高精度雙線陣CCD非接觸直徑測(cè)量系統(tǒng)*

于之靖, 劉月林, 諸葛晶昌

(1．中國(guó)民航大學(xué) 地面特種設(shè)備科研基地,天津 300300；

2.中國(guó)民航大學(xué) 航空自動(dòng)化學(xué)院,天津 300300)

0 引 言

近年來(lái)，線陣CCD在非接觸測(cè)量領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)的測(cè)量方法存在一定的局限性，存在對(duì)工件造成磨損，測(cè)量精度不高，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量的缺陷。因此，非接觸式測(cè)量的優(yōu)勢(shì)逐漸顯得更為重要[2]。

在光學(xué)系統(tǒng)中，采用雙線陣CCD對(duì)工件進(jìn)行多次測(cè)量，通過多通道測(cè)量取平均計(jì)算出工件的直徑。硬件電路的核心部分采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)器件實(shí)現(xiàn)，利用FPGA在并行數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢(shì)，為線陣CCD提供驅(qū)動(dòng)并且作為圖像數(shù)據(jù)處理的核心單元[3]。在線陣CCD一維圖像數(shù)據(jù)處理中，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理常常采用閾值法，其測(cè)量精度往往受到像元大小限制，精度停留在像元級(jí)別[4]。本文設(shè)計(jì)采用亞像元細(xì)分算法[5]，并對(duì)其做了相應(yīng)改進(jìn)，有效提高了測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度。

1 測(cè)量原理和系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 光學(xué)系統(tǒng)原理

光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，入射光經(jīng)透鏡形成平行光束，垂直照射在圓型工件上，由于工件的不透光性將工件成像投影在線陣CCD上。系統(tǒng)對(duì)一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行邊緣檢測(cè)，即得到圓型工件的直徑。根據(jù)所選線陣CCD的光譜特性，入射光波長(zhǎng)為55 mm時(shí)，線陣CCD響應(yīng)最強(qiáng)烈，所以，系統(tǒng)選擇一字線狀藍(lán)色激光光源作為光學(xué)系統(tǒng)的目標(biāo)檢測(cè)光源。

圖1 光學(xué)成像原理

利用圖1簡(jiǎn)單的透視投影關(guān)系，將獲得的陰影邊緣點(diǎn)位置，按照確定的比例關(guān)系， 即可得到工件直徑D

D=(f1/f2)·d.

(1)

其中，d為影響陰影在像元上的尺寸，f1，f2為焦距。

1.2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙線陣CCD非接觸直徑測(cè)量系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)、線陣CCD 驅(qū)動(dòng)、模擬信號(hào)預(yù)處理、數(shù)字信號(hào)直徑計(jì)算單元組成。采用FPGA作為系統(tǒng)核心驅(qū)動(dòng)控制芯片，完成線陣CCD驅(qū)動(dòng)、A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)和圖像處理。

線陣CCD采用東芝公司生產(chǎn)的一種高靈敏度、低暗電流、具有5000個(gè)有效像元的雙溝道兩相線陣CCD圖像傳感器TCD1501，帶有采樣保持功能。A/D轉(zhuǎn)換器采用TI公司生產(chǎn)的TLC5510，工作電源為5.0V，推薦工作條件下功耗為130mV，具有高阻抗內(nèi)部并行接口和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，最大采樣頻率為20MSPS。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

線陣CCD在相應(yīng)驅(qū)動(dòng)脈沖作用下，輸出一維圖像的模擬信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過預(yù)處理后，送入A/D轉(zhuǎn)換模塊，在A/D轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字圖像信號(hào)，F(xiàn)PGA接收到數(shù)字圖像數(shù)據(jù)即開始進(jìn)行圖像處理。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 TCD1501驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)要突出圖像的邊緣特征，所以，CCD要盡量工作在較大的動(dòng)態(tài)范圍，以提高輸出信號(hào)的信噪比，即亮點(diǎn)與暗點(diǎn)的差值要盡量大，突出圖像的邊緣特征。CCD信號(hào)的輸出受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的干擾，CCD光積分時(shí)間決定像元輸出信號(hào)的強(qiáng)弱，要讓CCD工作在最佳的動(dòng)態(tài)范圍，就要根據(jù)CCD像元輸出的亮點(diǎn)信號(hào)和暗點(diǎn)信號(hào)的差值調(diào)節(jié)CCD光積分時(shí)間[6]。

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(3)

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將T與設(shè)定的閾值比較，當(dāng)T大于等于設(shè)定閾值時(shí)，即CCD工作在較理想的動(dòng)態(tài)范圍，輸出圖像特征點(diǎn)清晰;否則,應(yīng)增加光積分時(shí)間，以增強(qiáng)圖像信號(hào)的邊緣信息。

根據(jù)T值的大小，設(shè)計(jì)通過增加無(wú)效移位脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)光積分時(shí)間以增大CCD亮點(diǎn)像素與暗點(diǎn)像素的差值。設(shè)每次調(diào)節(jié)光積分時(shí)間的增量為δt，δt不可太小，太小會(huì)增加光積分時(shí)間調(diào)節(jié)次數(shù);亦不可太大，太大會(huì)使亮點(diǎn)信號(hào)發(fā)生溢出。設(shè)計(jì)中，CCD移位脈沖頻率設(shè)定為0.5 MHz，每幀數(shù)據(jù)含有5 076個(gè)像元，所以,需要2 538個(gè)移位脈沖，所需時(shí)間為5 076 μs。轉(zhuǎn)移脈沖需要2 μs時(shí)間，所以，采集一幀數(shù)據(jù)頻率最快約為196.85 Hz，采集一幀數(shù)據(jù)至少需要5 078 μs，這也是能夠達(dá)到的最小光積分時(shí)間。以時(shí)鐘頻率計(jì)算，增量δt以200個(gè)CCD移位脈沖周期為單位，每次增加積分時(shí)間為100 μs。

圖3 線陣CCD驅(qū)動(dòng)仿真

2.2 TLC5510驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

2.3 數(shù)據(jù)處理

圖像邊緣檢測(cè)的精確度是決定工件直徑檢測(cè)精度的關(guān)鍵。在以往對(duì)圖像數(shù)據(jù)處理中，常采用閾值法，這種方法檢測(cè)精度受到線陣CCD像元尺寸大小的限制，檢測(cè)精度不高。系統(tǒng)采用亞像元邊緣檢測(cè)算法對(duì)采集到的一維圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這種方法能夠顯著提高測(cè)量精度[7]。

亞像元邊緣檢測(cè)算法包括高斯濾波、差值計(jì)算、邊緣檢測(cè)和差值細(xì)分4個(gè)模塊(圖4)。圖像經(jīng)過高斯濾波平滑器后對(duì)其求梯度，圖像梯度峰值的位置即為圖像邊緣點(diǎn)，檢測(cè)出邊緣點(diǎn)后即可采用差值細(xì)分方法求出圖像邊緣點(diǎn)的精確位置，其值如公式(5)所示，具體計(jì)算步驟請(qǐng)參見參考文獻(xiàn)[6]

(5)

圖4 線陣CCD邊緣檢測(cè)

在上面的亞像元邊緣檢測(cè)系統(tǒng)中，采用對(duì)5000個(gè)有效像元點(diǎn)進(jìn)行處理。這種方法計(jì)算量大，浪費(fèi)資源，為了減少計(jì)算量，系統(tǒng)對(duì)以往的亞像元檢測(cè)算法做了改進(jìn)。線陣CCD輸出一幀數(shù)據(jù)含有5 000個(gè)有效像元點(diǎn)信息，最關(guān)心的是邊緣點(diǎn)附近的信息，因此，如果能直接提取出圖像的邊緣點(diǎn)信息，則可簡(jiǎn)化計(jì)算量，節(jié)省資源。由上面公式(2)～式(3)所確定的亮點(diǎn)灰度值和暗點(diǎn)灰度值為閾值，找出灰度值在二者之間的像元點(diǎn)，這些點(diǎn)即為圖像的邊緣信息點(diǎn)。對(duì)這些邊緣點(diǎn)做邊緣檢測(cè)，再利用亞像元邊緣檢測(cè)算法，計(jì)算邊緣點(diǎn)位置，可減少后續(xù)的計(jì)算量。

3 誤差分析與改進(jìn)

在實(shí)際測(cè)量中，測(cè)量誤差受到多種原因的影響，包括CCD器件制造誤差、光源的不穩(wěn)定、透鏡的畸變、鏡頭的焦距和孔徑的選取、工件位置的放置、放大鏡的放大倍數(shù)，這些問題都會(huì)降低直徑測(cè)量的精度。其中可采用雙目視覺技術(shù)提高工件位置的放置精度。圓型工件由于具有截面投影各向同性特征，測(cè)量多通道均可獲得截面頂點(diǎn)位置(即始終為測(cè)量圓形工件兩平行切線位置，光路中除頂點(diǎn)外無(wú)遮擋)，測(cè)量結(jié)果中直徑為多通道剔除粗大誤差后的均值，因此，配置較簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。

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圖5 多通道測(cè)量原理圖

4 系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與精度

為了分析系統(tǒng)的檢測(cè)精度，系統(tǒng)對(duì)一個(gè)已知精度的、直徑為12.732 mm的工件進(jìn)行測(cè)量3次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

從表1中可以看出：?jiǎn)瓮ǖ赖膯未螠y(cè)量誤差在4 μm左右，單通道多次測(cè)量誤差也大于2 μm，采用雙通道多次測(cè)量技術(shù)時(shí)，系統(tǒng)測(cè)量誤差降低到2 μm以內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種高精度雙線陣CCD非接觸直徑測(cè)量系統(tǒng)的組成、原理及具體實(shí)現(xiàn)方法。重點(diǎn)介紹了通過改變光積分時(shí)間增強(qiáng)線陣CCD輸出信號(hào)邊緣特征，通過線陣CCD亮點(diǎn)和暗點(diǎn)像素值迅速找出邊緣點(diǎn)的方法，為了減

小誤差，采用雙線陣CCD多通道多次測(cè)量取平均以提高測(cè)量精度，系統(tǒng)最小誤差小于2 μm，滿足工業(yè)應(yīng)用高精度測(cè)量的要求。

參考文獻(xiàn):

[1]馬登極，朱善安，王長(zhǎng)軍.線陣CCD在高精度測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2006,14(2).

[2]王曉麗，段春霞，周 陽(yáng).高精度非接觸式自動(dòng)外徑測(cè)量方法研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011(8):79-81.

[3]徐光憲，張 慶，付 曉.基于FGPA的模擬視頻采集控制器的研究與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技器,2012(3):41-43.

[4]張建輝，宋平崗.線陣CCD技術(shù)及其在非接觸測(cè)量中的應(yīng)用[J].機(jī)械與電子,2004(8):63-65.

[5]胡曉東，馬 娜.亞像元邊緣檢測(cè)的FPGA實(shí)現(xiàn)[J].光子學(xué)報(bào),2010,39(1):173-176.

[6]劉 艷，趙 紅，于效宇.一種可調(diào)線陣CCD信號(hào)采集處理系統(tǒng)[J].半導(dǎo)體光電,2009,30(2):294-299.

[7]谷 林，胡曉東，陳良益.基于FPGA的線陣CCD亞像元邊緣檢測(cè)片上系統(tǒng)[J].光子學(xué)報(bào),2004,33(5):618-621.