基于機器視覺的距離測量系統

摘 要：文章采用了基于機器視覺技術進行自動聚焦的方法，來設計在輕軌錨固螺桿健康檢測中用于測量工作臺到錨固螺桿距離的系統。該系統采用Tenengrad函數作為調焦的評價函數，先根據實際需要確定鏡頭的焦距，然后通過對獲取的圖像進行分析處理，實現鏡頭的自動聚焦，最后驅動鏡頭運動到最佳聚焦點，以此來測量距離，該系統可以推廣到其他距離測量中。

關鍵詞：距離測量；機器視覺；圖像處理；自動聚焦

引言

隨著圖像處理技術和相關硬件設備的發展，機器視覺在工業檢測特別是對于大量的、重復的、實時的零件檢測中的應用越來越廣泛。

以重慶輕軌錨固螺桿檢測為例。錨固螺桿是軌道梁系統中關鍵的受力部件，對其檢測的意義重大。由于在該自動檢測系統中，傳感器安裝在檢測車的工作臺上，所以，必須準確測量工作臺和被檢測錨固螺桿的距離，以便于自動將傳感器安裝到被檢測錨固螺桿上。錨固螺桿端面為一個矩形，其俯視圖如圖1。目前國內尚沒有類似的自動測量系統，自主開發此類系統的意義重大。考慮到檢測條件及準確性，采用基于機器視覺的方法進行測量。

1 自動距離測量系統的總體方法及軟硬件構成

1.1 自動距離測量系統的總體方法

該系統利用基于圖像處理的自動調焦原理，先根據實際需要確定攝像機鏡頭的焦距，然后通過對獲取的圖像進行分析處理，實現鏡頭的自動聚焦，最后驅動鏡頭運動到最佳聚焦點。鏡頭到被測量物體的距離為焦距加上鏡頭從初始點到最佳聚焦點的運動距離，即：

S=f+？駐L （1）

式（1）中，S為鏡頭到測量物體的實際距離，L為攝像機鏡頭焦距，？駐L為在調焦過程中，鏡頭從初始點到最佳聚焦點的運動距離。測量流程圖見圖2：

1.2 系統的軟硬件構成

本系統的硬件部分由攝像系統、照明系統、步進電機及執行系統、運動控制卡、計算機等組成。如圖3所示，其中攝像系統為大恒工業攝像機，運動控制卡用于控制步進電機的運動。

整個軟件由Visual Studio 2003編寫，主要完圖像數據采集及存儲、圖像清晰度計算、步進電機控制等，軟件部分主要由輸入模塊，圖像處理模塊和輸出模塊3個部分組成。

2 自動調焦原理及調焦函數選擇

基于圖像清晰度的調焦評價函數主要分為4類，它們分別是：灰度梯度評價函數，如Tenengrad函數、Variance函數、Brenner函數等；信息學評價函數，如熵函數；統計學評價函數，如Range函數、Menmay函數、Masgrn函數等；頻域函數，如全頻段積分函數、閾值積分函數、高頻分量函數等。

評價一個調焦評價函數的指標主要有無偏性、單峰性、靈敏度、運算速度等，將各主要調焦評價函數在本系統中進行實驗，測試各函數的上述指標。拍攝14幅同一個被測物體的圖像作為實驗圖像，其清晰度逐漸增至最高再逐漸降低。用7個主要調焦評價函數分別計算各圖像的評價值，結果如圖4：

根據實驗結果，Tenengrad函數能較好地滿足各種指標，該函數是先加權平均然后再微分，分別對水平和垂直方向進行模板運算，對噪聲有一定的抑制能力。

所以，本系統的調焦評價函數采用Tenengrad函數。該函數的計算公式如式2：

其中， ， Gx（x，y）和Gy（x，y）的計算模板分別為：

和

n為圖像的序數， f（n）為第n幅圖像的評價函數值。

3 自動調焦的搜索方式

要實現智能化的快速自動聚焦方式，選擇一種合適的聚焦搜索方式是十分重要的。如果采用遍歷搜索法一定可以找到正確的聚焦位置，但這樣存在耗時較長的缺點，在快速聚焦中，遍歷搜索法一般是不可取的。

本系統采用優化登山式自動聚焦搜索算法，該算法能有效地排除干擾，能夠極大地提高自動對焦的可靠性。同時，電機的步長和搜索的次數是可以調節的，因此，針對本系統具有相當的靈活性。

4 實驗結果及分析

系統主要部分的硬件參數為：

（1）攝像系統：DH-HV1300UM大恒工業數字攝像機。其性能：CMOS單色數字圖像傳感器，分辨率1280×1024（1310720個象素）；光學尺寸為1/2英寸；像素尺寸為5.2μm×5.2μm；像素深度為8位；信噪比為>45的dB；動態范圍為60dB；功耗、額定功率為1.75W。

（2）步進電機：電機固有步距角為0.9°/1.8°（表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°）；絲杠的絲距：4mm。

根據該系統的實際應用背景，作出如下測量步驟：

（1）根據實際檢測臺和錨固螺桿的距離確定攝像機的焦距。

（2）設置初始點：給攝像機定一個初始點。

（3）打開攝像機進行實時拍攝，打開圖像自動聚焦程序，開始自動聚焦。其中處理內容為：

a.計算機發出信號，采集圖像，并將圖像保存在指定位置。

b.濾波處理，通過均值濾波程序對圖像進行濾波處理，消除圖像的噪聲污染。

c.調用焦距評價函數進行計算

d.根據運算結果，控制步進電機前進或后退。直到獲得清晰聚焦位置。

表1為實驗所拍攝的12幅同一被測物體不同清晰度圖像的調焦評價函數的歸一化值，調焦初始處為第2幅圖像

表1

實驗中，在初始處調焦函數值也是較小，在聚焦位置即第6幅圖像處圖像函數值則最大，經過一系列的搜索和調焦函數計算比較，最終系統自動將鏡頭定在第6幅圖像處。此結果符合實際情況，且精度在所要求的0.1mm以內，所以系統能夠達到聚焦目的。該系統具有非接觸、精度高的特點，可以推廣到其他相關的距離測量中。在實際應用中，可以根據具體情況選擇其他的調焦評價函數和搜索算法。

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