摘要

基于圖像處理的高精密視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，具有非接觸性、實(shí)時(shí)性、靈活性、精確性等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)由機(jī)臺(tái)、光源、CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、光柵尺、光柵尺讀數(shù)卡、電機(jī)、運(yùn)動(dòng)制卡、PC等組成，首先通過(guò)光源的控制為獲得好的圖像質(zhì)量打下良好的基礎(chǔ)，CCD把獲得的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，然后通過(guò)圖像采集卡來(lái)把被測(cè)物體的圖像采集到PC里，完成被測(cè)對(duì)象的圖像采集工作，然后通過(guò)圖像處理技術(shù)，空間幾何運(yùn)算、運(yùn)動(dòng)控制以及對(duì)光柵數(shù)據(jù)的采集與運(yùn)算來(lái)獲得被測(cè)物體的幾何尺寸和對(duì)要檢測(cè)的物理量的檢測(cè)。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)僅僅通過(guò)簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)操作就能物體的高精密測(cè)量，簡(jiǎn)單、有效，把人們從繁瑣、復(fù)雜、繁重的工作中解脫出來(lái)。

本文主要研究了影像測(cè)量?jī)x的工作原理，以及系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)和測(cè)量原理及過(guò)程。而且對(duì)影像測(cè)量用到的關(guān)鍵技術(shù)也有一定的介紹。最后分析了影像測(cè)量的主要誤差源，并說(shuō)明了多種誤差的起因及消除方法。

關(guān)鍵詞：影像測(cè)量，系統(tǒng)組成，測(cè)量技術(shù)，誤差分析

1緒論

1.影像測(cè)量系統(tǒng)的研究目的和意義

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)正迅速向微小、超精密領(lǐng)域發(fā)展，由毫米級(jí)、微米級(jí)進(jìn)入納米級(jí)階段。工業(yè)制造技術(shù)和加工工藝的提高和改進(jìn)，對(duì)檢測(cè)手段、檢測(cè)速度和精度提出了更高的要求，高精度測(cè)量技術(shù)是工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和先決條件，測(cè)量的精度和效率在一定程度上決定了制造業(yè)乃至科學(xué)技術(shù)發(fā)展的水平。然而，現(xiàn)有的檢測(cè)手段(如卡尺、顯微鏡等)均難以兼顧速度、精度兩者之間的矛盾，必須尋找一種新的檢測(cè)技術(shù)解決這個(gè)難題，由此產(chǎn)生了計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)。隨著對(duì)高精度測(cè)量?jī)x器的需求不斷擴(kuò)大，高精度測(cè)量?jī)x器在國(guó)內(nèi)也得到很大的發(fā)展。但是，在圖像測(cè)量行業(yè)中，國(guó)內(nèi)的發(fā)展僅僅限于硬件的生產(chǎn)，其核心軟件都采用國(guó)外的。

2基于機(jī)器視覺(jué)影像測(cè)量?jī)x的工作原理

2.1機(jī)器視覺(jué)的定義

計(jì)算機(jī)視覺(jué)是一門(mén)研究如何使機(jī)器“看”的科學(xué)，更進(jìn)一步的說(shuō)，就是指用攝像機(jī)和電腦代替人眼對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、跟蹤和測(cè)量等機(jī)器視覺(jué)，并進(jìn)一步做圖形處理，用電腦處理成為更適合人眼觀察或傳送給儀器檢測(cè)的圖像[1]。

2.2影像測(cè)量?jī)x的工作原理

影像測(cè)量?jī)x就是測(cè)量被測(cè)對(duì)象時(shí)，把圖像當(dāng)作檢測(cè)和傳遞信息的手段的測(cè)量方法，其目的是從圖像中提取有用的信號(hào)，而基于圖像分析的圖像測(cè)量，顧名思義，系統(tǒng)的重點(diǎn)在于圖像分析。在此先將圖像和數(shù)字圖像的基本概念敘述如下。對(duì)于圖像一詞，并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一精確的定義。一般而言，圖像是指對(duì)物體的發(fā)光以及反射的視覺(jué)印象。因?yàn)橛?jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信息，所以圖像并不能直接由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，這樣，一幅圖像在計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理之前必須先轉(zhuǎn)化數(shù)字形式，成為數(shù)字圖像，即進(jìn)行圖像的數(shù)字化。

一個(gè)典型的圖像測(cè)量系統(tǒng)主要由光源、機(jī)臺(tái)、CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、PC機(jī)6個(gè)部分組成，如圖2-1所示。通過(guò)各個(gè)部分的組合來(lái)完成各種不同環(huán)境高精密影像檢測(cè)任務(wù)。

圖2-1 影像測(cè)量?jī)x的測(cè)量過(guò)程

首先將待測(cè)工件放于工作臺(tái)上，啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制程序通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)控制x、y、z三軸的運(yùn)動(dòng)使得它們達(dá)到合適的位置。并使待測(cè)工件的圖像能夠清晰的呈現(xiàn)到CCD中，CCD把獲得的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)，然后通過(guò)圖像采集卡把被測(cè)物體的圖像采集到PC機(jī)里。然后通過(guò)圖像處理技術(shù)，空間幾何運(yùn)算，運(yùn)動(dòng)控制以及對(duì)光柵數(shù)據(jù)的采集與運(yùn)算來(lái)獲得被測(cè)物體的幾何尺寸和對(duì)要檢測(cè)物理量的檢測(cè)，最后通過(guò)測(cè)量軟件完成測(cè)量工作，得到所想要得到的參數(shù)，完成測(cè)量工作。測(cè)量過(guò)程如圖2-2所示。

圖2-2 影像測(cè)量?jī)x的測(cè)量過(guò)程

形狀尺寸視覺(jué)檢測(cè)是視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)在測(cè)量領(lǐng)域中新的應(yīng)用，同傳統(tǒng)的形狀尺寸檢測(cè)技術(shù)相比，基于機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

提高圖像質(zhì)量。利用數(shù)字圖像處理技術(shù)可以對(duì)圖像進(jìn)行各種處理。

提高測(cè)量精度，提高攝像機(jī)等圖像采集設(shè)備的分辨率，或調(diào)整光學(xué)鏡頭的放大倍數(shù)，可以使獲得的圖像信息更多、更精確。

可以測(cè)量傳統(tǒng)方法不易測(cè)量的幾何量。

可以對(duì)成像系統(tǒng)高精度標(biāo)定和誤差修正。

自動(dòng)化程度高。

3．機(jī)器視覺(jué)影像測(cè)量?jī)x的總體方案設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)概述

本課題所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)主要由五部分組成，機(jī)架平臺(tái)、圖像采集系統(tǒng)、光源控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)。通過(guò)各系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合來(lái)完成各種環(huán)境下的高精密影像檢測(cè)任務(wù)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3-1。

圖3-1整體系統(tǒng)原理圖

本檢測(cè)系統(tǒng)是基于圖像處理的高精密視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)首先通過(guò)六扇12環(huán)分別和綜合控制來(lái)控制上下光源，通過(guò)對(duì)光源的分環(huán)控制來(lái)獲得最好的成像條件，CCD把物體放射回來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬的電信號(hào)輸入到圖像采集卡中，圖像采集對(duì)模擬電信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，把圖像信號(hào)采集動(dòng)態(tài)地采集到電腦主機(jī)的內(nèi)存中，然后把PC內(nèi)存中的被測(cè)物體的圖像顯示在測(cè)量系統(tǒng)的視頻區(qū)，通過(guò)結(jié)合機(jī)臺(tái)的XYZ三軸移動(dòng)、光柵數(shù)據(jù)的讀數(shù)變化、鼠標(biāo)點(diǎn)擊點(diǎn)的變化以及幾何運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)微小物體的高精密測(cè)量。

3.2影像測(cè)量系統(tǒng)的組成

3.2.1機(jī)臺(tái)

機(jī)臺(tái)是由大理石底座、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、豎直支撐梁構(gòu)成。沉重的大理石底座在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)或鏡頭移動(dòng)時(shí)，起到了很好的防震作用，有效保證了工件在移動(dòng)平臺(tái)的位置的一致性;運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中間是玻璃層，下面用于放置下光源，平臺(tái)XY方向運(yùn)動(dòng)，平臺(tái)其中兩側(cè)安裝了光柵尺，用于對(duì)運(yùn)動(dòng)位置的讀數(shù);鏡頭、CCD和上光源安裝在豎直支撐梁上，可作Z軸上下運(yùn)動(dòng)。

3.2.2圖像采集系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)是由CCD攝像機(jī)和圖像采集卡組成。CCD的工作原理是通過(guò)光學(xué)成像系統(tǒng)將景物圖像成在CCD的像敏面上，像敏面將照在每個(gè)像敏單元上的圖像照度信號(hào)通過(guò)光電效應(yīng)，將物體的反射光線按亮度強(qiáng)弱轉(zhuǎn)變成相應(yīng)數(shù)目的載流子，在某一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，CCD器件在轉(zhuǎn)移脈沖的作用下將門(mén)極上收集到的電子量轉(zhuǎn)移到C的移位寄存器中，在圖像采集卡作中，通過(guò)放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)的一系列有目的性的處理轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)保存到計(jì)算機(jī)或者其他處理器進(jìn)行圖像或圖形的處理，從而獲取相關(guān)的信息和數(shù)據(jù)。圖3-2是基于CCD與鏡頭的視覺(jué)系統(tǒng)成像原理圖。CCD與圖像采集卡工作流程如圖3-3所示

圖3-2：基于CCD與鏡頭的視覺(jué)系統(tǒng)成像原理圖

圖3-3  CCD與圖像采集卡工作流程

對(duì)于圖像采集卡，視頻圖像信號(hào)經(jīng)多路切換器、解碼器、A/Q變換器，將數(shù)字化的圖像數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)緩沖器，經(jīng)裁剪、比例壓縮及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后，由內(nèi)部控制圖形覆蓋與數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸目標(biāo)位置由軟件確定，可以是顯存，也可以是計(jì)算機(jī)內(nèi)存。

3.2.3光源控制系統(tǒng)

光照環(huán)境對(duì)采集圖像的效果有著非常重要的影響。工作環(huán)境的不同，有室內(nèi)，室外，陽(yáng)光燈光等，光照也不同;即使在相同光照環(huán)境下，CCD與被測(cè)物的距離不同，鏡頭的倍率不同，曝光的效果也會(huì)不同。

光源控制系統(tǒng)由上下光源和光源控制卡組成。光源控制系統(tǒng)的作用是通過(guò)對(duì)光源的控制，使被測(cè)物體的光照條件達(dá)到最理想狀態(tài)。光源控制系統(tǒng)的原理是通過(guò)光源對(duì)被測(cè)物體的效果通過(guò)圖像采集系統(tǒng)反應(yīng)在顯示系統(tǒng)，再人為對(duì)光源控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使顯示圖像達(dá)到最佳狀態(tài)。在全自動(dòng)測(cè)量過(guò)程中，可隨測(cè)量物體位置的不同，根據(jù)保存的腳本，圖3-4為光源控制系統(tǒng)原理圖。   

圖3-4：光源控制系統(tǒng)原理圖

3.2.4運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由光柵，電機(jī)，光柵讀數(shù)卡和運(yùn)動(dòng)控制卡組成，被測(cè)物體在水平面的運(yùn)動(dòng)是由載物平臺(tái)的X和Y兩個(gè)方向合成的;而CCD和上光源的垂直方向的運(yùn)動(dòng)是由垂直方向的電機(jī)帶動(dòng)。在XYZ方向都安裝了光柵尺，通過(guò)光柵讀數(shù)卡獲取機(jī)臺(tái)三個(gè)方向上的位置。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)目的就是滿足檢測(cè)平臺(tái)的三維運(yùn)動(dòng)控制。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是通過(guò)光柵尺讀數(shù)卡對(duì)光柵位置的確定并把數(shù)據(jù)發(fā)給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，再通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的原理圖如圖3-5所示。

圖3-5 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖

3.2.2數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要是由計(jì)算機(jī)。CCD攝像機(jī)和圖像采集卡采集的圖像數(shù)字信號(hào)傳到計(jì)算機(jī)內(nèi)存，根據(jù)不同的需求，對(duì)圖像信息進(jìn)行處理，如進(jìn)行清晰度評(píng)價(jià)，光照環(huán)境評(píng)價(jià)，圖形的產(chǎn)生和分析等處理，再根據(jù)處理的反饋，進(jìn)行如光源控制，運(yùn)動(dòng)控制，自動(dòng)對(duì)焦，圖形處理等操作。數(shù)據(jù)處理的原理圖如圖3-6所示:

圖3-6 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

3.3影像測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)

影像測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括:圖像采集、高精度系統(tǒng)標(biāo)定、圖像特征提取、高精度邊緣定位技術(shù)等。有許多關(guān)鍵技術(shù)影響視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的最終結(jié)果，在此簡(jiǎn)單討論一下影像測(cè)量系統(tǒng)中的圖像采集、圖像處理、系統(tǒng)標(biāo)定、自動(dòng)調(diào)焦和邊緣檢測(cè)技術(shù)。

3.3.1圖像采集

眼睛看到的視覺(jué)圖像時(shí)連續(xù)的，而計(jì)算機(jī)僅能處理離散的數(shù)據(jù)，所以影像測(cè)量?jī)x首先將連續(xù)的圖像函數(shù)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)據(jù)集，這一過(guò)程叫做圖像的數(shù)字化[28]。將一幅圖像進(jìn)行數(shù)字化的過(guò)程就是在計(jì)算機(jī)內(nèi)生產(chǎn)一個(gè)二維矩陣的過(guò)程。數(shù)字化過(guò)程包括兩個(gè)步驟：掃描、采樣和量化。掃描時(shí)按照一定的先后順序?qū)D像進(jìn)行遍歷的過(guò)程，如按照優(yōu)先的順序進(jìn)行遍歷掃描，像素是遍歷過(guò)程最小的尋址單元。所以上述網(wǎng)格又叫做矩陣掃描網(wǎng)格。采樣是指遍歷過(guò)程，在圖像的每個(gè)最小尋址單元即像素位置上量測(cè)灰度值，采樣的結(jié)果是得到每一單元的灰度值，采樣通常由光電傳感器件來(lái)完成。量化則是將采樣得到的灰度值通過(guò)模數(shù)傳感器件轉(zhuǎn)化為離散的整數(shù)值。數(shù)字圖像采集是由圖像采集系統(tǒng)完成，經(jīng)過(guò)成像、采樣和量化，得到數(shù)字圖像。圖像的采集實(shí)際上是將被測(cè)物體的可視化圖像和內(nèi)在特征轉(zhuǎn)化成能被計(jì)算機(jī)處理的一系列離散數(shù)據(jù)，它主要有三部分組成：照明、圖像聚焦形成、圖像確定和形成攝像機(jī)輸出信號(hào)。對(duì)一幅圖像依照矩形掃描網(wǎng)格進(jìn)行掃描的結(jié)果是生成一個(gè)與圖像相對(duì)應(yīng)的二維整數(shù)矩陣，矩陣中每一個(gè)元素的位置由掃描的順序決定，每一個(gè)像素的灰度值由采樣生成，經(jīng)過(guò)量化得到每一像素灰度值的整數(shù)表示。因此圖像采集的結(jié)果是將一幅自然界的連續(xù)圖像進(jìn)行數(shù)字化并最終獲得數(shù)字圖像。

3.3.2圖像處理

影像測(cè)量系統(tǒng)中，影像信息的處理技術(shù)主要依賴于圖像處理方法，它包括圖像濾波、圖像增強(qiáng)、邊緣提取、細(xì)化、特征提取、圖像識(shí)別與理解等內(nèi)容。經(jīng)過(guò)這些處理后，輸出圖像的質(zhì)量得到相當(dāng)程度的改善，圖像邊緣更為直觀，既改善了圖像的視覺(jué)效果，又便于計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行分析、處理和識(shí)別。圖像處理部分是整個(gè)測(cè)量軟件的核心內(nèi)容，它在很大程度上決定著測(cè)量的精度。隨著工業(yè)檢測(cè)等應(yīng)用對(duì)精度要求的不斷提高，像素級(jí)精度已經(jīng)不能滿足實(shí)際的測(cè)量要求，因此需要更高精度的邊緣細(xì)分算法，即亞像素算法[2]。研究表明，通過(guò)不同的亞像素細(xì)分計(jì)算，邊緣位置可以達(dá)到0.1像素或0.01像素。由此表明利用軟件來(lái)提高測(cè)量的精度具有方法簡(jiǎn)單、有效地優(yōu)點(diǎn)。因此，圖像測(cè)量的軟件算法越來(lái)越受到人們的重視。

3.3.3系統(tǒng)標(biāo)定

影像測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定十分重要。攝像機(jī)標(biāo)定是一個(gè)確定三維物體空間坐標(biāo)系與攝像機(jī)圖像二維坐標(biāo)系之間變換關(guān)系以及攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)的過(guò)程，高精度的測(cè)量系統(tǒng)需要高精度的標(biāo)定參數(shù)。由于成像中的鏡頭不可避免地產(chǎn)生畸變，小孔投影模型的假設(shè)也存在成像誤差，尋找簡(jiǎn)單而且足夠精度的攝像機(jī)標(biāo)定方法，是視覺(jué)測(cè)量精度的關(guān)鍵因素。因此，高精度、高效率是對(duì)標(biāo)定方法的基本要求。

3.3.4自動(dòng)調(diào)焦

在影像測(cè)量系統(tǒng)中，獲得的圖像質(zhì)量對(duì)測(cè)量和檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生很多的影響。在光源條件和外在的工作環(huán)境確定的條件下，如何使鏡頭和受檢物體保持最好的成像距離是極其重要的[30]。精確的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)是后續(xù)影像測(cè)量非常關(guān)鍵的一部分。

3.3.5亞像素邊緣檢測(cè)技術(shù)

隨著工業(yè)檢測(cè)等應(yīng)用對(duì)精度要求的不斷提高，像素級(jí)精度已經(jīng)不能滿足實(shí)際測(cè)量的要求，因此需要更高精度的邊緣提取算法，這就是亞像素邊緣檢測(cè)算法。近二十年來(lái)，在光測(cè)數(shù)字圖像處理領(lǐng)域，許多研究者試圖利用軟件處理的方法來(lái)解決圖像中目標(biāo)的高精度定位問(wèn)題。如果能有軟件方法將圖像上的特征目標(biāo)定位在亞像素級(jí)別，就相當(dāng)于提高了測(cè)量系統(tǒng)精度。例如，當(dāng)算法的精度為0.1個(gè)像素，則相當(dāng)于測(cè)量系統(tǒng)的硬件分辨率提高了十倍。因此，對(duì)圖像中目標(biāo)進(jìn)行高精度的定位就成為提高光測(cè)測(cè)量精度的最重要的環(huán)節(jié)之一。這種亞像素定位技術(shù)具有十分重要的理論意義和實(shí)踐意義，是光測(cè)數(shù)字圖像分析中的重要特色技術(shù)之一。

4影像測(cè)量?jī)x系統(tǒng)誤差分析

4.1誤差源的綜合分析

影像測(cè)量?jī)x的誤差是指影像測(cè)量?jī)x本身固有的誤差。在此儀器制成之前，在規(guī)定的使用條件下，此儀器的誤差就基本固定了。

為了有效地進(jìn)行此臺(tái)影像測(cè)量?jī)x精度的分析，必須首先對(duì)影像此儀器精度的各種誤差源，特別是影響此臺(tái)測(cè)量?jī)x的精度的主要誤差進(jìn)行分析、歸納，進(jìn)而掌握其變化規(guī)律，最終設(shè)法加以控制并進(jìn)一步減小其對(duì)此儀器測(cè)量精度的影響。

造成此儀器的誤差是多方面的，在儀器的設(shè)計(jì)、制造和使用的各個(gè)階段都有可能產(chǎn)生誤差，在此，分別把它們稱為影像測(cè)量?jī)x的原理誤差、制造誤差和運(yùn)行誤差。由于它們產(chǎn)生不同的階段，故使得它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律各不相同。從數(shù)學(xué)特征上看，原理誤差多為系統(tǒng)誤差，而制造誤差和運(yùn)行誤差多為隨即誤差。

通過(guò)對(duì)影像測(cè)量過(guò)程的細(xì)致研究、分析，我們知道產(chǎn)生的誤差源有：CCD攝像頭畸變產(chǎn)生的誤差；導(dǎo)向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的誤差；測(cè)量環(huán)境引起的誤差，主要是溫度的影響；測(cè)量方法上不同而產(chǎn)生誤差大小的變化，主要是指圖像處理算法上的不同選擇；以及動(dòng)態(tài)誤差。影像測(cè)量?jī)x的總體誤差分類如圖4-1所示。

而上述的各種誤差對(duì)影像測(cè)量?jī)x最大的毫無(wú)疑問(wèn)是原理誤差（包括CCD攝像頭畸變產(chǎn)生的誤差，測(cè)量方法上的不同產(chǎn)生的誤差大小的變化），這一誤差是影響測(cè)量?jī)x精度的關(guān)鍵因素，因此是本文分析研究的重點(diǎn)。

圖4-1 影像測(cè)量?jī)x的誤差分類

4.2影像測(cè)量?jī)x的原理誤差

原理誤差是由于再儀器設(shè)計(jì)中采用了近似的理論、近似的數(shù)學(xué)模型、近似的機(jī)構(gòu)和近似的測(cè)量控制電路造成的。它只與儀器的設(shè)計(jì)有關(guān)，而與制造和使用無(wú)關(guān)。根據(jù)儀器的設(shè)計(jì)原則，分析影像測(cè)量?jī)x的原理誤差的途徑是：將儀器的各個(gè)組成環(huán)節(jié)之間的實(shí)際關(guān)系也設(shè)計(jì)、計(jì)算時(shí)采用的理論關(guān)系進(jìn)行比較，如有差異，則存在原理誤差。

影像測(cè)量?jī)x的原理誤差主要有三個(gè)：一是采用不同的圖像處理算法而對(duì)影像測(cè)量?jī)x精度的影響。二是CCD攝像頭的光學(xué)誤差，主要是指影響影像幾何精度的CCD攝像頭的光學(xué)鏡頭所產(chǎn)生的鏡頭畸變。三是測(cè)量方法上的不同而產(chǎn)生的誤差。

4.2.1圖像處理算法對(duì)精度的影響

三維景物呈現(xiàn)在視網(wǎng)膜上，形成了各種各樣的圖像，它們是連續(xù)的模擬圖像。由于計(jì)算機(jī)僅能處理離散的數(shù)據(jù)，必須將模擬圖像函數(shù)轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)據(jù)集合，才能用計(jì)算機(jī)來(lái)處理。CCD攝像機(jī)由許多感光像素組成，它們?cè)诮邮茌斎牍夂螅瑫?huì)產(chǎn)生一定的電荷轉(zhuǎn)移，從而形成和輸入光強(qiáng)成正比的輸出電壓，這就是模擬電信號(hào)。數(shù)字化設(shè)備是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的電路元器件。影像測(cè)量?jī)x中數(shù)字化設(shè)備就是圖像采集卡，圖像采集卡將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為視頻信號(hào)，再將視頻圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像。圖像采集卡采集到的目標(biāo)圖像，被送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存或者保存到硬盤(pán)上，為了便于后續(xù)的處理，必須對(duì)采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理。但是在成像過(guò)程中不可避免地存在各種噪聲，這些噪聲對(duì)我們的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的影響，從而影響測(cè)量?jī)x的精度，因此在圖像處理的過(guò)程中去除噪聲是必須的。圖像的邊緣檢測(cè)是圖像的基本特征，是物體的輪廓或物體不同表面之間的交界在圖像中的反映。邊緣輪廓是人類識(shí)別物體形狀的重要因素，也是圖像處理中重要的處理對(duì)象（處理流程如圖4-1）。在圖像處理的過(guò)程中需要進(jìn)行邊緣提取，而數(shù)字圖像處理技術(shù)中邊緣提取有很多不同的方法，選用不同的提取方法會(huì)對(duì)同一個(gè)被測(cè)件的邊緣位置產(chǎn)生不小的變化，因此會(huì)對(duì)最后的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖：4-1 圖像處理工作流程

1) 數(shù)字量化：對(duì)原始的視頻圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)化后變成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別出來(lái)的數(shù)字信號(hào)也就是灰度。

2) 像素平滑：目的是消除圖像在傳輸和量化過(guò)程中可能產(chǎn)生的各種寄生效應(yīng)，同時(shí)還要盡量減少圖像邊緣輪廓和線條的模糊程度，為后續(xù)的處理提供方便。

3) 統(tǒng)計(jì)灰度：對(duì)圖像知道范圍內(nèi)各種灰度值的像素個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，直到尋找到高灰度值的像素為止，為以后的工作提供原始的數(shù)據(jù)。

4) 設(shè)定閥值：根據(jù)統(tǒng)計(jì)的灰度值信息設(shè)定合適的圖像灰度值，以保留輪廓光帶上的灰度值點(diǎn)并去掉其余的低灰度值點(diǎn)；閥值的確定應(yīng)隨著光帶的寬度和照度正常進(jìn)行。

5) 剔除雜質(zhì)：消除輪廓光帶以外的其它高灰度值雜質(zhì)，以確保圖像處理工作正常進(jìn)行。

6) 輪廓線提取：此部分是圖像處理過(guò)程中的非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，關(guān)系著測(cè)量?jī)x的精度，其目的是正確的提取待測(cè)工件的輪廓線得到想要的測(cè)量數(shù)據(jù)提供有效地支持。比如為了測(cè)量長(zhǎng)方形工件的長(zhǎng)度和寬度，有效地提取輪廓線才能得到相對(duì)準(zhǔn)確的長(zhǎng)度和寬度值。

4.2.2 CCD攝像頭光學(xué)誤差

在計(jì)算機(jī)視覺(jué)的研究和應(yīng)用中，所使用的儀器或設(shè)備一般都為由多片透鏡組成的光學(xué)鏡頭。分析時(shí)，將這些光學(xué)系統(tǒng)按理想化的小孔成像原理工作，存在著模型誤差，因此二維圖像存在著不同程度的非線性變形，通常把這種非線性變形稱為幾何畸變。除了幾何畸變之外，還有攝像機(jī)成像過(guò)程不穩(wěn)定，以及圖像分辨率低引起的量化誤差等其他因素的影響，因此物體點(diǎn)在攝像機(jī)像面上實(shí)際所成的像與空間點(diǎn)之間存在著復(fù)雜的非線性關(guān)系。主要的畸變誤差分為三類:徑向畸變、偏心畸變和薄棱鏡畸變[31]。第一類只產(chǎn)生徑向位置的偏差，后兩類則既產(chǎn)生徑向偏差，又產(chǎn)生切向偏差，圖4-1為無(wú)畸變理想圖像點(diǎn)位置與有畸變實(shí)際圖像點(diǎn)位置之間的關(guān)系。

圖4-1理想圖像點(diǎn)與實(shí)際圖像點(diǎn)                    圖4-2徑向畸變

1) 徑向變形(徑向畸變):光學(xué)鏡頭徑向曲率的變化是引起徑向變形的主要原因。這種變形會(huì)引起圖像點(diǎn)沿徑向移動(dòng)，離中心點(diǎn)越遠(yuǎn)，其變形量越大。正的徑向變形量會(huì)引起點(diǎn)向遠(yuǎn)離圖像中心的方向移動(dòng)，其比例系數(shù)增大;負(fù)的徑向變形量會(huì)引起點(diǎn)向靠近圖像中心的方向移動(dòng)，其比例系數(shù)減小，分別成枕形畸變和桶形畸變，如圖4-2所示，數(shù)學(xué)模型由公式(4-1)表示。

2)偏心畸變:由于裝配誤差，組成光學(xué)系統(tǒng)的多個(gè)光學(xué)鏡頭的光軸不可能完全共線，從而引起偏心變形，這種變形是由徑向變形分量和切向變形分量共同構(gòu)成，其數(shù)學(xué)模型由公式(4-2 )表示。

3）薄校鏡變形:薄棱鏡變形是指由光學(xué)鏡頭制造誤差和成像敏陣列制造誤差引起的圖像變形，如鏡頭與攝像機(jī)像面有很小的傾角等，這類畸變相當(dāng)于在光學(xué)系統(tǒng)中附加了一個(gè)薄棱鏡，其變形包括徑向變形分量和切向變形分量，數(shù)學(xué)模型由公式(4-3)表示。

上述三種類型的非線性畸變都存在于光學(xué)鏡頭拍攝的圖像中，圖像的非線性畸變是這三種畸變的疊加，由此可以建立圖像坐標(biāo)系中的非線性畸變模型。圖像平面理想圖像點(diǎn)坐標(biāo)(Xu,Yu)等于實(shí)際圖像點(diǎn)坐標(biāo)(Xd,Xd)差之和，即

在所有的畸變當(dāng)中一般來(lái)說(shuō)徑向畸變對(duì)測(cè)量的結(jié)果影像較大，其它兩個(gè)相對(duì)來(lái)說(shuō)影響較小。

4.2.3測(cè)量方法不同而產(chǎn)生誤差

測(cè)量方法不同而產(chǎn)生的誤差主要指不同圖像處理技術(shù)帶來(lái)的識(shí)別、量化誤差。圖像的邊緣是圖像的基本特征，是物體的輪廓或物體不同表面之間的交界在圖像中的反映。邊緣輪廓是人類識(shí)別物體形狀的重要因素，也是圖像處理中重要的處理對(duì)象。在圖像處理的過(guò)程中需要進(jìn)行邊緣提取，而數(shù)字圖像處理技術(shù)中邊緣提取有很多不同的方法，選用不同的提取方法會(huì)對(duì)同一個(gè)被測(cè)件的邊緣位置產(chǎn)生不小的變化，因此會(huì)對(duì)最后的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，如測(cè)量某一圓形工件的半徑和圓心的時(shí)候，當(dāng)圓的輪廓發(fā)生變化時(shí)，它的半徑值和圓心位置就會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化[32]。由此可知，在圖像處理的過(guò)程中圖像處理算法對(duì)儀器的測(cè)量精度有著十分重要的影響，是影像測(cè)量所關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。

4.3 影像測(cè)量?jī)x的制造誤差

儀器的制造誤差是指由儀器的零件、元件、部件和其它各個(gè)環(huán)節(jié)所在尺寸、形狀、相互位置以及其它參量等方面的制造及裝調(diào)的不完整所引起的誤差。制造誤差都是由于制造工藝不完善造成的，影像測(cè)量?jī)x各個(gè)環(huán)節(jié)在制造過(guò)程中總是會(huì)產(chǎn)生許多誤差，因此會(huì)影響其精度。例如由于內(nèi)外尺寸的配合間隙，對(duì)直線運(yùn)動(dòng)造成歪斜誤差，對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)造成徑向跳動(dòng)誤差；軸與套的圓度會(huì)引起軸系的回轉(zhuǎn)誤差；表面波度和粗糙度會(huì)影響運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性誤差。

所以，在儀器的所有誤差中，制造誤差會(huì)占有不小的比重。但是需要注意的是并不是所有的制造誤差對(duì)儀器的精度都有影響，人們一般只研究與儀器精度有關(guān)的制造誤差，它又被稱為原始誤差。

對(duì)影像測(cè)量?jī)x來(lái)說(shuō)影響它精度的制造誤差主要包括機(jī)構(gòu)誤差中的直線運(yùn)動(dòng)定位誤差。影像測(cè)量?jī)x是正交坐標(biāo)系測(cè)量?jī)x器。正交坐標(biāo)系測(cè)量?jī)x有3根名義上相互垂直的軸系即XYZ三軸，有三個(gè)運(yùn)動(dòng)部件沿著這三根軸線運(yùn)動(dòng)，使CCD相對(duì)于被測(cè)工件作三維直線運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)的位移量可以通過(guò)沿三根周放置的光柵尺上讀出來(lái)。由于機(jī)構(gòu)制造和裝配不完善，不可避免地會(huì)使各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位移偏離它的名義值，這一誤差常常被稱為直線運(yùn)動(dòng)定位誤差。在小工件的影像測(cè)量時(shí)，從CCD的標(biāo)定到最后數(shù)據(jù)的輸出整個(gè)測(cè)量過(guò)程都是在靜止的狀態(tài)下完成的，由于沒(méi)有牽扯到運(yùn)動(dòng)所以機(jī)構(gòu)誤差對(duì)我們的測(cè)量結(jié)果沒(méi)有影響，這時(shí)可以不考慮此誤差。在大一些工件的影響測(cè)量時(shí)，可能存在CCD的視野滿足不了我們測(cè)量的要求的情況。比如要測(cè)得兩點(diǎn)間距過(guò)大，這時(shí)候需要控制測(cè)量臺(tái)進(jìn)行X、Y兩方向的運(yùn)動(dòng)后，得到我們需要的測(cè)量結(jié)果。由于在這個(gè)過(guò)程中涉及到了運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)，因此機(jī)構(gòu)誤差對(duì)最后的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

另外由于影響測(cè)量?jī)x的測(cè)量平臺(tái)是由一塊大的方形毛玻璃板構(gòu)成，在測(cè)量時(shí)需要將被測(cè)工件放于臺(tái)上，并在CCD攝像機(jī)的視野之內(nèi)，完成測(cè)量。因此測(cè)量平臺(tái)的水平性能以及CCD攝像機(jī)安裝時(shí)其鏡頭與水平是否平行也都對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，同時(shí)CCD攝像機(jī)的鏡頭也于水平面存有夾角（如圖4-3），此時(shí)將待測(cè)工件放于測(cè)量平臺(tái)上時(shí)，二者成一定的夾角，使得呈現(xiàn)出的圖像與真實(shí)的物體存在偏差。因此要在制造安裝的時(shí)候要盡量避免此種情況的發(fā)生，首先我們?cè)谶x擇毛玻璃的時(shí)候要采用平整性能突出的毛玻璃作為我們的測(cè)量平臺(tái)，并將其支架的水平性作為我們選擇支架的重點(diǎn)性能需求，其次在安裝CCD攝像機(jī)的時(shí)候要把其鏡頭的水平性作為一項(xiàng)十分重要的工作來(lái)看待，要反復(fù)的調(diào)整，使得誤差減小。

圖4-3 攝像機(jī)安裝誤差示意圖

下面我們來(lái)簡(jiǎn)單的分析一下此誤差的大?。寒?dāng)測(cè)量平臺(tái)與CCD攝像機(jī)的鏡頭呈現(xiàn)出一定的θ角度時(shí)，根據(jù)幾何的知識(shí)我們可以得到誤差計(jì)算公式如下：

如果影像測(cè)量?jī)x的測(cè)量平臺(tái)水平性能以及CCD攝像機(jī)的安裝十分出色，它們之間的夾角都在0.5°以內(nèi)，此誤差非常小。

儀器的制造誤差是難以避免的，除了在制造過(guò)程中提高加工精度和裝配外，在設(shè)計(jì)過(guò)程中也應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧?duì)其進(jìn)行控制。具體方法如下：

1) 合理地分配誤差和確定制造誤差。根據(jù)儀器總精度指標(biāo)，在儀器的測(cè)量過(guò)程與控制等各個(gè)大的環(huán)節(jié)之間進(jìn)行正確的誤差分配，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中合理地確定各個(gè)環(huán)節(jié)的制造誤差對(duì)于保證和提高儀器精度具有重要意義。

2) 正確應(yīng)用儀器設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)原則。如誤差平均原則、補(bǔ)償原則、阿貝原則、變形最小原則，使得制造誤差對(duì)儀器的精度影響達(dá)到最小。

3) 合理地確定儀器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在保證儀器功能和性能的前提下以減小制造誤差對(duì)儀器精度影響為目標(biāo)來(lái)選擇儀器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4) 合理的結(jié)構(gòu)工藝性。好的結(jié)構(gòu)工藝性可以為加工和裝調(diào)提供方便，使制造精度易于保證。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要遵循基面統(tǒng)一原則，設(shè)計(jì)過(guò)程中所選擇的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)應(yīng)該充分考慮到加工和裝配的可行性與可靠性。

5) 設(shè)置適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和補(bǔ)償環(huán)節(jié)。適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和補(bǔ)償環(huán)節(jié)可以有效地減小制造誤差對(duì)儀器精度的影響。

4.4影像測(cè)量?jī)x的運(yùn)行誤差

儀器在使用過(guò)程中所產(chǎn)生的誤差稱為運(yùn)行誤差。如力變形誤差、磨損和間隙造成的誤差，溫度變形引起的誤差，以及振動(dòng)和干擾。

影響影像測(cè)量?jī)x精度的運(yùn)行誤差是溫度引起的誤差、干擾和環(huán)節(jié)波動(dòng)引起的誤差以及磨損等。

1) 溫度引起的誤差，是由于溫度的改變，使得影像測(cè)量?jī)x的零部件尺寸、形狀、相互位置關(guān)系以及一些重要的特性參數(shù)發(fā)生變化，從而影響我們這臺(tái)儀器的精度。溫度的變化可能引起電器參數(shù)的變化以及儀器特性的改變，引起溫度靈敏度漂移和溫度零點(diǎn)漂移。

2) 干擾與環(huán)境波動(dòng)引起的誤差，所謂干擾，一方面是外部設(shè)備電磁場(chǎng)、電火花等的干擾，另一發(fā)面是由于各級(jí)電流之間電磁場(chǎng)干擾以及通過(guò)地線、電源等相互耦合造成的干擾。環(huán)境波動(dòng)指的是儀器在使用過(guò)程中環(huán)境溫度、適度、大氣壓力的波動(dòng)、汽源壓力波動(dòng)以及儀器電器設(shè)備的供電電壓的波動(dòng)等。它們都可以使儀器產(chǎn)生測(cè)量誤差。

在影像測(cè)量?jī)x的使用時(shí)，由于CCD攝像機(jī)中的光學(xué)元件折射、散射、衍射使雜射光進(jìn)入主光路影響了被測(cè)物體的成像，最后產(chǎn)生誤差。但這個(gè)誤差也是微乎其微，因此也不在我們研究的范圍之內(nèi)，可以忽略不計(jì)。

還有一種情況是：當(dāng)完成標(biāo)定工作之后卻發(fā)生了電壓變化以及人為操作時(shí)的疏忽大意，此時(shí)會(huì)影響影像測(cè)量?jī)x的上、下光源燈的亮度，造成系統(tǒng)光照不均從而使得在CCD攝像機(jī)采集圖像后，在沿圖像邊緣留下陰影造成的圖像邊緣提取誤差。因此我們?cè)跍y(cè)量的時(shí)候會(huì)盡量選取電壓穩(wěn)定的地點(diǎn)并且一定要保證上、下光源的亮度來(lái)完成我們對(duì)待測(cè)工件各種參數(shù)的測(cè)量。即使發(fā)生了大的電壓變化的情況，測(cè)量人員只需要等電壓穩(wěn)定后在進(jìn)行測(cè)量工件，也可以避免此誤差的發(fā)生。

3) 磨損。磨損使影像測(cè)量?jī)x的零件產(chǎn)生尺寸、形狀、位置誤差，配合間隙增加，降低此儀器的工作精度的穩(wěn)定性。磨損與摩擦密切相關(guān)，零件斷面輪廓是不是有規(guī)則的，不同的加工方式留下的斷面輪廓形狀不同。由于長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，影像測(cè)量?jī)x的x、y、z三個(gè)軸配合間隙會(huì)增加，從而降低工作精度，特別是放置在z軸上的CCD攝像機(jī)，當(dāng)z軸出現(xiàn)配合間隙的時(shí)候，會(huì)影響它的角度，對(duì)最后獲得的圖像信息產(chǎn)生一定的影響。

雖然運(yùn)行誤差對(duì)最后的測(cè)量結(jié)果影響很小但它們都是在影像測(cè)量?jī)x使用過(guò)程中產(chǎn)生的，儀器操作者要對(duì)這部分誤差產(chǎn)生的條件了如指掌，只要這樣才能有效地減小這部分誤差。

消除這一誤差的一個(gè)有效地方法就是增加影像測(cè)量?jī)x標(biāo)定的次數(shù)，畢竟測(cè)量就是一個(gè)比對(duì)的過(guò)程。如果經(jīng)常標(biāo)定的話，有有效地消除運(yùn)行誤差，提高此儀器的精度。

5結(jié)論與展望

5.1 工作總結(jié)

對(duì)產(chǎn)品精度的要求越來(lái)越高是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。傳統(tǒng)和現(xiàn)代的檢測(cè)方法具有效率低、精度差或者成本高、靈活性不高的缺點(diǎn)。因此，開(kāi)發(fā)一種效率高，精度高，成本低而且靈活方便的檢測(cè)系統(tǒng)成為了迫切期待。

本文研究了影像測(cè)量?jī)x的組成及其測(cè)量原理和測(cè)量過(guò)程，并系統(tǒng)的分析了影像其精度的各種因素。本文的主要結(jié)論及創(chuàng)造工作如下：

1) 本文論述了計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)，以及計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)的特點(diǎn)。

2) 系統(tǒng)的概述了計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)在實(shí)際生活中各方領(lǐng)域的應(yīng)用，并闡明了計(jì)算機(jī)檢測(cè)在未來(lái)的偉大前景。

3) 分析了視覺(jué)檢測(cè)的基本原理及其結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和優(yōu)越性，并系統(tǒng)的闡述了機(jī)臺(tái)，圖像采集系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等系統(tǒng)的具體工作原理以及視覺(jué)檢測(cè)和關(guān)鍵技術(shù)研究的必要性。

4) 系統(tǒng)的對(duì)影像測(cè)量?jī)x可能產(chǎn)生的所有誤差源進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，并根據(jù)各個(gè)誤差產(chǎn)生的不同階段分為：原理誤差、制造誤差、運(yùn)行誤差，并提出了消除或減小誤差的具體措施。

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