（光学工程专业论文）显微ccd微机系统微小物体二维尺寸自动测试.pdf

摘要 随着激光加工技术、微机械等的发展，对微小物体的非接触、高精度、自动测试 的要求在不断提高。本文研制了一种测量微小物体尺寸的显微c c 旷微机系统，编写了 测试程序。 系统的硬件部分主要由二维可移动平台、显微物镜、c c d 相机、反射棱镜，图像采 集卡和微机组成。并通过v i s u a lc + + 程序完成了对微小物体二维尺寸的高精度，非接 触，自动地检测。显微物镜作为成像系统，c c d 相机作为接收器件放在显微物镜的像面 上，这样被放大的工俘就可以清晰的成像在c c d 接收面上。图像经采集卡将模拟信号 转换为数字信号输入到微机中用v i s u a lc + + 程序进行处理。 作为实例，我们为测量了一个玻璃微珠的球度和一个矩形工件的尺寸，测量结果 和尺寸偏差自动地在计算机的监视器上显示出来，测量误差小于3 口i l l 。 关键词：显微物镜c c d 相机数字图像处理高精度非接触自动微小物体 w i t ht h e d c v e l o p m e m o fl a s e rp r o c e s st e c h n o l o g ya n dm i c r o - m a c h i n e r y , t h e r e q u i r e m e n to fh i 曲a c c u r a c y , n o n - c o n t a c tt e s t i n gf o rm i c r o - o b j e c ti si n c r e a s i n g i nt h i sp a p e r , a m i c r o l e n s c c d c o m p u t e rs y s t e mw a sd e v e l o p e d w h i c hc a nt e s tt h es i z eo fm i c r o - o b j e c t w i t hh i 曲c u r a c y , n o n - c o n t a c t ，a u t o m a t i ca n dc o m p i l e dt e s t i n gp r o g r a m t h eh a r d w a r eo ft h i ss y s t e mi sc o m p o s e do f2 dm o v a b l cs t a g e , m i c r o s c o p e ，c c d c a m e r a , r e f l e c t o rp r i s m , f r a m eg r a b b e rb o 枷a n dc o m p u t e r d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gi s i m p l e m e u t c dt h r o u g hv i s u a lc + + p r o g r a m t h em i c r o s c o p eb eu s e da si m a g i n gs y s t e m , c c dc a i i l e r ai sp l a c e di nt h ei m a g ep l a n eo ft h e 蜘c o p es y s t e ma sr c c c i - a ：r , t l ot h e m a g n i f i e di m a g e so ft h ew o r kp i e c ew i l lb ei m a g e dc l e a r l yi nt h es e n s i t i v ep l a n eo fc c d c a m e r a t h ei m a g ei st r a n s f o r m e db yf r a m eg r a b b e rb o a r d ，n a m e l yt h ec o l l e c t e ds i g n a lw i l l b et r a n s f o r m e df o r ma n a l o gt od i g i t a l ，a n db c s c u tt op r o c e s sb yt h ec o m p u t e r a sa ne x a m p l e ，t e s tt h es p h e r i c i yo fag l a s sb e a da n dt h es i z eo faw o r kp i e c eo fr e c t a n g l e t h eo u t c o m eo ft e s ta n dt h es i z ed e v i a t i o nw i l lb ed i s p l a y e dd i r e c t l yo i lt h es c r e e n , t h er e s u l t s h o w st h a tt h ei n s t r u m e n th a sh i g ha c c u r a c ya b o u t3 tm k e yw o r d s ：m i c r o s c o p ec c dc a m e r a u o n c o i l t a c ta u t o m t i c d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gh i 咖a c c u r a c y m i c r o - o b j e c t 长春理工大学硕士学位论文原创性声踢 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，显微- c c d 。微机系统微小物体二 维尺寸自动测试是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者魏奁立碉塑墨年玉一月型日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。也可采用影印：缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 。 储虢避牡卫b 立月丑日 指导导师签名：亏幻笙：绛土月二丛日 1 1 弓i 言 第一章绪论 测试是加工的极限。随着微机械、激光等加工技术的发展，对非接触、高精度、 实时测试微小物体的要求越加追切。新的测试方法，新的测试仪器在不断研究。其中， 把光学非接触、高精度的方法与电子图像细分( 像素) 方法相结合，把光电检测方法 和计算机数字图象处理方法相结合使微小物体的测试技术发展到一个新的阶段。 本文研制了一种测量微小物体尺寸的显微c c d 微机系统，编写了测试程序。系统 的硬件部分主要由二维可移动平台、显微物镜、c c d 相机、反射棱镜，图像采集卡和 微机组成。并通过v 搐- u a lc + + 程序完成了对微小物体二维尺寸的高精度，非接触，实 时检狈女。文献“微小尺寸精度图像处理检测系统的研究”采用的“双峰法”确定灰 度阈值，是人工选取阈值，该方法适用于目标物体和背景的对比度要求不高的图像， 受人为因素影响且不能实现自动测量。 文献“n o n - c o n t a c ta n da u t o m a t i cm e a s u r e m e n to f2 - ds i z ew i t hc c dm a t r i xa n d c o m p u t e rs y s t e m “2 1 先对采集的图像进行边缘提取，之后用鼠标点击任意两点来测量两 点间的距离，这种方法可以测量任意形状物体的任意两点间尺寸，但不能实现对工件 的自动测量，且其中也存在选取被测距离时操作人员主观因素造成的测量误差。文献 “利用数字图像处理技术测量几何尺寸”“1 中测量尺寸是先对工件的边缘提取后再进 行边缘测量，这种方法测量精度较高，但如果边缘不连续，还要用到曲线拟合对不连 续的边缘进行连接，这样就会增加测量时间。 我们克服了上述的不足，研制了显微- c c d 一微机系统，将光学系统，c c d 相机、采 集卡和微机结合起来得到工件的图像，并通过v c + + 程序对所采集的工件图像进行处理 和测量。放大倍率为三倍的显微物镜作为成像系统。c c d 相机作为接收器件放在显微 物镜的像面上，这样被放大的工件就可以清晰的成像在c c d 接收面上。图像经采集卡 将模拟信号转换为数字信号输入到微机中用v i s u a lc + + 程序进行处理。该方法不仅能 测量一些工件，如圆形、椭圆形、矩形和三角形的尺寸，还可以测量任意形状工件的 周长及面积。该方法可用于工件的在线检测，及时控制产品的质量，减少浪费，提高 生产效率。 1 2 国内外发展现状 测试测量是人们从客观事物中提取所需信息，借以认识客观事物并掌握其客观规 律的一种科学方法；测试测量技术则是通过测试手段实现上述方法的技术。 测试测量技术是应用学科，应用推动着测试测量和仪器研究的进步与发展。近1 0 余年来，由于信息技术快速、密集的渗透和扩展使测试测量及其仪器受到深刻的影响 和严唆的挑战。测试系统中的新原理、新方法和新的制造工艺在信息学的影响下不断 涌现，特别是测试技术、仪器技术与软件技术之间的响应日益快速、交融日益紧密， 使得测试系统在大型、复杂、高精确度、多功能等方面出现了一次又一次的跨越。从 目前世界趋势看，工程系统的测量测试手段正在被快速发展的智能测试和虚拟测试技 术逐渐取代。 目前，国内测量技术的研究及仪器设备水平与国外比较还有一定差距，与国内快 速发展的制造业很不协调。同时也应看到，当前全球同步发展的计算技术、信息技术， 高性能器件、全球市场的开放和融合，加之国内制造业的兴起等，为国内测量技术及 仪器设备的振兴提供了现实的机遇。加强测量技术研究，提高仪器设备性能应当成为 当前乃至今后一段时期国内制造领域内的一项重要任务。 1 2 1 研究现状 当今发展和制造技术快速进步引发了许多新型测量问题，推动着传感器、测试测 量仪器的研究与发展，促使测量技术中的薪原理、新技术、新装置系统不断出现。和 传统的测量技术比较，现代测量技术呈现出一些新的特点。 ( 1 ) 测量精确度不断提高，测量范围不断扩大。在上世纪的后5 0 年，一般机械加 工精确度由0 1 瑚量级提高到0 0 0 1 n 皿量级，相应的几何量测量精确度从lnm 提高到 0 o l o 0 0 1 | lm ，其间测量精确度提高了3 个数量级，这种趋势将进一步持续。随着 m e m s 、微纳米技术的兴起与发展，以及人们对微观世界探索的不断深入，测量对象尺 度越来越小，达到了纳米量级；另一方面，由于大型、超大型机械系统( 电站机组、航 空航天制造) 、机电工程的制造、安装水平提高，以及人们对于空间研究范围的扩大， 测量对象尺度越来越大。导致从微观到宏观的尺寸测量范围不断扩大，目前已达1 0 。5 1 0 巧的范围，相差4 0 个数量级之巨。， ( 2 ) 从静态测量到动态测量，从非现场测量到现场在线测量。静态测量使科学研究 从定性科学走向定量科学，实现了人类认识的一次飞跃。现在乃至今后，各种运动状 态下，制造过程中，物理化学反应进程中等动态物理量测量将越来越普及，促使测量 方式由静态向动态的转变。现代制造业已呈现出和传统制造不同的设计理念、制造技 术，测量已不仅仅是最终产品质量评定的手段，更重要的是为产品设计、制造服务， 为制造过程提供完备的过程参数和环境参数，使产品设计、制造过程和检测手段充分 集成，形成一体的具备自主感知一定内外环境参数( 状态) ，并作相应调整的“智能青口 2 造系统”，要求测量技术从传统的非现场、“事后”测量，进入制造现场，参与到制 造过程，实现现场在线测量。 ( 3 ) 从简单信息获取到多信息融。传统测量问题涉及的测量信息种类比较单一，现 代测量信息系统则复杂得多，往往包括多种类型的被测量，信息量大，如大批量工业 制造的在线测量，一天的测量数据高达几十万，又如产品数字化设计与制造过程中， 包含了巨量数据信息。巨量信息的可靠、快速传输和高效管理以及如何消除各种被测 量之间的相互干扰，从中挖掘多个测量信息融合后的目标信息将形成一个新兴的研究 领域，即多信息融合。 ( 4 几何量和非几何量集成。传统机械系统和制造中的测量问题，主要面对凡何量 测量。当前复杂机电系统功能扩大，精确度提高，系统性能涉及多种参数，测量问题 已不仅限于几何量，而且，日益发展的微纳米尺度下的系统与结构，其机械作用机理 和通常尺度下的系统也有显著区剐。为此，在测量领域，除几何量外，应当将其他机 械工程研究中常用的物理量包括在内，如力学性能参数、功能参数等。 ( 5 ) 测量对象复杂化、测量条件极端化。当前部分测量问题出现测量对象复杂化， 测量条件极端化的趋势。有时候需要测量的是整个机器或装置，参数多样且定义复杂； 有时候需要在高温、高压、高速、高危场合等环境中进行测量，使得测量条件极端化。 ( 6 ) 虚拟仪器技术获得了广泛应用。虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是日益发展的 计算机硬件、软件和总线技术在向其他技术领域密集渗透的过程中，与测试技术、仪 器技术密切结合，共同孕育出的一项全新成果，其核心是：以计算机作为仪器统一的 硬件平台，充分利用计算机独具的运算、大容量存储、回放、调用、显示以及文件管 理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结 合起来融为一体，从而构成一台外观与传统硬件仪器相同，功能得到显著加强的，充 分享用计算机智能资源的全薪仪器系统。 从2 0 世纪8 0 年代中期美国推出虚拟仪器以来，至今已产生了l a b v i e w 、h p v e e 等 国际上流行的开发系统，在虚拟智能测试方面积累了一定的资源。9 0 年代末至2 l 世纪 初，重庆大学提出了“智能虚拟控件”( i v c ) 的概念原理，建立了信号变换的统一模型， 奠定了这一新型仪器模式的理论基础，在此基础上研制成功了“v m i d s ”开发系统，使 虚拟仪器出现了一种新的模式。此外，用户按自己的测试测量需要自行开发组建的专 用测试仪器虽然分散，但也是百花齐放。应该说通过产品生产和用户开发已经分散地 形成了相当数量的测试功能和仪器资源。但是由于现行虚拟智能测试在原理上尚无更 新的突破，因此使得这些资源在数量上还不能形成强有力的、遍行学科和行业的技术 资源，还不足以提供全方位的系统测试手段。出现上述情况的深层原因之一是迄今为 3 止虚拟智能测试系统尚未建立统一的模型，功能软件的优势虽能取代大部分硬件部件， 但仍未摆脱硬件仪器单机系统的制造和调用形式；软件的功能虽提高了仪器的灵活性 和开放性，但在制造上没有引入深度集成的原理和方法，所以还难以从根本上改变目 前虚拟智能测试的模式，因此需要创建一个全新的、具有更丰富内涵的虚拟测试功能 系统。 工程技术的发展及制造业的进步，深刻影响着传感、测量和仪器的研究，新型测 量问题将不断出现，研究内容不断更新，且相比已有测量技术有新的特点和研究方法。 传感、测量和仪器的研究应当针对测量领域内出现的新问题、新特点，以发展的眼光， 前瞻性思维，立足于要解决的主要问题，结合未来测量科学与技术的发展趋势，提倡 学科交叉，重视应用基础研究成果，研究新的测量原理、方法、技术和典型解决方案， 为机械科学和先进制造提供可靠测量技术支持。 1 ，2 ，2 发展趋势 当前的传感、测量和仪器在机械系统和制造过程中的作用和重要性较之过去有明 显提高，已作为必须的组成部分参与到系统的功能中，这种地位的变化，加之机械及 制造技术的快速发展导致对传感、测量和仪器的研究不断深入，内容不断拓展。当前 乃至将来一段时间内，本领域内研究的问题主要集中在传感原理、数字化测量、超精 密测量、测量理论及基准标准等方面。涉及的共性问题有：新型传感原理及技术，先 进制造的现场、非接触及数字化测量，机械测试类仪器“有界无限”统一模型的建立 及实现，超大尺寸精密测量，微纳米级超精密测量，基准标准及相关测量理论研究等， 上述问题的研究也是测量技术研究领域内最具活力、最有代表性的研究方向。 ( 1 ) 新型测量问题的不断出现和最终解决有赖于传感原理和测量传感器研究的创 新。综合目前国内外研究状况，该领域大致有两方面主要工作：研究开发全新传感器 原理和传感器；深入研究和改进已有的传感原理和传感器，以获得更好的性能。前者 如近年来获得广泛关注的基于m e m s 工艺的集成多参数传感器、耐高温压力传感器、微 惯性传感器、光纤传感器等；后者如电容、电感、电涡流、光栅尺、磁栅尺、观测型 扫描电镜、激光干涉仪等传统传感器的深入原理研究和性能改进措施。 ( 2 ) 传统的制造系统中，制造和检测常常是分离的，测量环境和制造环境不一致， 测量的目的是判断产品是否合格，测量信息对制造过程无直接影响。现代制造业已呈 现出和传统制造不同的设计理念、制造技术，测量技术应当从传统的非现场、“事后” 测量，进入制造现场，参与到制造过程，实现现场在线测量。现场j 在线测量的共同 问题包括非接触、快速掼8 量传感器研制与开发，测量系统及其控制、测量设备与制造 设备的集成几方面。近年来数字化测量的迅速发展为先进制造中的现场、非接触测量 4 提供了有效解决方案，多尺寸视觉在线测量、数码柔性坐标测量、机器人测量机、三 维形貌测量等数字化测量原理、技术与系统的研究取得了显著的研究成果，并获得成 熟的工业应用。 多传感器测量及测量信息融合技术是现代测量计量技术出现的新特点，现代复杂 机电系统涉及信息多，测量信息量大，传感器数量较多，多源巨量信息分析评估困难， 需借助数据融合理论进行处理，多传感器测量应用中的数据融合技术正逐渐成为提升 测量系统性能的关键技术之一。 1 3 研究内容 本课题旨在采用计算机图像处理方法，通过v c + + 程序对c c d 所采集图像进行图像 处理使工件图像二值化，同时对被测工件尺寸进行检测，实现了对微小物体二维尺寸 的高精度，非接触，自动检测。成功地解决了传统工件尺寸测量仪的低效、低精度、 操作复杂、难于实现在线测量等阻碍生产发展的问题。在这里也我们讨论了基于双 目立体视觉原理测量物体三维信息的原理。 因此，研究工作包含以下一些主要内容： ( 1 ) 测量装置的组成； ( 2 ) 编写图像处理与检测程序； ( 3 ) 实验研究和结果分析； ( 4 ) 物体三维测量理论的讨论； ( 5 ) 总结与展望对全文内容进行总结，对今后工作进行展望。 该系统中光学成像部分，主要由显微物镜组成，用c c o 作为显微物镜的接收面来 代替传统的显微物镜测量中的分划板和目镜，使被放大的物体的像用c c d 相机来接收， 通过图像采集卡实现a d 转换，不仅避免了人为误差，而且大大提高了精度，满足了 现在高精度测量的要求。用v c + + 软件编写数字图像处理和检测程序，v c + + 软件的界面 操作简单，处理速度快，图像处理中的阈值处理采用了迭代闽值分割方法，该算法通 过迭代的方法求出分割的最佳阈值，具有一定的自适应性，同时实现了该程序的自动 测量。该系统既可实现绝对测量，也可以实现相对测量，在第四章我们给出了测量一 个工件的矩形内孔和一个玻璃微珠的球度作为实例，其中玻璃微珠的最小半径为十几 微米，考虑增大该系统的测量范围，选用的放大倍率为3 倍的显微物镜，测量精度为 3 肼。可以根据测件的精度要求选择不同倍率的显微物镜，提高显微物镜的放大倍率 和c c d 相机的分辨率均可以提高测量精度。例如，如果选用放大倍率为l o 倍的显微物 镜，则该系统的分辨率将提高3 3 3 倍，测量精度到达1 口m 。同时，本文也重点讨论了 基于双目立体视觉原理测量物体三维信息的原理，物体的三维测量是本课题下一步研 5 究的重点。 1 ，4 小结 在制造业中，质量保证的理想目标是实现生产的零废品制造。在实现这个目标 的过程中，精密测试技术的作用和重要意义是不言而喻的。本文研剑的显锾c c d 微机系统实现了对微小物体的高精度、非接触、自动检测，可用于工件的在线检测， 及时控制产品的质量，减少浪费，提高生产效率。它必将对国防、国民工业等方面产 生积极而有意义的影响。 6 第二章测试系统原理组成 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 虑本文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。 2 4 3 6 1 光源2 工作台3 旋测工件4 一显微物镜5 - c c d 相机6 微机 图2 1 测量装置示意图 图2 1 示出了显微一c c d 一微机系统示意图，本装置主要包括：工作平台、显微 物镜、c c d 相机、微机系统等。显微物镜使被测工件成像在c c d 的接收面上，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和检测。 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 接收面上，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 接收面，通过a d 转换， 将数据保存于微机中，以便对其进行测量。 7 2 2 主要器件 2 2 1m 作台 本装置所设计的工作台为二维可移动式，上下移动可以调节c c d 像面位置，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。 2 2 2 显微物镜 图2 2 成像系统原理 成像系统包括两部分，一是显微物镜，二是反射棱镜，显微物镜的作用是将被测 件的尺寸放大，反射棱镜起到折转光路的作用，使被测工件成像在c c d 接收面上，以 便于观察和测量。考虑增大系统的测量范围和c c d 接受面的尺寸限制，系统采用的是 数值孔径n a = o 1 5 ，放大倍率芦- 3 。的显微物镜，这样测量该系统的测量范围为 2 1 3 ( 1 ) x 1 6 ( w ) m m 。 2 2 3c c d 相机 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 ) 是一种以电荷为信号载体的微型图像传 感器，具有光电转换和信号电荷存储、转移及读出的功能，其输出信号通常是符合电 视标准的视频信号，可存储于适当的介质或输入计算机，便于进行图像存储、增强、 识别等处理。 自c c d 于1 9 7 0 年在贝尔实验室诞生以来，c d 技术随着半导体微电子技术的发 8 展丽迅速发展，c c d 传感器的像素集成度、分辨率、几何精度和灵敏度大大提高，工 作频率范围显著增加，可高速成像以满足对高速运动物体的拍摄，并以其光谱响应宽、 动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、体积小、重量轻、低电压、低功耗、抗 冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、寿命长、图像畸变小、无残像、可以 长时间工作于恶劣环境、便于进行数字化处理和与计算机连接等优点，在图像采集、 非接触测量和实时监控方面得到了广泛应用“卜嘲，成为现代光电子学和测试技术中最 活跃、最富有成果的研究领域之一。因而一直受到人们的高度重视，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，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，便于扩大应用功能和使用范围。 本系统所采用的是日本t h ew e c h a d e m i cc o m p a n y 公司的c v - a 5 0 型c c d 相机，其 技术参数如下： e f f e c t i v ep i x e l s 7 5 2 ( h ) * 5 8 2 ( v ) s e n s i n ga r e a6 4 ( h ) 木4 8 ( v ) 姗 s e n s i t i v i t yo l ls e n s o r0 0 3 l u x ，m a xg a i n ，5 0 v i d e o s nr a t i o5 9 d b 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 0 - p c i - s m 是北京大恒图像视觉有限公司设计的 基于p c i 总线的高速黑自图像采集卡。输入的视频信号、经模数转换器、比例缩 i 匿驴团鼍三 弓圜 厂 ! 卜争 f 复合视频输入3l j i ； 医甄磊 ： ；j ； 三= _ = i = = ：_ 一一一一一一一一j 圈2 3v i d e o - p c i s m 图像采集卡基本结构 圈 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。 9 数据的传送过程是由图像卡控制的，无需c p u 参与，因此图像传输速度可达4 0 m b s 。 v i d e 0 - 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。四路复合视频 输入经多路开关，软件选择其中路作为当前输入，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。而其本质便是和用计算机“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。故微机作为本系统中一个重要的组成部分，用来实现对 工件的自动测量。 2 3 小结 本章介绍了显微一c c d 微机系统的硬件组成及其原理。该系统的硬件部位主要由工 作台、显微物镜、c c d 相机，图像采集卡和微机组成。通过以上介绍可以看出，和其 他的光学测量方法相比，该装置对工作环境的要求宽松，该系统不仅铡量精度高，而 且结构简单，操作方便。 1 ( 1 第三章图像处理与检测 3 1 图像处理与检测程序流程图概述 软件编程实现是该系统实现测量的重要部分，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，从而实现对工件尺寸的检测。该程序使用 v i s u a lc + + 语言编写，程序的流程图如图3 1 所示，主要由图像处理程序和尺寸测量程 序两部分组成。 所谓图像处理“，就是对图像信息进行加工以满足人的视觉心里和应用需求的行 为。图像处理的手段有光学方法和电子学( 数学) 方法。前者已经有很长的发展历史， 从简单的光学滤波到现在的激光全息技术，光学图像处理已经日趋完善，而且处理速 递快，信息容量大，分辨率高，又很经济。但是光学处理图像精度不够高，稳定性差， 操作不便。 l 读入图像 中值滤渡 i 迭代阈值 l 工件栓测 l 输出结果 图3 1 图像处理与检测流程图 从2 0 世纪6 0 年代起，随着电子技术和计算机技术的不断提高和普及，数字图像 处理进入高速发展时期。所谓数字图像处理就是利用数字计算机或者其他数字硬件， 对从图像信息转换而得的电信号进行某些数字运算，以提高图像的实用性。例如从卫 星图片中提取目标物的特征参数，三维立体断层图像的重建等等。数字图像处理技术 处理精度比较高，而且还可以通过改进处理软件来优化处理效果。 3 2 图像处理程序 为了准确的测量工件的尺寸，需要对采集的工件图像进行预处理订- i a l 。由于c c d 本身噪声和中间处理电路的影响，不可避免地引入了随机噪声。因此，噪声的消除是 一项关键、也非常困难的任务。从图像处理的角度来说，因为噪声一般都是高频信号， 可以采用滤波的方法抑制，之后再对滤波后的图像进行阈值变换得到黑白二值图像， 以便检测 3 2 1 图像滤波 由于图像在摄取过程中受到摄取器件、周围环境等影响，会使摄取到晦图像中含有 噪声。噪声通常是随机产生的，因而具有分布和大小的不规则性。为了使图像更逼真， 需要进行图像去噪。常用的算法有中值滤波( m e d i a nf i l t e r ) 、平均值滤波、鉴频 滤波。其中，鉴频滤波一般算法复杂，难以实现实时；平均值滤波细节损失严重， 往往不仅把干扰去除，还常把图像的边缘模糊，不仅造成视觉上的失真，而且影响图 像的阈值处理，如果目的只要把干扰去除，而不是刻意让图像模糊，则中值滤波是比 较好的选择。中值滤波是一种不处理图像边缘的滤波方式，有良好的去噪声和保留 细节的特性，所以我们选择中值滤波对图像预处理“”n “。 中值滤波是一种著名的模糊图像的非线性处理方法。中值滤波是一种非线性滤 波，是由t u k e y 在1 9 7 1 年提出的，它主要用于对实值离散信号的滤波，可以在最小绝对 误差条件下，给出信号的最佳估计。中值滤波器的优点是：它可以克服线性滤波器( 如均 值滤波) 给图像带来的模糊，做到在有效地清除脉冲噪声的同时，又保持良好的边缘特 性，从而获得较满意的复原效果，故该方法一经提出后，便受到人们的重视。 中值滤波是一种非线性的信号处理方法“”，它是一种领域运算，类似于卷积，但不是 加权求和计算，而是把邻域中的像素按灰度等级进行排序，然后选择该组的中间值作 为输出像素值。它能减弱或消除傅里叶空间的高频分量，但影响低频分量。因为高频 分量对应图像中的区域边缘的灰度值具有较大较快变化的部分，该滤波可将这些分量 滤除，使图像平滑。在实际运算过程中并不需要图像的统计特性，这也带来不少方便， 但是对一些细节特别多，特别是点、线、尖顶细节多的图像不宣采用中值滤波的方法。 中值滤波可以很好地抑制噪声、平滑图像，可以进行一维滤波也可以进行二维滤波 l 一般地，设有一个一维序列 ，2 ，3 ，o - , 9l ，取该窗口长度( 点数) 为m ( m 为 奇数) ，对一维序列进行中值滤波，就是从序列中相继取出坍个数，f 。，五。正五+ l ， ， + ，；其中无为窗口的中心点值，v - ( m + 1 ) 2 。再将这m 个点值按其数值大小排序， 取中间的那个数作为滤波输出，用数字公式表示为： y 。m e d 协。，厂j - l ，五，五+ l ， + ， 其中f z ，v - ( 胁- 1 ) 2 。 中值滤波一般采用一个含有奇数个点的滑动窗口，将窗口中各点灰度值的中值来 代替指定点( 一般是窗1 3 的中心点) 的灰度值。假设窗口内有5 点，其值依次为【1 ，4 ， 6 ，0 ，7 】，从新排列后( 从小到大) 为i o ，1 ，4 ，6 ，7 】，则r e e d 1 ，4 ，6 ，0 ，7 】= 4 。 此例若用平滑滤波，窗口也是取4 ，而平滑滤波输出为： ( 1 + 4 + 6 + 0 + 7 ) 5 = 3 6 二维中值滤波可用下式表示： y ；- r e e d 帆 对于二维情况，中值滤波的窗口形状和尺寸对滤波器效果影响很大。不同图像内 容和不同的应用要求，往往采用不同的形状和尺寸。常用的二维中值滤波窗口又线状、 方形、圆形、十字形及圆环形等，窗口尺寸一般先用3 ，再取5 ，逐点增大，直到其滤 波效果满意为止。就一般经验来讲，对于有缓慢变化的较长轮廓线物体的图像，采用 方形或圆形窗口为宜，对于包含有尖顶角物体的图像，适宜用十字形窗口。滤波窗口 大小的选择，一般以不超过图像中最小有效物体的尺寸为宜。 中值滤波的性质有： ( 1 ) 非线性，两序列，( r ) ，g ( ，) m e a l f ( r ) + g ( r ) 一坍b d ，( ，) + m p d g p ) ) ； ( 2 ) 对尖峰性干扰效果好，即保持边缘的陡度又去掉干扰，对高斯分布噪声效果差； ( 3 ) 对噪声延续距离小于w 2 的噪声抑制效果好，w 为窗口长度。 二维中值滤波器的窗口形状和尺寸对滤波效果的影响很大，在不同的图像内容和 不同的要求下，应采用不同的形状和尺寸，通常有线形、方形、十字形、圆环形等，而窗 口的尺寸由小变大逐步增大点数，直到取得满意的滤波效果为止。一般而言，对于变化 缓慢的且具有较长轮廓线物体的图像，可采用方形或圆形，而对于具有尖角物体的图像 则采用十字窗口。本程序采用的是3 x 3 窗口的方形中值滤波。 3 2 2 阈值处理 在图像分析和处理的应用研究中，人们往往对一些“有意义”的区域感兴趣，即 图像中某些特定的、具有独特性质的区域，这些区域被定义为目标，其他部分称作背 景。为了识别和分析目标，需要将这些区域从图像中分离并提取出来。图像分割就是 把图像空间分割成一些有意义的区域。阈值法是常用的一种图像分割方法。其基本思 想是利用图像的灰度特征来选择一个( 或多个) 最佳灰度阈值，并将图像中每个像素 的灰度值与各阈值相比较，认为属于同一个部分的像素是同个物体。阈值法分为全 局阈值法和局部阈值法，全局阈值法利用图像的全局信息( 如整个图像的直方图) 对 整幅图像求出最优分割阚值，可以是单阈值，也可0 、以是多阈值；局部阈值法是把原 始的整幅图像分为几个小的子图像，再对每个子图像应用全局阚值法分别求出最优分 割阈值。阈值分割法的结果很大程度上依赖于对阈值的选择。在此结合全局阈值法和 局部阈值法，通过目标和背景的平均灰度值辗转计算阈值，直至得到最优阈值以进行 二值化分割处理。 阈值处理是一种区域分割技术，将灰度根据主管愿望分成两个或多个等间隔或不 等间隔灰度区间，它主要是利用图像中要提取的目标物体和背景在灰度上的差异，选 择一个合适的阈值，通过判断图像中的每一个像素点的特征属性是否满足阈值的要求 来确定图像中该像素点属于目标区还是应该属于背景区域，从而产生二值图像，它对 物体和背景有较强对比景物的分割特别有用。它算法简单，而且总能用封闭而且连通 的边界定义不交叠的区域。 在使用阈值法进行分割技术时，阈值的选取成为能否正确分割的关键，若将所有 灰度值大于或等于某阈值的像素被判属于物体，则所有灰度值小于该阈值的像素被排 除在物体之外，如果阈值选取得过高，则过多的目标区域将被瓜分为背景，相反如果 阈值选取得过于低，则过多的背景将被划分到目标区。因此，边界就由这样一些内部 点的集合组成，这些点至少有一个邻点不属于该物体。 由于物体和背景以及不同物体之间的灰度级有明显的差别，因此，在图像的灰度 级直方图中会呈现明显的峰值。当图像灰度直方图峰型分布明显时，常以谷底作为门 限候选值。所以只有适当地选择闺值，即可对图像进行分割，因而成为一种简单而广 泛应用的方法。 常用的选择合适的阈值方法“n 有： ( 1 ) 直方图门限选择； ( 2 ) 迭代阈值图像分割。 3 2 2 1 直方图门限选择 阈值t 可通过分析边缘检测输出的直方图n 来确定。假设，一幅图像只有物体和 背景两部分组成，其灰度级直方图呈明显的双峰值，如图3 2 所示，在此情况下，选取 双峰间的谷底处的灰度值t 作为阈值，即可将物体和背景很好地分隔开。阈值分割法 可用数字表达式来描述。设图像为，( f ，d ，其灰度级范围为【z 1 ，z 2 】，设t 为阈值， z l 和z 2 内任意值，可得一幅二值图像，其数学表达式为： ( t ，d o 八人。 r t 2 5 5 图3 2 双峰灰度级直方图 俺n i s 蒜：赫， 也可以m 力i 嬲器 以上是一种比较理想的情况，实际中很难找到这样的图像。一幅图像通常有多个物 体和背景所组成，假如，其灰度直方图能呈现多个明显的峰值，则仍可取峰值间峰谷 处的灰度值作为阈值，此时有多个阈值将图像进行分割，这就是多峰阈值选择。比如 有3 个峰值，如图3 3 所示，可以取两个峰谷处的灰度值t 1 ，t 2 作为阈值。同样，可 以将阈值化后的图像变成二值化图像，其数学表达式为： 舢一r 丢嚣7 2 拣 同样舸岍国一 2 5 5 ，t 磁d 灯2 ( ，) 0硝、 t 1 t 2 ： 2 5 5 图3 3 多峰值灰度级直方图 将上述情况推广，可描述成：如果z 是一个任意的灰度级集合，z z l , z 2 】就可以 定义广义“阈值”运算，即把在z 中的灰度级变为0 ，把不在z 中的灰度级变为2 5 5 ， 其数学表达式为： 、f o ，( f ，) z ，。i2 5 5 ，其他 3 2 2 2 迭代阈值图像分割 迭代阈值是阂值方法图像中比较优秀的方法，通过迭代的方法求出分割的最佳阈 值，具有一定的自适应性“”。迭代的方法产生阈值，可以通过程序自动计算出比较合 适的分割阈值，其计算方法是这样的： ( 1 ) 选择阈值t ，通常可以选择图像的平均灰度值来作为初始阈值； ( 2 ) 通过初始阈值t 把图像的平均灰度值分成两组r l 和r 2 ； ( 3 ) 计算这两组平均灰度值1 和2 ； ( 4 ) 重新选择阈值t ，新的t 定义为：t = ( pl + 2 ) 2 ；循环做第二步到第四步， 一直到两组的平均灰度值p 1 和肛2 不再发生改变，那么我们就获了所需要的阈值。 对于该系统而言，在光照条件比较好的情况下，目标物体和背景的对比度较高， 直方图门限选择和迭代阙值方法都能很好的对所采集到的图像进行二值化处理。经比 较选用迭代阈值法，一是直方图门限选择必须先查看图像的直方图，根据直方图来选 择阈值，这样受到操作人员的主观因素影响比较大；二是迭代阈值可以通过程序自动 计算出合适的阚值，可以把直方图和迭代阈值在程序中结合起来实现实时测量，这是 该图像处理程序的关键之处。该程序图像处理部分只应用了迭代阙值算法，不仅算法 简单，而且图像处理可靠性高，处理速度快。 3 3 工件的测量程序 工件图像经过滤波和阈值处理后得到二值图像，即黑白两种颜色的图像。该系统 采用透射光照明，所以如果被测物体是单个零件，如图3 4 ( a ) 为圆珠笔的圆珠，则 其经过图像处理后，物体是黑色，背景是白色，如图3 4 ( c ) 所示。如果图果被测物 体是一个工件的一个内孔，如图3 4 ( b ) 为手表中某一零件的矩形内孔，则经过图像 处理后，可以在编写迭代阂值时，使物体为黑色，背景为白色，如图3 4 ( d ) 所示。 1 6 ( a ) 圆珠笔的圆珠图像 ( c ) 二值化后的圆珠笔的圆珠 3 3 1 圆形工件测量 ( b ) 手表零件的矩形内孔 图3 ，4 工件图像 ( d ) 二值化后的矩形内孔 处理后的图像提取出感兴趣的部分后，就可以检测了。每幅数字图像在计算机内 为mx n 数组，m 行n 列的图像中的每一个元素( 成为像素，p i x e l ) 的数值即时图像 点的亮度( 或称灰度) 。如图3 5 所示，在图像上定义直角坐标系石、y ，每一像素的 坐标o ，y ) 分别是该像素在数组中的列数与行数。所以，o ，y ) 是以像素为单位的图像 坐标系坐标。 对于不同形状的工件，用不同的检测方法。如图3 5 所示的圆形工件，编写测量程 序的思想是：对要处理的图像逐点扫描，计算图像中每一行灰度值为0 的像素个数， 灰度值为o 的像素点最多的行即为该圆形的圆心所在的行，记该行第一个灰度值为0 的像素点的坐标为阮，1 ，) ，该行最后一个灰度值为0 的像素点的坐标为0 ：，y ) ，则该圆 形的圆心坐标为( 蔓专堕，) ，) ，记为。，y 。) ，计算图像中每一点o ；，y ，) 到圆心o 。，y 。) 的 1 7 距离，灰度值为0 的像素点到圆心距离的最大值为该圆形的最大半径，记为，k ，灰度 值为2 5 5 的像素点到圆心距离的最小值为该圆形的最小半径，记为，。 ) ， o 固3 5 圆形工件的位图 由此可以得到被测圆形工件的半径尺寸，编写自动程序“们- 1 1 7 1 系统会自动弹出 一个对话框如图3 6 所示，直接显示被测面形工件的最大半径，一和最小半径，同 时给出两半径只差a r r 呱一。 3 3 2 矩形工件测量 图3 6 显示圆形测量结果的对话框 编写测量矩形工件尺寸的思想是：先对待处理的图像从上到下每行逐点扫描，如 图3 4 ( 4 ) 所示，找到图像电灰度值为0 的像素点中最上面的一点和最下面的一点， 记录它们的坐标值；再对i 虱像从左到右每列逐点扫描，找到图像中灰度值为0 的像素 点中最左面的一点和最右面的一点，分别记录这四点的坐标值，得到这四点的坐标之 后，就可以求出矩形的四个边的边长，根据三角形余弦定理，由其中任意三点的坐标 可以求出一个角的度数。该程序给出对话框，直接显示矩形的长度和宽度及其与标准 工件长度和宽度的标准偏差，同时给出一个角的度数值。结果如图3 7 所示。 3 4 小结 图3 7 矩形工件的测量结果 本章主要分两大部分，一是工件图像的预处理，二是工件尺寸的检测，重要研究 了预处理中的中值滤波和迭代阈值。中值滤波的目的是消除图像采集过程中产生的随 机噪声，为了测量工件尺寸，要对采集的工件图像进行阈值变换处理得到黑白二值图 像，在此，本文采用了迭代阂值方法，该方法可以提高图像的处理和检测速度。本章 以圆形和矩形工件为例说明了编写工件测量程序的思想，该方法简单，适用于简单形 状工件的检测。该程序完成了对所采集图像的滤波处理和迭代阈僵变换，同时完成了 对工件的检