數字圖像處理技術在干涉儀中的應用

祝彥，丁振君，王芳，賈克軍

（河北大學質量技術監督學院，河北保定 071000）

數字圖像處理技術在干涉儀中的應用

祝彥，丁振君，王芳，賈克軍

（河北大學質量技術監督學院，河北保定 071000）

利用CCD（charge－coupled device）對立式接觸式干涉儀進行改裝研制，變目視觀察與判讀讀數為光電探測、自動瞄準、測量，把顯微鏡下的干涉條紋圖像利用CCD采集后傳輸到計算機.結合數字圖像處理技術，利用波長定度方法實現自動定度，雙邊直線擬合法自動確定0級干涉條紋中心的準確位置，并根據量塊形成的0級干涉條紋中心偏移像素值計算量塊長度.實驗測試結果表明利用數字圖像處理技術消除了人為判讀差錯的可能性，提高了工作效率，穩定可靠.

圖像處理；CCD；自動定度；接觸式干涉儀

隨著計算機軟硬件技術的迅猛發展，數字圖像處理已成為學術研究及工程應用中一個非常重要的領域.數字圖像處理是指利用計算機或其他數字設備對圖像信息進行各種加工和處理，它是一門新興的應用學科，其發展異常迅速，應用領域極為廣泛［1］.采用基于圖像處理的計算機視覺技術進行檢測可靠性好，準確率高，可以提高檢測精度、速度、自動化程度［2］.

1 系統原理及組成

系統是以CCD（charge－coupled device）圖像傳感器為主要元件構造而成，將CCD圖像傳感器安裝在干涉儀目鏡位置，被攝物體的圖像經過鏡頭聚焦至CCD芯片上，CCD根據光的強弱積累相應比例的電荷，各個像素積累的電荷在視頻時序的控制下，逐點外移，經濾波、放大處理后，形成視頻信號輸出.此系統主要由3部分組成：圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出或顯示.圖像處理技術主要用于2個方面，一是干涉儀的定度，二是量塊長度的測量.

1.1 干涉儀定度原理

干涉儀的定度即是確定目鏡分化板標尺的刻度值，定度時所使用的長度標準量是濾光片透過光的中心波長λ（檢定數值）.

從干涉儀工作原理已知，m條干涉條紋所表示的空間長度為

其中：m為干涉條紋（移動量），λ為光波波長.

而在m條條紋間隔里包含有n個標尺刻度，則標尺刻度值i為

1.2 測量原理

量塊長度的測量采用的是微差比較測量法，用已知尺寸的高一等量塊作為標準量，測量出被測量塊與標準量塊的差值，則被測量塊的長度尺寸為

式中，L標為標準量塊的中心長度尺寸，檢定數值.

2 圖像處理系統

由于光學鏡頭的原因和噪聲等因素，采集到的干涉條紋圖像精度會受到一定的影響.圖像處理的目的是將傳送過來的圖像數據按照系統的目標進行處理分析，以便提取其特征.本系統的目的是獲得準確清晰的干涉條紋.采取的具體圖像處理過程如圖1所示.

圖1 圖像處理系統Fig.1 Image processing system

2.1 圖像處理方法

首先通過CCD圖像傳感器獲取主窗口當前位置顯示的圖像內容，并返回圖像存儲數組的指針和圖像的高度、寬度等信息，將真彩色圖像轉換為灰度圖來處理，以加快圖像處理的速度以及縮減存儲空間［3］，之后程序根據返回的信息計算每一列像素3個分量的和，再將所有和相加.根據這個特征提取得到的值，在對話框上畫出其對應的相對高度直線，這樣就得到處理后的圖像，如圖2所示.

圖2 圖像處理Fig.2 Processing of image

2.2 圖像處理技術

處理后的圖像為原始圖像每列像素R，G，B分量值累計和波形圖，像素的R，G，B分量值越小表示的顏色越暗，通過尋找波形圖的極小值點來確定黑條紋中心［4］.但考慮到CMOS器件各光敏像素響應不均勻、圖像光強分布的隨機波動及絕大多數情況下，條紋中心距不是光敏元中心距的整數倍等一系列因素的影響，此極小值只表明黑條紋中心的大致位置.

測量時極值點有較大的隨機性，為了消除單個極值點隨機性大的缺點，更精確地獲得零級黑條紋中心的較精確位置，需要利用此極小值及其附近的數據.常用的擬合方法有3種：灰度積分法，曲線擬合法，雙邊直線擬合法.其中雙邊直線擬合法精確度較高，算法容易實現，因而本設計采用了這種擬合方法［5］.如圖3所示，選取上、下2個灰度閥值水平，把波峰灰度曲線截取為左右2個曲線段，分別對這2個曲線段進行直線擬合，擬合得到的直線與選定的上下2灰度閥值線各有一交點，再取2交點的中點與另一邊的2交點的中點連成的直線段的中點位置即擬合結果1，作為測量的幾何中心位置.然后找出波形曲線最低點的橫坐標，然后以它為中心分別向左右2邊搜索2個峰值.去除峰值和谷值附近的3～5個點，剩下的區間點就可以用來擬合曲線了.用最小二乘法和剩下的區間點分別擬合兩邊的直線.擬合完畢，求得2條直線的交點擬合結果2，即為所要求的黑條紋中心橫坐標.

采用這種方法，條紋中心不是由單個點確定，而是由條紋極值點附近一系列點確定，消除了單個像素隨機波動對測量結果的影響，同時實現了CCD像素細分.

圖3 雙邊直線擬合法Fig.3 Method of double－sided fitted line

通過雙邊直線擬合法自動擬合、識別出每個條紋波谷，并對每個波谷按順序編號.然后選取2個條紋編號輸入文本框，軟件自動計算出2個條紋之間的間隔條紋數m，和間隔像素數n，根據儀器給出的標準值，1個條紋對應0.283μm，計算出每個像素對應的長度值

3 實驗及結論

相對測量時，只要求獲得被檢量塊與標準量塊的差值，則此值為

若要求受檢量塊的長度，其值為

其中，K為單位像素定度系數，指單位像素代表長度量值，L標為標準量塊長度.

實驗選取的9 mm標準量塊來檢測被檢量塊.實驗開始前首先對接觸式干涉儀進行調整，主要是光源調節、干涉條紋的調節和儀器分度值的調節，儀器2次測量的數據如圖4所示.

圖4 測量數據Fig.4 Measurement data

結果表明，利用圖像處理技術通過運用各種算法，對圖像進行數字處理，實現了數據自動采集、處理、計算和記錄，消除了人為判讀差錯的可能性，減小了測量時系統誤差和粗大誤差發生的概率，提高了系統測量精度.

［1］馮瑤.數字圖像處理技術的應用［J］.重慶工貿職業技術學院學報，2010，17（1）：72－74.

FENG Yao.The application of digital image processing technology［J］.Journal of Chongqing Industry ＆Trade Polytechnic，2010，17（1）：72－74.

［2］楊梅.利用數字圖像處理技術測量零件幾何尺寸［J］.吉林工程技術師范學院學報，2009，25（9）：34－37.

YANG Mei.Digital image processing technology for dimension of work pieces［J］.Journal of Jilin Teachers Institute of Engineering and Technology，2009，25（9）：34－37.

［3］張力.Visual C＋＋高級編程［M］.北京：人民郵電出版社，2002：83－98.

ZHANG Li.Effective programming in VC＋＋［M］.Beijing：Posts and Telecom Press，2002：83－98.

［4］周長發.精通Visual C＋＋圖像編程［M］.北京：電子工業出版社，2000：160－168.ZHOU Changfa.Proficiency in VC＋＋［M］.Beijing：Publishing House of Electronic instrudry，2000：160－168.

［5］朱小平.CCD傳感器用于刻線自動瞄準的研究［J］.現代測量與實驗室管理，2003（1）：5－16.

ZHU Xiaoping.Research of auto－aiming for line images using CCD sensors［J］.Advanced Measurement and Laboratory Management，2003（1）：5－16.

Digital image processing technology for interferometer

ZHU Yan，DING Zhen－jun，WANG Fang，JIA Ke－jun
（College of Quality and Technology Supervision，Hebei University，Baoding 071000，China）

The contact type interferometer was reformed using CCD.Then it could transmit the interference fringe picture to computer which always observed by person under the microscope.The measurement system could realize the function that automatically controlled，instrument definition，gauge block measured，data displayed and preservation realized with the image processing technology.The stochastic factor to the measurement result influence was greatly eliminated by the fitting straight line algorithm method was used.Through the above aeries of intellectualizations transformation，the working efficiency of the instrument was greatly enhanced，and the measuring accuracy was increased.

image processing；charge－coupled device；auto definition；contact typ e interferometer

T H741.1

A

1000－1565（2012）02－0203－04

2011－09－10

國家自然科學基金資助項目（60677021）

祝彥（1977－），女，河北保定人，河北大學講師，主要從事傳感器與智能儀器方面的研究.E－mail：lemons＿zhu＠163.com

孟素蘭）