光电直读式光谱仪图像识别系统的研制

摘要

光谱仪是一种用于对黑色金属和有色金属进行快速分析,以鉴别金属牌号或区分混料的光学仪器。目前在国内冶金及钢铁制造业通常使用传统的目视谱线法,这种方法很大程度上依赖于操作人员的熟练水平,误判率高,工作繁杂,不利于企业的生产管理。
　　针对以上不足,本文研制了光电直读式光谱仪,它在原有光谱仪的基础上,改进了其光学成像系统,结合图像数字化处理技术和模式识别方法,准确快速地给出金属中各合金元素成分分析。首先,简要分析光谱分析的基本方法,并设计了光谱图像采集系统。采用高分辨率的CCD摄像机和镜头,设计并加工摄像机与光谱仪的连接装置,使CCD摄像机代替原有光谱仪的目镜部分,并使采集到的光谱图像清晰成像在CCD感光阵列上。其次,根据不同位置图像的特点,分析并使用最佳的图像预处理方法。包括平滑滤波减小脉冲及随机噪声对图像的影响;细化边缘减小边缘的模糊重叠;增强亮度对比度用以区分亮、暗光谱线;使用阈值自判定方法自动确定图像二值化阈值;以霍夫变换为理论依据,将二值图像拟合为单像素直线组。然后,针对处理后的每种合金元素所在位置的图像,设计光谱线智能识别算法。在这里提出了特征族的概念及评价标准,并以此为基础搜索并记录各合金元素特征谱线的位置及亮度。所有特征谱线的集合就构造了该系统的特征谱线标准库,通过这个标准库就可以去判别分析未知金属样块中含有的合金元素成分。这是本文研究的重点部分。最后,完成光电直读式光谱仪应用软件的编译、工作流程的制定、人机对话界面的设计以及实际工作功能的完善。最后完成整机的装配与调试,本系统在减少工人工作量、降低人为误差、以及加强科学化管理等方面都取得了良好效果。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 光谱仪器的国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 光谱分析理论及系统设计概述

2.1 光谱分析的目的

2.2 光谱分析的方法

2.2.1 人工分析的方法

2.2.2 智能分析的方法

2.3 光电直读式光谱仪系统设计

2.3.1 测量控制台的设计

2.3.2 应用软件的设计

2.4 本章小结

第3章 光谱图像处理与谱线识别及其算法分析

3.1 数字图像的基本概念

3.1.1 位图和调色板

3.1.2 数据结构

3.2 数字图像处理在光谱图像中的应用分析

3.2.1 图像增强方法及亮度改善

3.2.2 图像平滑滤波算法分析

3.2.3 图像边缘提取及细化

3.2.4 自判定阈值的二值化算法分析

3.2.5 霍夫变换直线检测算法介绍

3.3 谱线识别及图像匹配算法分析

3.3.1 图形检测及图像匹配的基本理论

3.3.2 特征族的概念及其算法分析

3.3.3 特征族的实际应用

3.4 本章小结

第4章 光电直读式光谱仪应用软件研制

4.1 应用软件设计概述

4.2 光谱线图像实时采集

4.2.1 初始化信息输入

4.2.2 光谱线采集命令

4.2.3 辅助管理记录功能

4.3 合金元素成分分析

4.3.1 输入输出结果查询

4.3.2 光谱线检测功能

4.4 本章小结

第5章 实验及分析

5.1 实验装置

5.2 影响实验结果的因素

5.2.1 光谱仪器的像差

5.2.2 图像的阈值及拟合点数

5.2.3 光学系统参数

5.2.4 电磁干扰

5.3 实验结果

5.4 本章小结

结论

参考文献

附录 系统整体组装实物图

致谢