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北京工业大学学术学位研究生开题报告学位级别：□博士■硕士学号：S201301080研究生姓名：郭珍珍指导教师姓名：卢振洋专业名称：机械工程所在学院：机电学院开题报告时间：2014.12.21北京工业大学研究生院制表注意：本表基本情况及报告正文由研究生本人填写，硕士不少于3000字，博士不少于5000字。格式要求：正文文字部分为5号宋体、单倍行间距排版，A4纸双面打印装订。开题报告评价部分分别由指导教师及专家组书写。开题报告会结束后一周之内将报告原件交院（所）研究生教学秘书处。一、基本情况研究生姓名郭珍珍学号S201301080院、系机电学院指导教师姓名及职称卢振洋教授学科、专业机械工程入学年月2013年9月填表日期2014.12.211、研究方向、论文选题范围：研究方向：数字图像处理论文选题范围：焊接监控系统2、拟定论文题目：宽动态焊接过程监控系统研制3、论文科研课题属于哪一级科研项目，经费来源及金额（课题来源选项分为国家计委、科委项目、国家经贸委项目、国家自然科学基金项目、国务院其他部门项目、主管部门（部委级）项目、省、市、自治区项目、国际合作项目、学校级项目、自选项目、其它）：自选课题4、论文类型（基础研究、应用研究、开发研究、其它）应用研究、开发研究摘要选题研究内容和意义简介（限400字）：研究内容：本课题的研究内容是设计一种新的明弧焊接的监控系统。实现方法是通过使用宽动态相机得到一组曝光时间不同的图像，通过对图像组进行图像融合处理来得到一张动态范围更大的图像，实现动态范围的进一步扩展，从而能够清楚的看清楚焊接过程的状态，以达到远距离监控焊接过程的目的。本课题主要解决的问题有设计优化并优化一种融合算法使其满足本课题需要，并设计MATLAB图像用户界面，实现处理后的图像实时显示。研究意义：明弧焊接条件下，需要焊工手拿或头戴焊帽近距离观察焊接状态来实现焊接，但明弧焊接过程中会产生强的电磁辐射、焊接烟尘等，会对人的身体造成危害，因此设计一种焊接监控系统来代替焊工的近距离观察显得尤其重要。关键词（用分号隔开、最多5个）焊接监控；宽动态；MATLAB；图像融合报告正文（一）选题依据与研究内容1、选题依据（研究意义、国内外研究现状等）1.1课题背景包括手工焊、氩弧焊、激光焊、二氧化碳气体保护焊等一些焊接过程中能看到弧光的焊接方法，我们通称为明弧焊。因为明弧焊接具有效率高、焊接变形小、成本低、操作简单等一些优势而被广泛应用。在明弧焊接条件下，通常需要焊工手拿或头戴焊帽近距离观测焊接状态从而来实现手工焊或机械焊，但明弧焊接过程中所产生的高的电磁辐射以及焊接灰尘会危害焊工的身体健康。而且现有的一些监控系统，当曝光量大的时候能够看清楚焊接现场较暗的地方，此时焊接电弧就是一团发白的光，当曝光量小的时候能够看清楚焊接电弧，此时焊接现场较暗的地方就不能看清楚。总之，现有的焊接监控系统不能满足需求。1.2研究意义基于现有焊接系统所存在的问题，本课题研究一种新的宽动态焊接监控系统。主要是通过图像处理的方法增大图像的宽动态，从而实现能够清楚观看焊接过程的目的，以此来代替焊工近距离观测焊接，减少对焊工的危害及减轻焊工的工作强度。1.3国内外的研究现状随着社会的发展和一些如银行、道路监控系统的需要，传统的摄像机不能够满足人们需要，越来越多的人开始致力于研究增大相机的宽动态。1997年，第一代宽动态摄像机问世，它的宽动态范围是40倍。到了1999年第二代超级宽动态摄像机的宽动态范围达到80倍（48dB）。2005年4月第三代超级宽动态摄像机问世，它的宽动态范围达到160倍（54dB）。目前，动态技术主要由国外一些大的摄像机制造商掌握，虽然各家的技术方式方法虽有不同，但在使用CCD实现宽动态的原理基本一致，其原理是由美国斯坦福大学电子工程学教授AbbaselGamal与其带领的博士研究生DavidYang（杨晓东）于1993年首次提出实现的。宽动态的主要技术是采用特殊DSP（数字信号处理）电路，对明亮部分进行最合适的快门速度曝光，然后再对暗的部分用最合适的快门速度曝光，然后将两个图像进行DSP处理重新组合，使明亮的部分和暗的部分可以看得清楚，这需要很高的技术使色彩和清晰度损失最小。然而由于CCD的特性所限制，摄像机宽动态范围最大能到60dB。随后，Pxim公司开发研制出一种优于传统CCD的有专利的DPS成像技术，它标志着图像技术在基础原理上的重大突破。该DPS技术是由美国斯坦福大学电子工程学教授AbbaselGamal与其带领的博士研究生DavidYang（杨晓东）于1993年开发而成，止图像远超过任何现有的其它技术。与传统CCD不同，DPS技术的核心发明是在每个像素点在捕捉图像时将光信号转换数字信号由模拟到数字转换ADC(analog-to-digitalconverter)，这样使信号衰减和色度亮度串扰降到最小，使传感器为每个像素提供最佳、独立的曝光次数，一旦数据以数字形式被捕获，多种多样的数字信号处理技术被用于再现最好的图像。日本池上Ikegami公司运用该技术使摄像机的动态范围达到了120dB，使摄像机的宽动态范围实现了一次飞跃。目前，宽动态技术主要被国外一些大的摄像机制造商所掌握。除了上面所介绍的通过利用曝光芯片和一些硬件来增大宽动态以外，也有很多研究者利用图像融合的方法，通过融合一组利用传统采集的不同曝光量的图像来增大宽动态。2、选题的研究内容、研究目标以及拟解决的关键问题等2.1课题的研究内容本科题的研究内容主要如下几个方面：设计并优化一种图像融合的算法并在MATLAB中验证算法。算法满足要求时设计MATLABGUI实现融合后的图像能够实时显示。最后将优化好的算法移植到嵌入式装置中并调试，最终实现图像的实时处理和显示。2.2研究目标本课题的研究目标主要包括以下三个方面：①设计优化一种图像融合的算法，使处理后的图像满足焊接监控的需要；②设计MATLAB用户界面实现已处理的图像实时显示。2.3拟解决的关键问题本课题拟解决的关键问题主要包括以下几个方面：①设计并优化融合算法；②设计MATLAB图形用户界面。3、拟采取的研究方案（研究思路、技术路线或研究方法）及可行性分析3.1研究平台的选择本课题中所用的实现平台既包含硬件又包含软件，这部分先将讨论一下课题中硬件及软件的选择。本课题硬件平台选用的图像传感器是CMOSMT9M034，其主要的参数如下：①动态范围大于115dB；②分辨率为1280*960时每秒钟可以输出60帧图像.选用该图像传感器的依据是：1、焊接现场的动态范围很大，传统的相机无法满足监控的需求，该图像传感器的动态范围大能够获取动态范围比较大的图像，为课题后期工作提供保障。2、在最大分辨率下，每秒钟可输出60帧图像，能够忽略连续获得两张图像之间的差别，为图像融合提供条件。软件平台选用MATLAB。MATLAB是一套功能强大的工程计算软件，被广泛的应用于自动控制、机械设计、流体力学和数理统计等工程领域。具有以下优点：1、汇编效率高MATLAB语言是一种面向科学与工程计算的高级语言，允许用数学形式的语言编写程序，且比BASIC、FORTRAN和C等语言更加接近我们书写计算公式的思维方式2、高效方便的矩阵和数组运算MATLAB语言像BASIC、FORTRAN和C语言一样规定了矩阵的算术运算符、关系运算符、逻辑运算符、条件运算符及赋值运算符，而且这些运算符大部分可以毫无改变的照搬到数组建的运算中。有些如算术运算符只要增加“.”就可以用于数组建间的运算。另外，它不需定义数组的维数，并给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解数字图像处理问题时显得大为简洁、高效、方便，这是其他高级语言所不能相比的。3、用户使用方便MATLAB语言是一种解释执行的语言(在没有被专门的工具编译之前)，它灵活、方便，起跳时程序手段丰富，调试速度快，需要学习时间少。人们用任何一种语言编程和调试一般都要经过四个步骤：编辑、编译、连接，以及执行和调试。各个步骤之间是顺序关系，编程的过程就是在他们之间作瀑布型的循环。4、扩充性强，交互性好MATLAB语言有丰富的库函数，在进行复杂的数学运算时可以直接调用，且这些库函数同用户文件在形式上一样，所以用户文件也可以作为MATLAB的库函数来调用。3.2技术路线本课题主要的技术路线大致可以分为四步：1.研究并优化算法。通过学习数字图像处理，以及通过阅读大量文献，了解现有图像融合的算法，验证现有算法，并设计适合本课题的算法并优化，以满足实际需要。2.设计MATLAB图像用户界面。设计MATLABGUI实现处理的图像实时显示。3.把设计的算法移植到硬件并调试，实现实时监控焊接过程。3.3可行性分析本课题研究的思路是结合两种增大图像宽动态的方法，进一步增大宽动态，来实现监控焊接过程的目的。由于现有的两种方法已经大量的研究，而且也有实例验证已确实增大了图像的动态范围，而本课题只是结合两种方法，简单的说是在已有的宽动态基础上再进一步增大宽动态，因此具有很大的可行性。4、本课题的特色及创新之处（限博士论文开题，硕士可根据课题取舍）本课题的主要特色：结合两种增大图像宽动态的方法，进一步增大图像宽动态，实现在很大的动态范围下能够清楚的观察到场景中的所有东西。5、论文研究进度计划（含研究进度计划安排、研究经费预算及解决办法）、预期研究结果5.1论文研究进度计划2015.01-2015.02图像采集2015.03-2015.07设计图像融合算法并优化2015.08-2015.09在MATLAB中模拟验证算法2015.10-2015.12设计MATLABGUI并验证2016.01-2016.04毕业论文的撰写，准备答辩5.2预期研究结果1、设计优化一种算法，使处理后的图像能够满足焊接监控的需要；2、设计MATLAB图形用户界面，使处理过的图像能够实时显示。（二）论文研究工作基础及条件保障1、工作基础（含入学以来取得研究成果、参与或承担的科研项目情况等）1.查阅了大量国内外与本课题相关的文献，包括多源图像融合、宽动态以及焊接监控系统等。2.学习了数字图像处理，掌握了数字图像处理的基本概念和方法。3.学习了MATLAB，为处理图像打下了基础。3、工作条件（设备条件、实验场地条件、可能遇到的困难及应对措施）图像传感器MT9M034、MATLAB、具有明弧焊接设备为采集图像和验证研究效果提供条件（三）参考文献（参考文献目录用标准规范格式，在正文引用处须标注）[l]郭燕斌.应用于公路收费站系统的车牌识别，电子科技大学硕士论文，2007.[2]谢骞.宽动态视频监控技术研究，上海交通大学博士论文，2013.[3]汤一平，杨冠宝，楼勇攀，梁雁，等.宽动态全方位视觉传感器，浙江工业大学信息工程学院，2009杭州，310014.[4]徐福涛.解析宽动态技术在监控摄像机中的应用,电子世界,2012.[5]松本安司.监控的未来，清晰的未来，松下电器产业株式会社海外安防本部,2007.[6]谢骞,方向忠，等.基于宽动态技术的室内视频监控研究.上海交通大学电子工程系,2013.[7]汪亚明，黄文清，周海英，等.动态图像序列中的运动目标检测，计算机测量与检测，2008.[9]马寅.基于CCD图像特征提取及识别，信息科学与工程学院硕士论文，2012.[10]夏明革，何友，唐小明，等.多传感器图像融合综述，海军航空工程学院电子工程系，2002.[11]卢海鹏.多源图像融合的理论与方法,西安电子科技大学硕士论文，2014.[12]王正林.基于对比度的小波图像融合算法研究.河北秦皇岛91404部队，2014.[13]顾思思，陈玮，等.基于块方向性小波变换的图像融合算法.湖南科技学院计算机与通信工程系，2012.[14]HanNL,HuJX,ZhangW.Multi-spectralandSARImagesfusionviamallatandàtrouswavelettransform[J].IEEEDigitalObjectIdentifier,2010,11(4):1-4.[1