視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與光照強(qiáng)度分析*

段振云，董　迪，趙文輝

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110870)

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視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與光照強(qiáng)度分析*

段振云，董迪，趙文輝

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110870)

為了提高機(jī)器視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度，在分析機(jī)器視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，選擇合適的硬件并設(shè)計(jì)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)整體機(jī)構(gòu)，搭建視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。對(duì)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定位誤差進(jìn)行了研究。對(duì)光軸與物面垂直度調(diào)整方法進(jìn)行研究。對(duì)于光照強(qiáng)度變化對(duì)測(cè)量精度的影響進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)以圓形標(biāo)定模板的像素當(dāng)量值和圓直徑作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)測(cè)量精度的指標(biāo)，討論光照強(qiáng)度對(duì)測(cè)量精度的影響，最后提出一種誤差補(bǔ)償公式來(lái)補(bǔ)償光照強(qiáng)度帶來(lái)的誤差，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明應(yīng)用此方法系統(tǒng)測(cè)量精度得到提高。

測(cè)量精度；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；光照強(qiáng)度；誤差補(bǔ)償

0　引言

機(jī)器視覺(jué)測(cè)量技術(shù)是以計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的視覺(jué)功能，以光學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，融合計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)等對(duì)實(shí)體目標(biāo)實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量[1-2]。機(jī)器視覺(jué)測(cè)量技術(shù)以其強(qiáng)大的功能、高效、高穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為行業(yè)應(yīng)用中穩(wěn)步增長(zhǎng)的解決方案。

對(duì)于以測(cè)量為目的的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，精度是首要條件，保證精度才能保證測(cè)量的可信性。目前大多數(shù)學(xué)者將注意力集中在圖像濾波、邊緣提取、攝像機(jī)標(biāo)定等軟件算法上，對(duì)硬件系統(tǒng)方面的論述研究較少，文獻(xiàn)[3-4]分析了噪聲和鏡頭畸變及溫度環(huán)境等因素對(duì)圖像測(cè)量精度的影響，沒(méi)有分析鏡頭與實(shí)驗(yàn)臺(tái)的垂直度帶來(lái)的誤差影響。文獻(xiàn)[5-6]分析了手動(dòng)調(diào)節(jié)光源的缺點(diǎn)，構(gòu)建自適應(yīng)光源控制系統(tǒng)。但沒(méi)有研究光照強(qiáng)度對(duì)測(cè)量精度的影響。

本文首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上分析影響精度的誤差因素，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析光照強(qiáng)度對(duì)測(cè)量精度的影響。

1　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在高精度的視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)中，硬件的選擇是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)所用的主要硬件如下：

(1)工業(yè)相機(jī)采用德國(guó)Basler公司生產(chǎn)的piA2400-17gc全幀型面陣CCD黑白相機(jī)。分辨率2448像素×2050像素，像素尺寸為3.45μm×3.45μm。

(2)鏡頭選用無(wú)透視畸變的遠(yuǎn)心鏡頭。遠(yuǎn)心鏡頭有它獨(dú)特的光學(xué)特性：高分辨率、超寬景深、超低畸變，還可以消除由于調(diào)焦不準(zhǔn)確而到來(lái)的測(cè)量誤差。

(3)本系統(tǒng)照明光源采取平行背光源2PFT系列，精確的光路設(shè)計(jì)使出射光接近理想平行光，整體結(jié)構(gòu)緊湊，亮度高，均勻性好，可以大大降低圖像處理的難度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

本測(cè)量系統(tǒng)以齒輪作為測(cè)量對(duì)象，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，齒輪的安裝采用雙頂尖結(jié)構(gòu)。通過(guò)豎直導(dǎo)軌滑塊結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)鏡頭的固定和上下移動(dòng)，來(lái)調(diào)整鏡頭、光源與被測(cè)齒輪之間的距離。這樣避免了人工移動(dòng)相機(jī)鏡頭帶來(lái)的誤差。采用背光源照射方式，利用光源數(shù)字控制器根據(jù)照明環(huán)境進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，使圖像和背景最佳分離。此機(jī)器視覺(jué)結(jié)構(gòu)可以對(duì)工件進(jìn)行圖像測(cè)量、標(biāo)定等實(shí)驗(yàn)研究。

圖1　機(jī)器視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　硬件系統(tǒng)誤差分析

在用CCD進(jìn)行視覺(jué)測(cè)量時(shí)，由于噪聲和鏡頭畸變帶來(lái)的誤差可以通過(guò)濾波算法和標(biāo)定算法來(lái)消除[7]。對(duì)于系統(tǒng)硬件來(lái)說(shuō)自身結(jié)構(gòu)上的誤差也會(huì)對(duì)測(cè)量精度存在影響。

2.1垂直度引起的誤差

理想的CCD機(jī)與被測(cè)零件的位置關(guān)系應(yīng)為相機(jī)鏡頭光軸垂直于被測(cè)零件所在平面。在實(shí)際使用中，由于CCD照相機(jī)本身的制造誤差，工件制造誤差等原因不能保證鏡頭光軸與被測(cè)零件表面及光源完全垂直，存在一定的角度偏差α，如圖2所示，當(dāng)相機(jī)沿著導(dǎo)軌上下移動(dòng)時(shí)，各點(diǎn)所成的像也會(huì)在像面上發(fā)生一定的偏移，偏移量為：

Δ=Τ·L·tanα

(1)

其中Τ為鏡頭放大率,L為相機(jī)沿著導(dǎo)軌的移動(dòng)距離。

在改變物距大小時(shí)，由于垂直度引起的誤差會(huì)影響測(cè)量精度。文獻(xiàn)[8-9]分別提出了基于數(shù)字圖像處理的方法和采用光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)自動(dòng)調(diào)整的方法來(lái)調(diào)節(jié)視覺(jué)測(cè)量中光軸與物面垂直度。不過(guò)這種方法算法復(fù)雜，同時(shí)也會(huì)引入隨機(jī)誤差。本系統(tǒng)采用人工調(diào)節(jié)的方法來(lái)調(diào)節(jié)垂直度。在物距改變時(shí)，可以通過(guò)像素點(diǎn)的偏移量Δ來(lái)計(jì)算出偏移角度α，當(dāng)α較大時(shí)，通過(guò)傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)能將偏移角度減小，剩下的人工不能調(diào)節(jié)的偏移帶來(lái)的誤差通過(guò)系統(tǒng)標(biāo)定來(lái)補(bǔ)償[10]。

圖2　垂直度引起的誤差示意圖

2.2光照強(qiáng)度變化引起的誤差

(2)

光照強(qiáng)度的變化會(huì)造成像素灰度的變化，影響亞像素邊緣檢測(cè)的精度，影響測(cè)量精度。

3　實(shí)驗(yàn)分析

為分析光照強(qiáng)度對(duì)測(cè)量精度的影響，對(duì)如圖3所示的圓形標(biāo)定板進(jìn)行多次測(cè)量試驗(yàn)。標(biāo)定板上圓的直徑大小為2mm。

圖3　標(biāo)定板

以像素當(dāng)量為計(jì)算單位的視覺(jué)測(cè)量中，系統(tǒng)當(dāng)量值反映了系統(tǒng)的全局誤差，標(biāo)定板圓直徑大小測(cè)量值反映了系統(tǒng)的局部誤差。因此當(dāng)量值和標(biāo)定板圓直徑大小可以代表系統(tǒng)的測(cè)量精度。圖4為本系統(tǒng)圖像處理技術(shù)計(jì)算當(dāng)量值過(guò)程流程圖。

圖4　當(dāng)量值計(jì)算流程圖

當(dāng)量值計(jì)算公式為：

(3)

其中l(wèi)為標(biāo)定板上圓理論直徑，單位為μm，p為經(jīng)過(guò)亞像素提取算法得到對(duì)應(yīng)圓的直徑，單位為像素。

3.1光照強(qiáng)度對(duì)當(dāng)量值的影響

實(shí)驗(yàn)在保證物距不變的情況下，改變光照強(qiáng)度大小。實(shí)驗(yàn)以圖像的平均灰度值作為衡量光照強(qiáng)度的大小，觀(guān)察光照強(qiáng)度變化時(shí)通過(guò)邊緣檢測(cè)算法提取到的粗邊界和精邊及界的當(dāng)量值的變化情況，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

圖5　測(cè)量結(jié)果分布曲線(xiàn)

3.2光照強(qiáng)度對(duì)標(biāo)定板圓直徑大小的影響

以標(biāo)定板上的圓作為測(cè)量對(duì)象，光照強(qiáng)度過(guò)小，圖像不能達(dá)到飽和，提取的邊緣會(huì)向外擴(kuò)。光照強(qiáng)度過(guò)大，圖像過(guò)飽和，邊緣向內(nèi)縮小。通過(guò)實(shí)驗(yàn)改變光照強(qiáng)度，觀(guān)察圖像從未飽和到過(guò)飽和之間提取的粗邊界和精邊界圓直徑值的變化情況。取標(biāo)定板中心兩個(gè)圓為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，測(cè)量結(jié)果分布分別如圖6所示。

圖6　光照強(qiáng)度與測(cè)量結(jié)果分布曲線(xiàn)

從測(cè)量結(jié)果可以看出光照強(qiáng)度的變化對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量精度有影響，得到的測(cè)量直徑小于理論值。在分析光照強(qiáng)度變化對(duì)邊界的影響上提出一種誤差補(bǔ)償方法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償誤差。補(bǔ)償公式為：

(4)其中miu為直徑補(bǔ)償量大小，l為理論直徑，大小2mm，μ為像素當(dāng)量值，p為實(shí)際測(cè)量直徑大小。在光照條件不變下，取標(biāo)定板5×5范圍圓的粗邊界直徑補(bǔ)償前后值作比較，得到表1，表2如下。從表中對(duì)比可知，通過(guò)誤差補(bǔ)償公式使所測(cè)得圓直徑更接近理論值，系統(tǒng)測(cè)量精度得到提高。

表2　補(bǔ)償后圓直徑(單位為μm)

4　結(jié)論

本文在對(duì)機(jī)器視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定位誤差進(jìn)行了分析。對(duì)如何調(diào)整垂直度進(jìn)行說(shuō)明。以標(biāo)定板作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，系統(tǒng)當(dāng)量值和標(biāo)定板上圓直徑大小作為評(píng)價(jià)測(cè)量系統(tǒng)精度的指標(biāo)分析了光照強(qiáng)度對(duì)測(cè)量精度的影響。綜合理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出光照強(qiáng)度的變化影響測(cè)量精度，提出一種誤差補(bǔ)償公式，補(bǔ)償光照強(qiáng)度變化帶來(lái)的誤差，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出補(bǔ)償效果明顯，測(cè)量結(jié)果更趨近真實(shí)值，提高了系統(tǒng)測(cè)量精度。

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(編輯李秀敏)

Configuration Design and Illumination Intensity Analysis of Machine Vision System

DUAN Zhen-yun，DONG Di，ZHAO Wen-hui

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870，China)

To raise the measurement accuracy of machine vision system, the paper selected the appropriate hardware and designed the whole organization on basis of analyzing the structure and working principle of machine vision measuring system, bulit a vision measuring system. Studied on the system structure of positioning error. Studied on the optical axis and object surface verticality adjustment method. Made theoretical analysis and experiment verification of the impact of the change of illumination intensity on the accuracy of measurement. In the experiment, the measurement accuracy of system is evaluated by pixel equivalent value and circle diameter of circular calibration template. Discussed the effect of illumination intensity on measurement accuracy. In the end, an error compensation formula is proposed to compensate for the error casued by illumination intensity. Experimental data show that the accuracy of measurement is improved by using this method.

measurement accuracy; structural design; illumination intensity; error compensation

1001-2265(2016)08-0061-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.08.017

2015-09-26；

2015-10-26

十二五國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2014BAF08B01)

段振云(1971—)，男，河南新鄉(xiāng)人，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)閺?fù)雜曲面加工技術(shù)、視覺(jué)檢測(cè)，(E-mail)13604045543@139.com。

TH122；TG659

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