影像測(cè)量?jī)x誤差影響因素及校正對(duì)策研究

孫 正

深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院 廣東 深圳 518000

影像測(cè)量?jī)x器利用圖像傳感器收集到影像，然后傳送到計(jì)算機(jī)，再借助軟件實(shí)現(xiàn)測(cè)量的高新科技類測(cè)量?jī)x器。此種儀器有一定優(yōu)點(diǎn)，規(guī)避傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器的光學(xué)部分的缺點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)批量件的測(cè)量。為此被廣泛應(yīng)用在電子元器件、機(jī)械制造等加工行業(yè)的測(cè)量工作中。可是，這種儀器也會(huì)存在誤差問(wèn)題，下面內(nèi)容就誤差的影響因素進(jìn)行了分析，并提出了簡(jiǎn)單的校正對(duì)策。

1 影像測(cè)量?jī)x的簡(jiǎn)介

影像測(cè)量?jī)x的主要構(gòu)成，包含變倍鏡頭、精密三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、光源亮度控制器、變倍控制器、運(yùn)動(dòng)控制器、精密光柵尺、多分區(qū)光源、高清相機(jī)、計(jì)算機(jī)，還有相應(yīng)的測(cè)量軟件，具體見(jiàn)圖一。

測(cè)量?jī)x器的工作原理：將光源設(shè)定科學(xué)的角度，照射到樣品之上，這時(shí)光線能從樣品的表面，反射進(jìn)入鏡頭內(nèi)部，構(gòu)成樣品表面的圖樣，之后圖樣會(huì)傳送進(jìn)計(jì)算機(jī)內(nèi)部，測(cè)量軟件可以智能化地提取出樣品的表面結(jié)構(gòu)邊緣。之后三維平臺(tái)可以將鏡頭進(jìn)行移動(dòng)，轉(zhuǎn)換到樣品其他需要測(cè)量的角度，軟件可以提取邊緣結(jié)構(gòu)，構(gòu)成圖元。三維平臺(tái)的移動(dòng)運(yùn)行軌跡可以通過(guò)精密光柵尺進(jìn)行標(biāo)記，并反映給測(cè)量軟件，該軟件可以根據(jù)給出的操作軌跡，形成直線、圓、距離等有用尺寸，然后進(jìn)行測(cè)量。

圖1 影像測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)

2 影響影像測(cè)量?jī)x器的因素

2.1 機(jī)械性影響因素 雖然測(cè)量?jī)x器是高度精密性儀器，但是也有機(jī)械化構(gòu)成部分，為此如果讓測(cè)量?jī)x器處于長(zhǎng)期的工作狀態(tài)，或者長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)狀態(tài)，儀器中機(jī)械構(gòu)成部分，也就是內(nèi)部敏感元件，都會(huì)受到電壓變化、光源、溫度、工作環(huán)境的影響，準(zhǔn)確性降低，就會(huì)在測(cè)量時(shí)出現(xiàn)誤差的問(wèn)題。例如，給測(cè)量?jī)x器測(cè)量精度降低、垂直度不準(zhǔn)等問(wèn)題，都會(huì)影響最終測(cè)量結(jié)果，進(jìn)而出現(xiàn)誤差。為此，測(cè)量工作人員必須要對(duì)于測(cè)量?jī)x器的精度進(jìn)行校驗(yàn)，如果校驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題比較嚴(yán)重，則要送到維修部門(mén)進(jìn)行維修，精度恢復(fù)后才能再次使用。

2.2 補(bǔ)償文件是否正確 為保證影像測(cè)量?jī)x器有著高精度，需要補(bǔ)償文件作為輔助，該文件一般運(yùn)用到雙頻激光干涉儀器對(duì)測(cè)量機(jī)器位置度、角度、直角度的誤差相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，而后測(cè)量軟件在給出測(cè)量結(jié)果前，參考補(bǔ)償文件，以進(jìn)行誤差補(bǔ)償。可是，在實(shí)踐過(guò)程中，只有少部分工作人員重視補(bǔ)償文件的應(yīng)用，也就出現(xiàn)補(bǔ)償文件的缺少問(wèn)題，從而影響到后期測(cè)量準(zhǔn)確度。對(duì)于補(bǔ)償文件不正確或者缺少而出現(xiàn)的測(cè)量誤差，想要避免則應(yīng)當(dāng)強(qiáng)化測(cè)量人員的標(biāo)準(zhǔn)性操作的規(guī)定與培訓(xùn)，加強(qiáng)測(cè)量人員對(duì)于補(bǔ)償文件的應(yīng)用，保證能合理地安裝、運(yùn)用、備份測(cè)量的補(bǔ)償文件，以避免測(cè)量誤差問(wèn)題。

2.3 溫度變化的影響 此測(cè)量?jī)x器是高精度儀器，為此對(duì)于工作環(huán)境有著高度要求，尤其是環(huán)境中的溫度。同一個(gè)需要測(cè)量的樣品，如果在不同溫度的環(huán)境中，測(cè)量的結(jié)果存在差異。所以，一些工作環(huán)境的溫差大的地區(qū)，像晝夜溫差和四季溫差較大的地方，一定要注意因?yàn)闇囟茸兓a(chǎn)生的測(cè)量誤差。普通環(huán)境中溫度變化并不能精準(zhǔn)控制，而想要實(shí)現(xiàn)恒溫測(cè)量也不是非常容易。為此，測(cè)量?jī)x器的制造廠家想出解決辦法，設(shè)定溫度修訂系數(shù)，如果測(cè)量環(huán)境的溫度有變化，則可以運(yùn)用該系統(tǒng)對(duì)測(cè)量?jī)x器的溫度進(jìn)行修正，避免因?yàn)榱繅K溫度、光柵溫度的差異，而形成測(cè)量誤差。

2.4 不可忽視的光源 應(yīng)用影像測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，存在一個(gè)不能忽視的影響因素，那就是光源，其可能引發(fā)測(cè)量誤差問(wèn)題。如果光源過(guò)于亮，則亮區(qū)則會(huì)朝著暗區(qū)溢出，也就使得在尋找邊界的時(shí)候，邊界朝著暗區(qū)偏移。例如，一次實(shí)驗(yàn)選擇一個(gè)玻璃標(biāo)準(zhǔn)塊中某一圓斑進(jìn)行測(cè)量，如果光源的強(qiáng)度值逐漸升高，則影像會(huì)從暗過(guò)渡到亮，然后過(guò)渡到飽和。如果光源的強(qiáng)度值低于26的時(shí)候，影像的亮度則會(huì)不充分；如果處于26的時(shí)候，亮區(qū)近似飽和；當(dāng)光源強(qiáng)度值超出30的時(shí)候，亮區(qū)則過(guò)度飽和，影像的亮白區(qū)域中光子已經(jīng)溢到了暗區(qū)，也就導(dǎo)致尋邊線朝著暗區(qū)移動(dòng)。因此可得，光源強(qiáng)度值逐漸升高，圓斑的直徑測(cè)量數(shù)值則會(huì)越小。光源的亮度數(shù)值達(dá)到26的時(shí)候，測(cè)量的結(jié)果與圓斑標(biāo)準(zhǔn)值最為接近。從這個(gè)實(shí)驗(yàn)中可以看出，測(cè)量過(guò)程中，亮區(qū)近似飽和的時(shí)候，測(cè)量值最為接近真實(shí)值，因此此時(shí)光源才是最佳測(cè)量的光源值。這只是針對(duì)一種影像測(cè)量?jī)x器進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，所以只能說(shuō)明，光源會(huì)影響到測(cè)量準(zhǔn)確性，但是最佳測(cè)量的光源值，還需要根據(jù)不同測(cè)量?jī)x器進(jìn)行確定。

2.5 理論性原理誤差 影像類測(cè)量?jī)x器實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，存在小的誤差不可避免，這部分誤差可以稱為理論性原理誤差。如果處于特殊條件下，這種誤差影響因素不多，因此可以避免，所以出現(xiàn)機(jī)率比較小。運(yùn)用影像測(cè)量?jī)x器工作的過(guò)程中，選取的測(cè)量方法不同，可能會(huì)出現(xiàn)不同的測(cè)量結(jié)果。這種誤差出現(xiàn)的影響因素主要分成兩個(gè)方面，一方面則是此測(cè)量?jī)x器中鏡頭質(zhì)量的問(wèn)題，比如透鏡材質(zhì)對(duì)光線投入產(chǎn)生影響，也就是說(shuō)鏡頭質(zhì)量低，折射誤差存在可能大，因?yàn)楣鈱W(xué)系統(tǒng)原因，出現(xiàn)了非線性的幾何失真，收集到的圖像呈現(xiàn)為幾何的形變，影響測(cè)量的精準(zhǔn)度。另一方面則是測(cè)量方法的選用，所用圖像處理算法以及邊緣處理技術(shù)不同，則可能對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。所以，想要避免理論性原理誤差出現(xiàn)，就要選擇高質(zhì)量材質(zhì)鏡頭的測(cè)量?jī)x器，同時(shí)經(jīng)常清理測(cè)量?jī)x器，保持干凈整潔，沒(méi)有灰塵，如果在復(fù)雜環(huán)境里面工作，也要盡量不讓灰塵影響鏡頭準(zhǔn)確度，如果不可避免，則要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。對(duì)于測(cè)量中計(jì)算方法的選擇，則要運(yùn)用更優(yōu)的圖像處理技術(shù)，保證圖像接近真實(shí)。

3 測(cè)量誤差的校正策略

3.1 線性校正 對(duì)于影像測(cè)量?jī)x器的校正，可采用線性校正方法，具體則是標(biāo)準(zhǔn)圓校正的方式：提取了樣品輪廓邊界之后，同標(biāo)準(zhǔn)圓做對(duì)比，得出圓內(nèi)徑，而后分析并搜索測(cè)量樣品輪廓邊界的領(lǐng)域內(nèi)亞像素梯度，以得到精準(zhǔn)的邊界數(shù)據(jù)以及圓心坐標(biāo)。依據(jù)收集的數(shù)據(jù)，融合邊界和圓心的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，整理出系數(shù)矩陣，精確標(biāo)定出圖像，也就進(jìn)行了線性校正，可有效避免測(cè)量誤差。這種方式應(yīng)用的比較普遍，測(cè)量過(guò)程中，可針對(duì)樣品做多次校正與檢測(cè)，與數(shù)據(jù)處理方法相結(jié)合，得出重復(fù)精度。此方法會(huì)受到鏡頭畸變影響，所以應(yīng)用有局限性，很難校正桶形失真的問(wèn)題。

3.2 非線性校正 此種校正方法一般對(duì)于非線性畸變因素產(chǎn)生的影響有校正作用。比如，測(cè)量工作中，出現(xiàn)了幾何性的畸變，則以多項(xiàng)式變換的此類校正方法進(jìn)行校正。先要分析影像范圍內(nèi)的任何一點(diǎn)畸變誤差原因，計(jì)算出圖像坐標(biāo)，然后用在算法中，運(yùn)用最小平方誤差法、矩陣運(yùn)算，得出校正的系數(shù)，運(yùn)用此系數(shù)進(jìn)行非線性校正，對(duì)影像圖像進(jìn)行校正。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，影像測(cè)量?jī)x器處于變化著的環(huán)境時(shí)，可能會(huì)影響儀器中機(jī)械構(gòu)成元件的精度，為此出現(xiàn)測(cè)量誤差問(wèn)題；同時(shí)誤差因素的產(chǎn)生，還可能受到測(cè)量方法、校正方法的影響。這就必須要強(qiáng)化儀器的維護(hù)工作，同時(shí)運(yùn)用正確的校正策略，典型則是線性校正和非線性校正結(jié)合應(yīng)用，從而提高測(cè)量的準(zhǔn)確度，盡最大努力避免誤差。