一、任务
设计并制作一个基于互联网的摄像测量系统。系统构成如图 1 所示。图中边长为 1 米的正方形区域三个顶点分别为 A、B 和 O。系统有两个独立的摄像节点，分别放置在 A 和 B。两个摄像节点拍摄尽量沿 AO、BO 方向正交，并通过一个百兆/千兆以太网交换机与连接在该交换机的一个终端节点实现网络互联。交换机必须为互联网通用交换机，使用的网口可以任意指定。在 O 点上方悬挂一个用柔性透明细线吊起的激光笔，透明细线长度为 l。激光笔常亮向下指示，静止下垂时的指示光点与 O 点重合。拉动激光笔偏离静止点的距离小于 10cm，松开后时激光笔自由摆动，应保证激光笔指示光点的轨迹经 O 点往复直线运动，轨迹与 OA 边的夹角为 θ。利用该系统实现对长度 l 和角度 θ 的测量。
二 要求
1. 基本要求
（1）设计并制作两个独立的摄像节点，每个节点由一个摄像头和相应的电路组成。两个摄像节点均可以拍摄到激光笔的运动视频并显示。
（2）设计并制作终端节点。在终端显示器上可以分别和同时显示两个摄像节点拍摄的实时视频。在视频中可以识别出激光笔，并在视频中用红色方框实时框住激光笔轮廓。
（3）测量系统在终端节点设置一键启动。从激光笔摆动开始计时，测量系统通过对激光笔周期摆动视频信号的处理，自动测量长度 l，50cm≤ l ≤150cm，θ角度自定。测量完成时，终端声光提示并显示长度 l。要求测量误差绝对值小于
2cm，测量时间小于 30 秒。
2. 发挥部分
（1）一键启动后，测量系统通过两个独立摄像节点的网络协同工作，当 θ=0°和 θ=90°时，能自动测量长度 l，50cm≤ l ≤150cm。要求测量误差绝对值小于 2cm，测量时间小于 30 秒。
（2）一键启动后，可以测量 θ，0°≤ θ ≤90°。要求测量误差绝对值小于 5°。测量时间小于 30 秒。
（3）其他。
三 说明
（1）摆的柔性透明细线建议采用单股透明的钓鱼线，直径小于 0.2mm。不要采用一般捻和的缝纫线，防止激光笔吊起后自转。考虑实际摆与理想摆的差异以及各地重力加速度会有差异，系统应具有校准处理的功能。
（2）系统获取摆的信息必须来自摄像节点拍摄的视频信息，不得在摆及其附近安装其他传感器和附加装置。θ角度的标定可利用量角器测量激光指示光点轨迹与 OA 边的夹角实现。
（3）两个摄像节点拍摄的取景范围仅限激光笔摆动区间的内容，不能包含全部柔性细线的内容和地面激光光点轨迹的内容。在测量 l 和 θ 的过程中，如果视频包含上述内容，需用纸片遮挡这部分内容。否则不进行测试。
（4）拍摄背景为一般实验室场景，背景物体静止即可，不得要求额外处理。
（5）三个节点不得采用台式计算机和笔记本电脑。
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GPT-4o给出的设计方案：
一、硬件设计
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摄像节点
- 摄像头选择: 需要选择高清摄像头，并支持通过设定位置和方向进行精确测量（如1200P及更高分辨率）。
- 摄像头安装: 摄像头安装在A和B点，确保两个摄像头能够稳定拍摄到目标物（光标）的轨迹，且能够覆盖整个测量区域。
- 控制单元: 每个摄像节点配备一台带有互联网连接功能的嵌入式计算机（如Raspberry Pi、Jetson Nano），负责控制摄像头、采集图像、预处理图像、并上传数据至服务器。
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激光发射器
- 激光光笔选择: 选择高精度、稳定的激光光笔，控制逻辑检测激光光笔的位置和状态。
- 激光光笔安装: 在指定位置（<10cm距离）安装激光光笔，能确保覆盖整个测量区，且无需频繁移动。
- 光笔控制: 配备机械转动机构，能够高精度调节激光光笔的角度，确保光笔能够激发目标点，并通过激光回放进行精确定位。
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互联网连接:
- 网络连接设备:每个节点配备稳定高速网络连接设备（如Wi-Fi模块或网线连接）。
- 数据传输: 每个摄像节点和控制单元实时将采集数据传输至中央服务器，进行进一步处理和分析。
二、软件设计
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图像处理及分析软件
- 抓取图像: 使用OpenCV或其他图像处理库，进行实时图像采集、处理和分析。
- 目标检测: 通过图像处理算法检测光点位置并标记目标点坐标。
- 轨迹校正: 使用多角度图像校正算法，结合A和B点图像进行校正处理，确保精确的XYZ三维坐标。
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自动控制与数据校正
- 激光光笔的调控: 使用PID控制算法控制激光光笔的旋转和位置调整，实现自动对准和光点追踪。
- 数据校正和误差分析: 通过多次测量，进行数据均值处理和误差分析，确保测量精度在2mm以内。
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互联网及UI显示
- 实时数据传输: 采用MQTT或HTTP协议，实时上传图像数据及分析结果至服务器。
- 可视化界面: 使用前端技术（如React、D3.js）可视化显示实时测量数据，提供直观的UI界面展示和用户交互功能。
三、整体测试与验证
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系统调试
- 精度校准: 进行多次激光光笔位置校准与图像校正，确保系统测量精度符合需求。
- 稳定性测试: 通过长时间运行测试系统的稳定性及数据传输的可靠性，保证系统在不同环境和条件下正常工作。
- 快速处理和实时响应: 确保从监测到到数据上传和可视化展示的时延不超过30秒。
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安全性与容错性
- 数据备份: 对传输数据进行分布式存储和备份，确保数据安全可靠。
- 异常检测及处理: 设计容错机制，实时检测传感器状态和网络连接状态，在异常情况下做出即时报警和应急处理。
通过以上硬件和软件的结合，能够满足任务要求，创建一个动态、精确、稳定的图像测量系统。
本题目考查的知识点：
本题目主要考察基于互联网的图像测量系统设计，涉及以下知识点：
- 摄像头及传感器：如何选择合适的高清摄像头，及其安装方法与控制原理，确保精确测量目标物体的轨迹。
- 激光器控制：包括激光光笔的选择、安装及高精度控制。
- 图像处理：利用图像处理库（如OpenCV）进行实时图像采集、目标检测和轨迹分析，从多角度图像中提取精确的三维坐标。
- 自动控制：通过PID算法调控激光光笔，实现自动对准和轨迹跟踪。
- 数据传输及互联网：使用MQTT或HTTP协议，实现测量数据的实时上传和处理。
- 系统集成和测试：包括精度校准、稳定性测试、快速响应及异常处理，确保系统可靠运行。
