基于線陣CCD的機(jī)器視覺尺寸測量精度的探究

史 瑞 吳辛培 王 珊

（上海工程技術(shù)大學(xué) 數(shù)理與統(tǒng)計學(xué)院，上海 201620）

1 概述

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的高速化、智能化，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)活動對尺寸測量提出了更高的要求。在較精確的測量場景下，傳統(tǒng)的機(jī)械測量測量由于其體積龐大、操作復(fù)雜、設(shè)備昂貴、使用場景較窄等缺點(diǎn)，已經(jīng)不滿足要求。而高速化、智能化、輕巧簡便的光電機(jī)器視覺系統(tǒng)成為了替代機(jī)械測量的一種良好選擇[1]。

在一維尺寸測量方面，線陣CCD具有易處理、精度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于各種工業(yè)生產(chǎn)場景。但傳統(tǒng)CCD尺寸測量系統(tǒng)有著硬件設(shè)計復(fù)雜、對測量條件要求高、易產(chǎn)生誤差等缺點(diǎn)[2]。為了研究影響傳統(tǒng)CCD測量的具體因素，文章初步探究了測量過程中的閾值、尺寸參照、放大倍率、焦距、光圈參數(shù)等基本參數(shù)對測量準(zhǔn)確度的影響，進(jìn)一步探究了一般測量情形下，最佳的測量參數(shù)范圍[3]。

2 測量基本原理

線陣CCD光電測量包括兩個步驟，即使用光電系統(tǒng)使機(jī)械尺寸信息轉(zhuǎn)化為電信號輸出，處理輸出信號并輸出數(shù)字化尺寸信息。線陣CCD的輸出信號包含CCD各個像元所接收光強(qiáng)度的分布和像元位置的信息，為了便于觀察被測物體成像，在接收輸出信號后應(yīng)對光強(qiáng)度信息做二值化處理。

圖1所示為測量物體外形尺寸（例如測量棒材的直徑D）的原理圖。測量時，將被測物體A與CCD像敏面分別安裝在成像物鏡兩側(cè)的物方視場與最佳成像面上；當(dāng)被均勻平行光源照明的被測物體A通過物鏡成像至CCD上時，CCD像敏面相應(yīng)像敏單元便會存儲載荷關(guān)于像元所接收光強(qiáng)度信息的電荷包。此載有尺寸信息的電荷包可通過驅(qū)動電路系統(tǒng)下載到數(shù)字處理終端（如個人電腦或智能控制終端等處理系統(tǒng)）。根據(jù)輸出波形如圖1右側(cè)所示的時序電壓信號（輸出波形），可以測得物體A在像方的尺寸D'，再根據(jù)光學(xué)成像系統(tǒng)的放大倍率β，便可以用下面公式計算出物體A的實(shí)際尺寸D

由于成像系統(tǒng)難免會出現(xiàn)成像邊緣的機(jī)械抖動，導(dǎo)致成像邊緣模糊。而線陣CCD的輸出信號UO隨光強(qiáng)的變化關(guān)系為線形的，因此，可用UO模擬光強(qiáng)分布。采用二值化處理方法將物體邊界信息（圖1中的N1與N2）檢測出來是簡單快捷的方法。

圖1 物體尺寸測量系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)

線陣像敏單元的數(shù)據(jù)容量為8bits，可將光強(qiáng)度信息依次轉(zhuǎn)化為0至255種電壓信號。固定某個電壓閾值并對各個像敏單元的電壓信息做邏輯處理：大于閾值部分為亮，輸出為高電平；小于閾值部分為暗，輸出低電平。經(jīng)過處理后結(jié)合CCD各個像元所接收光強(qiáng)度的分布，輸出理想的方波時序電信號，便可以提取出物體邊緣的位置信息N1和N2。則物體A像方的尺寸D'為

式中，N1與N2為邊界位置的像元序號，L0為CCD單個像敏單元的尺寸。因此，物體的外徑D為

3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建與基本變量的控制

本實(shí)驗(yàn)采用MXY9003機(jī)器視覺綜合實(shí)訓(xùn)平臺與計算機(jī)，搭配對應(yīng)的計算機(jī)軟件，搭建基本的測量環(huán)境。在計算機(jī)中選擇調(diào)用其線陣CCD功能，并將光電信號轉(zhuǎn)化為波形圖輸出。注意觀察輸出信號波形，使信號波形中反映尺寸信息的變化邊緣越陡，邊緣波形的斜率絕對值越大，測量系統(tǒng)的精度越高，使軟件能夠觀測到比較陡直的輸出信號波形。本實(shí)驗(yàn)使用三根直徑分別為3.00 mm、5.00 mm和8.00 mm的均勻圓柱鐵棒進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)，并作為標(biāo)準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)參照。

本實(shí)驗(yàn)采用觀察反映尺寸信息之變化邊緣的斜率變化和計算測量正確度兩種方式衡量不同的測量方案的優(yōu)劣。

3.1 探究光圈大小對實(shí)驗(yàn)的影響

光圈是一種控制照射入鏡頭機(jī)身內(nèi)感光面光強(qiáng)度的裝置，它通常是在鏡頭內(nèi)部，由一組或多組面積可變的孔狀光柵組成。通常的，光圈限制光強(qiáng)的能力由F值衡量。上一級的進(jìn)光量是下一級的兩倍。F值越小，通光孔徑越大，在單位時間內(nèi)的進(jìn)光量便越多。

在其他條件不變的情況下，夾持任意直徑的標(biāo)準(zhǔn)測量棒，并啟動測量系統(tǒng)。當(dāng)由F/0.4 到F/7.0 調(diào)整光圈參數(shù)F值并觀察輸出波形，可以發(fā)現(xiàn)，反映尺寸信息的變化邊緣斜率與像素寬度并沒有改變，僅有波形起始段與結(jié)束段的像素寬度變化。

因此，光圈數(shù)值參數(shù)并不會直接影響測量準(zhǔn)確度，而是會影響測量的最大范圍，即可以測量的最大直徑。

3.2 探究放大倍率焦距）對實(shí)驗(yàn)的影響

在本實(shí)驗(yàn)中放大倍率是指待測物體的直徑與實(shí)際成像的像素寬度的比值。由于像素位寬是單位化的，當(dāng)成像邊緣小于一個像素時，測量結(jié)果會近似的忽略不足一個像素的部分，造成系統(tǒng)誤差。因此，當(dāng)放大倍率過大時會產(chǎn)生一定的系統(tǒng)誤差。而當(dāng)放大倍率過小時，由于存在環(huán)境光會導(dǎo)致有較大的偶然誤差出現(xiàn)。因此，確定一個合適的放大倍率有助于減少誤差。

由于放大倍率不可直接調(diào)整，本實(shí)驗(yàn)通過調(diào)整焦距來間接調(diào)整參數(shù)大小。

在其他條件不變的情況下，調(diào)整鏡頭的焦距旋鈕到最小焦距可調(diào)范圍，然后逐漸減少。觀察反映尺寸信息的變化邊緣斜率可以發(fā)現(xiàn)隨著焦距逐漸變大，即放大倍率逐漸變大，斜率逐漸變大，測量效果越好。

使用直徑為3.00 mm的標(biāo)準(zhǔn)測量棒，并調(diào)整焦距以測定系統(tǒng)放大倍率。在確定放大倍率后更換另兩根的標(biāo)準(zhǔn)測量棒，記錄其測量值并計算正確度。通過比較不同的放大倍率下的測量正確度可知，考慮鏡頭輪盤的誤差，放大倍率在(0.50 ±0.01 )為最佳放大區(qū)間。

3.3 探究不同閾值對實(shí)驗(yàn)的影響

對于使用二值化的光電信號通常采用閾值比較法來對信號進(jìn)行處理。根據(jù)徐國盛[4]的研究成果，閾值的選取通常遵循全局閾值選取和局部閾值選取兩種，在本實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)為固定閾值和浮動閾值。當(dāng)測量環(huán)境較好、干擾源較少、信號波形較為清晰時通常采用固定閾值以減少計算量，而測量環(huán)境較為復(fù)雜、信號有噪聲時通常采用浮動閾值以減少干擾。兩者在良好實(shí)驗(yàn)條件下基本等價。

由于本實(shí)驗(yàn)測量環(huán)境光源較為復(fù)雜，故采用浮動閾值取值法來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

在其他條件不變的情況下，使用直徑為3.00 mm的標(biāo)準(zhǔn)測量棒以確定系統(tǒng)放大倍率。

圖2 放大倍數(shù)和閾值對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

4 結(jié)論

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)選取幾種尺寸在1.00 mm至5.00 mm之間的均勻不透光棒材，并使用千分尺測量其標(biāo)準(zhǔn)尺寸。機(jī)器視覺系統(tǒng)采用3.00 mm標(biāo)準(zhǔn)測量棒，而后調(diào)整各參數(shù)至浮動閾值70%、放大倍率0.501 、光圈為F/0.4 進(jìn)行無接觸測量并記錄測量值。將測量值與標(biāo)準(zhǔn)尺寸作比較，計算其測量正確度。如表1，通過統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)，測量值的正確度小于2%。

表1

本實(shí)驗(yàn)探究了影響線陣CCD測量物體尺寸的因素，給出了使用線陣CCD測量物體尺寸的具體方案，并驗(yàn)證了該方案的可行性。但由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備精度不足以及軟件算法存在一定缺陷，本方案無法準(zhǔn)確測量尺寸小于1.00 mm或大于26.00 mm的待測物體。并且由于光的干涉衍射現(xiàn)象，本實(shí)驗(yàn)無法對半透光與存在狹縫的材料進(jìn)行準(zhǔn)確測量，環(huán)境光與鏡頭鏡片的光學(xué)質(zhì)量對實(shí)驗(yàn)也有一定影響。