（光学工程专业论文）基于ccd图像处理的二维尺寸检测系统.pdf

摘要 电荷耦合器件( c h a r g ec o u p l ed e v i c e ，c c d ) 是一种微型图像传感器，具有光电 转换和信号电荷存储读出的功能，其输出信号通常是符合电视标准的视频信号，并 存储于适当的介质或输入计算机，便于进行图像存储、增强。 自c c d 于1 9 7 0 年在贝尔实验室诞生以来，c c d 技术随着电子技术的发展而迅速 发展，c c d 传感器的像素集成度、分辨率精度和灵敏度大大提高，工作频率范围显著 增加，可通过高速成像实现对高速运动物体的拍摄，并以其光谱响应宽、几何精度高、 噪声低、体积小、重量轻、低电压、冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、 寿命长、无残像、可长时间工作于恶劣环境、便于数字化计算机连接等优点，在图像 采集、非接触测量和实时监控方面得到了广泛应用。 目前工业中实际使用的测量系统虽因引入c c d 技术而得到明显改进，但部分系统 从原理上来说属于接触式测量，而接触工件时会引起微小变形，导致无法准确测量某 些弹性和软性工件。用c c d 摄像头代替c m m 的接触式探头则可实现尺寸的非接触测量， 有效地提高特殊工件的检测精度。 探讨c c d 图像传感器在工业检测中的应用现状，分析现有c c d 检测技术在应用中 存在的问题和局限，目的在于发展一套c c d 测量系统，使生产中外形尺寸的检测能 在快速的基础上，保证检测结果准确，并达到量化的要求。 系统由c c d 传感器、光学成像系统、数据采集和处理系统组成，具有测量精度高、 速度快、应用方便灵活等特点。在二维尺寸检测时，采用合适的照明系统使被测物体 通过物镜成像在c c d 靶面上，然后对c c d 输出的信号进行适当处理，提取测量对象的 几何信息学系统的变换特性，可进行零件外形尺寸的精确测量。 关键词：c c d 检测技术图像传感器图像处理光学测试 a b s t r a c t c c d ( c h a r g ec o u p l ed e v i c e ) i sam i c r oi m a g es e n s o rw i t hp h o t o e l e c t r i c c o n v e r s i o na n ds i g n a lr e a do u tf u n c t i o n i t so u t p u ts i g n a li su s u a l l yt ob e c h a n g e di n t os t a n d a r df o r m a to ft e l e v i s i o nv i d e o ，a n dt ob es t o r a g e di na s u i t a b l em e d i u mo re n t e r e di n t ot h ec o m p u t e rf o rt h ei m a g ep o r c e s s i n g s i n c et h ef o u n d i n go fo c da tb e l ll a b si n1 9 7 0 s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o n i ct e c h n o l o g yt h ec c dt e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l y ，s u c h a st h ei n t e g r a t i o no ft h ep i x e lc c ds e n s o r ，a c c u r a c y ，s e n s i t i v i t y ，r e s o l u t i o n 。 f r e q u e n c yr a n g e h i g h s p e e dm o v i n go b j e c t sc a nb ed e t e c t e dt h r o u g ht h eu s e o fh i g h s p e e di m a g i n g b e c a u s eo fi t sw i d es p e c t r a lr e s p o n s e ，t h eh i g h g e o m e t r i cp r e c i s i o n ，l o wn o i s e ，s m a l is i z e ，l i g b tw e i g h t ，l o wv o l t a g e ，s h o c k a n dv i b r a t i o nr e s i s t a n c e ，a n dr e s i s t a n c et oe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ， s t r o n g ，d u r a b l e ，l o n gl i f e n or e s i d u a li m a g e s ，i th a sf o u n di t sa p p l i c a t i o n i na p p a l l i n gc o n d i t i o n s ，d i g i t a lc o m p u t e r s ，i m a g ea c q u i s i t i o n ，n o n - c o n t a c t m e a s u r e m e n ta n dr e a l t i m em o n i t o r i n g a l t h o u g hb e c a u s eo ft h ec c dt e c h n o l o g yt h em e a s u r e m e n ts y s t e mh a sb e e n m a r k e d l yi m p r o v e d 。m a n yt e s ts y s t e m sa r es t i l li nc o n t a c ts i t u a t i o na n ds o m e s o f tp a r t sc a nn o tb ea c c u r a t e l ym e a s u r e d r e p l a c i n gt h ec 嘲p r o b ew i t hac c d c a m e r at h en o n c o n t a c ts i z et e s e ts y s t e mc a nb er e a l i z e d ，a n dt h es p e c i a l w o r k p i e c ed e t e c t i o na c c u r a c yc a nb ei m p r o v e de f f e c t i v e l y t h es y s t e mc o n s i s t so fc c ds e n s o r ，o p t i c a li m a g i n gs y s t e m ，d a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m i th a sah i g hm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n ，s p e e d 。 f l e x i b i l i t ya n do t h e rc o n v e n i e n tf e a t u r e s u s i n ga p p r o p r i a t el i g h t i n gt h e2 d d i m e n s i o n a li n s p e c t i o nc a nb em a d e i nt h i ss y s t e mt h ed e t e c t i n go b j e c ti s i m a g e do n t ot h ec c dt a r g e ts u r f a c e t h r o u g ht h ea p p r o p r i a t ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g yt h eg e o m e t r i ca n ds i z ei n f o r m a t i o no ft a r g e tc a nb ee x t r a c t e d p r e c i s e l y k e yw o r d s ；c c d ，m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y ，i m a g es e n s o r ，i m a g ep r o c e s s i n g 0 p t i c sm e a s u r e m e n t 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除t a n 以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：瑟釜整 2 0 0 61 1 月1 5 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：臣笪迸 2 。6 年1 1 月1 5 日 工程硕士学位论文 基于c c d 图像处理的二维尺寸检测系统 l 绪论 1 1 研究的目的和意义 先进技术的发展日新月异，精密测试技术应该适应这种发展。精密测试技术在机 械学科中的作用是为先进制造业服务。1 ，担负起质量技术保证的重任。这就要求首先 要以提高产品的质量为出发点，这也是要达到的最重要的目的。其次是精密测试技术 要提高产品的生产效益。因此，检测方法要能适应快速发展生产的要求，不能单纯为 了检测而检测，更不能因为检测的要求而影响生产的效益，从更积极的角度出发，应 该是由于精密测试技术的良好服务从而促进生产能力的提高。 本课题所研究的利用面阵c c d 和微机系统。1 对尺寸进行非接触自动测量，正是为 满足这些需求而开展的。面阵c c d 作为探测元件，微机作为处理系统。将工件成像于 c u d 像面上，经采集卡的 d 转抉，将所采集的模拟信号转换为数字信号，送入微机 进行处理。这样实现了工件的非接触、自动测量“1 。此方法可用于工件的生产检测， 及时控制产品的质量，减少浪费，提高生产效率。 1 2 近代光学测试技术的国内外发展现状 根据先进制造技术发展的要求以及精密测试技术自身的发展规律，不断地拓展新 的测量原理和测试方法，以及测试信息处理技术。图1 1 是近代光学测试技术的现状， 说明组成近代光学测试技术的学科支撑系绀”。图( a ) 是支撑的分学科系统，图( b ) 是 支撑的相关学科。 光学测试技术 f 、 飞点探测光电探铡 位相撵潮图像探测谱探测 l 上上上上上上 l 机光 光光千光全 t v 相 激谱 电 扫电效涉橱息 及关光分 扫 描效应法 法 与 c处谱析 描 应散 c理 斑d ( a ) 支撑分学科 工程硕士学位论文 ( b ) 支捧基础 图1 1 近代光学测试技术的现状 图1 1 可以看出，从原理上说近代光学测试技术的现状主要是三点：从主观光学发展 成为客观光学“1 ，也就是用光电探测器来取代人眼这个主观探测器，提高了测试精度 与测试效率；用激光这个单色性、方向性、相干性、稳定性都极好的光源啪来取代常 规光源，获得方向性极好的实际光线用于各种光学测量上；从光机结合的模式向光机 电一体化的模式转换，实现测量与控制的一体化”。 从功能上说，近代光学测试技术的现状主要有三点：从静态测量发展成为动态测 量：从逐点测量发展成为全场测量；从低速度测量发展成快速的，具有存储、记录功 能的测量啪。 1 3 本文的研究内容 本课题旨在采用计算机图像处理方法，通过对c c d 所采集图像进行处理，使此图 像的边缘清晰取出，达到测试所需的要求，并通过软件给出尺寸偏差【“1 。因此，研 究工作包含以下一些主要内容： 第二章，测试装置概述，描述了测试装置的设计； 第三章，测试图像的处理技术，描述了工件图像的边缘检测和连接； 第四章，尺寸的计算方法，相对测量方法实现二维尺寸自动测试“”，得出工件尺寸偏 差； 第五章，测量误差分析。 2 工程硕士学位论文基于o c d 圈像处理的二维尺寸检测系统 2 测试系统概述 2 1 显微一电视系统原理概述 对于工件尺寸的非接触、自动测量，可用多种光学测试方法实现，包括：光 干涉技术、光全息技术、散斑技术、莫尔条纹技术、光衍射技术等等“”。经过多 方面考虑本课题采用了光电成像技术“”，其具有结构简单，方便实用。对环境要 求宽松，工作条件很容易满足等优点。使实时、在线测量成为可能，适宜于大批 量生产工件的在线检测。 图2 1 示出了面阵c c d - 微机系统尺寸自动测试仪系统示意图： 5 6 图2 1面阵c c d 一微机系统尺寸自动测试仪系统图 l 一工作台2 一工件3 一显微物镜 4 - _ c c d 相机5 一微机6 一监视器 装置包括：工作平台、显微物镜、c c d 相机、微机系统等。c c d 相机来实现 对被测工件的图像采集，再经过a d 转换将所采集到的模拟信号转换为数字信号 传入微机中，微机处理系统将此数字信号存储在内存中，再通过程序软件实现对 数字图像的处理“”，最终实现测试。 首先将工件定位于工作台上，调整成像系统的左右位置，使工件位于其视场 范围内；再调整成像系统的上下位置，使其成像于c c d 像面上，观察监视器输出， 使工件成像质量达到最佳，即物体位于成像系统工作距离上。固定成像系统位置 并保证在整个测试过程中其位置保持不变。工件通过显微物镜成像在c c d 像面“”， 舅试系统概述工程硕士学位论文 通过a d 转换，将数据保存于p c 机中，以便后续对其进行处理，p c 将保存的图 像逐个进行处理。我们可对标准工件和被测工件逐一进行测量，保存测量结果。 最后输出被测工件相对于标准件的尺寸偏差。 2 2 主要器件 2 。2 1 工作台 本装置所使用的工作台为二维可移动式“”，上下移动可以调节c c d 相面位 置，左右移动可调整工件在c c d 像面的成像区域。可满足物镜视场和成像的要求 【l 町 4 2 2 2 成像物镜 图2 2 成像系统原理图 卜显微物镜2 一道威棱镜3 - o c d 像面 成像物镜的作用是将被测件的尺寸放大，以便于观察和测量。其基本原理 如图2 2 所示。本系统所采用的显微物镜放大倍率为3 倍。被测件a b 位于物方 焦点之外、两倍焦距之内，它被物镜放大，再通过道威棱镜脚3 后成一正立放大的 实像f ，并位于c c d 的像面上。 2 2 3c c d 相机 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 即电荷耦合器件是一种新型的固体成像器件， 它是在大规模硅集成电路工艺基础上研制而成的模拟集成电子芯片，它既具有光 电转换的功能，又具有信号电荷的存储、转移和读出的功能。由于c c d 传感器具 有自扫描、高灵敏、低噪声、长寿命、低功耗和高可靠性等优点。因而一直受到 工程硕士学位论文 基于c c d 图像处理的二维尺寸检测系统 人们的高度重视，发展十分迅速c c d 的像元尺寸小，几何精度高。配置适当的 光学系统，可以获得很高的空间分辨率。”1 ，特别适用于各种精密图像传感器和 无接触工件尺寸的在线检测。由于c c d 是以时间积分方式工作的，光积分时间可 以在很宽的范围内调节，因而使用方便灵活，适应性强。c c d 输出信号易于数字 化处理，容易与计算机连接组成实时自动化测量控制系统瞄】，便于扩大应用功能 和使用范围。 2 2 4 图像采集卡 由c c d 输出的模拟信号，需要由图像采集卡进行a d 转换，变为数字信号，经 总线传输入系统内存中。 本系统采用的图像采集卡v i d e o - p c i - s m 是基于p c i 总线的高速黑白图像采 集卡。输入的视频信号、经模数转换器、比例缩放、裁剪等处理，通过p c i 总 线传到v g a 卡实时显示或传到计算机内存实时存储。数据的传送过程是由图像卡 控制的，无需c p u 参与。 v i d e o - p c i s m 图像采集卡基本结构及工作原理如图2 3 所示 一。一一一一一一一。一一。1 ： 磐旧附回 鬈卜_ i 复合视频输入2 l l _ j 。 li 四路复合视频输入经多路开关，软件选择其中一路作为当前输入，输出到a d 进行模数变换。数字化后的图像信号经各种图像处理、如比例缩放、裁剪、位 屏蔽后，利用p c i 总线，传到v g a 卡显示或计算机内存存储。 2 2 5 微机 计量测试工作长期以来以手动测试为主。随着现代科学技术的迅速发展，对计量 测试技术和设备提出了愈来愈高的要求。在这种形势下，发展自动测试是唯一出路 而其本质便是利用计算机“智能”本领来提高计量测试准确度，扩大功能，做许多“人 工”做不了的事情。通过软件来提高测试准确度的思想和方法给计量测试技术开辟了 一条新的道路嘲。 圜圈 图像处理郝分 工程硕士学位论文 3 图像处理部分 3 1 简介 软件作为此测量系统的一部分，它的主要作用就是把c c d 相机拍摄的二维图像二 值化，提取出工件信息，然后进行边缘检测，确定工件边缘在图像中的位置噙1 。从而 实现对工件的测量。 读入散据并 显示图像、 小 灰度校正 山 中值滤波 山 l阚值计算 山 l二值化图像 山 i边缘提取 山 _ ii 图像数据存储 山 图3 3 一维中值滤波 0 2 2l o l33 0134 o566 图3 3 是说明一维中值滤波的实例，变换前的4 * 4 小块图像灰度值如图中所 示，现先以小块图像中第二行像元为例说明之可以看出，第二行四个像元灰度 值分别为0 ，1 ，4 ，3 ，我们设n = 3 ，即先将滤波窗口套在0 ，l ，4 三个像元上( 见 图中实线矩形框) 。将它们按大小顺序重新排列，重新排列后的次序和原来一样， 仍然是0 ，1 ，4 的顺序。所以它们三数的中值为1 ，现在将中值1 放在窗口内三 工程硕士学位论文 基于c c d 图像处理的二维尺寸检测系统 个像元中的中间位置那个像元上，即让这中间像元的灰度值为i ，这个中间像元 原来灰度值为1 ，变换后仍然是l ，也即经中值滤波后该像元灰度值没有变化。 然后再将i n = 1 * 3 的滤波窗口右移一个像元位置，即将窗口再套在1 ，4 ，3 三个 像元位置上( 见图中虚线矩形框) ，这三个像元的灰度值按大小排列为1 ，3 ，4 ， 即中值为3 。现将中值3 代替原来i ，4 ，3 三个像元中的中间像元4 ，即把原来 像元的灰度值4 换成变换后的灰度值3 。这样，第二行经中值滤波后四个像元的 灰度值排列就成为0 ，1 ，3 ，3 ，这可见图中所示变换后的图像。至于第一第三第 四行的中值滤波用同样的方法处理，最后就得到整个变换后的小块图像，其各个 像元灰度值可见图3 3 中的变换后图像。 当然，这个i * n 的滤波窗口，也可以写成m * i 的窗口，即一维中值滤波既可 以按行一维滤波也可以按列一维滤波，应当注意。中值滤波的一个重要因素是滤 波窗口尺寸n 或m 的大小要选择合适，否则图像信息没有变化，起不到滤波作用， 下面的情况就说明了这一点。假如有一幅图像，它的某行像元灰度值随像元位置 的改变而成图3 4 中的阶梯函数形式，即前4 个像素是一个灰级，后4 个像元是 另一个灰级，这对如果设滤波窗口为n = 5 ，对于这8 个像元位置的像元灰度就达 不到滤波目的，即其滤波前后像元灰度信号是一个样的。 灰度 n - 5 c = = = = = ： j jii 变换前像元位置变换后像元位置 图3 4n = 5 时，起不到滤波作用的说明 3 3 2 二维中值滤波 二维中值滤波与一维中值滤波的道理是一样的一般来说。二维滤波器比一 维滤波器更能抑制噪声，二维中值滤波器窗口形状可以有多种，如线状，方形， 十字形，圆形，菱形等1 。不同形状的窗口产生不同的滤波效果，使用中根据图 像的内容和要求加以选择从以往的经验看，方形和圆形的窗口适合于外轮廓线 较长的物体图像，而十字形窗口适宜于有尖顶角的物体图像。本系统中使用的二 维滤波窗口是方形的方形滤波窗口尺寸用m * n 来表示，一般的窗口尺寸都取 m = n = 3 ，m = n = 5 或m = n = 7 等等。其滤波过程，见图3 5 ，设有一个被滤波的图像块， 每一个小黑点代表一个像元，我们使用一个m n = 3 * 3 的滤波窗口。将此窗口套在 图像上，其在图像上覆盖一个3 * 3 的图像小区，小区的中心点打“奉”号处像元 9 图像处理部分工程硕士学位论文 就是要被滤波的像元值。现在将滤波窗口内9 个像元都按灰度值的大小顺序排列， 并找出其中的中值灰度值，将此中值灰度值代替窗口内中心像元点( 打“”号 处像元) 的灰度值这样，对中心像元点上“奉”符号处的二维滤波就完成了。 然后将滤波窗口按行方向移动一个像元位置，对同行右移一个像元位置的像元继 续进行二维中值滤波，一行做完再移向下一行继续处理，直到处理完整个图像为 止。要注意的是，当窗口内噪声点的个数大于窗口宽度的一半时，中值滤波的效 果不好，这是很显然的。 3 4 阈值计算与图像二值化 前面的处理主要是改进图像的显示效果，现在开始分析图像的内容，即找出 图像中我们需要的事物。采用统计模式识别中的图像分割技术。我们可以把图像 分割处理定义为将数字图像划分成互不相交( 不重叠) 区域的过程。 图像分割可以采用三种不同的原理来实现。在利用区域的方法时，把各像素 划归到各个物体或区域中。在边界方法中，只须确定存在与区域间的边界。在边 缘方法中，则先确定边缘像素并把它们连接在一起以构成所须的边界。这三种方 法使要解决的问题更具体。 本系统中，利用区域的方法进行图像分割。使用阈值就是一种区域分割技术， 它对物体与背景有较强对比的景物的分割特别有用。它计算简单，而且总能用封 闭而且连通边界定义不交叠的区域。 当使用阈值规则进行图像分割时，所有灰度值大于或等于某阈值的像素都被 判属于物体所有灰度值小于该阈值的像素被排除在物体之外。于是，边界就成 为这样一些内部点的集合，这些点都至少有一个邻点不属于该物体。如果感兴趣 的物体与其背景有明显的灰度对比度，使用阈值方法效果就很好，这里所处理的 图像便属于这一种。 1 0 工程硕士学位论文基于c c d 图像处理的二维尺寸检测系统 3 4 1 全局阈值化 采用阙值确定边界的最简单做法是在整个图像中将灰度阙值的值设为常数。 如果背景的灰度值在整个图像中可合理的看作为恒定，而且所有物体与背景都具 有几乎相同的对比度，那么，只要选择了正确的阈值，使用一个固定的全局阈值 一般会有较好的效果。 3 4 2 自适应阈值 在许多情况下，背景的灰度值并不是常数，物体和背景的对比度在图像中也 有变化。这时，一个在图像中某一区域效果良好的阈值在其它区域却可能效果很 差。这种情况下，把灰度阈值取成一个随图像中位置缓慢变化的函数值是适宜的。 3 4 3 最佳阈值选择 除非图像中的物体有陡峭的边沿，否则灰度阈值的取值对所抽取物体边沿的 定位和整体尺寸有很大的影响。这意味着后续尺寸( 特别是面积) 的测量对于灰 度阈值的选择很敏感。由于这个原因，我们需要一个最佳的或至少是具有一致 性的方法确定阈值。 3 4 3 1 直方图技术 一幅含有一个与背景明显对比的物体的图像具有包含双峰的灰度直方图。两 个尖峰对应于物体内部和外部较多数目的点。两峰间的谷对应于物体边缘附近相 对较少数目的点，在类似这样的情况下，通常使用直方图来确定灰度阈值的值。 如果图像或包含物体图像的区域面积不大且有噪声，那么直方图本身就会有 噪声。除了凹谷特别尖锐的情况外，噪声会使谷的定位难以辨认，或至少是不同 幅图像得到的结果不稳定，不可靠。 3 4 3 2 自适应阈值 自适应分割技术可用二次处理技术实现。在第一次处理前，先将图像划分成 1 0 0 1 0 0 的像素块。根据各个块的灰度直方图，阈值被确定为背景峰值与数据峰 值的中点。直方图是单峰的块则不予考虑 在第一次处理中，物体的边界在每块中用各自固定的阈值确定，但各块间阈 值并不相同。而如此做的目的并不是要把这样定义的物体从图像中抽取出来，而 是计算每个物体内部的平均灰度值 在第二次处理中，每个物体使用各自的阈值，该值由内部灰度值和它的主块的背 景灰度值的中间值定义。 图像处理部分 工程硕士学位论文 综合考虑了各阈值计算方法的优缺点，并做了大量的试验之后，本系统中， 我们采用了o t s u 提出的类判别分析法寻找闺值。用该阕值得到的二值图像有较 好的分离特性1 。具体的方法如下： 1 ，计算输入图像的灰度直方图 用灰度级概率函数p h s ( i ) 来表示 2 ，计算灰度均值( a v e ) 2 5 5 a v e = ( f 1 ) p 加( o ( 1 1 ) 3 ，计算灰度类均值a v e r ( k ) 以及类直方图和w ( k ) r a v e r ( k ) 2 ( i + 1 ) p h a ( i ) ( 1 2 ) 0 焉( k ) = 胁( f ) ( 1 。3 ) i = i 4 ，计算类分离指标 q ( k ) = a v e * w ( k ) - a v e r ( k ) 2 w ( k ) 木( 1 一霄( k ) ) l ( 1 4 ) 5 ，求使q 最大的值。 最佳阈值：t = k - i( 1 5 ) 二值图像也就是只具有两个灰度级的图像。利用灰度图像直方图阈值可 以实现灰度图像的二值化。图像二值化的阈值处理方式如下： f ( i 。j ) = l ：f ( i ，j ) t ( 1 6 ) f ( i ，j ) = 0 ：f ( i ，j ) 2 t ( 1 7 ) 用f ( i j ) = 1 的部分表示物体，用f ( i ，j ) = o 的部分表示背景。 3 5 边缘抽取 确定图像中的物体边界的一种方法是先检测每个像素和其直接邻域的状态， 以决定该像素是否确实处于一个物体的边界上。具有所须特性的像素被标为边缘 点。 一幅边缘图通常用边缘点勾画出各个物体的轮廓，但很少能形成图像分割所 需要的闭合且连通的边界。因此需要另一个步骤才能完成物体的检测过程边缘 点连接就是一个将邻近的边缘点连接起来从而产生一条闭合的连通边界的过程 。这个过程填补了因为噪声和阴影的影响所产生的间隙 3 5 1 边缘检涌 如果一个像素落在图像中某一个物体的边界上，那么，它的领域将成为一个 工程硕士学位论文 基于c c d 图像处理的二维尺寸检测系统 灰度级变化的带。对这种变化最有用的两个特征是灰度的变化率和方向，它们分 别以梯度向量的幅度和方向来表示 边缘检测算子检查每个像素的领域并对灰度变化率进行量化，通常也包括方向的 确定。有若干种方法可以使用，其中大多数是基于方向导数掩模卷积的方法。有几种 常用的边缘检测算子：r o b e r t s 边缘算子、s o b e l 边缘算子、p r e w i t t 算子、k i r s c h 边缘算子m ，。 由上述边缘算子产生的边缘图像看起来很相似。它们看起来象一个绘画者从 图片中做出的线条画。r o b e r t s 算子是2 * 2 算子，对具有陡峭的低噪声图像响应 最好其它三个算子都是3 * 3 算子，对灰度渐变和噪声较多的图像处理较好。 使用两个掩模板组成边缘检测器时，通常取较大的幅度作为输出值。这使得 它们对边缘走向有些敏感。取它们的平方和的开方可以获得性能更一致的全方位 响应。这与真实的梯度值更接近。 值得注意的是，3 * 3 的s o b e l 和p r e w i t t 边缘算子可扩展成八个方向，故可以获 得较好的边缘图。在本系统中，我们采用了s o b e l 边缘算子来实现边缘检测。 s o b e l 边缘算子 对于数字图像的每一个像素，考察它上、下、左、右领域灰度的加权值，把 各方向上( 0 ，4 5 ，9 0 , 1 3 5 方向) 的灰度加权之和作为输出，可以达到提取图像 边缘的效果 图3 6s o b e l 边缘算子卷积核 s o b e l 边缘算子卷积核有多种形式，有的对垂直边缘响应最大，有的对水平 边缘响应最大。这里我们使用的卷积核是对倾斜4 5 。角方向响应最大。其卷积核 形式如图3 6 所示图像中的每个点都用这两个核做卷积，卷积的最大值作为该 点的输出值，运算结果是一幅边缘幅度图像。 3 5 2 边缘连接 如果边缘很明显，而且噪声级很低，那么可以将边缘图像二值化，并将其细 化为单像素宽的闭合连通边界图然而，在非理想条件下，这种边缘图像会有 1 3 图像处理部分工程硕士学位论文 间隙出现，需要加以填充。 这里，我们只对h o u g h 变换来实现边缘连接加以介绍。 h o u g h 变换 直线y = m x + b 可用极坐标表示为 p 。x c o s ( o ) + y s m ( e ) ( 2 i ) 其中( p ，0 ) 定义了一个从原点到线上的最近点的向量( 图3 7 ) 。这个向量与该直 线垂直。考虑一个以参数p 和口定义的一个二维空间。x ，y 平面的任一直线对应 了该空间的一个点。因此，工，y 平面的任一直线的h o u g h 变换是n 口空间中的一 个点。 ( a (”【 图3 7h o u g h 变 现在考虑x ，_ y 平面的一个特定的点o - ，- ) 。过该点的直线可以有很多，每一 条都对应了岛毋空间中的一个点然而这些点。必须满足以z t 和y ，作为常量时的 等式( 2 1 ) 。因此，在参数空间中与工，y 空间中所有这些直线对应的点的轨迹是 一条正弦型曲线，而x , y 平面上的任一点( 图3 7 b ) 对应了p ，占空间的一条直线 的参数( 图3 7 c ) 。为了找出这些点所构成的直线段。我们可以建立一个在p ，0 空 1 4 工程硕士学位论文基于c c d 图像处理的二维尺寸检测系统 间的二维直方图。对每个边缘点( 毛，儿) ，我们将给所有与该点的h o u g h 变换( 正 弦曲线) 对应的岛护空间的直方图方格一个增量。当对所有边缘点施行完这种操 作后，包含( 岛，岛) 的方格将具有局部最大值。然后对岛口空间的直方图进行 局部最大值搜索，可以获得边界线段的参数。 二维尺寸测量原理及软件实现工程硕士学位论文 4 二维尺寸测量原理及软件实现 4 1 二维尺寸测量原理分析 4 1 1 采用的测量方法概述 一项测量工作，实际上是信号输入、变换、处理和输出的过程，因此可用 系统的观点进行分析，并将其分成若干要素，这些要素有机地联系在一起，构成 整个测试系统。对于动态测试和多参数测量，有时可将其再分成若干子系统，每 个子系统又分成若干要素。一般情况下，一个测试系统包括：1 、人员；2 、被测 对象：3 、计量仪器和测量方法；4 、有关的器材、能源等：5 、计量环境等五个 要素。任何测量测试工作，都必须首先确定计量目的和具体技术要求，然后经过 选择和组合，使得：1 、测试系统全部要素的性质、功能、状态等，适合于测试 目的；2 、各要素之间的关系和条件，适合于整个系统的功能要求。 测试系统的种类非常多，每个物理量都可以根据其技术特性和操作特点用很 多种方法进行测量。随着科学技术的不断发展，测量方法还会不断增多。 为了探讨这些测量方法的特征，正确选择测量方法，就要对测量方法加以分 类。 按被测量值的获得方法，可分为直接测量法和阅接测量法两类；按测量器具 的敏感元件是否与物体接触原则，可分为接触测量法和非接触测量法两类。 此外，按读数是否为被测之量的整个数值分为绝对测量和相对比较铡量；根 据零件上同时被测参数的多少及参数的特性分为单项测量和综合测量；按测量在 工艺过程中所起的作用分为主动测量和被动测量、中间测量与终结测量( 验收测 量) ；按被测的量或零件与敏感元件之间的联系，在测量过程中所处的状态可分 为静态测量和动态测量等。 图4 1 自动测试系统框图 根据被测对象的种类，计量仪器仪表的结构原理，测量方法。操作过程，环 境影响。数据变换及处理方法等等的不同，可以构成不同的测试系统：手动测试 系统，自动测试系统和测控系统等。通常把测量数据、分析与处理、显示与记录 工程硕士学位论文基于c c d 图像处理的二维尺寸检测系统 等自动进行的测量装置，称为自动测量装置或自动测试系统。其总的框图如图4 1 所示。 此系统中的测试仪器是自动测量设备，变量v 作为此设备的输入信号而进入 的，被测值y 是作为输入信号的响应而输出的信号，可直接提供给测试人员，也 可经处理机构处理后，在提供给测试人员或输入电子计算机储存，整个过程都自 动进行。在人员无法直接操作，或者人工操作不可能完整、可靠时，必须采用自 动测试系统。在自动化生产流程中，有些是封闭的，此时自动测试系统是整个流 程的组成部分，自动测试系统的构成大致分为三部分，如图4 2 所示。 图4 2 自动测试系统的构成 其第二部分中间变换器中，包括量值处理链和数据处理链( 或称传输变换器) ， 其中量值处理链只改变了信息的量值，并未改变其原有的物理性质，如放大器，衰 减器等数据处理链则改变了信息的位置，经过检波，滤波后传输到新的单元中。 从测量测试系统的总体构成来看，三个部分又可分为若干环节的测量链，它 们是仪器或装置中一系列的构成单元，形成从输入到输出的信号通道在此过程 中，信号不断地经过变换，达到可以显示，记录或处理的程度，这些小的环节，即称 为测量链。由于不同的测量仪器有不同的结构原理，所包含的测量链或变换器的 种类和作用也不同，其数量和前后次序也不同，有时一个测量链可能出现多次， 有时一个链能起几个链的作用，故上述划分只是一般性的概括。 总之，组建一个自动计量测试系统，应根据计量测试任务的要求来考虑硬件 系统的组成。软件是其另一个组成部分，系统测试能力要靠软件来发挥。因此， 组建一个自动测试系统，因考虑和解决下列主要问题： 1 测试任务分析； 2 选择仪器： 3 选择控制器； 4 。解决接口问题； 5 组建所须测试系统； 6 准备软件系统： 7 编制测试程序： 8 编制测试系统的文件 1 7 二维尺寸测量原理及软件实现 工程硕士学位论文 在上列各项问题之间，常互有牵连，需在各问题之间反复考虑，以获得一个 优良的自动测试系统。 4 1 2 测量原理分析 本系统所实现的是非接触自动测量。 接触测量是测量装置的敏感元件( 测头) 与被测工件表面发生机械接触并有 机械作用力。为了保证接触的可靠性，测量力是必要的，但它可能使测量器具或 工件产生变形，从而造成测量误差m 1 。尤其在绝对测量时，对于软金属或薄结构 易变形工件，接触测量可能因变形造成较大的测量误差，或划伤工件表面。 非接触测量是测量装置的敏感元件与被测工件表面不直接接触，因而没有机械 作用的测量力。此时，可利用光、气、电、磁等物理量关系使测量装置的敏感元件与 被测工件表面联系。非接触测量没有测量力引起的误差，因此特别适宜于薄结构，小 尺寸易变形工件的测量。但这种测量方法要求工件定位可靠，没有颤动，并且表面清 洁。 自动测量是利用计算机“智能”本领来提高测量测试的准确度，扩大功能， 傲许多“人工”做不了的事情。在本系统中，由于采用了微机求解工件尺寸偏差 等参数，消除了主要系统误差，使测量精度提高了卜2 个数量级。 对于本系统采用的相对测量方法，它是将被测量进行比较，比较后的所得值， 则是被测量相对于某一标准值的偏差值，其原理如图4 3 所示。被测量为轴径d ， 量块的尺寸l 是轴径的标准尺寸，比较仪测量的是被测件相对于标准件的轴径偏 差值缸，因此，轴径的值为：d = l + 址 图4 。3 相对测量原理 本系统中二维尺寸测量采用相对测量法。由于它是两幅图片的工件尺寸相减 ，故此种方法较绝对测量法相比它可以消除测量过程中的一些系统误差，提高 测量精度 工程确士学位论文 基于c c d 图像处理的二维尺寸检测系统 山 数字图像处理嚣 图4 4 相对测量软件流程图 图4 4 所示为相对测量软件流程图。当所采集信号经一系列处理后，程序开 始执行测量。首先选择测量状态，即标准件测量或工件测量。若选择标准件测量， 程序将自动弹出对话框。输出所要测尺寸的测量值，单位为像素( p i x e l ) ，在此 对话框中输入标准件的实际尺寸，单位为毫米( 叫) ，系统将这两个值存储起来， 以作为相对测量的基准。这时可重新输入另一幅图像，同样进行一系列处理之后， 选择测量状态。若为工件测量，系统自动弹出另一个对话框，显示工件的测量尺 寸及其尺寸偏差。 b sg s 一= 一 由于工件测量尺寸与实际尺寸之间是线性关系：幻 ( 3 1 ) 故测量公式为：5 筹。船一缸 ( 3 2 ) 1 9 二雏尺寸测量原理及软件实现工程颈士学位论文 式中： g e 一工件尺寸偏差； g c 一工件测量尺寸 g s 一工件实际尺寸； b s 一标准件实际尺寸； b c 一标准件测量尺寸； g e 为“+ ”表示被测工件为正偏差，为“一”表示被测工件为负偏差。 4 i 3 测量范围讨论 此系统所采用的c c d ，其成像区域面积为6 4 ( h ) 4 s ( v ) m m ，由于我们采用了 放大倍率为3 的成像物镜放大系统，故所测工件在成像方向的尺寸必须是小于 ( 6 a ( h ) x 4 8 ( v 1 ) 3 r a m 。 ( 4 ，1 ) 如果我们想获得更高的测量精度，使每个像素所代表的实际尺寸缩小，可以 通过提高成像物镜的放大倍率来加以实现。但是，根据上面的分析，这样做会造 成测量范围的缩小。因此，如果希望既提高测量精度又不使测量范围缩小，我们 可以通过使工件被测尺寸的一边作为起点来定位，另一边通过c c d 成像。通过这 一边在c c d 像面上位置来确定工件的尺寸偏差。这样，此系统具有广泛的适用性， 对各种形状，各种尺寸的工件都可以进行测量。 4 2 三维尺寸测量方法及原理分析 4 2 1 几种用于三维物体测量的方法介绍 三维尺寸、三维面形测量是现代工业中一个十分重要的技术，即视觉测试技 术它在社会生活的许多方面都将得到运用，但同时它的实现方法又成为人们广 泛研究的课题，例如：全息干涉术三维测量系统、莫尔干涉术三维测量系统等等。 下面对它们作一简单介绍： 全息干涉术三维测量系统 全息干涉术三维测量系统，主要是通过全息等高线术来实现。利用等高线可 以显示一个三维形状。从而，我们可以通过三维形状来得出物体各个方向的长度 尺寸 得到全息等高线图的方法有多种，其中最常用的是：双光源照明法和双波长 法” 工程碗士学位论文基于c c d 图像处理的二维尺寸检测系统 图4 5 双光源照明法原理 双光源照明方法是应用两个不同的照明光源q i 和幺，在同一全息干板h 上进行 曝光。可以使两个照明光源同时曝光，也可以分别地曝光由于用两个光源照明，所 以对同一物点d 的两个像产生位相差。如图4 5 所示，若参考光源与重现光源相同， 即r ；c ，照明光源波长与重现光源波长相同，则在物点o 两个像的位相差是鲁 纠：莩以：孚她0 1 一 q ：o d ( 5 1 ) 两重现像点干涉形成干涉条纹当= 2 m 万( m = o ，1 ，乏) ，即 善 q l d q 2 0 = m a ( 5 2 ) 获得亮条纹。式( 5 2 ) 确定了一严格同焦的旋转双曲面，其焦点在q l 和q 2 ，旋 转轴是q l q 2 。若q l 和q 2 位在无限远，即q l 和q 2 在准直透镜的焦点上，那么双曲 抛物面变成一个严格的平行平面，其间隔为 | i ：竺：去 ( 5 3 ) 易伤2 豳昙 z 式中p 一两平行光束间夹角。 也就是，用一组等间隔的平行平面来照明物体，当沿垂直于照明平面方向观 察物体时就能看到等高线图。等高线的间隔就是照明平面间的距离。改变等高 线间距，可以获得不同的灵敏度。 双波长法是应用两不同波长对同一张全息图进行曝光，用b s o 晶体或光导热 塑料等记录，产生取决于物点d 位置的位相差。因物光束和参考光束均含有两个 波长 和五，而此二波长又互不相干，所以记录的全息图是物体的两个互不相干 2 l 二维尺寸测量原理及软件实现工程硕士学位论文 的全息图的叠加。再现时，若只用一个波，例如向照明，则物体每一点都再现出两 个球面波前。倘若参考光源与再现光源重合，那么对于每一物点d 都重现两个像且和 岛，两像具有不同的位相，也不重合，仅像点岛与原物点d 重合 两像的横向错位会导致干涉条纹对比度下降，两像也不一定位于物体上。通 过记录时应用两不同的参考光源位置可以使两像点在物体上近似的横向重合，如 图4 6 所示 图4 6 双波长等高线全息术原理图 设物点d 到全息图距离为z ，当用如照明全息重现时，重现像b 2 到全息图距 离为，因为z ，= 知= o d ，按照重现像的坐标公式： 计算的重现像蜀到全息图的距离毛是 铲知 两像点b i 和易间的位相差是 叫= 他。卜【d p 哎署一等 当矿= 2 m 石b = o ，士1 ，控，) 时，上式变为 朋捣2 如】+ 例 ( 5 4 ) ( 5 5 ) ( 5 6 ) ( 5 7 ) 式( 5 7 ) 确定了一个严格的同焦的旋转椭圆面，其焦点在q 和p ，旋转轴为q p 被物体切割的等高线距离，即两相邻椭圆面间距离是 2 2 一 = z 工程硕士学位论文 基于c c d 图像处理的二维尺寸检铡系统 h ；垄生( 5 8 ) 2 ( 五一丑) 莫尔干涉术三维测量系统 莫尔干涉