影像測量儀自動定位方法研究

林修德

深圳市計量質量檢測研究院 廣東 深圳 518000

影像測量儀屬于一種由像素較高的CCD相機和二維圖像處理軟件構成的高精度光電測量裝置，并將測量目標的圖像作為檢測與傳遞信號的測量手段，采用此種方法主要是為了從圖像中將有用的信號提取出來[1]，然后通過研究、識別圖像來展開測量。目前，影像測量儀在多個領域中得到了廣泛應用，比方說，精密電子、醫藥工業、航天航空等行業，另外，它還能夠精準地測量二維尺寸、角度和位置。除此之外，由于其本身具備多種優點，因此，逐漸被廣泛地應用在了工業測量中。

1 雙目視覺系統標定

要想讓零件從平臺任何一處到達影像測量儀小視野中心，就必須標定大小視野相機光軸相對位置。不管圖像是否發生了徑向畸變，相機光軸經過圖像中心，所以，大小視野相機位置標定與其圖像中心位置標定相似。

1.1 大視野相機選型和安裝 按照實驗要求，大視野相機采用維視，安裝位置見圖1。

圖1 影像測量儀

1.2 大小視野相機像素當量標定 影像測量儀的型號為HT3040，商家負責對自帶的小視野相機進行標定，其像素當量為0.0057mm，大視野相機的型號為MV-EM510M[2]。標定板的圓心距為6mm，利用其對大視野像素當量進行測量，應用Halcon圖像處理軟件計算出兩圓圓心距像素值為b，實際距離為a，因此，像素當量c＝a/b。

2 自動定位

2.1 大視野粗定位 定位方法利用大視野相機所采集的圖像見圖1(a)，針對圖像實施預處理后得出的圖像見圖1(b)，提取特征點的圖像坐標為P(Row，Column)，大視野圖像中心坐標為DCenterImage(DWidth/2，DHeight/2)，因此，將特征點移動到大視野視野中心的移動距離為：

u＝(Column-DWidth/2)×c

V＝(Row-DHeight/2)×c (5)

其中，c代表標定計算出來的大視野相機像素當量。特征點由大視野中心到達小視野中心 的移動距離分別為X，Y，所以，將平臺上任意一個特征點移動到小視野中心的距離是：

PreX＝u+X

PreY＝v+Y(6)

圖1 特征點提取

2.2 小視野精準定位 由于受到了大視野相機本身的制約，比方說，發生徑向畸變、相機安裝光軸垂直度等方面，將特征點由平臺任一部位移動到小視野中心常常會產生些許偏差，所以，文中在應用大視野實施粗定位的前提下，與小視野相機具備的優勢相結合，利用小視野圖像重新定位特征點，也就是精準定位[3]。采用小視野和大視野定位方法達到的定位效果見圖2，其中，圖2(a)由于大視野相機精度方面的原因，與小視野圖像中心發生了偏離，圖2(b)是應用小視野相機實施精確定位以后的位置，通過圖像能夠觀察到，定位精度變得越來越高。

圖2 定位

3 誤差分析

進行粗定位的過程中，因大視野鏡頭發生了畸變，并且光軸也未能垂直，所以，特征點由大視野向小視野中心移動必然會產生誤差。另外，要想達到精準定位的目的，就一定要將特征點移至小視野范圍中。基于此，應該補償粗定位的誤差，以防鏡頭發生畸變和像素當量標定導致累計誤差，或者說因大小視野相機標定造成誤差。實驗驗證期間使用的標定板，基于對多處位置的布設，一一計算移動標定板里面十五個點以后的小視野中x，y方向存在的誤差。為了判斷大視野鏡頭畸變和標定像素當量造成的累計誤差，文中將移動后圓心同大視野圖像中心之間的實際距離作為自變量，將其單位毫米偏差作為因變量，實施誤差標定，經過計算得出的關系圖見圖3。通過圖3(a)、(b)能夠觀察到，x，y方向產生的誤差隨著距離單調增減，通過圖3(c)能夠觀察到，x，y方向存在的誤差為線性關系。

圖3 誤差關系

4 方法

4.1 網孔邊緣擬合方法 通常情況下，由邊緣檢測算子直接輸出的邊緣數據，往往包含整幅圖像中的全部邊緣信息。可對邊緣圖中的邊緣數據實施連通區檢測，檢測出所有的連通區域：應用八領域連通區技術，立足于起始點，以順時針對鄰近的下一個邊緣點進行搜索，接著，再從下一邊緣點開始，繼續搜索，直至碰見起始點或不再有其它的邊緣點。在全部連通區中對封閉的連通區進行搜索，找到包括檢測初始操作者輸入種子點的連通區，將此連通區包含的邊緣作為網孔內側四邊的邊緣點。然后，再結合邊緣點的方向信息，將方向相同的點劃分成四個組。采取最小二乘法擬合出各個分組中的點的邊緣線段，以此得出檢測網孔四邊邊緣的幾何表示。此時，鏡頭視野大小不會影響到邊緣線段：當網孔尺寸超出視野范圍時，軟件可驅動機臺沿著邊緣的方向自動運動到下一個位置繼續搜索，直至完成網孔4個邊緣的完整搜索，保證網孔的各個邊緣均被完整搜索并擬合成線段。

4.2 網孔自動搜索方法 在影像測量儀機臺上放置試驗篩時，無法完全根據橫平豎直的沿編織絲方向擺放，測量完一個網孔后，下一個網孔的位置可能處于當前網孔的斜向方向。所以，可設置特殊的網孔搜索功能，以防對試驗篩實施手工校正，進而有利于提升校準效率。

文中采取方向預估的方法來搜索方向，并根據被檢試驗篩的輸入邊緣長度，將當前網孔的中心點，沿著計算得出的網孔豎向或橫向方向移動網孔邊緣長度，即可得到下一網孔的檢測起始位置。

結束語

綜上所述，文中提出了一種影像測量儀自動定位方法，從而使單視野測量過程中以人工手動形式控制平臺移至測量位置而造成的測量延時和誤差較大的問題得到了有效解決。另外，基于對特征點與大視野圖像中心之間的距離和誤差關系展開分析，得出了距離-誤差的函數模型，并采用此模型補償大視野移動誤差。除此之外，經過多次進行定位實驗測量得出精確定位以后，定位誤差被控制在了±0.05mm之內，與工業測量中自動定位的標準相符合，進而證明了此種方法的合理性。