數(shù)字圖像處理技術(shù)在干涉儀中的應(yīng)用

祝彥，丁振君，王芳，賈克軍

（河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北保定 071000）

數(shù)字圖像處理技術(shù)在干涉儀中的應(yīng)用

祝彥，丁振君，王芳，賈克軍

（河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北保定 071000）

利用CCD（charge－coupled device）對(duì)立式接觸式干涉儀進(jìn)行改裝研制，變目視觀察與判讀讀數(shù)為光電探測(cè)、自動(dòng)瞄準(zhǔn)、測(cè)量，把顯微鏡下的干涉條紋圖像利用CCD采集后傳輸?shù)接?jì)算機(jī).結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)，利用波長(zhǎng)定度方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定度，雙邊直線擬合法自動(dòng)確定0級(jí)干涉條紋中心的準(zhǔn)確位置，并根據(jù)量塊形成的0級(jí)干涉條紋中心偏移像素值計(jì)算量塊長(zhǎng)度.實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明利用數(shù)字圖像處理技術(shù)消除了人為判讀差錯(cuò)的可能性，提高了工作效率，穩(wěn)定可靠.

圖像處理；CCD；自動(dòng)定度；接觸式干涉儀

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字圖像處理已成為學(xué)術(shù)研究及工程應(yīng)用中一個(gè)非常重要的領(lǐng)域.數(shù)字圖像處理是指利用計(jì)算機(jī)或其他數(shù)字設(shè)備對(duì)圖像信息進(jìn)行各種加工和處理，它是一門新興的應(yīng)用學(xué)科，其發(fā)展異常迅速，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛［1］.采用基于圖像處理的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)可靠性好，準(zhǔn)確率高，可以提高檢測(cè)精度、速度、自動(dòng)化程度［2］.

1 系統(tǒng)原理及組成

系統(tǒng)是以CCD（charge－coupled device）圖像傳感器為主要元件構(gòu)造而成，將CCD圖像傳感器安裝在干涉儀目鏡位置，被攝物體的圖像經(jīng)過鏡頭聚焦至CCD芯片上，CCD根據(jù)光的強(qiáng)弱積累相應(yīng)比例的電荷，各個(gè)像素積累的電荷在視頻時(shí)序的控制下，逐點(diǎn)外移，經(jīng)濾波、放大處理后，形成視頻信號(hào)輸出.此系統(tǒng)主要由3部分組成：圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出或顯示.圖像處理技術(shù)主要用于2個(gè)方面，一是干涉儀的定度，二是量塊長(zhǎng)度的測(cè)量.

1.1 干涉儀定度原理

干涉儀的定度即是確定目鏡分化板標(biāo)尺的刻度值，定度時(shí)所使用的長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)量是濾光片透過光的中心波長(zhǎng)λ（檢定數(shù)值）.

從干涉儀工作原理已知，m條干涉條紋所表示的空間長(zhǎng)度為

其中：m為干涉條紋（移動(dòng)量），λ為光波波長(zhǎng).

而在m條條紋間隔里包含有n個(gè)標(biāo)尺刻度，則標(biāo)尺刻度值i為

1.2 測(cè)量原理

量塊長(zhǎng)度的測(cè)量采用的是微差比較測(cè)量法，用已知尺寸的高一等量塊作為標(biāo)準(zhǔn)量，測(cè)量出被測(cè)量塊與標(biāo)準(zhǔn)量塊的差值，則被測(cè)量塊的長(zhǎng)度尺寸為

式中，L標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)量塊的中心長(zhǎng)度尺寸，檢定數(shù)值.

2 圖像處理系統(tǒng)

由于光學(xué)鏡頭的原因和噪聲等因素，采集到的干涉條紋圖像精度會(huì)受到一定的影響.圖像處理的目的是將傳送過來的圖像數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)的目標(biāo)進(jìn)行處理分析，以便提取其特征.本系統(tǒng)的目的是獲得準(zhǔn)確清晰的干涉條紋.采取的具體圖像處理過程如圖1所示.

圖1 圖像處理系統(tǒng)Fig.1 Image processing system

2.1 圖像處理方法

首先通過CCD圖像傳感器獲取主窗口當(dāng)前位置顯示的圖像內(nèi)容，并返回圖像存儲(chǔ)數(shù)組的指針和圖像的高度、寬度等信息，將真彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖來處理，以加快圖像處理的速度以及縮減存儲(chǔ)空間［3］，之后程序根據(jù)返回的信息計(jì)算每一列像素3個(gè)分量的和，再將所有和相加.根據(jù)這個(gè)特征提取得到的值，在對(duì)話框上畫出其對(duì)應(yīng)的相對(duì)高度直線，這樣就得到處理后的圖像，如圖2所示.

圖2 圖像處理Fig.2 Processing of image

2.2 圖像處理技術(shù)

處理后的圖像為原始圖像每列像素R，G，B分量值累計(jì)和波形圖，像素的R，G，B分量值越小表示的顏色越暗，通過尋找波形圖的極小值點(diǎn)來確定黑條紋中心［4］.但考慮到CMOS器件各光敏像素響應(yīng)不均勻、圖像光強(qiáng)分布的隨機(jī)波動(dòng)及絕大多數(shù)情況下，條紋中心距不是光敏元中心距的整數(shù)倍等一系列因素的影響，此極小值只表明黑條紋中心的大致位置.

測(cè)量時(shí)極值點(diǎn)有較大的隨機(jī)性，為了消除單個(gè)極值點(diǎn)隨機(jī)性大的缺點(diǎn)，更精確地獲得零級(jí)黑條紋中心的較精確位置，需要利用此極小值及其附近的數(shù)據(jù).常用的擬合方法有3種：灰度積分法，曲線擬合法，雙邊直線擬合法.其中雙邊直線擬合法精確度較高，算法容易實(shí)現(xiàn)，因而本設(shè)計(jì)采用了這種擬合方法［5］.如圖3所示，選取上、下2個(gè)灰度閥值水平，把波峰灰度曲線截取為左右2個(gè)曲線段，分別對(duì)這2個(gè)曲線段進(jìn)行直線擬合，擬合得到的直線與選定的上下2灰度閥值線各有一交點(diǎn)，再取2交點(diǎn)的中點(diǎn)與另一邊的2交點(diǎn)的中點(diǎn)連成的直線段的中點(diǎn)位置即擬合結(jié)果1，作為測(cè)量的幾何中心位置.然后找出波形曲線最低點(diǎn)的橫坐標(biāo)，然后以它為中心分別向左右2邊搜索2個(gè)峰值.去除峰值和谷值附近的3～5個(gè)點(diǎn)，剩下的區(qū)間點(diǎn)就可以用來擬合曲線了.用最小二乘法和剩下的區(qū)間點(diǎn)分別擬合兩邊的直線.擬合完畢，求得2條直線的交點(diǎn)擬合結(jié)果2，即為所要求的黑條紋中心橫坐標(biāo).

采用這種方法，條紋中心不是由單個(gè)點(diǎn)確定，而是由條紋極值點(diǎn)附近一系列點(diǎn)確定，消除了單個(gè)像素隨機(jī)波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了CCD像素細(xì)分.

圖3 雙邊直線擬合法Fig.3 Method of double－sided fitted line

通過雙邊直線擬合法自動(dòng)擬合、識(shí)別出每個(gè)條紋波谷，并對(duì)每個(gè)波谷按順序編號(hào).然后選取2個(gè)條紋編號(hào)輸入文本框，軟件自動(dòng)計(jì)算出2個(gè)條紋之間的間隔條紋數(shù)m，和間隔像素?cái)?shù)n，根據(jù)儀器給出的標(biāo)準(zhǔn)值，1個(gè)條紋對(duì)應(yīng)0.283μm，計(jì)算出每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度值

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

相對(duì)測(cè)量時(shí)，只要求獲得被檢量塊與標(biāo)準(zhǔn)量塊的差值，則此值為

若要求受檢量塊的長(zhǎng)度，其值為

其中，K為單位像素定度系數(shù)，指單位像素代表長(zhǎng)度量值，L標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)量塊長(zhǎng)度.

實(shí)驗(yàn)選取的9 mm標(biāo)準(zhǔn)量塊來檢測(cè)被檢量塊.實(shí)驗(yàn)開始前首先對(duì)接觸式干涉儀進(jìn)行調(diào)整，主要是光源調(diào)節(jié)、干涉條紋的調(diào)節(jié)和儀器分度值的調(diào)節(jié)，儀器2次測(cè)量的數(shù)據(jù)如圖4所示.

圖4 測(cè)量數(shù)據(jù)Fig.4 Measurement data

結(jié)果表明，利用圖像處理技術(shù)通過運(yùn)用各種算法，對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)字處理，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、處理、計(jì)算和記錄，消除了人為判讀差錯(cuò)的可能性，減小了測(cè)量時(shí)系統(tǒng)誤差和粗大誤差發(fā)生的概率，提高了系統(tǒng)測(cè)量精度.

［1］馮瑤.數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用［J］.重慶工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，17（1）：72－74.

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［2］楊梅.利用數(shù)字圖像處理技術(shù)測(cè)量零件幾何尺寸［J］.吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，25（9）：34－37.

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ZHANG Li.Effective programming in VC＋＋［M］.Beijing：Posts and Telecom Press，2002：83－98.

［4］周長(zhǎng)發(fā).精通Visual C＋＋圖像編程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2000：160－168.ZHOU Changfa.Proficiency in VC＋＋［M］.Beijing：Publishing House of Electronic instrudry，2000：160－168.

［5］朱小平.CCD傳感器用于刻線自動(dòng)瞄準(zhǔn)的研究［J］.現(xiàn)代測(cè)量與實(shí)驗(yàn)室管理，2003（1）：5－16.

ZHU Xiaoping.Research of auto－aiming for line images using CCD sensors［J］.Advanced Measurement and Laboratory Management，2003（1）：5－16.

Digital image processing technology for interferometer

ZHU Yan，DING Zhen－jun，WANG Fang，JIA Ke－jun
（College of Quality and Technology Supervision，Hebei University，Baoding 071000，China）

The contact type interferometer was reformed using CCD.Then it could transmit the interference fringe picture to computer which always observed by person under the microscope.The measurement system could realize the function that automatically controlled，instrument definition，gauge block measured，data displayed and preservation realized with the image processing technology.The stochastic factor to the measurement result influence was greatly eliminated by the fitting straight line algorithm method was used.Through the above aeries of intellectualizations transformation，the working efficiency of the instrument was greatly enhanced，and the measuring accuracy was increased.

image processing；charge－coupled device；auto definition；contact typ e interferometer

T H741.1

A

1000－1565（2012）02－0203－04

2011－09－10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60677021）

祝彥（1977－），女，河北保定人，河北大學(xué)講師，主要從事傳感器與智能儀器方面的研究.E－mail：lemons＿zhu＠163.com

孟素蘭）