影像測(cè)量?jī)x自動(dòng)定位方法研究

林修德

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屬于一種由像素較高的CCD相機(jī)和二維圖像處理軟件構(gòu)成的高精度光電測(cè)量裝置，并將測(cè)量目標(biāo)的圖像作為檢測(cè)與傳遞信號(hào)的測(cè)量手段，采用此種方法主要是為了從圖像中將有用的信號(hào)提取出來(lái)[1]，然后通過(guò)研究、識(shí)別圖像來(lái)展開(kāi)測(cè)量。目前，影像測(cè)量?jī)x在多個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，比方說(shuō)，精密電子、醫(yī)藥工業(yè)、航天航空等行業(yè)，另外，它還能夠精準(zhǔn)地測(cè)量二維尺寸、角度和位置。除此之外，由于其本身具備多種優(yōu)點(diǎn)，因此，逐漸被廣泛地應(yīng)用在了工業(yè)測(cè)量中。

1 雙目視覺(jué)系統(tǒng)標(biāo)定

要想讓零件從平臺(tái)任何一處到達(dá)影像測(cè)量?jī)x小視野中心，就必須標(biāo)定大小視野相機(jī)光軸相對(duì)位置。不管圖像是否發(fā)生了徑向畸變，相機(jī)光軸經(jīng)過(guò)圖像中心，所以，大小視野相機(jī)位置標(biāo)定與其圖像中心位置標(biāo)定相似。

1.1 大視野相機(jī)選型和安裝 按照實(shí)驗(yàn)要求，大視野相機(jī)采用維視，安裝位置見(jiàn)圖1。

圖1 影像測(cè)量?jī)x

1.2 大小視野相機(jī)像素當(dāng)量標(biāo)定 影像測(cè)量?jī)x的型號(hào)為HT3040，商家負(fù)責(zé)對(duì)自帶的小視野相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，其像素當(dāng)量為0.0057mm，大視野相機(jī)的型號(hào)為MV-EM510M[2]。標(biāo)定板的圓心距為6mm，利用其對(duì)大視野像素當(dāng)量進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)用Halcon圖像處理軟件計(jì)算出兩圓圓心距像素值為b，實(shí)際距離為a，因此，像素當(dāng)量c＝a/b。

2 自動(dòng)定位

2.1 大視野粗定位 定位方法利用大視野相機(jī)所采集的圖像見(jiàn)圖1(a)，針對(duì)圖像實(shí)施預(yù)處理后得出的圖像見(jiàn)圖1(b)，提取特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)為P(Row，Column)，大視野圖像中心坐標(biāo)為DCenterImage(DWidth/2，DHeight/2)，因此，將特征點(diǎn)移動(dòng)到大視野視野中心的移動(dòng)距離為：

u＝(Column-DWidth/2)×c

V＝(Row-DHeight/2)×c (5)

其中，c代表標(biāo)定計(jì)算出來(lái)的大視野相機(jī)像素當(dāng)量。特征點(diǎn)由大視野中心到達(dá)小視野中心 的移動(dòng)距離分別為X，Y，所以，將平臺(tái)上任意一個(gè)特征點(diǎn)移動(dòng)到小視野中心的距離是：

PreX＝u+X

PreY＝v+Y(6)

圖1 特征點(diǎn)提取

2.2 小視野精準(zhǔn)定位 由于受到了大視野相機(jī)本身的制約，比方說(shuō)，發(fā)生徑向畸變、相機(jī)安裝光軸垂直度等方面，將特征點(diǎn)由平臺(tái)任一部位移動(dòng)到小視野中心常常會(huì)產(chǎn)生些許偏差，所以，文中在應(yīng)用大視野實(shí)施粗定位的前提下，與小視野相機(jī)具備的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，利用小視野圖像重新定位特征點(diǎn)，也就是精準(zhǔn)定位[3]。采用小視野和大視野定位方法達(dá)到的定位效果見(jiàn)圖2，其中，圖2(a)由于大視野相機(jī)精度方面的原因，與小視野圖像中心發(fā)生了偏離，圖2(b)是應(yīng)用小視野相機(jī)實(shí)施精確定位以后的位置，通過(guò)圖像能夠觀察到，定位精度變得越來(lái)越高。

圖2 定位

3 誤差分析

進(jìn)行粗定位的過(guò)程中，因大視野鏡頭發(fā)生了畸變，并且光軸也未能垂直，所以，特征點(diǎn)由大視野向小視野中心移動(dòng)必然會(huì)產(chǎn)生誤差。另外，要想達(dá)到精準(zhǔn)定位的目的，就一定要將特征點(diǎn)移至小視野范圍中?；诖耍瑧?yīng)該補(bǔ)償粗定位的誤差，以防鏡頭發(fā)生畸變和像素當(dāng)量標(biāo)定導(dǎo)致累計(jì)誤差，或者說(shuō)因大小視野相機(jī)標(biāo)定造成誤差。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證期間使用的標(biāo)定板，基于對(duì)多處位置的布設(shè)，一一計(jì)算移動(dòng)標(biāo)定板里面十五個(gè)點(diǎn)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(biāo)定像素當(dāng)量造成的累計(jì)誤差，文中將移動(dòng)后圓心同大視野圖像中心之間的實(shí)際距離作為自變量，將其單位毫米偏差作為因變量，實(shí)施誤差標(biāo)定，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出的關(guān)系圖見(jiàn)圖3。通過(guò)圖3(a)、(b)能夠觀察到，x，y方向產(chǎn)生的誤差隨著距離單調(diào)增減，通過(guò)圖3(c)能夠觀察到，x，y方向存在的誤差為線性關(guān)系。

圖3 誤差關(guān)系

4 方法

4.1 網(wǎng)孔邊緣擬合方法 通常情況下，由邊緣檢測(cè)算子直接輸出的邊緣數(shù)據(jù)，往往包含整幅圖像中的全部邊緣信息?？蓪?duì)邊緣圖中的邊緣數(shù)據(jù)實(shí)施連通區(qū)檢測(cè)，檢測(cè)出所有的連通區(qū)域：應(yīng)用八領(lǐng)域連通區(qū)技術(shù)，立足于起始點(diǎn)，以順時(shí)針對(duì)鄰近的下一個(gè)邊緣點(diǎn)進(jìn)行搜索，接著，再?gòu)南乱贿吘夵c(diǎn)開(kāi)始，繼續(xù)搜索，直至碰見(jiàn)起始點(diǎn)或不再有其它的邊緣點(diǎn)。在全部連通區(qū)中對(duì)封閉的連通區(qū)進(jìn)行搜索，找到包括檢測(cè)初始操作者輸入種子點(diǎn)的連通區(qū)，將此連通區(qū)包含的邊緣作為網(wǎng)孔內(nèi)側(cè)四邊的邊緣點(diǎn)。然后，再結(jié)合邊緣點(diǎn)的方向信息，將方向相同的點(diǎn)劃分成四個(gè)組。采取最小二乘法擬合出各個(gè)分組中的點(diǎn)的邊緣線段，以此得出檢測(cè)網(wǎng)孔四邊邊緣的幾何表示。此時(shí)，鏡頭視野大小不會(huì)影響到邊緣線段：當(dāng)網(wǎng)孔尺寸超出視野范圍時(shí)，軟件可驅(qū)動(dòng)機(jī)臺(tái)沿著邊緣的方向自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)位置繼續(xù)搜索，直至完成網(wǎng)孔4個(gè)邊緣的完整搜索，保證網(wǎng)孔的各個(gè)邊緣均被完整搜索并擬合成線段。

4.2 網(wǎng)孔自動(dòng)搜索方法 在影像測(cè)量?jī)x機(jī)臺(tái)上放置試驗(yàn)篩時(shí)，無(wú)法完全根據(jù)橫平豎直的沿編織絲方向擺放，測(cè)量完一個(gè)網(wǎng)孔后，下一個(gè)網(wǎng)孔的位置可能處于當(dāng)前網(wǎng)孔的斜向方向。所以，可設(shè)置特殊的網(wǎng)孔搜索功能，以防對(duì)試驗(yàn)篩實(shí)施手工校正，進(jìn)而有利于提升校準(zhǔn)效率。

文中采取方向預(yù)估的方法來(lái)搜索方向，并根據(jù)被檢試驗(yàn)篩的輸入邊緣長(zhǎng)度，將當(dāng)前網(wǎng)孔的中心點(diǎn)，沿著計(jì)算得出的網(wǎng)孔豎向或橫向方向移動(dòng)網(wǎng)孔邊緣長(zhǎng)度，即可得到下一網(wǎng)孔的檢測(cè)起始位置。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文中提出了一種影像測(cè)量?jī)x自動(dòng)定位方法，從而使單視野測(cè)量過(guò)程中以人工手動(dòng)形式控制平臺(tái)移至測(cè)量位置而造成的測(cè)量延時(shí)和誤差較大的問(wèn)題得到了有效解決。另外，基于對(duì)特征點(diǎn)與大視野圖像中心之間的距離和誤差關(guān)系展開(kāi)分析，得出了距離-誤差的函數(shù)模型，并采用此模型補(bǔ)償大視野移動(dòng)誤差。除此之外，經(jīng)過(guò)多次進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)測(cè)量得出精確定位以后，定位誤差被控制在了±0.05mm之內(nèi)，與工業(yè)測(cè)量中自動(dòng)定位的標(biāo)準(zhǔn)相符合，進(jìn)而證明了此種方法的合理性。