基于線陣CCD掃描的測量技術

0 引言
    在基于機器視覺的零件二維尺寸測量通常采用面陣CCD相機作為圖像采集設備，由于面陣CCD相機的像素分辨率較低。使得在測量精度要求較高的場合很難完成測量任務。線陣CCD器件具有空間分辨率高的特點，可以實現高精度測量。近年來，利用線陣CCD進行無接觸一維測量已經得到廣泛應用。本文提出采用線陣CCD相機對零件進行平行掃描采集零件圖像，實現零件二維尺寸的高精度測量。

1 線陣CCD掃描測量原理
    線陣CCD掃描測量系統(tǒng)主要由線陣CCD相機、運動工作臺、控制電路及線光源等組成，掃描測量原理如圖1所示。

    被測零件放置于運動工作臺上，隨工作臺一起以速度v向右方行進，零件未進入相機視場AB時，線光源所發(fā)射光線直接通過光學成像系統(tǒng)成為一幀灰度值較高的背景圖像，當零件進入相機視場時，零件遮擋光線使得采集圖像含有零件輪廓信息，將所有輸出圖像按采集的先后關系進行拼接，即可得到完整的高分辨率零件圖像，通過圖像處理得到零件的二維幾何尺寸。

2 掃描同步控制
    掃描同步控制是線陣CCD掃描測量零件二維幾何尺寸的關鍵技術，也是影響系統(tǒng)測量精度的最主要因素。所謂掃描同步是指：單位時間內線陣CCD相機所采集圖像總和對應的物方實際尺寸與零件的行進速度相同。當掃描同步時，獲取的零件圖像與實際零件相比沒有發(fā)生變形，如圖2(a)所示，對其進行處理的結果最接近零件尺寸的真實值；當相機采集速度大于零件行進速度時，零件圖像被拉長，如圖2(b)所示，對其進行處理的結果將大于零件尺寸的真實值；當相機采集速度小于零件行進速度時，零件圖像被壓縮，如圖2(c)所示。對其進行處理的結果小于零件尺寸的真實值。

    為保證對零件尺寸測量的準確性，需要進行同步控制。線陣CCD的像素尺寸S為14μm×14 μm，線掃描速度vx為500幀／秒，鏡頭焦距f為50 mm，鏡頭到零件的距離D為150 mm，則CCD像素所對應的物方尺寸L為：
   
    則單位時間內線陣CCD相機所采集圖像總和對應的物方實際尺寸(即CCD相機掃描圖像速度v)為：
   
    在這種情況下，要實現零件掃描同步則要求零件的行進速度為21 mm／s。

3 圖像處理算法
    通過以上分析，對系統(tǒng)的運動工作臺的行進速度進行嚴格控制，使之與CCD相機的掃描速度達到很好的同步效果，實際采集零件圖像如圖3所示。

3．1 圖像邊緣提取
    由于需布置光源，而光源隨時間會有所衰減。所以對圖像采用邊緣檢測的算法，以減小光源亮度變化對圖像檢測的影響。要得到圖像的輪廓尺寸，邊緣檢測是測量的基礎和關鍵。由于圖像往往含有噪聲。而邊緣和噪聲在空間域都表現為灰度有較大的起落，給邊緣提取帶來困難。通過仿真比較，最終采用了3*3的平滑算子和抗噪能力較強的sobel檢測算子，它對灰度漸變和噪聲較多的圖像處理效果較好，對邊緣定位比較準確，能夠滿足我們對圖像測量的需要。由sobel算子提取被測零件的圖像邊緣如圖4(a)所示，圖像邊緣是一條細環(huán)，由于圖像太大，顯示圖為33％的縮略圖，看起來間斷的地方很多，其實是連續(xù)的，大部分邊是單像素寬，左下角部分400％的顯示圖如圖4(b)所示。

    在圖4(b)中，有些地方不是單像素寬，會影響輪廓鏈接成一條鏈。由于有斷點的存在，為了不增加斷點的間隙，采用保留端點的細化方法，生成單像素寬的環(huán)，以得到準確的周長；由于噪聲的影響，有些地方還有間斷，缺口只有一兩個像素的距離，對于大于一定長度的邊緣段，根據各條邊緣段起始點或終止點之間的距離d，判斷它們之間的可連接性及需要連接的像索個數及與前一個像素的位置關系，進行像素的最少個數插值，并由位置關系確定插值像素對周長的貢獻。當像素時插入一個像素；當像素時，插入兩個像素，從而得到連續(xù)的單邊緣輪廓。
3．2 周長法計算直徑
    計算區(qū)域的直徑有很多方法，對于標準圓形，可以采用霍夫變換或最小二乘擬合等方法。但對于非標準圓形零件，需要計算它相對于圓形的直徑，根據周長不變的特性，采用周長法計算直徑。對得到的連續(xù)單邊緣輪廓用鏈碼表示，假設像素點邊長為1個單位長度。
    (1)當前像素點位置與前一像素點位置為水平關系或垂直關系時(左、右關系或上、下關系)，適合于用像素的一倍邊長近似；
    (2)當前像素點位置與前一像素點位置為傾斜關系時，適合于用像素的倍邊長近似；
    (3)如果水平關系或垂直關系的像素點個數為n1，傾斜關系的像素點個數為n2，則周長L為：

        由周長與直徑的關系，即可計算直徑。

4 測量試驗及數據分析
4．1 試驗結果
    對其重復10次進行采集處理與使用千分尺(分辨率為0．001 mm)測量結果比較如表1，從中可以看出這個測量系統(tǒng)精度范圍在-0．01～+0．01 mm，該測量結果能夠滿足精度要求。

    千分尺測量內徑均值：11．315 mm標準差：0．000 3
    圖像處理內徑均值：11．325 mm 標準差：0．005
    千分尺測量外徑均值：24．758 mm標準差：0．000 3
    圖像處理外徑均值：24．769 mm 標準差：0．005
4．2 試驗結果誤差分析
    直徑是由周長上像素位置計算得到的，而每個像素位置的測量都有一定的不確定度，從而造成周長測量同樣具有不確定度。在這里，通過周長計算直徑的模型，分析周長的不確定度對直徑的影響。
    由式(2)，則直徑：
   
    在式(3)中，n1與n2相互獨立，當n1和n2的個數有誤差時，計算的直徑不確定度為：
   
    當獲取的周長有一個單位的誤差時，計算的直徑的誤差僅為個單位，所以通過周長計算直徑的模型具有較高的精度。

5 結論
    基于線陣CCD的二維尺寸掃描測量系統(tǒng)，因線陣CCD可達到較高分辨率，所以能較好地滿足測量精度要求。線陣CCD視覺檢測系統(tǒng)作為一種新型的測量手段，在許多測量場合，特別是工業(yè)尺寸非接觸在線檢測等方面具有非常廣闊的應用前景。