機電學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計開題報告

時間：2020-09-26 17:11:36 開題報告我要投稿

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機電學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計開題報告

　　報告題目：三維激光隧道掃描移動平臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　一、綜述

　　隨著我國經(jīng)濟持續(xù)高速增長，綜合國力不斷增強，高新技術(shù)不斷發(fā)展，也帶來了我國道路隧道建設(shè)規(guī)模和修筑技術(shù)快速發(fā)展的黃金時期。近二十多年來，我國道路隧道的修筑長度不斷被刷新，施工技術(shù)難度、技術(shù)含量不斷加大，大斷面、多孔連拱隧道不斷出現(xiàn)，高海拔、高寒冰凍地區(qū)的隧道也開始投入建設(shè)，我國道路隧道建設(shè)乃至整個公路建設(shè)的相關(guān)科技攻關(guān)空前發(fā)展。然而我國道路隧道工程建設(shè)的起步較晚，設(shè)計、施工、監(jiān)理和檢測工藝等方面還不成熟、不完善。由于隧道屬于重大永久性建筑物，對其限界和狀態(tài)進行定期檢查，并根據(jù)其劣化程度予以維護和保養(yǎng)，是確保安全運營的一個重要環(huán)節(jié)。由于設(shè)計、施工、材料及地質(zhì)因素等各方面的原因，無論是國內(nèi)還是國外，多數(shù)隧道都存在不同程度的病害。根據(jù)國內(nèi)外道路隧道的相關(guān)資料，隧道常見的質(zhì)量問題主要有以下幾點：襯砌漏水，襯砌裂紋，襯砌腐蝕等，此外還有襯砌壓潰及剝落、襯砌變形及位移、隧道運營通風(fēng)不暢及照明不良等問題。隧道工程質(zhì)量的形成是隨著建設(shè)進度的推進而形成的，目前隧道常見質(zhì)量問題產(chǎn)生的主要原因歸納如下：隧道工程施工工藝復(fù)雜，工序多，工程管理控制難度大，最容易產(chǎn)生質(zhì)量問題;隧道建筑材料的質(zhì)量問題;隧道監(jiān)控包括施工期間的監(jiān)控量測和運營期間的監(jiān)控措施較為落后;地質(zhì)災(zāi)害和其他原因?qū)λ淼蕾|(zhì)量的影響。目前運營單位多采用傳統(tǒng)的巡道工目視檢測的方法，不僅費時費力，檢測效果過于依賴巡道工的個人經(jīng)驗，不同人員的檢測結(jié)果可能大相徑庭;國內(nèi)也有根據(jù)隧道襯砌與圍巖以及隧道病害之間存在較大的介電差異，采用探地雷達對隧道質(zhì)量進行檢測，這種檢測方法容易受到外界的隨機噪音、地面和地上物體的反射干擾信號以及儀器本身的噪音的影響，另外雷達圖像不是很直觀，無法做定量分析;此外還有采用振動掃描的方法對隧道質(zhì)量進行檢測，也存在不直觀，檢測精度低的問題。且在傳統(tǒng)測量概念里，所測的的數(shù)據(jù)最終輸出的都是二維結(jié)果(如CAD出圖)，在現(xiàn)在測量儀器里全站儀，GPS比重居多，但測量的數(shù)據(jù)都是二維形式的。

　　在逐步數(shù)字化的今天，采用數(shù)字視頻全息技術(shù)，可以較好的對隧道各種災(zāi)害情況進行測量，記錄被攝物體反射波的振幅和位相等全部信息，對所拍攝的全息圖進行數(shù)字處理，在計算機上能完全還原隧道的三維立體圖，以三維代替二維，因為其直觀是二維無法表示的，現(xiàn)在的三維激光掃描儀每次測量的數(shù)據(jù)不僅僅包含X,Y,Z點的信息，還包括R,G,B顏色信息，同時還有物體反色率的`信息，這樣全面的信息能給人一種物體在電腦里真實再現(xiàn)的感覺，是一般測量手段無法做到的。同時利用全息技術(shù)實現(xiàn)真實的三維圖像的記錄和再現(xiàn)。和其他三維“圖像”不一樣的是，全息圖提供了“視差”。視差的存在使得觀察者可以通過前后、左右和上下移動來觀察圖像的不同形象——好像有個真實的物體在那里一樣。采用這種高效、集成、小型化、數(shù)字化的檢測設(shè)備可生成標(biāo)準的數(shù)字化影像檔案，現(xiàn)場快速采集數(shù)據(jù)之后，工程師在辦公室便可進行病害檢測，不僅可直接在數(shù)字圖像上標(biāo)定病害，還可存入數(shù)據(jù)庫進行信息化管理和狀態(tài)評估。

　　數(shù)字全息是傳統(tǒng)的光全息術(shù)和數(shù)字技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。由美國科學(xué)家顧德門 (J.w.Goodman)在1967年首次提出。數(shù)字全息用光電傳感器件如CCD或CMOS攝像機代替?zhèn)鹘y(tǒng)全息中的銀鹽干板來記錄全息圖，全息圖以數(shù)字圖像的形式被輸入計算機，用計算機模擬光學(xué)衍射過程來實現(xiàn)被一記錄物體的全息再現(xiàn)。近年來，隨著計算機技術(shù)和數(shù)碼攝像器件的飛速發(fā)展，數(shù)字全息技術(shù)及其應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注，其應(yīng)用范圍已涉及形貌測量、變形測量、粒子場測試、三維顯微、圖像加密、三維圖像識別等許多領(lǐng)域。

　　1947年英國物理學(xué)家丹尼斯?伽博(Dennis Gabor)在研究如何提高電子顯微鏡的分辨率的過程中發(fā)明了全息術(shù)。由于當(dāng)時沒有理想的相干光源，而且全息再現(xiàn)像的質(zhì)量受到孿生像的嚴重干擾，在上世紀50年代中期，全息術(shù)的研究沒有什么進展，幾乎處于停滯狀態(tài)。1960年世界第一臺激光器出現(xiàn)，為全息術(shù)提供了高相干性、高亮度的光源。 1962年美國科學(xué)家利思 (Leith)和烏帕特尼克斯發(fā)明了離軸全息術(shù)。離軸全息使用傾斜的參考光波將信號光(物光)加載到一個載頻(離軸參考光)上，使全息再現(xiàn)的物光和它的共扼在空間頻率(方向)上分開，從而徹底消除了孿生像問題。激光器的出現(xiàn)和離軸全息的一提出使全息術(shù)又成為了研究熱點，全息技術(shù)從此邁進了一個飛速發(fā)展的階段。1962年前蘇聯(lián)Denisyuk將Lippman彩色照像法與全息術(shù)相結(jié)合，發(fā)明了反射式全息圖，并首次提出了體積全息和白光再現(xiàn)的思想。1969年美國人Benion提出了彩虹全息術(shù)，這類全息圖衍射效率高，制作過程簡單，故發(fā)展很快。1977年cross制成了復(fù)合全息圖，和彩虹全息圖一樣，都可以在白光下觀察再現(xiàn)象。這種激光記錄百光再現(xiàn)的全息技術(shù)被稱為第三代全息，己廣泛用于全息防偽。1998年u.schnars和w.JuPtuer使用CCD記錄了漫反射物體的菲涅耳離軸數(shù)全息圖，并提出了一種數(shù)字再現(xiàn)快速算法—菲涅耳變換法。它利用一次快速傅里葉變換 (FFT)來實現(xiàn)菲涅耳衍射的計算，是目前數(shù)字再現(xiàn)最常用的快速算法之一。2005年， ThomasM發(fā)表了他用頻率分析法對數(shù)字全息點擴散函數(shù)的研究結(jié)果，他認為當(dāng)使用菲涅耳變換法再現(xiàn)全息圖的時候，點擴散函數(shù)是中心處于像點位置的CCD孔徑的夫瑯禾費衍射圖案，當(dāng)使用卷積法再現(xiàn)全息圖的時候，點擴散函數(shù)基本上是sinc函數(shù)的形式，其寬度取決于傳遞函數(shù)。他指出卷積法對全息圖的頻譜有截斷，記錄距離越大，截斷越多。這種截斷會造成再現(xiàn)像分辨率的降低。為提高分辨率，提出了自由空間傳播的級聯(lián)算法。ThomasM.Kreis還分析了CCD填充因子和直透光對點擴散函數(shù)的影響。在我國，2008年，國承山、張莉等人提出 ThomasM.Kreis的頻率分析法對CCD的記錄過程建立的數(shù)學(xué)模型不準確，提出了自己的數(shù)學(xué)模型，以此模型為基礎(chǔ)推導(dǎo)出了菲涅耳變換算法的點擴散函數(shù)，并討論了CCD填充因子對點擴散函數(shù)的影響。

　　OpenCv的全稱是：Open Source Computer Vision Library.OpenCv于1999年由Intel建立，現(xiàn)在由Willow Garage提供支持。OpenCV是一個基于BSD許可證授權(quán)(開源)發(fā)行的跨平臺計算機視覺庫，可以運行在Linux、Windows和Mac OS操作系統(tǒng)上。它輕量級而且高效——由一系列 C 函數(shù)和少量 C++ 類構(gòu)成，同時提供了Python、Ruby、MATLAB等語言的接口，實現(xiàn)了圖像處理和計算機視覺方面的很多通用算法。OpenCv致力于真實世界的實時應(yīng)用，通過優(yōu)化的C代碼的編寫對其執(zhí)行速度帶來了可觀的提升，并且可以通過購買Intel的IPP高性能多媒體函數(shù)庫(Integrated Performance Primitives)得到更快的處理速度。OpenCv提供的視覺處理算法非常豐富，并且它部分以C語言編寫，加上其開源的特性，處理得當(dāng)，不需要添加新的外部支持也可以完整的編譯鏈接生成執(zhí)行程序，所以很多人用它來做算法的移植，OpenCv的代碼經(jīng)過適當(dāng)改寫可以正常的運行在DSP系統(tǒng)和單片機系統(tǒng)中，目前這種移植在大學(xué)中經(jīng)常作為相關(guān)專業(yè)本科生畢業(yè)設(shè)計或者研究生課題的選題。在OpenCv界面中打開視頻后，我們需要利用visual c++進行編程。visual c++整合了便利的除錯工具，特別是整合了微軟視窗程式設(shè)計、三維動畫DirectX API，Microsoft .NET框架。目前最新的版本是Microsoft Visual C++ 2010。利用visual c++編程，在OpenCv界面中對隧道進行動態(tài)跟蹤，這就是畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容。

　　二、研究內(nèi)容

　　綜合運用所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，獨立查閱有關(guān)參考資料，在對全息成像技術(shù)和計算機技術(shù)進行分析的基礎(chǔ)之上，利用分析軟件通過分析發(fā)射和接收到激光信號，獲得隧道襯砌的內(nèi)表面影像圖以及隧道襯砌表面各點距軌道中心線的距離，對獲得的斷面數(shù)據(jù)進行處理可以形成數(shù)字化的灰度圖，同時熟悉計算機視覺和三維圖形繪制的基礎(chǔ)知識，掌握三維激光隧道掃描移動平臺激光掃描技術(shù)的基本原理，熟悉信號處理的基礎(chǔ)知識，完成信號采集系統(tǒng)的設(shè)計，建立采集數(shù)據(jù)庫，對采集信號進行信號處理及濾波處理。

　　三、研究進度

　　開題 (第3周)

　　外文科技資料翻譯 (第4周)

　　初步熟悉VisualC++軟件操作 (第5周)

　　熟悉VisualC++的程序設(shè)計及圖形方面操作 (第6周)

　　熟悉OpenCv操作 (第7周)

　　建立數(shù)據(jù)庫，完成數(shù)據(jù)采集 (第8周)

　　OpenCv軟件建模 (第9周)

　　建立采集分析軟件 (第10周)

　　OpenCv軟件計算結(jié)果 (第11周)

　　分析結(jié)果準備制圖 (第12周)

　　繪制工作圖 (第13周)

　　撰寫畢業(yè)論文 (第14周)

　　修改整理畢業(yè)論文 (第15周)

　　制作答辯電子稿，準備答辯 (第16周)

　　畢業(yè)答辯 (第17周)

　　四、論文工作量的估計

　　論文工作量適中。

　　五、預(yù)期達到的目標(biāo)

　　利用編程能從給定的視頻資料中主動動態(tài)的。包括外文科技資料翻譯(≧30000印刷符號)，計算機繪制的裝配圖1張(2#)，VisualC++程序一份，論文1份，打印稿(用學(xué)校規(guī)定的稿紙)，約30～40頁，含中、英文摘要(約400～600個印刷符號)，用PowerPoint制作的論文答辯電子稿1份。

　　六、存在的問題及擬采取的解決措施

　　對三維激光隧道掃描移動平臺不夠了解。對VisualC++及OpenCv軟件了解不太多，對不能熟練操作。平時多查閱資料，努力學(xué)習(xí)，對掃描平臺進行深入了解，熟悉所需軟件的操作及編程。

　　七、參考文獻

　　[1] 機械設(shè)計機械工業(yè)出版社

　　[2] C++程序設(shè)計教程——基于Visua Studio2008 機械工業(yè)出版社

　　[3] C程序設(shè)計清華大學(xué)出版社

　　[4] 劉瑞珍.Opencv教程基礎(chǔ)篇

　　[5] 錢雪忠;羅海馳;陳國俊.數(shù)據(jù)庫原理及技術(shù)課程設(shè)計清華大學(xué)出版社

　　[6] 賈防.數(shù)字全息原理及應(yīng)用的研究

　　[7] 程佩青.數(shù)字信號處理教程清華大學(xué)出版社

　　[8] 李冠成;于艷春;王勇;李明;王恒明.激光全息技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢的研究

　　[9] 張項鐸.隧道工程測量測繪出版社