視覺測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與光照強度分析*

段振云，董　迪，趙文輝

(沈陽工業(yè)大學 機械工程學院,沈陽 110870)

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視覺測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與光照強度分析*

段振云，董迪，趙文輝

(沈陽工業(yè)大學 機械工程學院,沈陽 110870)

為了提高機器視覺測量系統(tǒng)的測量精度，在分析機器視覺測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，選擇合適的硬件并設(shè)計視覺測量系統(tǒng)整體機構(gòu)，搭建視覺測量系統(tǒng)實驗臺。對于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定位誤差進行了研究。對光軸與物面垂直度調(diào)整方法進行研究。對于光照強度變化對測量精度的影響進行理論分析和實驗驗證。實驗以圓形標定模板的像素當量值和圓直徑作為評價系統(tǒng)測量精度的指標，討論光照強度對測量精度的影響，最后提出一種誤差補償公式來補償光照強度帶來的誤差，實驗數(shù)據(jù)證明應(yīng)用此方法系統(tǒng)測量精度得到提高。

測量精度；結(jié)構(gòu)設(shè)計；光照強度；誤差補償

0　引言

機器視覺測量技術(shù)是以計算機來模擬人的視覺功能，以光學技術(shù)為基礎(chǔ)，融合計算機技術(shù)、圖像處理技術(shù)等對實體目標實現(xiàn)非接觸測量[1-2]。機器視覺測量技術(shù)以其強大的功能、高效、高穩(wěn)定性等優(yōu)勢，已經(jīng)成為行業(yè)應(yīng)用中穩(wěn)步增長的解決方案。

對于以測量為目的的系統(tǒng)來說，精度是首要條件，保證精度才能保證測量的可信性。目前大多數(shù)學者將注意力集中在圖像濾波、邊緣提取、攝像機標定等軟件算法上，對硬件系統(tǒng)方面的論述研究較少，文獻[3-4]分析了噪聲和鏡頭畸變及溫度環(huán)境等因素對圖像測量精度的影響，沒有分析鏡頭與實驗臺的垂直度帶來的誤差影響。文獻[5-6]分析了手動調(diào)節(jié)光源的缺點，構(gòu)建自適應(yīng)光源控制系統(tǒng)。但沒有研究光照強度對測量精度的影響。

本文首先對系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，在此基礎(chǔ)上分析影響精度的誤差因素，最后通過實驗分析光照強度對測量精度的影響。

1　硬件系統(tǒng)設(shè)計

在高精度的視覺測量系統(tǒng)中，硬件的選擇是機器視覺系統(tǒng)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)所用的主要硬件如下：

(1)工業(yè)相機采用德國Basler公司生產(chǎn)的piA2400-17gc全幀型面陣CCD黑白相機。分辨率2448像素×2050像素，像素尺寸為3.45μm×3.45μm。

(2)鏡頭選用無透視畸變的遠心鏡頭。遠心鏡頭有它獨特的光學特性：高分辨率、超寬景深、超低畸變，還可以消除由于調(diào)焦不準確而到來的測量誤差。

(3)本系統(tǒng)照明光源采取平行背光源2PFT系列，精確的光路設(shè)計使出射光接近理想平行光，整體結(jié)構(gòu)緊湊，亮度高，均勻性好，可以大大降低圖像處理的難度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

本測量系統(tǒng)以齒輪作為測量對象，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，齒輪的安裝采用雙頂尖結(jié)構(gòu)。通過豎直導軌滑塊結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)鏡頭的固定和上下移動，來調(diào)整鏡頭、光源與被測齒輪之間的距離。這樣避免了人工移動相機鏡頭帶來的誤差。采用背光源照射方式，利用光源數(shù)字控制器根據(jù)照明環(huán)境進行參數(shù)調(diào)節(jié)，使圖像和背景最佳分離。此機器視覺結(jié)構(gòu)可以對工件進行圖像測量、標定等實驗研究。

圖1　機器視覺測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　硬件系統(tǒng)誤差分析

在用CCD進行視覺測量時，由于噪聲和鏡頭畸變帶來的誤差可以通過濾波算法和標定算法來消除[7]。對于系統(tǒng)硬件來說自身結(jié)構(gòu)上的誤差也會對測量精度存在影響。

2.1垂直度引起的誤差

理想的CCD機與被測零件的位置關(guān)系應(yīng)為相機鏡頭光軸垂直于被測零件所在平面。在實際使用中，由于CCD照相機本身的制造誤差，工件制造誤差等原因不能保證鏡頭光軸與被測零件表面及光源完全垂直，存在一定的角度偏差α，如圖2所示，當相機沿著導軌上下移動時，各點所成的像也會在像面上發(fā)生一定的偏移，偏移量為：

Δ=Τ·L·tanα

(1)

其中Τ為鏡頭放大率,L為相機沿著導軌的移動距離。

在改變物距大小時，由于垂直度引起的誤差會影響測量精度。文獻[8-9]分別提出了基于數(shù)字圖像處理的方法和采用光盤驅(qū)動器內(nèi)自動調(diào)整的方法來調(diào)節(jié)視覺測量中光軸與物面垂直度。不過這種方法算法復雜，同時也會引入隨機誤差。本系統(tǒng)采用人工調(diào)節(jié)的方法來調(diào)節(jié)垂直度。在物距改變時，可以通過像素點的偏移量Δ來計算出偏移角度α，當α較大時，通過傳統(tǒng)的機械制造技術(shù)能將偏移角度減小，剩下的人工不能調(diào)節(jié)的偏移帶來的誤差通過系統(tǒng)標定來補償[10]。

圖2　垂直度引起的誤差示意圖

2.2光照強度變化引起的誤差

(2)

光照強度的變化會造成像素灰度的變化，影響亞像素邊緣檢測的精度，影響測量精度。

3　實驗分析

為分析光照強度對測量精度的影響，對如圖3所示的圓形標定板進行多次測量試驗。標定板上圓的直徑大小為2mm。

圖3　標定板

以像素當量為計算單位的視覺測量中，系統(tǒng)當量值反映了系統(tǒng)的全局誤差，標定板圓直徑大小測量值反映了系統(tǒng)的局部誤差。因此當量值和標定板圓直徑大小可以代表系統(tǒng)的測量精度。圖4為本系統(tǒng)圖像處理技術(shù)計算當量值過程流程圖。

圖4　當量值計算流程圖

當量值計算公式為：

(3)

其中l(wèi)為標定板上圓理論直徑，單位為μm，p為經(jīng)過亞像素提取算法得到對應(yīng)圓的直徑，單位為像素。

3.1光照強度對當量值的影響

實驗在保證物距不變的情況下，改變光照強度大小。實驗以圖像的平均灰度值作為衡量光照強度的大小，觀察光照強度變化時通過邊緣檢測算法提取到的粗邊界和精邊及界的當量值的變化情況，測量結(jié)果如圖5所示。

圖5　測量結(jié)果分布曲線

3.2光照強度對標定板圓直徑大小的影響

以標定板上的圓作為測量對象，光照強度過小，圖像不能達到飽和，提取的邊緣會向外擴。光照強度過大，圖像過飽和，邊緣向內(nèi)縮小。通過實驗改變光照強度，觀察圖像從未飽和到過飽和之間提取的粗邊界和精邊界圓直徑值的變化情況。取標定板中心兩個圓為實驗對象，測量結(jié)果分布分別如圖6所示。

圖6　光照強度與測量結(jié)果分布曲線

從測量結(jié)果可以看出光照強度的變化對系統(tǒng)的測量精度有影響，得到的測量直徑小于理論值。在分析光照強度變化對邊界的影響上提出一種誤差補償方法對測量結(jié)果進行補償誤差。補償公式為：

(4)其中miu為直徑補償量大小，l為理論直徑，大小2mm，μ為像素當量值，p為實際測量直徑大小。在光照條件不變下，取標定板5×5范圍圓的粗邊界直徑補償前后值作比較，得到表1，表2如下。從表中對比可知，通過誤差補償公式使所測得圓直徑更接近理論值，系統(tǒng)測量精度得到提高。

表2　補償后圓直徑(單位為μm)

4　結(jié)論

本文在對機器視覺測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定位誤差進行了分析。對如何調(diào)整垂直度進行說明。以標定板作為實驗對象，系統(tǒng)當量值和標定板上圓直徑大小作為評價測量系統(tǒng)精度的指標分析了光照強度對測量精度的影響。綜合理論分析和實驗結(jié)果可以看出光照強度的變化影響測量精度，提出一種誤差補償公式，補償光照強度變化帶來的誤差，從實驗結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出補償效果明顯，測量結(jié)果更趨近真實值，提高了系統(tǒng)測量精度。

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(編輯李秀敏)

Configuration Design and Illumination Intensity Analysis of Machine Vision System

DUAN Zhen-yun，DONG Di，ZHAO Wen-hui

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870，China)

To raise the measurement accuracy of machine vision system, the paper selected the appropriate hardware and designed the whole organization on basis of analyzing the structure and working principle of machine vision measuring system, bulit a vision measuring system. Studied on the system structure of positioning error. Studied on the optical axis and object surface verticality adjustment method. Made theoretical analysis and experiment verification of the impact of the change of illumination intensity on the accuracy of measurement. In the experiment, the measurement accuracy of system is evaluated by pixel equivalent value and circle diameter of circular calibration template. Discussed the effect of illumination intensity on measurement accuracy. In the end, an error compensation formula is proposed to compensate for the error casued by illumination intensity. Experimental data show that the accuracy of measurement is improved by using this method.

measurement accuracy; structural design; illumination intensity; error compensation

1001-2265(2016)08-0061-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.08.017

2015-09-26；

2015-10-26

十二五國家科技支撐計劃(2014BAF08B01)

段振云(1971—)，男，河南新鄉(xiāng)人，沈陽工業(yè)大學教授，博士生導師，博士，研究方向為復雜曲面加工技術(shù)、視覺檢測，(E-mail)13604045543@139.com。

TH122；TG659

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