基于線陣CCD掃描的測(cè)量技術(shù)

0 引言
    在基于機(jī)器視覺(jué)的零件二維尺寸測(cè)量通常采用面陣CCD相機(jī)作為圖像采集設(shè)備，由于面陣CCD相機(jī)的像素分辨率較低。使得在測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)合很難完成測(cè)量任務(wù)。線陣CCD器件具有空間分辨率高的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。近年來(lái)，利用線陣CCD進(jìn)行無(wú)接觸一維測(cè)量已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。本文提出采用線陣CCD相機(jī)對(duì)零件進(jìn)行平行掃描采集零件圖像，實(shí)現(xiàn)零件二維尺寸的高精度測(cè)量。

1 線陣CCD掃描測(cè)量原理
    線陣CCD掃描測(cè)量系統(tǒng)主要由線陣CCD相機(jī)、運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)、控制電路及線光源等組成，掃描測(cè)量原理如圖1所示。

    被測(cè)零件放置于運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)上，隨工作臺(tái)一起以速度v向右方行進(jìn)，零件未進(jìn)入相機(jī)視場(chǎng)AB時(shí)，線光源所發(fā)射光線直接通過(guò)光學(xué)成像系統(tǒng)成為一幀灰度值較高的背景圖像，當(dāng)零件進(jìn)入相機(jī)視場(chǎng)時(shí)，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(guān)系進(jìn)行拼接，即可得到完整的高分辨率零件圖像，通過(guò)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(cè)量零件二維幾何尺寸的關(guān)鍵技術(shù)，也是影響系統(tǒng)測(cè)量精度的最主要因素。所謂掃描同步是指：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)線陣CCD相機(jī)所采集圖像總和對(duì)應(yīng)的物方實(shí)際尺寸與零件的行進(jìn)速度相同。當(dāng)掃描同步時(shí)，獲取的零件圖像與實(shí)際零件相比沒(méi)有發(fā)生變形，如圖2(a)所示，對(duì)其進(jìn)行處理的結(jié)果最接近零件尺寸的真實(shí)值；當(dāng)相機(jī)采集速度大于零件行進(jìn)速度時(shí)，零件圖像被拉長(zhǎng)，如圖2(b)所示，對(duì)其進(jìn)行處理的結(jié)果將大于零件尺寸的真實(shí)值；當(dāng)相機(jī)采集速度小于零件行進(jìn)速度時(shí)，零件圖像被壓縮，如圖2(c)所示。對(duì)其進(jìn)行處理的結(jié)果小于零件尺寸的真實(shí)值。

    為保證對(duì)零件尺寸測(cè)量的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)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(duì)應(yīng)的物方尺寸L為：
   
    則單位時(shí)間內(nèi)線陣CCD相機(jī)所采集圖像總和對(duì)應(yīng)的物方實(shí)際尺寸(即CCD相機(jī)掃描圖像速度v)為：
   
    在這種情況下，要實(shí)現(xiàn)零件掃描同步則要求零件的行進(jìn)速度為21 mm／s。

3 圖像處理算法
    通過(guò)以上分析，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的行進(jìn)速度進(jìn)行嚴(yán)格控制，使之與CCD相機(jī)的掃描速度達(dá)到很好的同步效果，實(shí)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(shí)間會(huì)有所衰減。所以對(duì)圖像采用邊緣檢測(cè)的算法，以減小光源亮度變化對(duì)圖像檢測(cè)的影響。要得到圖像的輪廓尺寸，邊緣檢測(cè)是測(cè)量的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。由于圖像往往含有噪聲。而邊緣和噪聲在空間域都表現(xiàn)為灰度有較大的起落，給邊緣提取帶來(lái)困難。通過(guò)仿真比較，最終采用了3*3的平滑算子和抗噪能力較強(qiáng)的sobel檢測(cè)算子，它對(duì)灰度漸變和噪聲較多的圖像處理效果較好，對(duì)邊緣定位比較準(zhǔn)確，能夠滿足我們對(duì)圖像測(cè)量的需要。由sobel算子提取被測(cè)零件的圖像邊緣如圖4(a)所示，圖像邊緣是一條細(xì)環(huán)，由于圖像太大，顯示圖為33％的縮略圖，看起來(lái)間斷的地方很多，其實(shí)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(huì)影響輪廓鏈接成一條鏈。由于有斷點(diǎn)的存在，為了不增加斷點(diǎn)的間隙，采用保留端點(diǎn)的細(xì)化方法，生成單像素寬的環(huán)，以得到準(zhǔn)確的周長(zhǎng)；由于噪聲的影響，有些地方還有間斷，缺口只有一兩個(gè)像素的距離，對(duì)于大于一定長(zhǎng)度的邊緣段，根據(jù)各條邊緣段起始點(diǎn)或終止點(diǎn)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(gè)數(shù)及與前一個(gè)像素的位置關(guān)系，進(jìn)行像素的最少個(gè)數(shù)插值，并由位置關(guān)系確定插值像素對(duì)周長(zhǎng)的貢獻(xiàn)。當(dāng)像素時(shí)插入一個(gè)像素；當(dāng)像素時(shí)，插入兩個(gè)像素，從而得到連續(xù)的單邊緣輪廓。
3．2 周長(zhǎng)法計(jì)算直徑
    計(jì)算區(qū)域的直徑有很多方法，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)圓形，可以采用霍夫變換或最小二乘擬合等方法。但對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)圓形零件，需要計(jì)算它相對(duì)于圓形的直徑，根據(jù)周長(zhǎng)不變的特性，采用周長(zhǎng)法計(jì)算直徑。對(duì)得到的連續(xù)單邊緣輪廓用鏈碼表示，假設(shè)像素點(diǎn)邊長(zhǎng)為1個(gè)單位長(zhǎng)度。
    (1)當(dāng)前像素點(diǎn)位置與前一像素點(diǎn)位置為水平關(guān)系或垂直關(guān)系時(shí)(左、右關(guān)系或上、下關(guān)系)，適合于用像素的一倍邊長(zhǎng)近似；
    (2)當(dāng)前像素點(diǎn)位置與前一像素點(diǎn)位置為傾斜關(guān)系時(shí)，適合于用像素的倍邊長(zhǎng)近似；
    (3)如果水平關(guān)系或垂直關(guān)系的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)為n1，傾斜關(guān)系的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)為n2，則周長(zhǎng)L為：

        由周長(zhǎng)與直徑的關(guān)系，即可計(jì)算直徑。

4 測(cè)量試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析
4．1 試驗(yàn)結(jié)果
    對(duì)其重復(fù)10次進(jìn)行采集處理與使用千分尺(分辨率為0．001 mm)測(cè)量結(jié)果比較如表1，從中可以看出這個(gè)測(cè)量系統(tǒng)精度范圍在-0．01～+0．01 mm，該測(cè)量結(jié)果能夠滿足精度要求。

    千分尺測(cè)量?jī)?nèi)徑均值：11．315 mm標(biāo)準(zhǔn)差：0．000 3
    圖像處理內(nèi)徑均值：11．325 mm 標(biāo)準(zhǔn)差：0．005
    千分尺測(cè)量外徑均值：24．758 mm標(biāo)準(zhǔn)差：0．000 3
    圖像處理外徑均值：24．769 mm 標(biāo)準(zhǔn)差：0．005
4．2 試驗(yàn)結(jié)果誤差分析
    直徑是由周長(zhǎng)上像素位置計(jì)算得到的，而每個(gè)像素位置的測(cè)量都有一定的不確定度，從而造成周長(zhǎng)測(cè)量同樣具有不確定度。在這里，通過(guò)周長(zhǎng)計(jì)算直徑的模型，分析周長(zhǎng)的不確定度對(duì)直徑的影響。
    由式(2)，則直徑：
   
    在式(3)中，n1與n2相互獨(dú)立，當(dāng)n1和n2的個(gè)數(shù)有誤差時(shí)，計(jì)算的直徑不確定度為：
   
    當(dāng)獲取的周長(zhǎng)有一個(gè)單位的誤差時(shí)，計(jì)算的直徑的誤差僅為個(gè)單位，所以通過(guò)周長(zhǎng)計(jì)算直徑的模型具有較高的精度。

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