基于特定光照強(qiáng)度的視覺測(cè)量系統(tǒng)誤差補(bǔ)償方法

王世穎，張杰，鐘鴻濤，黎達(dá)成，李俊銘，陶建華

（廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東廣州510006）

基于特定光照強(qiáng)度的視覺測(cè)量系統(tǒng)誤差補(bǔ)償方法

王世穎，張杰，鐘鴻濤，黎達(dá)成，李俊銘，陶建華

（廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東廣州510006）

在機(jī)器視覺測(cè)量系統(tǒng)中，光照強(qiáng)度影響著圖像的對(duì)比度和邊緣特征等，從而對(duì)最后的輪廓識(shí)別精度造成影響。從系統(tǒng)測(cè)量的穩(wěn)定性角度出發(fā)，確定合適的光照強(qiáng)度范圍，并求出誤差補(bǔ)償曲線。結(jié)果表明，在相機(jī)的曝光時(shí)間為0.05ms時(shí)，取光照強(qiáng)度11200Lux，使用系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，得出的結(jié)果最穩(wěn)定，伴隨其誤差補(bǔ)償曲線為△＝-0.0009011*L+0.4995.

光照強(qiáng)度；輪廓識(shí)別精度；機(jī)器視覺；誤差補(bǔ)償

光源作為機(jī)器視覺測(cè)量技術(shù)不可缺少的成分之一，其目的是使被測(cè)物體能夠在合適的光線下盡可能地凸顯其特征。在圖像檢測(cè)技術(shù)中，光照強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度的影響占有較大的比重。于是，人們開始提出一些方法來提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。例如“動(dòng)態(tài)調(diào)整像素當(dāng)量值[1]”是根據(jù)光照強(qiáng)度的變化動(dòng)態(tài)調(diào)整像素，用以解決系統(tǒng)工作過程中照射到工件的光照強(qiáng)度變化引起的測(cè)量精度變化的問題。但是該方法需要實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量光照強(qiáng)度，對(duì)于正在工作的系統(tǒng)，實(shí)時(shí)測(cè)量被測(cè)工件照射到的光照強(qiáng)度，其可行性不高，并且測(cè)量設(shè)備長(zhǎng)期工作時(shí)表面容易積灰，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

本文在以機(jī)器視覺為基礎(chǔ)的測(cè)量系統(tǒng)的前提下，從實(shí)驗(yàn)的角度討論光照強(qiáng)度對(duì)機(jī)器視覺測(cè)量系統(tǒng)精度的影響，確定合適的光照強(qiáng)度之后，提出對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ瑥亩岣呦到y(tǒng)的精度。

1　工件尺寸測(cè)量系統(tǒng)

以自主開發(fā)的數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)硬件部分除了CCD相機(jī)外，光源采用藍(lán)色LED環(huán)形光源。配置合適的光源后，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行尋找最佳光照強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

在視覺測(cè)量系統(tǒng)中，不同光源對(duì)圖像成像質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)在光與被測(cè)物體間的相互作用、照明的光譜、照明的方向性等[2]。選擇合適的光源，可以凸顯工件特征、提高檢測(cè)精度和保證檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其中，本系統(tǒng)用于測(cè)量工件長(zhǎng)度，工件背景顏色大多為銀色。于是選擇藍(lán)色光源。藍(lán)色光源波長(zhǎng)位于430~480 nm之間，適用于銀色背景的產(chǎn)品。另外由于測(cè)距的需要，采用環(huán)形光源，光照均勻，無虛影產(chǎn)生，清晰度高。系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)實(shí)物

本系統(tǒng)是用的是Canny邊緣檢測(cè)[3]來對(duì)所獲取工件圖片的邊緣進(jìn)行識(shí)別。檢測(cè)的整個(gè)過程的精度與工件成像的質(zhì)量密不可分。圖像中工件的邊緣越清晰，邊緣處灰度值變化越明顯，其邊緣檢測(cè)越穩(wěn)定，精度越高。當(dāng)相機(jī)、光源等型號(hào)確定后，實(shí)驗(yàn)變量，例如光照強(qiáng)度，曝光時(shí)間等的優(yōu)化可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的精度。在選定的曝光時(shí)間（0.05 ms）下，以上述的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為平臺(tái)進(jìn)行尋找最合適于本系統(tǒng)光照強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)。

2　實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

2.1實(shí)驗(yàn)器材

本實(shí)驗(yàn)使用的實(shí)驗(yàn)儀器，材料如下：

（1）CCD相機(jī)：焦距16 mm，像元尺寸5.2×5.2 μm，像素1 280×1 024；

（2）鏡頭：焦距16 mm；

（3）藍(lán)色環(huán)形光源：內(nèi)徑10 cm；

（4）光源控制器：輸出24 V~36 W；

（5）GM1020數(shù)字流明計(jì)；

（6）量塊：標(biāo)稱長(zhǎng)度6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10、20、30、40、50、60（mm），極限偏差te（μm）：

ln≤10，te=0.45

10＜ln≤25，te=0.60

25＜ln≤50，te=0.80

50＜ln≤75，te=1.00

（7）標(biāo)定板：60 cm×60 cm，絕對(duì)偏差0.2 μm；

（8）磨砂PVC背景板；

（9）福祿克萬用表F15B+；

（10）自主開發(fā)的數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)界面程序。

2.2實(shí)驗(yàn)方案

（1）使用標(biāo)定板和Halcon軟件標(biāo)定助手標(biāo)定后，取曝光時(shí)間為0.05 ms.

（2）利用流明計(jì)和萬用表，將電流值和光照強(qiáng)度相匹配，取光強(qiáng)為1500Lux、22500Lux，依次取成公差為1500Lux的等差數(shù)列，得出此時(shí)對(duì)應(yīng)的電流值，實(shí)驗(yàn)時(shí)保持環(huán)境光強(qiáng)基本不變；

（3）取標(biāo)稱值為40 mm的量塊，測(cè)量其在不同光強(qiáng)下的長(zhǎng)度，重復(fù)5次，得出以x軸為光強(qiáng)，y軸為測(cè)量結(jié)果的曲線圖，分析并選擇合適的光照強(qiáng)度；

（4）分析以上結(jié)果，選擇合適的光照強(qiáng)度，在該光照強(qiáng)度下，取量塊標(biāo)稱長(zhǎng)度為7、8、9、10、20、30、40、50、60（mm）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，重復(fù)五次得平均值，得出各量塊的測(cè)量結(jié)果及誤差；

（5）利用Matlab對(duì)各量塊的測(cè)量結(jié)果和誤差進(jìn)行曲線擬合，得出補(bǔ)償公式。

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由以上實(shí)驗(yàn)方案得出的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果如下所示。其中圖2為實(shí)驗(yàn)方案步驟（3）得出的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，表1為實(shí)驗(yàn)方案步驟（4）選定光強(qiáng)為11200 Lux時(shí)取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖3為實(shí)驗(yàn)方案步驟（5）曲線擬合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其誤差補(bǔ)償曲線公式為：

△=-0.0009011×L+0.4995

其中，L為實(shí)際測(cè)量的結(jié)果，△為應(yīng)補(bǔ)償?shù)恼`差值（單位：mm）。擬合曲線的殘差平方和（SSE）的值為0.001755，可見擬合程度比較理想。

圖2　不同光強(qiáng)下測(cè)量結(jié)果曲線

表1　光強(qiáng)11200Lux，各種長(zhǎng)度下的測(cè)量結(jié)果及誤差/mm

圖3　擬合后的誤差補(bǔ)償曲線

3　實(shí)驗(yàn)分析

由圖2可知，大多時(shí)候測(cè)量結(jié)果都不穩(wěn)定。當(dāng)光強(qiáng)位于時(shí)10 500~12 000 Lux，5次測(cè)量的結(jié)果最穩(wěn)定，但誤差較大。當(dāng)光強(qiáng)位于時(shí)18 000~19 500 Lux，5次測(cè)量結(jié)果也較穩(wěn)定，誤差也較小，但從曲線可知，這段區(qū)間中，光強(qiáng)變化時(shí)，測(cè)量結(jié)果誤差變化也較大，即在這段區(qū)間中系統(tǒng)容易受到光照強(qiáng)度變化的影響。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性為起點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)選取光強(qiáng)為10 500~12 000 Lux時(shí)進(jìn)行誤差補(bǔ)償曲線的實(shí)驗(yàn)。于是選擇光照強(qiáng)度為11 200 Lux，目的是當(dāng)光照強(qiáng)度小范圍變化時(shí)，系統(tǒng)有一定的魯棒性，實(shí)驗(yàn)得出表1，繼而得到上述的誤差補(bǔ)償公式。

根據(jù)得出的誤差補(bǔ)償公式，另取其他標(biāo)稱長(zhǎng)度不同的幾個(gè)量塊進(jìn)行測(cè)量，并利用得到的誤差補(bǔ)償公式對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，可得以下結(jié)果（見表2）。由此可見，系統(tǒng)的精度得到了改善。

表2　誤差補(bǔ)償前后對(duì)比/mm

4　結(jié)束語

通過上述實(shí)驗(yàn)分析和結(jié)果可以得出，在合適的光照強(qiáng)度范圍內(nèi)，利用誤差補(bǔ)償曲線可以有效地提高視覺測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

[1]龔聰，徐杜.光照強(qiáng)度變化對(duì)圖像檢測(cè)精度的影響及其解決方法[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2014，14（13）：1-4.

[2]CarstenSteger，MarkusUlrich，ChristianWiedemann.機(jī)器視覺算法與應(yīng)用[M].楊少榮，吳迪靖，段德山譯.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

[3]Milan Sonka，Vaclav Hlaavac，Roger Boyle.Image Processing，Analysis，and Machine Vision[M].The United States，Boston: Cengage Learning，2014：90-93.

The Error Compensation Method of Vision Measuring System Based on the Specific Illumination Intensity

WANG Shi-ying，ZHANG Jie，ZHONG Hong-tao，LI Da-cheng，Li Jun-ming，TAO Jian-hua
（School of Mechanical and Electric Engineering，Guangzhou University，Guangzhou Guangdong 510006，China）

In the machine vision measurement system，the illumination intensity affects the image contrast and the edge feature，and so on.According to the stability of the system measurement，the suitable light intensity range is determined，and the error compensation curve is obtained.The results show that when the exposure time of the camera is 0.05ms，when the light intensity is 11200Lux，and the system is used to measure,the result is most stable△＝-0.0009011*L+0.4995.

illumination intensity；contour recognition；machine vision；error compensation

TP391

A

1672-545X（2016）10-0195-03

2016-07-27

2015年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（編號(hào)：201511078015）；廣州大學(xué)2014年度教育教學(xué)研究項(xiàng)目。

王世穎（1995-），女，安徽人，本科，研究方向?yàn)闄C(jī)械與電氣工程；陶建華（1965－），男，湖南人，碩士，副教授，主要從事CAD/CAM集成技術(shù)、逆向工程、數(shù)控技術(shù)的教學(xué)與研究。