圖像測量系統及關鍵技術研究

青島同日電機有限公司 池福俊

江西理工大學 陳 敏

圖像測量是建立在計算機視覺理論基礎上的新測量技術，以光學為基礎，融光電子學、計算機技術、激光技術、圖像處理技術等現代科學技術為一體，光、機電與計算機相結合的測量系統。圖像測量把圖像當作檢測和傳遞信息的手段或載體加以利用，通過處理被測圖像而獲得所需的各種參數，是將圖像處理技術應用于測量領域的一種新的測量方法。隨著計算機技術、數字圖像處理技術和光電技術的發展，圖像測量技術得到越來越廣泛的應用。

一、圖像測量技術的應用

圖像測量方法具有非接觸、精度高、動態范圍大、信息豐富、測量速度快、自動化程度高等優點，受到國內外測量領域的重視，在國內外發展很快，目前已廣泛應用于幾何量測量、航空遙感測量、微尺寸測量和外觀檢測等有關的技術領域中。如在生物醫學領域可用于顯微圖像處理、DNA顯示分析、紅白血球分析、蟲卵及組織切片的分析、癌細胞識別、染色體分析、內臟大小形狀及異常檢測等方面的檢測與分析。在工業領域方面，可用于零部件、產品無損檢測、流水線零件自動識別、金相分析、小尺寸零件幾何量的測量、微電子器件等精密復雜零件的微小幾何尺寸的測量、零件三維形狀的檢測、大型工件尺寸的在線檢測(如在軋鋼生產線上在線測量鋼板的長、寬或線材的直徑等）。此外，圖像處理技術在遙感航天和軍事公安領域也有廣泛深入的應用，諸如目標跟蹤、模式識別等方面。

二、圖像測量系統的組成及原理

圖像測量技術的原理是通過對被測對象圖像邊緣信號的提取來獲得被測對象的相關幾何參數。測量系統由光學照明系統、CCD(Charge Coupled Device）攝像機、圖像采集卡、計算機及相應軟件組成，如圖1所示。其工作原理為：光照系統中的背景光源對被測物進行照射，然后由數字成像設備對被測物進行圖像采集并傳入計算機中，再由計算機中已經編制好的圖像處理軟件，對采集到的被測對象的圖像進行處理，得到圖像的特征信息，再由圖像輸出設備輸出處理后的圖像。

三、影響圖像測量精度的關鍵技術

圖1 CCD檢測系統示意圖

對圖像中目標進行定位是基于圖像的精密測量中最基本和最重要的任務之一，其定位精度直接影響到最終的圖像測量精度。攝像機采集圖像時所產生的誤差是圖像測量系統中的主要誤差，它直接制約影響著系統的測量精度。

圖像測量核心是圖像處理技術。數字圖像經過處理后，提高了輸出圖像的質量，便于計算機對圖像進行分析、處理、測量和識別等，有效地提高了測量精度。因此圖像處理技術成為圖像測量系統的基礎和關鍵。影響圖像測量精度的因素主要包括硬件和軟件因素。

1.硬件因素

CCD攝像機是系統的主要部分， 其精度直接影響測量精度。CCD攝像機所產生的誤差主要由光學成像鏡頭、CCD器件本身的質量，以及圖像采集裝置等部分產生的誤差構成，主要有光學誤差、機械誤差和電學誤差等構成。

(1）光學誤差。主要存在于成像光路和器件所帶來的失真或畸變。由于攝像機的設計、制造和工藝等原因，如入射光線在通過各個透鏡時的折射誤差和CCD點陣位置誤差等，光學系統存在著非線性的幾何失真，使得目標像點與理論像點之間存在多種類型的幾何畸變。鏡頭的這種畸變差在影像上一般表現為中心小而周邊較大，圖像的非線性畸變主要是這三種畸變的疊加，因此可以建立圖像坐標系中的非線性畸變模型來分析并減小誤差。

(2）機械誤差。主要是指CCD器件在機械加工安裝時造成的CCD面陣的幾何誤差， 即像元排列不規則而使影像產生的幾何誤差。通過提高制造裝配質量可以有效地減小該項誤差。由于CCD相對系統其他硬件來說質量較高， 在一般檢測中，這種誤差相對其他誤差對測量精度的影響要小得多，可以不予考慮。

(3）電學誤差。CCD屬于電子元件，因此存在電學誤差，主要包括指CCD在光電信號轉換、電荷在傳遞，以及A／D轉換時所產生的影像幾何誤差。產生的主要原因是光電信號轉換不完全、信號傳遞后滯，以及CCD驅動電路電壓及頻率不穩等因素造成。CCD系統電路里面有大量的電阻器件，存在熱電子噪聲，也會影響圖像的清晰穩定性而產生測量誤差。此外，CCD系統若采用不當傳輸電纜，會導致在電纜長度較長時出現阻尼振蕩現象，從而影響CCD圖像的清晰和穩定。

2.影響圖像測量精度的環境因素

(1）照明視場噪聲。有兩類：一類是隨時間而變化的隨機起伏噪聲，設計由供電電源波動以及光源本身發光的不穩定而產生；另一類則是隨空間的起伏而變化，主要是因為照明系統光源本身就是一個具有不同發光強度的線或面光源而非真正的點光源，以及照明光學系統的不完善(像差或調整不好）而引起的。一般工業測量情況下，不可能使整個視場達到嚴格的均勻照明， 特別是在測量大工件時尤其明顯。采用軟件可以相對較好地消除照明視場不均勻性的影響， 這樣不僅極大地降低對照明系統的要求， 同時又不降低系統的測量精度，也降低了檢測成本。

(2）溫度場的影響。由于測量系統主要由電子元器件構成，溫度的變化對系統的性能有所影響。一般在使用中，會對攝像機和圖像采集卡進行預熱處理，以提高圖像的穩定性和清晰度。預熱對圖像采集卡的影響遠大于對攝像機的影響。因此，一般預熱以后再采集圖像。此外，環境溫度對被測工件也會產生較大的影響。在測量對環境溫度敏感的金屬零件時， 必須考慮其線膨脹和保證環境溫度恒定， 并在此溫度下進行系統定標和測量。

(3）振動的影響。圖像測量系統對振動比較敏感，被測物體和攝像機的微小運動都能造成圖像的變形，容易引起大的測量誤差。采用適當的減震隔離方法便可以減小測量誤差。如將攝像機的被測工件均置于氣動隔振平臺上。此外，還可以在攝像機上加裝快門等提高拍攝速度，以減小外界因素的干擾。

3.影響圖像測量精度的軟件因素

在圖像測量系統中， 影響系統測量精度的另一個主要因素就是軟件因素。圖像采集模塊采集到的圖像由于光照不均、CCD攝像機自身的電子干擾等，從而導致圖像質量的下降，可能掩蓋圖像的細節，影響測量精度。選用高分辨率的CCD攝像機、高采樣頻率的圖像采集卡等質量高的硬件都可以提高系統的測量精度， 但這樣不僅會受到各種環境因素的限制，更會大幅度地增加檢測成本，提高的測量精度也有限。通過軟件算法來提高系統測量精度的方法是相對最有效的途徑。

系統載入物體圖像后，首先是采用軟件對輸入的圖像進行預處理，改善圖像的質量，主要是增強圖像的對比度、消除圖像噪聲，以及進行邊緣增強。從圖像處理軟件方面，尤其是通過提高邊緣檢測算子的精度來提高測量精度，是提高測量系統測量精度的主要途徑。

對于待處理的圖像進行參數測量，邊緣檢測是相當重要的一個環節。圖像的邊緣廣泛存在于物體與背景之間、物體與物體之間。圖像邊緣是圖像的基本特征之一，是圖像中特性(如像素灰度、紋理等）分布的不連續處。圖像邊緣存在于目標與背景、目標與目標、基元與基元的邊界，它標示出目標物體或基元的實際含量，集中了圖像大部分的信息。相對于灰度信息來說，邊緣信息更具有可靠性，邊緣特性較少受到光照條件等因素影響，是推導三維空間物體形態最基本的依據。圖像邊緣的確定與提取對于整個圖像場景的識別與理解是非常重要的。數字圖像的邊緣檢測是圖像分割、目標區域識別、區域形狀提取等圖像分析領域十分重要的基礎，在工程應用中占有十分重要的地位，是圖像處理和計算機視覺等領域最基本的技術。

常見的經典的邊緣檢測方法，是對原始圖像中像素的某小鄰域來構造邊緣檢測算子。按照邊緣檢測的原理可以將邊緣檢測算法大致分為一階邊緣檢測算法、二階邊緣檢測算法和其他算法。經典算法包括邊緣算子法、曲面擬合法、模板匹配法、門限化法等。這些算法計算簡單，但對噪聲較敏感。近來隨著數學理論及人工智能的發展，出現了新的邊緣檢測方法，如基于小波變換的邊緣檢測法、基于數學形態學、模糊理論和神經網絡的邊緣檢測法。上述算法，在一定程度上保證或提高檢測出的邊緣清晰性和穩定性，圖像去噪效果明顯，為提高圖像識別精度打下了良好的基礎。

四、結語

作為一種新興的精密測量技術，圖像測量技術具有分辨率高、靈敏度高、光譜響應寬、動態范圍大等特點，其應用前景是極其廣闊的。相信在不久的將來，圖像測量技術將會在測量和其他更廣泛的領域發揮它應用價值。

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