影像測(cè)量?jī)x背光源強(qiáng)度影響及誤差補(bǔ)償技術(shù)研究*

郭小剛，杜文華，曾志強(qiáng)，王俊元

(中北大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，太原　030051)

0　引言

影像測(cè)量?jī)x是一種由高清晰CCD相機(jī)、二維圖像處理軟件等組成的高精度、高效率光電測(cè)量?jī)x器，將被測(cè)對(duì)象的圖像當(dāng)作檢測(cè)和傳遞信號(hào)的測(cè)量方法，其目的是從圖像中提取有用的信號(hào)，基于圖像分析、識(shí)別來進(jìn)行測(cè)量。在精密電子、五金塑膠、鐘表手機(jī)配件、醫(yī)藥工業(yè)、汽車配件、航天航空等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用空間。主要用于二維尺寸、角度及位置的精確測(cè)量，還具有CAD圖形導(dǎo)出、報(bào)表輸出、批量檢測(cè)等功能。由于其非接觸性、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、靈活性高、測(cè)量精確、節(jié)約人力成本等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)測(cè)量中得到不斷地推廣和應(yīng)用。

目前，影像測(cè)量?jī)x在國(guó)內(nèi)外均有廣泛應(yīng)用，但是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的影像測(cè)量?jī)x測(cè)量精度較低，與國(guó)外的同類產(chǎn)品相比仍具有較大差距。光源是影像測(cè)量?jī)x測(cè)量系統(tǒng)中非常重要的部分，在進(jìn)行二維尺寸測(cè)量時(shí)通常使用背光源照明方式。但是，在實(shí)際使用過程中操作人員通常對(duì)背光源強(qiáng)度的選擇關(guān)注較少，忽略了背光源強(qiáng)度對(duì)測(cè)量精度的影響。

為研究背光源強(qiáng)度對(duì)測(cè)量精度的影響，提高國(guó)內(nèi)影像測(cè)量?jī)x測(cè)量精度，本文首先從理論和實(shí)驗(yàn)分析了背光源強(qiáng)度對(duì)圖像邊緣位置的影響，并實(shí)驗(yàn)分析了背光源強(qiáng)度對(duì)影像測(cè)量?jī)x測(cè)量精度的影響，最后提出了一種誤差補(bǔ)償方法，對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

通過研究由背光源強(qiáng)度變化引起的測(cè)量誤差并進(jìn)行補(bǔ)償，可以有效降低由背光源強(qiáng)度變化造成的測(cè)量誤差，提高國(guó)內(nèi)影像測(cè)量?jī)x測(cè)量精度。

1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建及實(shí)施方案

利用現(xiàn)有的HT-3040型影像測(cè)量?jī)x，在實(shí)驗(yàn)室條件下開展實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)標(biāo)定板上的矩形及圓進(jìn)行測(cè)量，完成光照強(qiáng)度變化對(duì)邊緣位置的影響和測(cè)量精度的影響實(shí)驗(yàn)。

1.1　影像測(cè)量?jī)x測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)采用HT-3040型影像測(cè)量?jī)x，該影像測(cè)量?jī)x使用了分辨率為780×580(45萬像素)CCD黑白相機(jī)，像元尺寸為3.75μm×3.75μm。背光源使用的是圓形LED面光源。

1.2　圖像處理軟件

在進(jìn)行光照強(qiáng)度對(duì)邊緣位置的影響實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用專業(yè)的圖像處理軟件 Halcon，在 HDevelop環(huán)境下完成圖像處理及結(jié)果顯示。在進(jìn)行光照強(qiáng)度對(duì)測(cè)量精度的影響實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用影像測(cè)量?jī)x自帶的由瑞捷公司開發(fā)的測(cè)量軟件實(shí)現(xiàn)尺寸測(cè)量及結(jié)果顯示。

1.3　實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案

為了研究光照強(qiáng)度變化對(duì)邊緣位置的影響，在實(shí)驗(yàn)室沒有外界環(huán)境光源影響的條件下，采用常用的背光源照明方式，分別在不同光照強(qiáng)度(背光源讀數(shù)1～5，步長(zhǎng)為1)條件下，對(duì)標(biāo)定板上長(zhǎng)寬尺寸為4mm×3mm的矩形進(jìn)行拍攝并提取亞像素邊緣，分析不同光照強(qiáng)度下的邊緣位置變化。

為了研究光照強(qiáng)度變化對(duì)測(cè)量精度的影響，在上述相同實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)直徑分別為0.4、0.6、0.8、1.0、1.2和1.4mm的圓重復(fù)測(cè)量十次并計(jì)算平均誤差，分析不同光照強(qiáng)度下的影像測(cè)量?jī)x測(cè)量精度。

2　光照強(qiáng)度對(duì)邊緣位置的影響

邊緣檢測(cè)是尺寸測(cè)量的關(guān)鍵步驟，邊緣的定位精度直接影響測(cè)量精度，尤其是在高精度測(cè)量中邊緣位置的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大。目前影像測(cè)量系統(tǒng)中常用的亞像素邊緣檢測(cè)算法可以歸納為矩方法、插值法和擬合法三類，這些方法均根據(jù)邊緣位置附近像素灰度分布特征，運(yùn)用相關(guān)算法定位圖像邊緣，得到的定位精度高于整像素級(jí)的亞像素級(jí)定位精度[2]。

由CCD相機(jī)工作原理可知，在像元面上的光積分時(shí)間和感光面積不變的情況下，其灰度值只與感光面上的光照強(qiáng)度有關(guān)，像素(x,y)處的灰度值為：

(1)

式中，I(x,y)為某一時(shí)刻該像元上的光照強(qiáng)度平均值。由于光照強(qiáng)度的變化會(huì)造成邊緣位置像素灰度值及灰度分布發(fā)生變化，從而影響亞像素邊緣檢測(cè)算法對(duì)邊緣的定位，導(dǎo)致不同光照強(qiáng)度下檢測(cè)到的邊緣位置出現(xiàn)偏差，最終影響測(cè)量精度[3]。

在不同光照強(qiáng)度條件下，由長(zhǎng)寬尺寸為4mm×3mm標(biāo)定板上的矩形圖像獲取的局部邊緣提取結(jié)果見圖1。

圖1　不同光照強(qiáng)度下矩形局部邊緣提取結(jié)果

在不同光照強(qiáng)度條件下，提取的局部邊緣位置變化對(duì)比見圖2。

(a)局部邊緣位置變化　　　　　　　(b)局部放大圖　　　圖2　局部邊緣位置變化

由圖2可以看出，隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)，邊緣位置出現(xiàn)明顯的逐漸內(nèi)縮的現(xiàn)象。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差補(bǔ)償

在不同光照強(qiáng)度條件下，對(duì)影像測(cè)量?jī)x分別進(jìn)行像素當(dāng)量標(biāo)定，結(jié)果見表1。

表1　像素當(dāng)量標(biāo)定結(jié)果

由表1可以看出，不同光照強(qiáng)度下，像素當(dāng)量標(biāo)定結(jié)果基本相同。

在不同光照條件下，對(duì)直徑分別為0.4、0.6、0.8、1.0、1.2和1.4mm的圓重復(fù)測(cè)量十次并取平均值，結(jié)果見表2。

由表2可以看出：①不同光照強(qiáng)度下，直徑分別為0.4、0.6、0.8、1.0、1.2和1.4mm的圓測(cè)量誤差為1～3μm；②隨著光照強(qiáng)度的增加(背光源讀數(shù)從1到5)，測(cè)量誤差逐漸增大：③對(duì)于不同直徑的圓光照強(qiáng)度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果影響規(guī)律基本一致。

表2　不同光照條件下測(cè)量結(jié)果

從圖3可以看出光照強(qiáng)度的變化對(duì)影像測(cè)量?jī)x的測(cè)量精度有明顯的影響，最大測(cè)量誤差可達(dá)12μm。隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)，測(cè)量誤差逐漸增大，且測(cè)量直徑始終小于理論直徑。分析光照強(qiáng)度對(duì)測(cè)量精度的影響和光照強(qiáng)度變化與測(cè)量誤差之間的關(guān)系，利用MATLAB軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，提出了一種誤差補(bǔ)償方法。補(bǔ)償公式如下：

Δy=2.573x-0.29

(2)

式中，Δy為直徑測(cè)量值補(bǔ)償量，x為光照強(qiáng)度。

圖3　光照強(qiáng)度與測(cè)量誤差分布曲線

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述提出的補(bǔ)償方法及補(bǔ)償公式是否能有效提高影像測(cè)量?jī)x測(cè)量精度，利用前述的HT-3040型影像測(cè)量?jī)x，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，運(yùn)用上述提出的補(bǔ)償公式對(duì)不同光照條件下直徑為0.375mm和3.0mm的圓測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償前后的測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

(a) 0.375mm圓誤差補(bǔ)償結(jié)果

(b) 3mm圓誤差補(bǔ)償結(jié)果圖4　誤差補(bǔ)償結(jié)果

由圖4中測(cè)量結(jié)果及誤差補(bǔ)償結(jié)果可以看出：①補(bǔ)償前不同光照強(qiáng)度下3.0mm和0.375mm圓直徑測(cè)量誤差為1～13μm；②隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)，測(cè)量結(jié)果誤差逐漸增大；③運(yùn)用上述補(bǔ)償公式對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償后測(cè)量誤差減小到0～3μm，測(cè)量均值分別為376.5μm和3000.8μm；④運(yùn)用上述補(bǔ)償公式可以有效降低由背光源強(qiáng)度變化造成的測(cè)量誤差，提高影像測(cè)量?jī)x測(cè)量精度。

5　結(jié)論

影像測(cè)量?jī)x在國(guó)內(nèi)外均有廣泛應(yīng)用，但在實(shí)際使用過程中操作人員通常對(duì)背光源強(qiáng)度的選擇關(guān)注較少。本文主要對(duì)影像測(cè)量?jī)x測(cè)量過程中LED背光源強(qiáng)度變化對(duì)測(cè)量精度的影響進(jìn)行研究。以標(biāo)定板上不同大小的圓直徑在不同光照強(qiáng)度下的測(cè)量結(jié)果分析背光源強(qiáng)度變化對(duì)影像測(cè)量?jī)x測(cè)量精度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)，測(cè)量誤差逐漸增大，最大可達(dá)13μm。通過對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，得出背光源強(qiáng)度變化與測(cè)量誤差之間的關(guān)系，并提出一種誤差補(bǔ)償方法，對(duì)不同光源強(qiáng)度下測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，補(bǔ)償后測(cè)量誤差為0～3μm，有效提高了影像測(cè)量?jī)x測(cè)量精度。

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(編輯李秀敏)