基于計算機視覺技術的微小線尺寸測量系統設計

劉 遠，韓紅哲

(天津科技大學 天津300222)

基于計算機視覺技術的微小線尺寸測量系統設計

劉 遠，韓紅哲

(天津科技大學 天津300222)

研究了一種基于計算機視覺技術的微小線尺寸測量系統，取代了傳統的工件尺寸測量儀，實現了對小尺寸工件的非接觸、高精度、自動測量。在硬件設計方面，提出了一種高速采集、快速傳輸的線陣CCD數據采集傳輸方案。在軟件設計方面，提出了微小尺寸的圖像處理與分析方法，采用數字圖像處理技術對采集的包含微小尺寸要素的放大數字圖像進行處理和分析，以獲得被測尺寸的位誤差值。

視覺技術 尺寸測量 非接觸測量 線尺寸測量

0 引 言

目前，我國諸多生產制造企業花費在加工尺寸檢測上的時間成本和人員數量相當可觀，嚴重影響了企業的生產效率、經濟效益。傳統的接觸式測量技術已不符合現代企業對加工制造的非接觸要求；另外，以往的離線、靜態測量技術已不滿足現代加工對主動測量的要求。因此，在現代化的生產制造企業中，提高測量速度，變靜態、被動、非自動測量、接觸測量為動態、主動、自動、非接觸的全面測量，是每一個企業所追求的目標。

隨著工業技術的持續發展，對測量精度、測量速度的要求不斷提高，非接觸式測量由于良好的精確性和實時性，已成為測量領域當前的發展方向。

基于計算機視覺技術的測量技術，作為一種非接觸測量技術不僅具有結構簡單、測量精度高、測量點小、工作距離大、自動化程度高、受環境電磁場影響小等優點，還可適用于不同材質，易實現在線、主動、非接觸的全面測量，能完全克服現有接觸式測量手段存在的問題，在工業自動檢測、物體識別等領域應用越來越廣泛。

1 視覺測量技術基本原理

基于計算機視覺技術的尺寸測量是以計算機視覺為基礎，結合光、電、機應用的一種新興的測量技術。視覺測量系統主要包括光學系統、數據采集傳輸系統及數據處理系統。其中，光學系統包括光源、聚焦透鏡、成像透鏡、光電檢測器件等。光學系統組件示意圖如圖1所示。LD表示激光二極管(Laser Diode)，CCD表示光電耦合器件(Charge Coupled Device)，Lens表示透鏡或者透鏡組，δ表示像點位移，Δ為物點位移(被測物體的位移量)。在測量過程中，激光二極管LD發出的激光束在被測物體表面上形成一個亮的光斑，經成像物鏡Lens將該光斑成像到光電接收器CCD的光敏面上，光強信號被轉換為電信號；電信號經A/D采集并順序輸出后，就得到同時具備位置信息和光強信息的一維圖像信息，圖像信息經過圖像數據分析可以精確計算出光斑像點的位置。因為像點位置與激光斑點位置存在嚴格的數學關系，只要能精確地測量出像點位移δ，就可得到被測物體的準確位移量Δ。

圖1 光學系統組件示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical system modules

視覺測量領域中光學三角法作為光學測量的基本方法之一，已得到廣泛的應用。光學三角法根據入射光線與被測物體表面法線的關系，又可分為直射式和斜射式。本課題根據需要，選用直射式光學三角法。

在直射式光學三角法中，入射光垂直入射到被測表面，成像系統通過接收散射光成像，原理簡圖如圖2所示。其中，1代表激光二極管，2和4表示會聚透鏡和成像透鏡，3表示被測表面，5表示CCD光電耦合器件，∠θ和∠φ分別為激光投射直線和CCD敏感面所在直線與成像透鏡主光軸的夾角，a和b分別為成像透鏡主光軸上的軸上物距和軸上像距，δ為像點位移，Δ為物點位移。為保證成像質量，依據Scheimpflug條件，參數∠θ、∠φ、a和b必須滿足以下數據關系：

圖2 直射式光學三角法原理簡圖Fig.2 Schematic diagram of the principle of direct optical triangle method

2 測量系統總體設計

微小線尺寸測量系統分為光學系統、數據采集傳輸系統和數據處理控制系統等3部分，系統組成簡圖如圖3所示。測量系統利用光學系統完成像點位置信息的探測，通過數據采集傳輸系統完成位置信息的光電轉化、模數轉化和數據傳輸，最后利用數據處理控制系統精確計算出像點位移，完成厚度-微位移的檢測。

光學系統是以光學三角法原理為設計理論基礎，主要包括光源、會聚透鏡、成像透鏡和光電轉換器件(CCD/PSD)。

數據采集傳輸系統包括線陣CCD的驅動、線陣CCD數據的采集及采集數據的傳輸3部分，系統設計以高速單片機ATmega64為控制核心，利用單片機直接為線陣CCD提供驅動脈沖，控制線陣CCD專用A/D芯片MAX1101實現對線陣CCD輸出信號的高速采集，通過USB接口實現采集數據的高速傳輸。

數據處理控制系統主要功能是利用USB接口與數據采集傳輸系統保持通信，通過顯示、存儲等輔助功能提供采集控制、數據傳輸和數據處理。

圖3 系統組成簡圖Fig.3 Schematic diagram of system composition

3 測量系統硬件設計

本系統的硬件設計是以光學三角法原理為基礎，核心元器件是光電轉換器件。圍繞光電轉換器件，測量系統硬件需要實現線陣CCD驅動功能、線陣CCD輸出信號采集轉換功能及采集結果傳輸功能等，這就需要相關的A/D采集芯片、數據傳輸接口和控制單元等。根據設計要求及設計參數的要求，選取線陣TCD1208AP作為光電轉換器件，選取MAX1101為AD轉換器，選取CH372為USB接口芯片，選取ATmega64為下位機微控制器。

圖4 系統電路原理圖Fig.4 Schematic circuit diagram of the system

根據所選用的芯片，依據系統設計方案，系統總體的硬件電路圖如圖4所示，主要包括線陣CCD驅動電路、CCD信號數據采集和存儲電路、USB接口電路、激光器的光強控制電路及供電電路等。

本系統電路涉及高速數據采集和數據傳輸，對PCB板的抗干擾設計有較高的要求。在PCB設計中，布線是抗干擾設計中的重要部分，AD轉換器是模擬器件，是一個容易受干擾的器件，為提高抗干擾能力，布線時采取以下措施：電源輸入端跨接一個100μF的鋁電解電容器，為每個集成電路配置一個0.1μF的陶瓷電容器；加寬電源線、地線寬度，在印制板上敷銅且與地線相連作為地平面。

4 測量系統軟件設計

本課題軟件設計的主要目的是實現上位機與下位機的通信，對線陣CCD的輸出數據進行處理，對實現裝置進行測試和標定。軟件設計根據系統的設計思想分為上位機軟件設計和下位機軟件設計。

上位機軟件主要針對線陣CCD的采集控制、線陣CCD輸出數據的接收和處理以及系統的測試標定等。下位機軟件主要針對外圍硬件設備的驅動、控制以及線陣CCD的輸出數據的傳輸，下位機軟件設計主要是微處理器控制程序。

圖5 微處理器控制程序流程圖Fig.5 Flow chart of microprocessor control program

微處理器控制程序是下位機系統運行的核心，負責線陣CCD數據的驅動、采集和傳輸，主要完成3個方面的工作，包括驅動線陣CCD、控制A/D采樣并保存采樣結果、通過USB與上位機通信并傳輸數據。微處理器控制程序流程圖如圖5所示。

5 誤差分析與系統試驗

視覺技術的光學系統中所有光學參數都是在理想情況下獲得的，參數的設計也都是理想的，推導的公式也是理想狀態下的形式，在實際測量中往往受到系統參數、外界環境和被測物體等多方面的影響，導致測量存在或大或小的誤差。

具體誤差包括：①成像系統誤差；②溫度、濕度等環境因素誤差；③CCD傳感器、電路處理誤差；④數據處理誤差；⑤被測表面和方案引入的誤差。要使光學三角法測量系統得到正確的結果，必須分析和處理上述幾個問題。本課題較好地解決了上述問題。

本課題設計的基于計算機視覺技術的微小線尺寸測量系統經過測試程序測試，在時間穩定性、階躍響應特性、重復性等指標方面效果都比較好，驗證了系統設計方案的可行性。

6 結 語

本課題研究了一種基于計算機視覺技術的微小線尺寸測量系統。在深入研究視覺測量原理的基礎上，提出了簡便、快速、準確的光學結構參數設計方法。根據線性CCD工作的原理和USB傳輸的特點，提出了一種高速采集、快速傳輸的線陣CCD數據采集傳輸方案。根據方案設計了相應的原理電路和PCB板，針對硬件設計功能完成了相應的微處理器控制程序的設計和編寫。最后，針對測量系統進行了大量試驗，通過試驗數據分析總結，驗證了系統設計的可行性。

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Design of a Micro Line Dimension Measurement System Based on Computer Vision Technology

LIU Yuan，HAN Hongzhe
(Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300222，China)

This paper studies a “micro line” size measurement system based on computer vision technology．It replaces traditional workpiece dimension measuring apparatus and realizes the non-contact，high precision and automated measurement．In the aspect of hardware design，it provides a program of a high-speed acquisition，rapid transmission of the linear array CCD data acquisition and transmission．In the aspect of software design，it provides the methods of image processing and analysis for “micro line”，which uses digital image processing technique to process and analyze enlarged digital images of collected micro line elements to acquire error value of the dimension.

computer vision technology；size measurement；non-contact measure；line size measurement

TP216+.1

：A

：1006-8945(2015)08-0040-03

2015-07-09