光学成像条码定位理论研究及应用

论文摘要

光学成像条码定位是一种基于条码识别技术和机器视觉测量的光电自动化测量方法，具有广泛的应用领域。在条码识别技术发展日趋成熟的今天，有关条码定位，特别是测量距离可变的大量程定位的研究却相当稀少。国际上的相关研究成果以产品的形式出现并被少数几家公司垄断，由于知识产权保护等原因，公开发表的文献极为有限；而国内的研究起步较晚，目前对该问题还没有彻底解决，造成国内相关应用产品生产空白的现状。本论文正是以此为研究背景，旨在对光学成像条码的定位机理进行系统的研究，并发展远距离测量时高密度条码的检测识别及定位算法。 位移条码的编解码原理是光学成像条码定位技术的工作基础，长期以来，国内对此缺乏系统的研究，文中弥补了这一不足，并归纳了条码标尺设计原则、步骤及条码定位一般算法。 测量距离大范围变化时定位困难，主要体现在远距离测量时高密度条码检测和测量距离变化时不同密度条码检测算法的切换两方面。为此首先讨论了不同密度条码信号的各种空域检测方法；并基于条码等间隔结构提出频域计算物像比的方法，使不同距离下物像比的求解方法得到了统一，为算法切换提供了依据。 正弦条码在编解码原理上独具特色，对其定位算法的研究具有重要意义。本文针对相关研究成果空白的现状，对此进行了深入研究。利用课题组现有资源——正弦条码标尺，在不需要通过精确提取各码条宽度值的情况下，利用频域法得到的等效宽度序列实现了其定位算法，实验结果证明了算法的正确性和精确性；在此基础上进一步提出一种具有一定特色的新型正弦组合码并发展了相应的定位算法，大大提高了条码的利用率和抗干扰能力。 最后，将本文研究成果应用于电子水准测量中，制成电子水准仪样机，并自主编写相应的开发仿真测试软件，进行大量现场实验，测试结果接近国家一级水准仪标准。 鉴于条码尺刻划精度检验的重要性，本文还就用于此项检验的常用系统——双频激光器外差干涉测长系统中物体变速运动对测量精度的影响进行了探讨，提出了一种新型数字自适应线性倍频思想，仿真结果证明了其可行性。 论文对光学成像条码定位的机理研究及实践应用，为该技术在国内的发展和应用提供了理论依据和实验参考；将正弦条码尺与频域检测法相结合有效的解决了“大范围距离变化条件下光学成像条码的准确定位”这一难题；新码的提出和应用为我国开发“具有自主知识产权的电子水准仪”提供了理论基础和实验依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光学成像条码定位技术发展历程、国内外现状及课题研究背景
• 1.2.1 位移条码
• 1.2.1.1 编码与测量
• 1.2.1.2 条码应用
• 1.2.2 条码识别
• 1.2.2.1 直接识别
• 1.2.2.2 条码图象复原
• 1.2.3 光学成像条码定位
• 1.3 本文的主要研究工作和创新点
• 1.4 本文的章节安排
• 2. 光学成像条码定位技术位移编解码理论
• 2.1 信息编码与译码
• 2.2 位移条码编码理论
• 2.2.1 数字位移码编码原理
• 2.2.2 条码编码理论
• 2.3 光学成像条码定位一般算法
• 2.4 条码标尺设计原则与步骤
• 2.5 本章小结
• 3. 条码图像检测
• 3.1 条码信号模型
• 3.1.1 光学系统基础
• 3.1.2 图像传感器孔径采样
• 3.1.3 条码成像模型
• 3.2 条码检测
• 3.2.1 独立边缘分析
• 3.2.2 邻近边缘相互影响及中点特征分析
• 3.2.3 近距测量时的条码检测
• 3.2.4 远距测量时的条码检测
• 3.2.4.1 条空重心法直接检测
• 3.2.4.2 条码图像恢复后检测
• 3.2.5 不同密度条码信号空域检测算法的切换
• 3.3 等间距条码标尺的频域检测方法
• 3.3.1 离散傅立叶变换数学基础
• 3.3.2 在频域计算物像比
• 3.3.2.1 特征谱线检测
• 3.3.2.2 频谱修正
• 3.3.3 条码信号等效宽度序列的获取
• 3.4 本章小结
• 4. 正弦条码定位原理及解码
• 4.1 正弦条码的定位原理
• 4.1.1 理想序列的相位求解
• 4.1.2 实际序列的相位求解
• 4.1.3 讨论
• 4.2 双正弦条码
• 4.3 组合数学与编码
• 4.4 一种新的周期组合编码
• 4.5 实验
• 4.6 本章小结
• 5. 基于双频激光定位系统的条码标尺检测中的自适应线性倍频方法
• 5.1 双频激光干涉测量中的自适应倍频
• 5.2 仿真
• 5.3 本章小结
• 6. 图像式条码定位技术在电子水准测量中的应用
• 6.1 背景介绍
• 6.2 实验
• 6.2.1 实验装置及参数介绍
• 6.2.2 软件功能介绍
• 6.3 基于信号恢复的三正弦码实测结果
• 6.4 基于傅立叶变换的新周期组合码测试结果
• 6.5 电子水准仪精确度测试及结果
• 6.6 本章小结
• 7. 总结与讨论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文