移工作台，它的精度要求比较高，一般都在亚微米级以上甚至纳米级，另外还应具有良好的静态特性和动态特性，微操作的目的是对特征尺寸在微米量级的对象进行的操作和处理，用于执行微操作的仪器通常称为微操作系统或微操作机器人。微动控制系统应具有以下特征：1工作台应具有较高的几何精度，即颠摆、滚摆和摇摆误差要小，还应具有较高的精度稳定性；工作台的支承或导轨应无机械摩擦和间隙，具有较高的位移分辨率，以保证高的定位精度和重复精度，同时还应满足工作行程,系统精度应在微米与亚微米之间。一般认为，微器件的特征尺寸在I-IOOgm范围内。对这一尺度的器件进行准确操纵，进行微器件的精密定位、装配和连接，要求操作
37、仪器的精度要至少高一个数量级。一般微操作需要达到微米量级精度，对于一些特殊操作，有时也需要亚微米级精度。这里的操作精度主要指定位精度和装配精度。2工作台的固有频率应高，以确保其有良好的动态特性和抗干扰能力；系统应具有传感反馈部分，如视觉反馈和力反馈环节。由于加工水平、温度和湿度等环境条件、摩擦和磨损等因素的影响，采用开环控制方式达到微米与亚微米级的微操作是不可能的，必须采用闭环控制，传感反馈环节是不可缺少的。3包括一些用予灵活操纵和处理微小物体的工具。由于微操作领域还在不断发展，微操作任务经常是复杂和难以预见的，目前的微执行器的工作范围有限，功能单一，单独采用一种工具很难适应微操作要求。系统需
38、要具备多种执行不同操作的工具，如微夹钳、微注射装置、微型刀具等，并且可以灵活替换。4良好的人机交互环境。交互性能差、使用不方便的人机交互环境会令操作者感到厌倦和疲劳，降低工作效率，操作失误率增加，容易损害昂贵的精密操作工具。而良好的人机交互环境能令操作者感到舒适、方便、轻松，并且易于学习，对微操作的作用是显丽易见的。5微动系统要便于控制，而且响应速度快。待操作对象放置在PI平台上，并与微作业工具末端的显微作业针共同显示在电子显微镜下，由电子显微镜拍摄到的实时视频图像直接传送到PC机屏幕上，使得操作简便易行，实验效果也易于观察。2.2.3微动控制系统常用策略根据机械手和视觉系统的性能以及任务的复
39、杂性来进行设计微动控制平台。由于显微视觉系统的视野的局限，所以很难对微动平台在整个微装配空间中的运动进行有效的观测和跟踪，因此微动平台视觉伺服控制策略的选择与设计就有别于一般面向目标跟踪的视觉伺服系统，它具有以下一些特点：（1）对于机械手运动和控制速度的要求不高；（2）微动平台的运动的行程是比较小的；（3）微动控制对于环境参数的变化以及其他一些随机扰动的变化非常敏感，它要求控制器的设计应具备较好的鲁棒性；为了实现全自动的微动控制过程，基于图像的视觉伺服控制策略应该实现以下内容：1）根据图像特征的变化引导机械手运动到显微视觉系统的视野中；2）由其中一方向的深度信息控制机械手运动到成像焦平面（即动
40、平面）；3）依照目标在图像空间中的位置控制机械手进行相应的微动运动；整个系统的视觉伺服流程图（如图2-7所示）。值得注意的是，由于视觉传感器的低采样速率和图像处理运算所导致的视觉采样周期远大于机械手关节伺服控制器的采样速率，会产生较大的时延，因此需要引入滤波和预测环节来解决时延问题。图2-7 微动平台视觉伺服策略2.3本章小结本章首先简单介了绍微动控制平台的各部分组成，并且在此基础上建立了系统的个部分结构框图，本章说明了微动控制系统的实现目标和控制要求，还说明它们的工作原理，并初步说明了微动控制系统的实现策略。 第3章 图像处理原理3.1 图像处理介绍 数字图像处理又称计算机图像处理，它是将模
41、拟的图像信号转换成离散的数字信号并利用计算机对其进行处理的过程，其输入是原始图像，输出则是改善后的图像或者是从图像中提取的一些特征，以提高图像的实用性，从而达到人们所要求的预期效果。数字图像处理技术最早出现于20世纪20年代，但直到20世纪50年代，电子计算机发展到了一定水平，人们才有机会开始利用计算机来处理图形和图像信息。随着图像处理技术的不断深入发展，从20世纪70年代开始，计算机技术、人工智能和思维科学研究也得到了迅速发展，人们已经开始研究如何用计算机系统解释图像，实现类似人类视觉系统来理解外部世界，这种处理技术成为图像理解或计算机视觉。随着计算机软件、硬件技术日新月异的发展和普及，图像
42、处理技术已经成为人类生活中不可缺少的一部分。所谓数字图像处理就是利用计算机对图像信息进行加工以满足人的视觉心理或者应用需求的过程。实质上是一段能够被计算机还原显示和输出为一幅图像的数字码。21世纪是一个充满信息的时代，而图像作为人类感知世界的视觉基础，也是人类获取信息、表达信息和传递信息的重要手段之一。数字图像处理，就是用计算机对图像进行处理，其发展的历史并不长。数字图像处理技术源于20世纪20年代，当时通过海底电缆从英国伦敦到美国纽约传输了一幅照片，采用了数字压缩技术。首先数字图像处理技术可以帮助人们更客观、准确地认识世界，人的视觉系统可以帮助人类从外界获取3/4以上的信息，而图像、图形又是
43、所有视觉信息的载体，尽管人眼的鉴别力很高，可以识别数千种颜色，但很多情况下，图像对于人眼来说是模糊有的甚至是不可见的，通过图像增强技术，可以使哪些模糊甚至不可见的图像变得更加清晰明亮。另一方面，通过数字图像处理中的模式识别技术，可以将人眼无法识别的图像进行分类处理。通过计算机模式识别技术可以快速准确的检索、匹配和识别出各种东西。数字图像处理技术已经广泛深入地应用于国计民生相关的许多领域。数字图像处理技术的传统应用领域目前数字图像处理技术传统的应用领域为遥感、医学、交通、安全、工业生产方面等。（一）遥感中的应用。遥感图像处理的用处越来越大，并且其效率和分辨率也越来越高。它被广泛应用于土地测绘、资
44、源调查、气象监测、环境污染监督、农作物估产、军事侦察等领域。目前遥感技术已经比较成熟，但是还必须解决其数据量庞大、处理速度慢的缺点。（二）医学中的应用。在医学领域利用图像处理技术可以实现无痈、安全方便的诊断和治疗。其中最突出的临床应用就是超声、核磁共振、CT技术等。比如，可以采用模式识别技术进行染色体数量的统计与识别，其步骤： 1.先通过低通滤波去噪音。2.提取边缘。3.通过腐蚀去粘连。4.统计连通区域的个数，得到染色体的数量。（三）交通中的应用。现今，交通管理越来越趋向于自动化，智能化，而一辆汽车的车型是它的最基本的特征，提取车型在交通信息系统的很多方面都有应用。比如：事故多发路段的车速检测
45、系统，道路收费站收费系统，以及某路段的汽车流量信息统计系统等等。这里介绍一种利用图像模式识别技术进行汽车牌照的定位,其步骤如下1、通过高通滤波得到所有的边缘；2、对边缘细化（但要保持连通关系），找出所有封闭的边缘；3、对封闭边缘求多边形逼近，在逼近后的所有4边形中，找出尺寸与牌照大小相同的四边形，牌照被定位。（四）安全领域中应用。利用图像处理的模式识别等技术，可以应用在监控、指纹识别、脚印识别，运动目标的图像自动跟踪等。（五）工业生产中应用。图像处理技术在工业中有着广泛应用：产品的无损检测，表面和外观的自动检查和识别，装配和生产线的自动化，弹性力学照片的应力分析，流体力学图片的阻力和升力分析，
46、以及最值得注意的“计算机视觉”。数字图像处理步骤：1）图像变换：由于图像阵列很大，直接在空间域中进行处理，涉及计算量很大。因此，往往采用各种图像变换的方法，如傅立叶变换、沃尔什变换、离散余弦变换等间接处理技术，将空间域的处理转换为变换域处理，不仅可减少计算量，而且可获得更有效的处理（如傅立叶变换可在频域中进行数字滤波处理）。目前新兴研究的小波变换在时域和频域中都具有良好的局部化特性，它在图像处理中也有着广泛而有效的应用。2）图像编码压缩：图像编码压缩技术可减少描述图像的数据量（即比特数），以便节省图像传输、处理时间和减少所占用的存储器容量。压缩可以在不失真的前提下获得，也可以在允许的失真条件下进行。编码是压缩技术中最重要的方法，它在图像处理技术中是发展最早且比较成熟的技术。3）图像增强和复原：图像增强和复原的目的是为了提高图像的质量，如去除噪声，提高图像的清晰度等。图像增强不考虑图像降质的原因，突出图像中所感兴趣的部分。如强化图像高频分量，可使图像中物体轮廓清晰，细节明显；如强化低频分量可减少图像中噪声影响。图像复原要求对图像降质的原因有
