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第八章 二维运动估计
通信工程学院 信息工程
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主要知识点
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基于光流的运动估计 基于像素的运动估计 基于块的运动估计
? 块匹配模型 ? 快速块匹配算法 ? 可变形块匹配算法
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基于网格的运动估计 基于区域的运动估计 全局运动估计 多分辨率运动估计
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运动估计概述
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运动估计的目标
? 真实运动估计：期望估计的物体运动与实际运动尽可能一致 ? 视频压缩中的运动估计：只要估计的运动矢量能有效减小码流比特数
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运动估计的基本问题：求运动矢量
? 投影图像，投影会丢失深度信息 ? 运动分析与估计的研究内容：测量计算投影坐标的变化，以分析
和估计运动物体的结构和运动参数 ? 特征对应：运动物体上的特征与其在二维图像平面上投影坐标的 对应关系。运动物体特征：形状特征(空间特征)，纹理特征(表面 特征) ? 真实运动——〉三维运动矢量——〉二维运动矢量 ? 二维运动估计的基本问题：估计运动前后相邻时刻图像上对应点的坐
标变化。
? 三维运动估计的基本问题：估计和确定运动物体的结构和运动参数。
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运动估计概述
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亮度恒定假设：物体的特征点的亮度(或色度)在其运动轨迹上 保持不变。 运动分析方法
? 参数分析法：根据时间相邻的图像求解运动物体的运动参数和三维结构 ? 光流分析法：根据图像间的光流方程求解。
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运动物体：刚体和非刚体(柔体) 刚体*：运动过程中物体的几何形状保持不变。本课程的主要讨论对象 光流：人眼观察动态物体时，会在视网膜上产生连续的光强变化，好像
光的“流动”，简称光流。
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视频运动估计中，光流就是观察到的二维运动，定义为视频 序列空间坐标关于时间的变化率，即(vx,vy)T=(dx/dt,dy/dt)T，像 素的瞬时速度矢量。 光流与二维运动的关系
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二维运动 ≠ 光流
? 2-D Motion: 三维运动的投影，依赖于三维物体的运动和投影模型 ? Optical flow: 基于图像模式的变化所“察觉”的二维运动，还依赖于光 照条件和物体的表面纹理
尽管如此，这两个术语被经常混淆使用
旋转的球, 静态光照
静态的球, 变化的关照
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二维运动 ≠ 光流
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二维运动估计
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针对点p(x,y)，二维运动估计就是求从t1时刻到t2时 刻的位移矢量(p, (p Δx, x Δ y)。 所有的(p,Δx, Δ y)形成运动场。t2当前帧,t1参考帧。 后向运动估计*：参考帧在前 前向运动估计：参考帧在后 存在的问题：
? 遮挡问题：对应点在参考帧中不存在 ? 孔径问题：多义性问题，一个方程两个解，法向流与约束
条件的结合 ? 噪声问题：利用运动矢量的约束机制
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孔径问题
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孔径问题
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孔径问题
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二维运动模型
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运动建模：参数模型和非参数模型 参数模型：全局运动估计，基于区域的运动估计 非参数模型：基于光流，基于像素，基于块匹配 根据操作对象，分为像素，全局和块三类 像素
? 基于光流，基于像素和基于随机场 ? 存在问题：运动参数过多，存在多义性问题，需施加平滑约束条件
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全局
? 全局运动估计，基于区域的运动估计 ? 存在问题：难以有效分隔运动区域
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块
? 减少运动参数数量，减小区域分割难度 ? 广泛应用于视频编码 ? 存在问题：块失真或块效应，基于网格的运动估计
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4种运动模型示例
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光流问题
如何估计从图H到图I的像素的运动?
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解决像素的相似性问题：给定H中的一个像素, 在I中寻找 具有相同颜色的 邻近像素 颜色恒定: 同一个点在H中和 I中看起来一样，对于灰度图像，就是亮度 恒定。 运动较小: 像素点不会移动得很远
关键假设
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这就是所谓的光流问题 optical flow p problem p
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光流问题
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基于特征的方法Feature-based methods
? 提取视觉特征区域 (角, 纹理区域)并在多帧中跟踪它们
9 稀疏的运动域，但可能是可靠的跟踪 9 尤其适于图像中运动较大的情况 (超过10个以上的像素)
?
直接方法Direct-methods
? 直接从空时spatio-temporal图像亮度的变化恢复得到图像中的
运动
9 不经过一个中间的特征提取步骤，直接恢复运动矢量 9 稠密的运动域, 但更加对表面的变化敏感 9 适于视频和运动较小的图像 (< 10个像素)
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光流方程
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约束条件的分析:
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亮度恒定:
H(x,y)=I(x+u,y+v) ( ,y) ( ,y )
?
较小的运动: (u ,v 小于 1个像素)，针对 I 进行泰勒序列展开:
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光流方程
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将两个公式结合起来,并约定
在极限情况下, 当 u, v趋向于 0 , 下面的近似是正确的
对每个像素,有多少个等式和未知数? 1个等式 个等式， ，两个未知数 直观地看,这些约束意味着什么?
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在梯度方向上的流分量是确定的 平行于边缘（ 平行于边缘 （垂直于梯度方向 垂直于梯度方向） ）的流分量未知
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光流方程
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如何为一个像素获得更多的等式? 基本观点: 施加另外的约束和限制
? 假设流场是局部平滑的，即假设相邻像素有着相同的 (u,v) ? 如使用 5x5 约束窗口, 这将为每个像素得到25个等式!
? 过限等式集合:
? 参数估计: 最小二乘法 ? 该技术由 Lukas L k & Kanade K d 在1981年首次提出 ? 优化的 (u, v) 满足 L-K 等式
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光流方程
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什么条件下可求解?
? ATA 可逆 ? ATA的特征值不能太小 (与噪声相区分) ? ATA 具有良好的条件， λ1/ λ2 不能太大 (λ1 = 较大的特征值)
?
ATA 可逆意味着没有孔径问题
M = ∑ (?I )(?I )
?? ∑ I x It ? b=? ? ? I I ? ∑ y t? ? ?
T
?
算法: 针对每个像素通过解MU=b 计算U
? 如果所有的梯度矢量指向同一个方向，M 就是奇异的，例如，沿着边缘 ? 如果求和只针对一个像素或没有纹理存在，当然是奇异的， 例如, 仅存在法
向流 (aperture problem)
? 在角部区域和有纹理区域没有问题
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光流方程
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光流方程——边缘
– 都是大梯度
– large λ1, small λ2
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光流方程——低纹理区域
– 梯度具有较小的量级
– small λ1, small λ2
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通用二维运动平台设计 通用二维平台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵-横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。根据设计要求的工作载荷，通过计算和校核，进行导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等的选型，在满足性能的要求下，以成本最低为原则，满足工作要求的需要，能稳定完成生产任务。 本次机械装配图采用国产软件CAXA进行绘制，通过提取图符操作调用标准零件，因而能够较快的绘制机械装配图。电气原理图采用Protel99Se绘制。 关键词：运动平台；滚珠丝杠；计算；绘图
目录 第一章二维运动平台总体方案设计 (1) 第二章二维运动平台进给伺服系统机械部分设计计算 (2) 2.1 确定系统脉冲当量 (2) 2.2 确定系统切削力 (2) 2.3直线滚动导轨副的计算与选型 (3) 2.4 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 (3) 2.5 计算减速比i (6) 2.6步进电动机的计算和选型 (7) 第三章微机数控硬件电路设计 (11) 3.1 MCS—51系列单片机简介 (12) 3.1.1 MCS—51系列指令系统简介 (12) 3.1.2 定时器/计数器 (12) 3.1.3 中断系统 (14) 3.2 存储器扩展电路设计 (13) 3.2.1 程序存储器的扩展 (13) 3.2.2 数据存储器的扩展 (14) 3.2.3 译码电路设计 (16) 3.3 I/O接口电路及辅助电路设计 (18) 3.3.1 8255 通用可编程接口芯片 (18) 3.3.2 键盘显示接口电路 (20) 3.3.3 电机接口及驱动电路 (21) 3.3.4 辅助电路 (23) 参考文献 (24)
大作业 几种运动估计算法比较 一、实验内容 简要介绍各种运动估计算法，并比较不同运动估计算法的性能，主要考虑各算法的运算速度和精度。 二、实验背景 视频原始图像中存在着大量的信息冗余，如时间冗余、空间冗余、信息熵冗余、谱间冗余、几何结构冗余、视觉冗余和知识冗余等等。运动估计是视频压缩编码中的核心技术之一，采用运动估计和运动补偿技术可以消除视频信号的时间冗余以提高编码效率。如何提高运动估计的效率，使运动估计算法的搜索过程更健壮、更快速、更高效成为目前研究的热点。 运动估计的基本思想是尽可能准确地获得序列图像帧间的运动位移，即运动矢量。因为运动估计越准确，预测补偿的图像质量越高，补偿的残差就越小，补偿编码所需位数越少，需要传输的比特率就越小。利用得到的运动矢量在帧间进行运动补偿。补偿残差经过变换、量化、编码后与运动矢量一起经过熵编码，然后以比特流形式发送出去。 运动估计算法多种多样，大体上可以把它们分成四类：块匹配法、递归估计法、贝叶斯估计法和光流法。其中块匹配运动估计算法因其具有算法简单、便于VLSI实现等优点得到广泛应用。所以本文将重点介绍块匹配运动估计算法，并对各种块匹配算法在计算速度和估计精度上进行简单比较。 三、实验原理 （一）、像素递归技术 像素递归技术是基于递归思想。在连续帧中像素数据的变化是因为物体的移位引起的，郑么如果沿着梯度方向在某个像素周圈的若干像素作迭代运算，运算会最后收敛于一个固定的运动估计矢量，从而预测该像素的位移。 （二）、块匹配运动估计 块匹配运动估计是把图像帧划分为若干互不重叠的块，并以块为单位寻找目标帧中每块在参考帧（上一帧或者其它帧）中最优匹配的块的相对位置，假设图像中每块的大小为M
实验一二维平台综合实验 机电一体化概念 机电一体化是利用计算机的信息处理功能对机械进行各种控制的技术。可以毫不过分的说，当今世界上各种灵巧便利的机械，都是基于机电一体化技术制造的。此外，机电一体化技术在家用电器、各种车辆、医疗器械、工厂、游乐园等各种领域、场所都得到了广泛的应用。 现在，中国正在经历着前所未有的巨大变革。中国在进行改革开放的20多年里，适逢以电子制造业为基础的信息产业迅速发展，媒体不厌其烦的宣传中国面向信息产业的人才培养滞后，因此出现了现在接受高等教育的优秀青年不约而同地选择信息和计算机科学，而使本来就基础薄弱的制造业更加呈现人才不足的危险状况。这样一来，硬件技术和软件技术的不平衡，必将导致对两者都不利的严重后果。 为了适当扭转这种局面，必须使接受高等教育的学生理解机电一体化，并对其有兴趣。在此基础上，在进一步研究和提高制造技术，这就是本教材的编写目的 机电一体化（mechatronics）一词是机械和电子两个词的合成词，20世纪70年代中期由日本首先开始使用，很快便得到欧美各国的普遍认同，并得到广泛使用。但迄今为止，其精确定义尚不明确，但从广义上可简要概括为“机械工程与电子工程相结合的技术，以及应用这些技术的机械电子装置。表1是根据该定义对机电一体化应用的分类和举例。 表1 机电一体化实例 应用举例 原来由机械机构实现动作的装置，通过与电子技术相结合来实现同样运动的新的装置。发条式钟表 -> 石英钟表 手动照相机 -> 自动（微机控制）照相机机械式缝纫机 -> 电动（电子式）缝纫机机械式调速器 -> 电子式调速器 原来由人来判断决定动作的装置变为无人操作的装置自动售货机，自动出纳机（ATM），自动售票机，邮局自动分检机，无人仓库，船舶和飞机的自动导航装置等。 按照人编制的程序来实现灵活动作的装置数控机床，工业机器人，智能机器人，各种机器人等 如上所述，机械工程学科和电子工程学科是机电一体化的两个支柱。但除此之外，机电一体化还是控制工程和信息工程学科等的多学科综合技术。图1是构成和支撑机电一体化的学科和技术。
第 2 章 A u t o C A D 二维图形的绘制 绘制二维图形是AutoCAD 的主要功能，也是最基本的功能。二维平面图形的创建比较简单，是整个AutoCAD 的绘图基础。因此，只有熟练掌握二维平面图形的基本绘制方法， 才能够更好地绘制出复杂的图纸。 2.1 图形界限和单位 2.1.1 设置图形界限 1. 功能：设置图形绘制完成后输出的图纸大小。主要目的是为了避免在打印时出错， 绘图界限需要确定两个二维点的坐标，这两个二维点分别是图纸的左下角和右上角。 2. 执行方式： 菜单栏：【格式】→【图形界限】 3. 操作步骤： 将绘图界限范围设定为A4 图纸大小（210mm×297mm ） 4. 选项含义和功能说明如下： 关闭(OFF)：关闭绘图界限检查功能，绘制图形不受绘图范围的限制。 打开(ON) ：打开绘图界限检查功能，如果输入或拾取的超出绘图界限，则操作将 无法进行。 5. 注意： (1) 在 CAD 的命令中“< >”代表默认值或上一次使用过的数值，如果尖括号中设定的值 与所输入值恰巧一致，可以通过空格键确认来省略操作步骤。 (2) 标准图纸规格， 如图 2-1 所示（单位：mm ） 2.1.2 设置图形单位 图 2-1 A0-A4 图纸规格 1. 功能：用于设置绘图单位，可以根据具体情况设置绘图的单位类型和数据精度。 2. 执行方式： 菜单栏：【格式】→【单位】 操作方法: 命令:limits 限界关闭:打开(ON)/<左下点> <0，0>:0，0 右上点<420，297>:297，210 重复执行limits 命令 限界关闭:打开(ON)/<左下点> <0，0>:ON 命令含义: 执行命令 设置绘图区域左下角坐标设置绘图区域右上角坐标 快捷键【空格】重复执行命令 打开绘图界限检查功能
（答题时间：30分钟） 1. 如图所示，内壁光滑的圆锥筒的轴线垂直于水平面，圆锥筒固定不动，让两个质量相同的小球A和小球B，紧贴圆锥筒内壁分别在水平面内做匀速圆周运动，则（） A. A球的线速度一定大于B球的线速度 B. A球的角速度一定大于B球的角速度 C. A球的向心加速度一定大于B球的向心加速度 D. A球对筒壁的压力一定大于B球对筒壁的压力 2. 质量为m的小球由轻绳a和b分别系于一轻质木架上的A点和C点，如图所示，当轻杆绕轴BC以角速度ω匀速转动时，小球在水平面内做匀速圆周运动，绳a在竖直方向，绳b在水平方向，当小球运动到图示位置时，绳b被烧断且杆子停止转动，则（） A. 小球仍在水平面内做匀速圆周运动 B. 在绳b被烧断瞬间，a绳中张力突然增大 C. 若角速度ω较小，小球在垂直于平面ABC的竖直平面内摆动 D. 若角速度ω较大，小球可能在垂直于平面ABC的竖直平面内做圆周运动 3. 如图，物体m用不可伸长的细线通过光滑的水平板间的小孔与砝码M相连，且正在做匀速圆周运动，若减少M的质量，则物体m的轨道半径r，角速度ω，线速度v的大小变化情况是（） A. r不变，v减小 B. r增大，ω减小 C. r增大，v减小 D. r减小，ω不变 4. 如图所示，长为L的细绳一端固定，另一端系一质量为m的小球。给小球一个合适的初速度，小球便可在水平面内做匀速圆周运动，这样就构成了一个圆锥摆，设细绳与竖直方向的夹角为θ。下列说法中正确的是（）
A. 小球受重力、细绳的拉力和向心力作用 B. 小球受重力、细绳的拉力的作用 C. θ 越大，小球运动的线速度越大 D. θ 越大，小球运动的线速度越小 5. 如图所示，在光滑水平面上，质量为m 的小球在细线的拉力作用下，以速度v 做半径为r 的匀速圆周运动。小球所受向心力F 的大小为（ ） A. r v m 2 B. r v m C. mvr D. mvr 2 6. 下列关于物理量的说法中正确的是（ ） A. 速度大小和线速度大小的定义是相同的 B. 做圆周运动的物体，其加速度和向心加速度是一样的 C. 加速度的方向与速度变化的方向总是一致的 D. 地球赤道表面物体随地球自转所需向心力与此物体所受重力是一样的 7. 如图所示，在匀速转动的水平圆盘上，沿半径方向放着用细线相连的质量相等的两个物体A 和B ，它们与盘间的动摩擦因数相同，当圆盘转速加快到两物体刚要发生滑动时，烧断细线，则（ ） A. 两物体均沿切线方向滑动 B. 物体B 仍随圆盘一起做匀速圆周运动，同时所受摩擦力减小 C. 两物体仍随圆盘一起做匀速圆周运动，不会发生滑动 D. 物体B 仍随圆盘一起做匀速圆周运动，物体A 发生滑动，离圆盘圆心越来越远 8. 如图所示，一个质量为m 的小球用一根长为l 的细绳吊在天花板上，给小球一水平初速度，使它做匀速圆周运动，小球运动所在的平面是水平的。已知细绳与竖直方向的夹角为θ，重力加速度为g 。求：
三维运动模拟平台总体设计 为实现对某型光电跟踪器的动态跟踪性能的测试，设计了一种可以实现方位、俯仰和垂直直线运动的模拟运动平台，角位置精度达到15″，线位置精度达到0.01mm。 标签：运动模拟；结构设计；机构设计 1 引言 动态角跟踪精度检测装置由被试系统、多波段点源目标发生器系统（以下简称“目标发生器”）、运动模拟平台及总控制系统四个部分组成，图1为动态角跟踪精度检测装置系统组成原理框图。其中的运动模拟平台可以完成方位、俯仰和垂直直线运动。 2 目标运动平台 目标运动平台包含圆弧导轨副（含驱动传动机构）、目标固定支撑台面（俯仰U型框）、俯仰/升降二维运动机构、平台三维（俯仰、升降及滑动）伺服驱动系统、平台运动控制系统等5部分组成，图2为运动平台组成框图。 导轨为目标平台的方位运动轨迹，围绕着圆弧导轨的圆心转动，形成方位视线角速度变化；目标固定支撑台面负载目标发生器在进行沿圆弧导轨水平运动的同时，通过俯仰和高低二维运动机构带动目标发生器进行自身的位置运动，形成复合俯仰方位视线角速度变化，进而模拟目标在空域范围内的位置信息，以便对被测系统进行测试及仿真。 2.1 运动平台功能 平台本身具备三个运动自由度，目标发生器安放于运动平台的俯仰框上，平台依据操作者规划的运动路径，带动目标模拟系统形成相对被测试系统的方位、俯仰两个自由运动并保证目标光轴实时指向被测系统成像面中心，模拟真实环境下目标的运动特性，以便被测系统进行跟踪，分述如下。 2.1.1 模拟目标的方位运动 整套设备在以GDX塔的转轴中心为圆心的圆弧导轨上运动，实现方位角度变化的模拟，由于被测系统及圆弧导轨都以GDX塔的转轴中心为圆心，可以实现旋转中心重合，所以可以保证目标在导轨上运动时，被测系统光轴可以始终跟随着目标发生器的光轴，且在某一视场可观测到多波段点源目标； 2.1.2 模拟目标的俯仰运动
（答题时间：30分钟） 1. 如图所示装置绕竖直轴匀速旋转，有一紧贴内壁的小物体，物体随装置一起在水平面内匀速转动的过程中所受外力可能是（ ） A. 重力、弹力 B. 重力、弹力、滑动摩擦力 C. 下滑力、弹力、静摩擦力 D. 重力、弹力、静摩擦力 2. 如图所示是一个玩具陀螺，a 、b 和c 是陀螺上的三个点。当陀螺绕垂直于地面的轴线以角速度ω稳定旋转时，下列说法正确的是（ ） A. a 、b 和c 三点的线速度大小相等 B. a 、b 和c 三点的角速度相等 C. a 、b 的角速度比c 的大 D. c 的线速度比a 、b 的大 3. 如图所示，一个小物体沿半径为R 的半圆形轨道由A 点滑向B 点，由于摩擦力的作用，在由A 到B 的过程中，小物体的速率v 没有变.下面的说法中正确的是（ ） A. 小物体的加速度不变 B. 小物体所受外力为零 C. 小物体所受合外力大小不变，方向始终指向圆心 D. 合外力大小改变，方向始终不变 4. 如图所示，光滑水平面上，小球m 在拉力F 作用下做匀速圆周运动。若小球运动到P 点时，拉力F 发生变化，关于小球运动情况的说法正确的是（ ） A. 若拉力突然消失，小球将沿轨迹Pa 做离心运动 B. 若拉力突然变小，小球将沿轨迹Pa 做离心运动 C. 若拉力突然变大，小球将沿轨迹Pb 做离心运动 D. 若拉力突然变小，小球将沿轨迹Pc 做离心运动 5. 如图所示，有一固定的且内壁光滑的半球面，球心为O ，最低点为C ，在其内壁上有两个质量相同的小球（可视为质点）A 和B ，在两个高度不同的水平面内做匀速圆周运动，A 球的轨迹平面高于B 球的轨迹平面，A 、B 两球与O 点的连线与竖直线OC 间的夹角分别为α＝53°和β＝37°，以最低点C 所在的水平面为重力势能的参考平面，则（sin 37°＝53，cos 37°＝5 4）（ ） A. A 、B 两球所受支持力的大小之比为4∶3 B. A 、B 两球运动的周期之比为4∶3 C. A 、B 两球的动能之比为16∶9 D. A 、B 两球的机械能之比为112∶51 6. 如图所示，一倾斜的匀质圆盘垂直于盘面的固定对称轴以恒定的角速度ω转动，盘面上离转轴距离2.5m 处有一小物体与圆盘始终保持相对静止，物体与盘面间的动摩擦因数为2 3。设最大静摩擦力等于滑动摩擦力），盘面与水平面间的夹角为30°，g 取10m/s 2。则ω的最大值是（ ） A. 5rad/s B. C. 1.0rad/s D. 0.5rad/s 7. 如图一个学生把风刮倒的旗杆绕着O 点扶起来，已知旗杆的长度为L ，学生的身高为h ，当学生以速度v 向左运动时，旗杆转动的角速度为（此时旗杆与地面的夹角为α）（ ）
第三讲 光流分析法 3．1 二维运动与视在运动 1． 而我们所能得到的是时变图像的某种采样点阵（或采样栅格）的图像序列，问题是： 2．可控与可观测问题—>即真实二维位移场与速度是否可观测？ 3．二维运动——也称投影运动： 透视、 正交投影 三维运动可由物体像素的三维瞬时速度或三维位移来描述，但三维瞬时速度及三维位移正是我们要估计的，这是一个逆问题。而我们可观测到的是视在运动。 （1）假定投影中心在原点 P P ' — 三维位移矢量 p p ' — 二维成像平面上的二维位移矢量 成像平面，投影平面 ← 光学上 三维场景 ——> 二维的时变图像 ——> 数学上 3D →2D 投影 二维位移场 二维速度场 t 时刻 t ′时刻 P ′ P ′ 投影 P P 投影
（2）假定投影中心在O 1点 由于投影作用，从P 点出发， 终点在O 1P / 虚线上的三维位移矢 量均有相同的二维投影位移矢量。 所以说，投影的结果只是三维真实 运动的部分信息。 （3）设t l t t R t X ?+='∈,),(3 由像素的运动 '(,)(,,)C C X t d X t t S → 二维位移矢量函数 对应于点阵 ∧3 ，则有 ， ；；),(),(t l t X d t l t X d C P ?=?（x ，t ）∈ ∧3 ) ,(),(t l t X d l k n d P ?=?；； （n ，k ）∈ Z 3 k 表达了t ‘- t 的时间离散 T n n n ),(21=? 假定三维瞬时速度为),,(3 21X X X &&&，则 ),(),(k n V t X V C P = 4．光流场与对应场 （1）p p ' 定义为对应矢量 光流矢量定义为某点 3),(R t X ∈ 上的图像平面坐标的瞬时变化率， 为一个导数。 T T dt dx dt dx V V V )/,/(),(2121== 表征了时空变化，而且是连续的变化。 （2） 当0→-'=?t t t 时，则光流矢量与对应矢量等价。如果在某个点阵∧3可 观测到这种变化，则就意义 对应场<——像素的二维位移矢量场 光流场<——像素的二维速度矢量场 也分别称为二维视在对应场与速度场。一般而言，对应矢量 ≠位移场 光流矢量≠速度场 （ O 1 p ′ p O X 2 X 1 P ′ P 图像平面X 3 X
第2章 AutoCAD二维图形的绘制 绘制二维图形是AutoCAD的主要功能，也是最基本的功能。二维平面图形的创建比较简单，是整个AutoCAD的绘图基础。因此，只有熟练掌握二维平面图形的基本绘制方法，才能够更好地绘制出复杂的图纸。 2.1 图形界限和单位 2.1.1 设置图形界限 1．功能：设置图形绘制完成后输出的图纸大小。主要目的是为了避免在打印时出错，绘图界限需要确定两个二维点的坐标，这两个二维点分别是图纸的左下角和右上角。 2．执行方式： 菜单栏：【格式】→【图形界限】 3．操作步骤： 将绘图界限范围设定为A4图纸大小（210mm×297mm） 操作方法: 命令含义: 命令:limits 执行命令 限界关闭:打开(ON)/<左下点> <0，0>:0，0设置绘图区域左下角坐标 右上点<420，297>:297，210 设置绘图区域右上角坐标 重复执行limits命令快捷键【空格】重复执行命令限界关闭:打开(ON)/<左下点> <0，0>:ON 打开绘图界限检查功能 4．选项含义和功能说明如下： 关闭(OFF)：关闭绘图界限检查功能，绘制图形不受绘图范围的限制。 打开(ON) ：打开绘图界限检查功能，如果输入或拾取的超出绘图界限，则操作将无法进行。 5．注意： (1)在CAD的命令中“< >”代表默认值或上一次使用过的数值，如果尖括号中设定的值与所输入值恰巧一致，可以通过空格键确认来省略操作步骤。 (2)标准图纸规格，如图2-1所示（单位：mm）
2 AutoCAD 2010实用教程 宽×高1189×841 841×594 594×420 420×297 297×210 图2-1 A0-A4图纸规格 2.1.2 设置图形单位 1．功能：用于设置绘图单位，可以根据具体情况设置绘图的单位类型和数据精度。 2．执行方式： 菜单栏：【格式】→【单位】 命令行：Units(UN) 3．操作步骤： 执行【单位】命令，系统将弹出如图2-2所示的图形单位设置对话框。 图2-2 绘图单位对话框 2.2 辅助功能 在绘制图形时，通过移动光标来指定绘图位置往往很难精确定位。因此，要精确定位必须使用坐标或捕捉工具。灵活运用捕捉工具，可以提高绘图的准确性和工作效率。AutoCAD提供了对象捕捉、对象追踪等绘图辅助功能，通过设置来快速、精确地绘制图形。 2.2.1捕捉与栅格 在绘图的过程中，经常要指定一些特征点，例如端点、中点、圆心和两个对象的交点等。如果只凭手动来拾取，不可能准确地找到这些点。AutoCAD提供了对象捕捉功能，可
题目：通用二维运动平台设计学生姓名：X X X 学院：机械学院 班级：机制08-5班 指导教师：XXXX 201X 年 1 月 4 日
摘要 X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控机床的加工系统、纵横向进给、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统等,尽管结构和功能各不相同,但基本原理相同。机电一体化系统是将机械系统与微电子系统结合而形成的一个有机整体。本文通过对X-Y工作台即能沿着X向、Y向移动的工作台的机械系统、控制系统及接口电路的设计,阐述了机电一体化系统设计对专业教学的意义及技术关键。 本次大四的课程设计，主要设计和研究Ｘ－Ｙ工作台及其电气原理图。确定Ｘ－Ｙ工作台的传动系统，并且选择了螺旋传动，验算了螺旋传动的刚度、稳定性及寿命等参数；并设计了导轨，据其用途和使用要求，选择了直线滚动导轨副，确定了其类型、转动力矩、转动惯量。控制系统包括了系统电源配置、CPU电路、RAM、ROM扩展，键盘与显示、I/O通道接口、通信接口等。我们利用了8031主控器、6264片外数据存储器、2764片外程序存储器、74LS373地址锁存器、74LS138片选地址译码器及8155、8255可编程I/O扩展等MCS-51单片机设计其硬件电路图。 关键词：滚珠丝杠螺母副；直线滚动导轨副；步进电机；工作台；MCS—51单片机
Abstract： X-Y NC worktable is the integration of mechanical and electrical equipment parts,such as CNC machining system, vertical feed,three-dimensional warehouse stacker plane moving system,graphic plotter plotting system, although the structure and function of each are not identical,but the basic principles are the same.Mechanical and electrical integration system is the mechanical systems and microelectronics systems combine to form an organic whole.This article through to the X-Y table along with X,Y to move to the workbench mechanical system,control system and the design of the interface circuit,elaborated the mechanical and electrical integration system design on specialized teaching significance and key technology. The big four of the curriculum design,the main design and research XY table and electrica schematic diagram . Determination of XY table drive system,and chose the screw drive,check of the spiral transmission rigidity,stability and lifetime parameters;and the design of the guide,according to its purpose and use requirements, select the linear rolling guideway, determine its types,torque,moment of inertia.The control system includes the system power allocation,CPU circuit,RAM,ROM, keyboard and display,I/O channel interface, communication interface etc..We use the 8031 main controller,6264 pieces of data memory,2764 pieces of external program memory,an address latch,74LS373 74LS138 chip select address decoder and a 8155,8255 programmable I/O extension MCS-51 microcontroller design the hardware circuit diagram. Keywords: ball screws; linear rolling guideway; stepping motor; table; MCS-51 single chip microcomputer
第十四章 二维运动估计 早期设计的机器视觉系统主要是针对静态场景的，为了满足更高级的应用需求，必须研究用于动态场景分析的机器视觉系统．动态场景分析视觉系统一般需要较大的存储空间和较快的计算速度，因为系统的输入是反应场景动态变化的图像序列，其包含的数据十分巨大．图像动态变化可能由摄象机运动、物体运动或光照改变引起，也可能由物体结构、大小或形状变化引起．为了简化分析，通常我们假设场景变化是由摄象机运动和物体运动引起的，并假设物体是刚性的． 根据摄象机和场景是否运动将运动分析划分为四种模式：摄象机静止－物体静止，摄象机静止－物体运动，摄象机运动－物体静止，摄象机运动－物体运动，每一种模式需要不同的分析方法和算法。摄象机静止－物体静止模式属于简单的静态场景分析．摄像机静止－场景运动是一类非常重要的动态场景分析，包括运动目标检测、目标运动特性估计等，主要用于预警、监视、目标跟踪等场合。摄象机运动—物体静止是另一类非常重要的动态场景分析，包括基于运动的场景分析、理解，三维运动分析等，主要用于移动机器人视觉导航、目标自动锁定与识别等．在动态场景分析中，摄象机运动—物体运动是最一般的情况，也是最难的问题，目前对该问题研究的还很少． 图像运动估计是动态场景分析的基础，现在已经成为计算机视觉新的研究热点。根据所涉及的空间，将图像运动估计分为二维运动估计和三维运动估计，显然，这种划分不是十分严格，因为二维运动参数的求解有时需要三维空间的有关参数引导，而许多三维参数的求解需要以二维参数为基础。本章主要讨论二维运动估计，三维运动估计和分析将在第十五章讨论。 14.1图像运动特征检测 对许多应用来说，检测图像序列中相邻两帧图像的差异是非常重要的步骤．场景中任何可察觉的运动都会体现在场景图像序列的变化上，如能检测这种变化，就可以分析其运动特性．如果物体的运动限制在平行于图像平面的一个平面上，则可以得到物体运动特性定量参数的很好估计．对于三维运动，则只能得到物体空间运动的定性参数估计．场景中光照的变化也会引图像强度值的变化，有时会引起较大的变化．动态场景分析的许多技术都是基于对图像序列变化的检测．检测图像变化可以在不同的层次上进行，如像素、边缘或区域．在像素层次上要对所有可能的变化进行检测，以便在后处理阶段或更高层次上使用． 14.1.1差分图像 检测图像序列相邻两帧之间变化的最简单方法是直接比较两帧图像对应像素点的灰度值．在这种最简单的形式下，帧),,(j y x f 与帧),,(k y x f 之间的变化可用一个二值差分图像),(y x f DP jk 表示： ???>-=其它如果0),,(),,(1),(T k y x f j y x f y x f DP jk (14.1) 式中T 是阈值． 在差分图像中，取值为1的像素点被认为是物体运动或光照变化的结果．这里假设帧与帧之间配准或套准得很好．图14.1和14.2示意了两种图像变化情况，一种是由于光照变化造成的图像变化，另一种是由于物体的运动产生的图像变化．需要指出，阈值
课程设计说明书 题目：通用二维平台设计 学院：机械学院 班级：机电09-1班 姓名：窦继慧 学号：200920102117 指导教师：刘江 2012年12月
内蒙古工业大学课程设计（论文）任务书 课程名称：专业综合设计2 _ 学院：机械学院班级：机2006-1 学生姓名： ___ 学号： _ 指导教师：刘江 一、题目 通用两维运动平台设计 二、目的与意义 《专业综合设计2》课程设计是机械设计制造及其自动化专业实践性非常强的教学环节之一，是机械类高年级学生综合应用基础课、技术基础课、专业课等知识体系，将机械、驱动、传感及计算机控制有机地集成融合在一起，独立设计一种具有特定功能的机电装备。 通过本次课程设计，培养学生运用所学《机电装备设计》课程的知识，对典型机电装备的工作原理、组成要素及核心技术问题的分析能力； 培养学生用《机电装备设计》的知识及相关知识体系，掌握如何将机械和电气驱动、检测技术和计算机控制融合在一起，如何构成一种性能优良、工作可靠及结构简单的机电装备的一般设计方法和规律，提高设计能力； 通过设计实践，熟悉设计过程，学会正确使用资料、正确使用图书特别是电子图书资源、网络资源，查阅技术文献、设计计算、分析设计结果及绘制机械、电气图样，在机电一体化技术的运用上得到训练； 通过课程设计的全过程，为学生提供一个较为充分的设计空间，使其在巩同所学知识的同时，强化创新意识，在设计实践中深刻领会机电装备设计的内涵。 三、要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等） 技术参数 1、运动平台面尺寸：250×200； 2、平台移动行程：X×Y＝160×125； 3、夹具和工件总重：500N； 4、最高运行速度： 步进电机运行方式：空载：1.5m/min; 切削：0.7m/min； 交流伺服电机运行方式：空载：15m/min;切削：6m/min； 5、系统分辨率：开环模式0.01mm/step；半闭环模式0.005mm/step； 6、系统定位精度：开环模式±0.10mm；半闭环模式±0.01mm； 7、切削负载：X向300N；Y向400N；Z向500N 设计要求 1、实现X-Y两坐标联动； 2、用步进电机或交流伺服电机作驱动元件； 3、设置工作台的越位报警和紧急事故的急停开关，并响应中断； 4、任意平面曲线的加工，具有自动换象限的功能； 5、平台具有快速驱动功能； 6、平台具有断电手动调整功能。 图纸量和工作量要求 1、机械总装配图 在CAXA环境下绘制二维运动平台的结构图，并进行详细设计，最后用A1号图纸打印输出。
第2章Mastercam二维图形绘制 第2章绘制2D图形 |绘制1992.1点 |绘制1992.1.1一般点 |绘制和抓取199点是绘制其他2D图形甚至3D图形的基础选择 命令。在 → → 工具栏上，可以找到11种定义点的方法，如图2-1 所示(如表2-1所示)。输入时，系统默认使用任何方式创建点，您可以选择其中的任何一种。然后，可以根据定义方法在绘图区域中创建点像素。点在二维视图的图形屏幕上用“+”表示，在三维视图的图形屏幕上用“*”表示。 图2-1创建下拉列表框 表2-1点输入子菜单选项描述 点类型描述操作在自动绘制工具条中输入点的坐标图例坐标输入，直接输入坐标原点，创建坐标原点，通过捕捉已知弧选择中心点(弧中心)，选择用于生成圆心点以生成已知对象(根据端点鼠标在端点一端选择的位置)，通过分别选择两个中间对象，生成它们的实际交
点或假想交点，选择和选择中点，生成已知对象的中间点，捕获已经创建的点选择相对值以选择和选择现有点，选择P1点，输入以相对坐标形式创建的点选择P1点，输入象限创建一个最接近圆弧和工作坐标轴x的实际交点的点，在选定的对象像素上创建一个最接近光标的点，使用鼠标创建任意草图点选择，在图形中选择一条直线选择线，可以在绘图区域的任意位置直接单击圆弧或样条线来生成相切捕捉，并选择圆或圆弧的相切点来选择对象。选择相切圆弧是在绘制切线或圆弧并垂直绘制的状态下选择垂直像素的唯一方法。选择垂直像素捕捉点 1.1.2特殊点和绘制 特殊点的绘制方法见表2-2 表2-2特殊点绘图说明操作图例类型选择构图(C)→点(P)→分段绘图点(S)命令，选择一个点图像，沿直线、圆弧或样条曲线构造一系列等距点，在功能区的(距离)文本框中输入指定的距离，将距离等分。或者在功能区的(段)文本框中输入段数，并将其分成固定数量的相等部分\ \相等数量的点(段)样条曲线节点(节点生成样条曲线的点样条)选择合成(C)→点(P)→绘制节点(N)命令。选择一条样条曲线，选择合成(C)→点(P)→动态绘图点(D)命令。选择对象后，屏幕上会显示一个标有点的箭头，并将其移动到适当的位置。沿已知对象单击，使用动态绘图点选择方法生成一系列点，用于构建网格状阵列点。您可以定义水平和垂直方向上由网格点绘制的网格点的数量，以及每个方向上网格点的距离。您还可以指定图形区域中点的位置和角度，并选择构
摘要 【摘要】：X-Y工作台是指能分别沿着X向和Y向移动的工作台。数控机床的加工系统、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统等,尽管结构和功能各不相同,但基本原理相同。机电一体化系统是将机械系统与微电子系统结合而形成的一个有机整体。本文通过对X-Y工作台的机械系统、控制系统及接口电路的设计,阐述了机电一体化系统设计中共性和关键的技术。 本次课程设计，主要设计和研究Ｘ－Ｙ工作台及其电气原理图。确定Ｘ－Ｙ工作台的传动系统，并且选择了螺旋传动，验算了螺旋传动的刚度、稳定性，寿命等参数；还设计了导轨，根据其用途和使用要求，选择了直线滚动导轨副，确定了其类型、转动力矩、转动惯量。利用8031、6264、2764、373、8155、8255等MCS—51单片机设计其硬件电路图。 【关键词】：滚珠丝杠螺母副；直线滚动导轨副；步进电机；MCS—51单片机
目录 第一章总体设计方案 (4) 1.1系统运动方式的确定与驱动系统的选择 (4) 1.2机械传动方式 (4) 1.3计算机系统选择 (4) 1.4总体方案的确定 (5) 第二章机床进给驱动系统机械部分设计计算 (6) 2.1 设计参数 (6) 2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (6) 2.2.1 X向进给丝杠 (6) 2.2.2 Y向进给丝杠 (8) 2.2.3滚珠丝杠副的几何参数 (13) 2.3 滚动导轨的计算与选择 (13) 2.3.1 滚动导轨副的额定寿命 (13) 2.4.1 转动惯量的计算 (15) 2.4.2 电机的力矩的计算 (16) 第三章微机数控系统硬件电路设计 (23) 3.1 计算机系统 (23) 3-2 单片微机数控系统硬件电路设计内容 (23) 3.2.1 绘制电气控制系统框图 (23) 3.2.2 选择CPU的类型 (24) 3.2.3 存储器扩展电路的设计 (24) 3.2.4 I/O接口电路设计 (25) 3.3 各类芯片简介 (25) 3.3.1 8031芯片简介 (25) 3.3.2 373芯片简介 (25) 3.3.3 6264芯片简介 (26) 3.3.4 2764芯片简介 (26) 3.3.5 8155芯片简介 (26) 3.3.6 8255芯片简介 (26)
第38卷 第2期2004年2月 西 安 交 通 大 学 学 报 J OU RNAL OF XI′AN J IAO TON G UN IV ERSIT Y Vol.38 №2 Feb.2004基于线性搜索的快速运动估计算法 丁贵广,郭宝龙 (西安电子科技大学机电工程学院,710071,西安) 摘要:为了减小快速运动估计算法的计算复杂度和提高运动补偿的准确性,提出了一种新的块匹配运动估计算法,称为线性正方形搜索算法.该算法采用运动估计的线性搜索策略,对于不重要的搜索区域利用线性搜索技术进行快速搜索以减小算法的计算复杂度,而对于重要搜索区域,即最佳点所在区域,用9点的正方形模块进行精细搜索以提高算法的搜索精度.实验结果证明,该算法与菱形算法相比不仅计算复杂度减小了10%以上,而且视频编码效率可以提高约011dB. 关键词:块匹配算法;运动估计;线性搜索;视频编码 中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:0253-987X(2004)02-0136-04 N e w F ast Motion Estimation Algorithm B ased on Line Search Di ng Guiguang,Guo B aolong (School of Electromechanical Engineering,Xidian University,Xi′an710071,China) Abstract:In order to reduce the computational complexity of the fast motion estimation and improve the accuracy of motion compensation,a new block2matching algorithm called line2square search(L SS)algorithm was pro2 posed,in which the strategy of the line search was introduced.The L SS algorithm performed the line search for the unimportant area to reduce the computation complexity.For the important search area in which optimal points were existed,a square search pattern consisted of9checking points was used to carry out the refined search,thus the search accuracy and the prediction quality were https://www.doczj.com/doc/7413633842.html,pared with the diamond search algorithm,experimental results showed that the computational complexity could be reduced up to10%and the coding efficiency could be increased about011dB by the L SS algorithm. K eyw ords:block2m atchi ng al gorithm;motion esti m ation;li ne search;vi deo codi ng 对于视频序列图像,由于相邻帧之间存在很大的时间相关性,即时间冗余,所以通过减少时间冗余,可以大幅度提高视频编码的效率.基于块匹配的运动估计算法是一种有效的方法,它已经被许多视频编码标准所采纳[1,2].在块匹配运动估计算法中,全搜索(FS)算法精度最高,但由于它要对搜索区内的每个搜索点进行检测,因此计算复杂度高,软硬件实现困难.后来人们相继提出了许多快速搜索算法,如三步法(TSS)[3]、四步法(FSS)[4]、二维对数法(TDL)[5]、基于块的梯度下降法(BB G DS)[6]、交叉法(CS)[7]和菱形法(DS)[8,9\〗等,它们通过设计不同的搜索模板和搜索策略,在计算复杂度上比FS 减小了许多,但搜索的准确性比不上FS.因此,有必要寻找更加高效的块匹配运动估计算法. 本文在分析运动矢量和绝对差和(Sum of Ab2 solute Difference,SAD)的空间分布特性的基础上,设计了一种新的搜索算法———线性正方形搜索算法(Line2Square Search,L SS).实验结果表明,本文提出的L SS算法在计算复杂度和准确性上都明显优于DS等块匹配算法. 收稿日期:2003-05-05. 作者简介:丁贵广(1976～),男,博士生;郭宝龙(联系人),男,教授,博士生导师. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(69975015);教育部优秀青年教师计划资助项目.
加工车间二层运动平台框架有限元分析 摘要：为了校核加工车间二层运动平台框架在静止及加载启动时的结构强度与 刚度，对整个运动平台建立有限元模型并进行加载分析，模拟真实状况下的运动 平台结构响应。文章详细分析了运动平台的有限元模型建立方法、建模注意事项、加载步骤及有限元结果分析说明。经过实际应用证明，该结构强度可靠，运行平稳，极大的提高了产品的设计研发流程。 关键词：运动平台；ANSYS梁单元；建模；有限元分析；加载分析 0引言 加工车间二层运动平台框架主要用于车间内大型机械产品的焊接或装配等工作，平台的强度与刚度性能直接影响到作业人员的安全以及作业的精度，对整个 结构进行强度与刚度分析是非常必要的，传统的解析法费时费力且不能模拟复杂 真实的工作状况，参考价值较低。而采用先加工试验样机，再实验的方法，耗时 耗力，成本较高。在此实际需求背景下，有限元分析方法应运而生，随着计算机 技术的迅猛发展，该方法表现出极大的生命力。研发人员在建立有限元模型的基 础上，施加实际载荷就能对复杂的现实问题进行有效模拟，所得的结果具有极大 的参考价值。因此该方法越来越多的应用到机械研发设计领域，提高了设计研发 的效率，降低了成本。 1．建立有限元模型 建立有限元分析模型是所有有限元计算的基础也是整个分析过程至关重要的 步骤，在这其中如何对实际模型进行相应简化是其中的难点，模型简化的效果轻 则影响局部分析的结果，重则对最终整体结果产生影响，最严重的情况可能导致 分析结果的不收敛，另外，有限元网格质量的好坏会直接影响到分析的结果，通 常来说，八节点六面体单元具有更高的分析精度，如何将怎样划分网格提前考虑 到建模过程中，也是设计人员工作的难点。 有限元分析中常用的分析模型有二维平面模型与三维实体模型，其中当整体 模型具有对称特征时，通常使用平面模型进行求解，可简化求解模型，提高求解 速度，对于复杂的模型通常需对模型细节进行简化后，建立三维实体模型进行分析。本文涉及到的问题可以建立三维实体模型，也可以使用梁单元进行模型的建立，使用梁单元可提高建模效率，增加求解的速度及精度，另外本文分析过程使 用APDL语言进行建模、加载及求解，便于进行分析文件的存储及交流。 为了便于计算，提高计算的效率，对加工车间二层运动平台框架整体框架模 型进行了相应简化处理，简化处理之后的有限元模型如图1所示（本文采用梁单元）： 图1简化后的有限元模型 使用梁单元建模时，仅需要在结构的两端点之间建立直线即可，进一步简化 了建模难度，需要注意的是，使用梁单元时注意截面方向，对于矩形梁来说，截 面不同对应的力学系数（如抗弯截面系数）是不同的，所以要建立正确的截面方 向确定节点。 2．加载及求解 工况一，在顶部四个支撑点施加完全约束，对整个模型施加重力加速度（此 处注意ANSYS中重力载荷施加方向），并在移动平台底部受力面施加500kg的均 布载荷作用，以此来模拟运动平台在满载静止情况，得到的有限元分析结果如图