[發明專利]一種用于牛頓環實驗的機器視覺教學系統及方法

在審

• 申請號: 202011125591.7
• 申請日: 2020-10-20
• 公開（公告）號: CN112289154A
• 公開（公告）日: 2021-01-29
• 發明（設計）人: 張健;牛麗婷;陳子川;江先陽;王曉峰
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G09B23/22
• 分類號: G09B23/22
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 彭艷君

本發明涉及圖像采集處理技術，具體涉及一種用于牛頓環實驗的機器視覺教學系統及方法，該系統包括顯微讀數儀、牛頓環采集攝像頭、標尺采集攝像頭、鼓輪采集攝像頭、硬件板卡和VGA顯示屏以及第一、第二、第三支架；顯微讀數儀分別通過第一、第二、第三支架與牛頓環采集攝像頭、標尺采集攝像頭、鼓輪采集攝像頭連接；硬件板卡與牛頓環采集攝像頭、標尺采集攝像頭、鼓輪采集攝像頭，以及VGA顯示屏進行電連接。該系統具有直觀的圖像顯示，能快速準確找到牛頓環中心，有效降低實驗偶然誤差，并轉化為系統誤差。像素級別的刻度測量得出人工測量中的估讀位數據，提高了數據精度；蜂鳴器警報避免了人工操作回程誤差的出現，使數據結果更加準確。

技術領域

本發明屬于圖像采集處理技術領域，尤其涉及一種用于牛頓環實驗的機器視覺教學系統及方法。

背景技術

一般高校的基礎性光學教學實驗中，測量透鏡曲率半徑的方法為：在一塊平面玻璃上安放一焦距很大的平凸透鏡，使其凸面與平面相接觸，在接觸點附近就形成一層空氣膜。當用一平行的準單色光垂直照射時，在空氣膜上表面反射的光束和下表面反射的光束在膜上表面相遇相干，形成以接觸點為圓心的明暗相間的環狀干涉圖樣，稱為牛頓環。若已知入射光波長λ，并測得第m、n級暗環的直徑，利用公式R＝(D_m²-D_n²)/4(m-n)λ即可求得透鏡的曲率半徑R。

但實際測量時，由于實驗數據只能通過移動讀數顯微鏡上的鼓輪來采集，而讀數顯微鏡的視場范圍小，觀察員需要長時間用眼睛緊貼目鏡，注視強度極高的鈉光源，極易引起觀察者視覺疲勞和一定程度上的眼睛受損。其次，觀察員需要頻繁調整儀器右側的鼓輪來測量多組數據，并在目鏡視場、標尺、鼓輪之間多次轉變觀察對象，極易由于工作強度大引起圓環計數錯誤且實驗效率低下。最后，由于觀察者對條紋位置的視覺誤差，以及對鼓輪估讀位的主觀估計，導致傳統實驗下得到的數據不穩定，多人測量很難統一結論。

發明內容

針對背景技術存在的問題，本發明提供一種集相機采集圖像技術、圖像處理技術、刻度及數字識別技術為一體的系統。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：一種用于牛頓環實驗的機器視覺教學系統，包括顯微讀數儀、牛頓環采集攝像頭、標尺采集攝像頭、鼓輪采集攝像頭、硬件板卡和VGA顯示屏以及第一、第二、第三支架；顯微讀數儀分別通過第一、第二、第三支架與牛頓環采集攝像頭、標尺采集攝像頭、鼓輪采集攝像頭連接；硬件板卡與牛頓環采集攝像頭、標尺采集攝像頭、鼓輪采集攝像頭，以及VGA顯示屏進行電連接。

在上述的用于牛頓環實驗的機器視覺教學系統中，硬件板卡包括圖像存儲模塊，分別與圖像存儲模塊連接的第一、第二、第三驅動模塊，分別與圖像存儲模塊連接的第一、第二、第三灰度處理模塊，與第一灰度處理模塊依次連接的第一中值濾波模塊、第一邊緣檢測模塊和第一膨脹腐蝕模塊，與第二灰度處理模塊依次連接的閾值分割模塊、二值化模塊和標尺識別模塊，與第三灰度處理模塊依次連接的第二中值濾波模塊、第二邊緣檢測模塊、第二膨脹腐蝕模塊和鼓輪識別模塊，與第一膨脹腐蝕模塊、標尺識別模塊和鼓輪識別模塊連接的VGA顯示驅動模塊；第一、第二、第三驅動模塊分別連接牛頓環采集攝像頭、標尺采集攝像頭、鼓輪采集攝像頭；VGA顯示驅動模塊連接VGA顯示屏。

在上述的用于牛頓環實驗的機器視覺教學系統中，第一、第二、第三支架均采用直角固定器三角鐵支架，其規格根據牛頓環采集攝像頭、標尺采集攝像頭和鼓輪采集攝像頭的尺寸而定，以保證牛頓環采集攝像頭緊貼顯微目鏡，且拍攝中心正對顯微目鏡接目透鏡的十字準心；標尺采集攝像頭對準標尺讀數區域；鼓輪采集攝像頭對準微測鼓輪的讀數區域。

在上述的用于牛頓環實驗的機器視覺教學系統中，牛頓環采集攝像頭、標尺采集攝像頭、鼓輪采集攝像頭均為通用小體積視頻輸出接口攝像頭，且與硬件板卡活動連接。

一種用于牛頓環實驗的機器視覺教學系統的方法，包括以下步驟：