（测试计量技术及仪器专业论文）布氏硬度计压痕的图象测量方法研究.pdf

四川大学硕士学位论文 布氏硬度计压痕的图像测量方法研究 测试计量技术及仪器专业 研究生：王莹指导教9 币：廖俊必 布氏硬度试验方法是金属硬度检测中最广泛和常用的硬度检测方法之一。 但是布氏硬度试验压痕尺寸主要靠人工测量，大大影响了测量效率，并带入了 人为误差。随着图像传感器技术及图像测量技术的发展，图像测量的分辨率和 精度也越来越高，使采用图像测量技术进行布氏硬度试验压痕尺寸测量，从而 提高硬度测量效率和精度，并提高硬度计的智能化水平成为可能。 针对布氏硬度试验压痕的特点，本文对压痕图像测量系统的实现、和图像 处理方法进行了详细的分析和研究。 首先，论述了布氏硬度试验方法的原理和测量方法的发展情况，压痕尺寸 图像测量系统研究、开发的必要性和可行性。接着，论述了图像测量的技术原 理，并对组成图像测量系统的各个部分：图像采集、图像处理和特征量的测量 进行了详细分析，并分析了图像测量系统中的误差来源。 针对布氏硬度试验压痕的特点，论述了压痕图像测量方法的可行性，分析 了光源照明方式对压痕图像获取的影响。进行了压痕图像处理的试验和研究分 析，对比研究了图像滤波、图像分割、轮廓提取和压痕圆拟合的各种图像处理 方法，提出了适用于压痕图像的中值滤波、基于灰度直方图的阈值分割和二值 化处理、及边缘提取和压痕圆拟合的图像处理算法。 根据实用性和低成本的系统开发要求，进行了压痕图像测量系统的试验系 统的组建和研究，并针对试验过程中出现的各种实际问题进行了反复试验和算 法的改进，包括图像分割阈值的选取方法、二值图像的圆形滤波、和压痕轮廓 圆的逼近和拟合算法。 试验系统取得了较好测量效果，满足国家标准对测量系统的要求，为压痕 图像测量系统的工程化研制积累了经验。 四川大学硕士学位论文 关键词：布氏硬度试验压痰图像测量图像分割轮廓提取蟊拟含 h 四川大学硕士学位论文 t h es t u d yo f i m a g em e a s u r e m e n tm e t h o do ft h e i n d e n t a t i o nd i a m e t e ro fb r i n e l lh a r d n e s st e s t m a j o r ：m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n t s t u d e n t ：w a n gy i n g a d v i s o r ：l i a oj u n b i b r i n e l lh a r d n e s st e s tm e t h o di so n eo ft h em o s tc o m m o nu s e dm e t h o d sf o rm e t a l h a r d n e s st e s t b u tu s u a l l y , t h ei n d e n t a t i o nd i a m e t e r o fb r i n e l lh a r d n e s st e s ti s m e a s u r e db ym a n u a l ，w h i c hh a sa r t i f i c i a le r r o ra n di si n e 伍c i e n t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi m a g e s e n s o ra n di m a g em e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y , t h er e s o l u t i o na n d p r e c i s i o no ft h ei m a g em e a s u r e m e n th a sb e e ni nh i 曲，s oi ti sp o s s i b l et ou s et h e i m a g em e a s 硼e m e mt e c h n o l o g y , w h i c hw i l li n c r e a s et h ee f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o n ，a n d i m p r o v et h eh a r d o m e t e r si n t e l l i g e n t i z e dl e v e l a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ei n d e n t a t i o nd i a m e t e ro fb r i n e l lh a r d n e s st e s t ， t h er e a l i z a t i o no ft h ei m a g em e a s u r e m e u ts y s t e mo ft h ei n d e n t a t i o nd i a m e t e r , a n dt h e i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u ea r ei n t e n s i v e l ya n a l y z e da n ds t u d i e di nt h et h e s i s f i r s t l y , t h ep r i n c i p l e a n dm e a s u r i n gm e t h o do fb r i n e l lh a r d n e s st e s ta l e d i s c u s s e d ，a n dt h en e c e s s i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h es t u d ya n dd e v e l o p m e n to ft h e i m a g em e a s u r e m e n ts y s t e mo ft h ei n d e n t a t i o nd i a m e t e ra r ep r e s e n t e d t h ep r i n c i p l e o f i m a g em e a s u r e m e n t i se x p a t i a t e d ，a n dt h ep a r t sb u i l d e du pt h ei m a g em e a s u r e m e n t s y s t e m ，i m a g ea c q u i r i n g ，i m a g ep r o c e s s i n ga n dt h et a g g e do b j e c t sm e a s u r e m e m ，a l e a n a l y z e d t h ee r r o rs o u r c eo fi m a g em e a s u r e m e ms y s t e mi sa l s oa n a l y z e d a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ei n d e n t a t i o nd i a m e t e ro fb r i n e l lh a r d n e s st e s t ， t h e f e a s i b i l i t y o ft h ei n d e n t a t i o nd i a m e t e rm e a s u r e m e n t u s i n g t h e i m a g e m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi sd i s c u s s e d ，a n dt h ei n f l u e n c eo fl a m p h o u s em o d ef o rt h e a c q u i s i t i o no fi n d e n t a t i o ni m a g ei ss t u d i e d t h ew h o l eb a go ft r i c k so fi m a g e p r o c e s s i n g ，i m a g ef i l t e r i n g ，i m a g es e g m e n t a t i o n ，t h ep i c k - u po fo b j e c to u t l i n ea n dt h e i n d e n t a t i o nc i r c l ef i t t i n g ，a r e c o n t r a s t i v e l ya n a l y z e d a n dt h ei m a g ep r o c e s s i n g a l g o r i t h m i cr o u t i n ea d e q u a t e df o rt h ei n d e n t a t i o ni m a g ei sb r i n gf o r w a r d ，w i t hu s e d i i i 四川大学硕士学位论文 t h em e t h o do fm e d i a nf i l t e r , t h r e s h o l ds e g m e n t a t i o nb a s e do ng r a d a t i o nh i s t o g r a m ， t w o v a l u ei m a g em a n i p u l a t i o n ，o u t l i n ep i c k u pa n dt h ei n d e n t a t i o nc i r c l ef i t t i n g f i n a l l y , b a s e do nt h es y s t e md e v e l o p m e n tr e q u i r e m e n tw i t hp r a c t i c a b i l i t ya n d l o wc o s t ，t h ee x p e r i m e n ts y s t e mo ft h ei n d e n t a t i o ni m a g em e a s u r e m e ms y s t e mi s b u i l d e du p d u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，m a n yp r a c t i c a lp r o b l e m sh a v eb e e nc o m eo u t a i m e da tt h ep r o b l e m s ，t h ei m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m i cr o u t i n e ，i n c l u d i n gt h e c h o i c eo fi m a g es e g m e n t a t i o nt h r e s h o l d ，t h ec i r c l e f i l t e ro ft w o v a l u ei m a g e ，a n dt h e a p p r o a c ha n dc i r c l ef i t t i n go ft h ei n d e n t a t i o n ，a r em o d i f i e d t h eg o o dr e s u l ti s a c q u i r e do nt h ee x p e r i m e n ts y s t e m ，w h i c hm e e t st h e r e q u i r e m e n to fn a t i o n a ls t a n d a r df o rt h ei n d e n t a t i o nd i a m e t e rm e a s u r e m e ms y s t e mo f b r i n e l lh a r d n e s st e s t t h es t u d yo ft h i st h e s i sa c c u m u l a t e se x p e r i e n c ef o rt h e e n g i n e e r i n gd e v e l o p m e n to f t h ei n d e n t a t i o ni m a g em e a s u r e m e ms y s t e m k e y w o r d s ：t h ei n d e n t a t i o no fb r i n e l lh a r d n e s st e s t ；i m a g em e a s u r e m e n t ； i m a g es e g m e n t a t i o n ；t h ep i c k - u po f o u t l i n e ； c i r c l ef i t t i n g i v 四川大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 王- ：玉宝 伽7 ， 括署段。片： - ，一 环气叉 6 7 f “ 四川大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 金属硬度及布氏硬度试验方法简介 硬度是金属材料力学性能中最常用的一个性能指标。但对于金属材料的硬 度，至今国内外还没有一个包括所有试验方法在内的统一而明确的定义i l l , 一 般说来，金属的硬度常被认为是：材料对压入塑性变形、划痕、磨损或切削等 的抗力。对压入法来讲，也被认为是：材料在一定条件下抵抗另一本身不发生 残余变形物体压入的能力。 硬度本身不是一个简单物理常数，它不仅决定于所研究材料本身的宏观与 微观条件( 如宏观的变形程度，冷热加工条件，微观的金属晶体点阵类型、晶 格常数和原子间的结合力等) ，也决定于测试的特征和条件量。对于被检测的材 料而言，硬度代表着在一定的压头和力的作用下所反应出的弹性、塑性、塑性 形变强化率、强度、韧性以及抗摩擦性能等一系列不同物理量的综合性能指标。 硬度检测的结果在一定条件下能敏感地反映出材料在化学成分、组织结构 和处理工艺上地差异，因此在检查原材料、监督热处理工艺正确性以及在研究 固态相变过程和研究新材料、新合金中被广泛地加以利用。 硬度检测设备简单，易于掌握，经硬度检测后的制件不被破坏，留在制件 表面上的痕迹很小，在大多数情况下对制件使用无影响。在我国机械制造工业 中硬度检测法常用于最终热处理效应检查，是工艺管理和生产过程中进行质量 控制中重要的一种手段。 硬度检测对于各行各业正确使用金属材料、监视工艺的正确性、判定产品 品质以及在科学实验中均有重大的实际意义。刀 布氏硬度试验方法是比较不同材料单位面积上所受抗力的大小，这种方法 是最早使用的硬度检测方法，由瑞典工程师布利奈尔( j a b r i n e l l ) 于1 8 9 9 , - - - 1 9 0 0 年间在研究热处理对轧钢组织影响时提出。由于布氏硬度试验压痕较大，硬度 值受试样组织显微偏析及成份不均匀的影响轻微，检测结果分散度小，复现性 好，能比较客观地反映出材料的客观硬度。因此，布氏硬度试验方法成为最广 泛和常用的硬度检测方法之一。 由于布氏硬度检测采用的压力大，压头球径大，压痕直径大，它适合具有 四川大学硕士学位论文 大晶粒金属材料的硬度测定。例如铸铁、有色金属及其合金，各种退火、调质 处理后以及大多数出厂供货的钢材等。特别是对于较软的金属，如纯铝、铜、 铅、锡、锌等及其合金，测定出的硬度是很准确的。 布氏硬度试验方法具有测量精度高，复现性和代表性好的优点。但是它也 存在不足：操作时间较长，对不同硬软材料试样要选择和更换压头及检测力， 压痕尺寸测量费时1 。 1 2 布氏硬度测量方法的发展 1 2 1 布氏硬度试验原理 国家标准g b t 2 3 1 卜2 0 0 2 规定，布氏硬度试验的原理为，对一定直径的硬 质合金球施加试验力压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力，测量试 样表面压痕的直径，见图1 1 。布氏硬度与试验力除以压痕表面积的商成正比， 计算公式见式( 1 1 ) 。压痕被看作是具有一定半径的球形，其半径是压头球直 径的二分之一。3 1 布氏硬度值计算公式为： 图1 - 1 布氏硬度试验原理 2 四川大学硕士学位论文 布氏硬度= 常数器2 瓦1 ；万习2 f 丽= i 1 磊f ( 1 - 1 ) 式中： 骱一标准重力加速度； p 一试验力，n ； d 一压头球直径，i l l l n ； 卜压痕平均直径，i l l i i l ，d ：堕去生； 西，d 卜两相互垂直方向测量的压痕直径，i i l l n 。 卜压痕深度，n 吼，办：d - 、d _ 2 一- d 2 。 1 2 2 布氏硬度测量现状 由于布氏硬度试验方法检测硬度的可靠性高，布氏硬度试验法从一提出就 得到了世界各国的广泛使用。但也由于它存在的不足，各国的仪器研制单位一 直在研究先进的试验力加载方法及仪器的自动控制、测量和记录方法，以提高 布氏硬度测量的效率和准确度，弥补甚至消除其不足。 根据布氏硬度试验原理，布氏硬度测量是通过对试样进行试验力加载和保 持，压出压痕，然后通过测量压痕尺寸计算出硬度值。 传统的布氏硬度计是通过机械加力装置压出压痕，再用测量显微镜测出互 相垂直的两个方向上的压痕直径，求平均值，从而计算出硬度值。这种方法由 于无法自动测量，不仅效率低，并且由于压痕很浅，对压痕边缘的准确判断较 为困难，不可避免的存在人为误差。 随着近年来传感器技术的发展，出现了高精度的测深传感器，不少厂家遵 循国家标准对测量装置的要求，研制出了通过测量压痕深度来计算硬度值的自 动测量数显布氏硬度计，提高了测量效率，减小了人为误差，但由于压痕深度 数值范围上的局限性，不仅对测量装置有很高要求，并且测量精度也有很大的 局限性。 上世纪7 0 年代后，随着c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e 电荷耦合器件) 的出 现及其性能的不断提高和图像处理技术的发展，使得通过图像测量实现压痕直 径高精度自动测量成为可能。1 9 8 3 年，英国富臻( f o u n d r a x ) 科技公司采用图 嚣锺大擘醺士学证论文 像测量技术研制崽了世界上第一台离速高负载全自动布氏硬度枫，并予近年 来又推爨了全自动意氏曼微镜系统，利雳图像测量翻软件技术囊动测量压痕 宣径和硬度值，其测蹩精度符合i s 0 6 5 0 6 ( g b t 2 3 1 。2 0 0 2 等同于 i s 0 6 5 0 6 1 9 9 9 ) 髂要求。美国k i n g 公司也雄漱了全盘动布氏硬度显微镜和 k i n g i n d n e t 布氏硬度测试系统，其测量精度符合a s t m l 0 和i s 0 6 5 0 6 要求。 1 2 。3 布氏硬度测量的发展趋势 随着仪器技术、圈像测爨技术和机械加工技术的不断发展，布氏硬度测量 必将向着鱼动测量、实时在线测量鹣方囊发展。因此，测量装鐾的小型傀、测 擞过程的自动化将是研究的重点。 。3 本课题的嚣的和研究内容 。3 。 本课菇韵豳的 隧着图像传感器技术及图像测量技术的发展，图像测量的分辨率和精度也 越来越高。豳外翔名硬度计研制企业早在上世纪年代就以开发出采用图像测 量技术的全自动布氏硬度测试设备，以及采用图像测量的压痕自动测量装置。 儇耄予其徐格霉贵，在我善没有褥到广泛馒爱。 近年来，随着黧像传感器技术和微电子技术的进步，图像传感器( c c d 秘 c m o s ) 的性能得到很大提高，并且价格大幅度下降，国内的硬度计生产厂商 开始关注采用图像测量进行布氏硬度压痕尺寸测量的盘动布氏硬度测试系统的 开发。本谍题就是基予此项鬻筋，进行基于市场上通用工业级相机进行布氏硬 度压瘦尺寸的图像测量方法研究，以期开发臻低戒本、专用的压痰图像测量系 统，从而提高硬度测量效率和精度，并提高硬度计的智能化水平。 3 。2 本课题的主要研究杰容 本课题的主要任务是研究如何获取布氏硬度压痕图像，并进军亍图像处理， 获取压痕轮廓，进行压痕轮廓的圆拟合，获得压痕尺寸。 研究内容有以下凡项： l 。压痰图像酶获取研究 获取可处理的高质量压痰图像是进行压痕尺寸测量的关键。分析影响压痕 4 四川大学硕士学位论文 图像获取质量的因素，包括图像传感器( 工业相机) 、照明、光学系统( 镜头) 等，通过分析实验，研究可获得高质量压痕图像的条件。 2 压痕轮廓圆的准确识别研究 布氏硬度压痕是在金属表面的非常浅的压印痕，金属表面的加工纹路、轻 微划痕等细微缺陷都将影响压痕轮廓的识别。分析压痕图像的特点，研究用于 压痕圆轮廓准确识别、提取的图像处理算法。 3 压痕轮廓圆拟合算法 根据实验压痕图像，总结压痕图像的特点，研究用于压痕轮廓圆拟合计算 的算法。 4 布氏硬度压痕测量实验研究 建立压痕图像测量试验系统，研究分析实验结果，完成布氏硬度图像测量 系统样机。 本文共分6 章，第1 章主要介绍了布氏硬度测量方法的原理及测量现状， 开展本课题的目的和意义，以及课题的主要研究内容；第2 章介绍了图像测量 的基本原理、系统结构、以及测量误差的来源，分析了测量系统各模块的功能 实现，并对各部分带来的测量误差进行了阐述；第3 章论述了布氏硬度压痕尺 寸图像测量的可能性、压痕图像的获取和压痕图像的处理算法；第4 章介绍了 压痕图像测量试验系统的硬件结构和软件设计；第5 章论述了试验系统的压痕 轮廓提取算法和误差分析；第6 章总结全文，并对压痕图像测量系统工程化研 制的下一步工作进行展望。 四川大学硕士学位论文 第2 章图像测量技术原理 2 1 概述 图像测量就是在测量被测对象时，把图像当作检测和传递信息的手段或载 体，从图像中提取有用信息，从而实现测量目的的方法1 5 1 。图像测量技术以现 代光学为基础，融光电子学、计算机图像学、信息处理、计算机视觉等科学技 术为一体，是近年来在测量领域中形成的新的测量技术。由于其非接触、信息 量丰富、相对成本低和能实现快速自动化测量等优点，已经广泛的应用到外观 检测、工业监测、农产品分选、生物医学、遥感测量等领域。6 卜川1 近年来，随着计算机技术的突飞猛进和数字图像处理技术的日益完善，以 及图像传感器( c c d 和c m o s ) 技术的发展像素分辨率越来越高，器件性 能越来越好，成本越来越低图像测量技术在几何量的精密测量及在线测量 中的研究及应用也越来越多。 作为计算机视觉技术的重要分支，图像测量技术将会随着信息科学和人工 智能的发展而日益显示其重要的作用。 2 2 测量原理 图像测量的原理是，通过工业相机( c c d 电荷耦合器件或c m o s 金属氧化 物一半导体器件) 将被测对象的图像信息记录下来，并将图像信息数字化后送入 计算机，利用计算机对数字图像进行处理分析，获取测量所需的有效信息，最 终完成对被测对象的测量。图像测量系统框图如图2 1 所示。 丁鼠 光源ii 图像采集卡b | 计算机kl 目标识别与测量l l 网 典型的图像测量系统包括：图像采集、图像处理、目标识别与测量等部分。 图像采集部分实现被测对象图像的获取；图像处理部分实现被测对象图像的预 6 四川大学硕士学位论文 处理、图像增强和特征信息提取；目标识别与测量部分实现被测对象信息的识 别，特征量的判读与测量。 2 3 图像测量系统各模块分析 2 3 1 图像采集 图像采集是实现图像测量的关键，高质量被测对象的图像获取对后续的图 像处理和目标测量过程的顺利实现有至关重要的影响。图像采集的过程如图2 2 所示。 照射反射或透射光信号电信号量化 区 怔亟怔至 e 亟j 亟 蓄藿 图2 - 2 图像采集过程幻 从图像采集的过程可看出，图像获取质量与被测对象的特点、光源、光学 系统、工业相机和图像采集卡等因素有关。分析如下： 1 被测对象 近年来，图像测量技术广泛应用于医学c t 、x 射线、超声和血管造影图像 测量、工业在线质量检测、农产品及食品分选检测、非接触应变及粒子流速测 量、运动测量和复杂机械零件的精密测量及在线测量等领域中3 卜 2 3 1 。不同的 使用领域及被测对象，对图像采集的要求及图像测量系统的组建方案也不同。 因此，图像采集须根据不同的测量对象设计不同的图像采集系统。 医学领域中，由于被测对象是人体的某些器官，因此须采用特殊成像技术， 如x 射线、超声成像或螺旋c t 成像3 卜 1 6 1 对于工业在线检测，被测对象一 般为包装质量、表面缺陷或零件尺寸，要求图像采集系统具有高速度及优良的 图像质量，一般对照明和光学系统以及工业相机有较高要求；运动测量和应变 流场测量时，对工业相机和采集系统的传输速率有专门要求；复杂零件的精密 测量要求工业相机和采集装置的定位精度和测量分辨率有较高要求。 2 光源 好的光源与照明方案往往是图像测量系统成败的关键，起着非常重要的作 用，并不是简单的照亮物体而已2 4 。光源与照明方案的配合应尽可能地突出被 7 四川大学硕士学位论文 测对象的特征量，在需要检测的部分与那些不重要部分之间应尽可能地产生明 显的区别，增加对比度。同时还应保证足够的整体亮度，物体位置的变化不应 该影响成像的质量。在应用系统中一般使用透射光( 背景光法) 和反射光( 前 景光法) 。对于反射光情况应充分考虑光源和光学镜头的相对位置、物体表面 的纹理，物体的几何形状等要素。光源设备的选择必须符合所需的几何形状， 照明亮度、均匀度、发光的光谱特性也应符合实际的要求，同时还要考虑光源 的发光效率和使用寿命。 目前，图像系统中常用的光源有下面几种： a 荧光灯：即日常起居中所使用的荧光灯； b 卤素灯+ 光纤导管：是由一个卤素灯泡，在一个装置中( 通常称为灯箱) 中发光，再由光纤导管将卤素灯所产生的强光，转向对被测对象进行照明； c l e d 光源：由多个l e d 以某一特定形状，综合对被测对象进行照明。 表2 - 1 几种光源的比较 成本亮度稳定度使用寿命复杂设计温度影响 荧光灯低差差一般低一般 卤素灯+ 光纤导管 高好一般差 一般 差 l e d 光源一般一般好好高低 三种光源中，荧光灯亮度差和稳定性差决定了在许多图像系统中被淘汰： 卤素灯+ 光纤导管价格昂贵，在实际应用中使用寿命太短：以稳定性和使用寿 命为优势的l e d 光源自然就被普遍使用，但在特定场合由于卤素灯+ 光纤导管 的亮度优势还无法被l e d 光源取代。此外，一些特殊光源( 如激光、紫外线等) 也在某些地方使用。 3 光学系统 光学系统一般指光学镜头，光学镜头须与工业相机及被测对象相匹配，是 能否采集到高质量图像的重要部件。光学镜头是图像产生几何畸变的根源，因 此选择合适和高品质的光学镜头对采集高质量的图像有重要影响。 4 工业相机 工业相机是图像采集系统的核心部件，是图像测量系统信息的直接来源， 主要功能是获取足够测量系统处理的原始图像。工业相机可以使用激光扫描器、 8 四川大学硕士学位论文 线阵和面阵c c d 工业相机、c m o s 工业相机等t 2 5 1 。 图像测量技术的兴起和广泛应用正是基于固态图像传感器的发明，主要是 c c d 图像传感器和c m o s 图像传感器。 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，电荷耦合元件) 是由贝尔研究所的w s b o y l e 与g e s m i t h 于1 9 6 9 年发明，并于次年发表1 2 6 1 0 关键应用的c c d 图像传感器， 利用称为帧转移( f r a m et r a n s f e r ) 方式( f t - c c d ) 的简单构造，于1 9 7 1 年也 由贝尔研究所发表t 2 7 1 。 自从c c d 诞生以来，c c d 技术随着半导体微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、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，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。 进入2 0 世纪9 0 年代，c c d 技术已比较成熟，并已得到非常广泛的应用， 但是随着c c d 应用范围的扩大，其缺点逐渐显露出来2 ： a c c d 光敏单元阵列难与驱动电路及信号处理电路单芯片集成，难以处理 一些模拟和数字电路功能，如模数转换、精密放大、存储、运算等。 b c c d 陈列驱动脉冲复杂，使用相对较高的工作电压，无法与深亚微米 v l s i 技术兼容。 为满足对小型化、低功耗和低成本成像系统的需求，采用标准c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ，互补性氧化金属半导体) 半导体 工艺生产的图像传感器，即c m o s 图像传感器出现在市场上。与c c d 图像传 感器相比c m o s 图像传感器具有：可靠性高、功耗小、速度快、成本低等特点， 但其噪声大和灵敏度低，因此c c d 在图像的质量上更有优势。但由于c m o s 图像传感器的低功耗、高速度以及可集成性，使其在图像测量领域中具有广泛 的应用前景。 5 图像采集卡 工业相机输出的信号，须经过图像采集卡进行视频信号的采集并传输到计 9 四川大学硕士学位论文 算机中，进行图像处理。因此高质量的图像采集必须由高性能的图像采集卡配 合实现。图像采集卡按采集信号的类型可分为：模拟信号采集卡，包括：标准 视频信号采集卡：n t s c p a l 和非标准视频信号采集卡：医疗设备如d s a ；数 字信号采集卡，包括：r s 4 2 2 、l v d s 、c a m e r a l i n k 、1 3 9 4 、u s b 。 带有数字化部件的工业相机也可以直接将数字图像通过计算机端口( 如并 口、u s b 接口、1 3 9 4 和e t h e m e t 等) 或标准设备( 如磁盘驱动器) 传送进计算 机。 2 3 2 图像处理 被测对象的图像采集到计算机，由计算机软件进行图像处理，包括图像增 强、二值化处理、轮廓及边缘检测等，突现出被测量特征。 1 数字图像的基本概念 为了适应数字计算机的处理，必须对连续图像函数进行空间的幅值数字化。 空间坐标( x ，y ) 的数字化称为图像采样，而幅值数字化被称为灰度级量化【2 8 】。 经过数字化后的图像称为数字图像( d i g i t a li m a g e ) 。 例如，将连续图像职，y ) 按等间隔采样，排成m x n 阵列，得到图像的 数字表示炽，力，如式( 2 - 1 ) 所示，其中x 、y 以及弛，力都是整数。 f ( x ，y ) = f ( o ，0 ) f ( 1 ，0 ) f ( m 一1 ，0 ) f ( o ，n 一1 ) f ( 1 ，n 一1 ) f ( m l ，n - 1 ) ( 2 1 ) 采样密度( s a m p l i n gd e n s i t y ) ：是指在图像上单位长度包含的采样点数 ( p i x e l m m ) ，这个量经常用于表示设备的性能。采样密度的倒数称为像素间距 ( p i x e ls p a c i n g ) 。 空间分辨率：采样网格在水平和垂直方向共分多少格。通常空间分辨率用 水平方向m 格，垂直方向n 格表示，记为m n ，如式( 2 一1 ) 。空间分辨率 常用于表示图像的大小，与采样密度不同。 灰度分辨率( g r a y s c a l er e s o l u t i o n ) ：是指单位幅度上包含的亮度变化级数， 也是体现采样设备性能的一个重要指标。在计算机中常舍入到符合2 “幂的值，n 越大，亮度变化层次越多，图像看起来越柔和越逼真，即图像质量高。亮度层 l o 俐掣旷 四川大学硕士学位论文 次的多少称为灰度级。通常用8 比特( 8 b i t ，即一个字节，计算机信息表示的最 小单位) 来存储灰度值，此时灰度级为2 5 6 。若是彩色图像，可以用r g b 真彩 色模型表示( 即红、绿、蓝各用8 b i t 表示) ，则有2 5 6 2 5 6 x 2 5 6 种颜色。伽1 图像测量中通常采用8 位灰度图实现图像采集、存储和处理。 2 灰度图像处理 a 图像增强 图像增强的主要目的是改善图像的质量。图像增强是根据被测对象图像的 模糊情况和应用场合，采用某种特殊的技术来突出图像中被测对象的特征信息， 削弱或消除无关信息，从而有目的的增强图像中被测对象的特征t 3 1 1 图像增强技术从总体上来说可分为两大类：频域增强方法和空域增强方法。 空域增强方法是直接对图像中的像素进行处理，从根本上说是以图像的灰度映 射变换为基础的，所用的映射变换类型取决于增强的目的。空域增强方法大致 分为三种，分别是用于扩展对比度的灰度变换、清除噪声的各种平滑方法和增 强边缘的各种锐化技术。灰度变换是利用点运算来修改图像像素的灰度，是一 种基于图像变换的操作；平滑和锐化是利用模板来修改像素灰度，是基于图像 滤波的操作。频域增强方法的关键在于图像的空域与频域的变换类型，通常图 像的边缘和噪声都对应于傅立叶变换的高频部分，因此可通过低通滤波的方法 平滑图像去除噪声，采用高通滤波的方法对图像进行锐化处理。 b 二值化处理 图像增强操作后，被测对象的特征信息得到了加强，但若要实现对被测对 象的特征量的测量，还必须将被测对象的特征信息分离出来。这就需要对图像 进行分割，分离出被测特征量信息。 图像分割是将图像中具有不同含义的对象提取出来t 3 1 1 对于图像测量系统 来说，就是将被测特征量信息提取出来。图像分割可分为两种：一种是基于边 界的分割技术；另一种是基于区域的分割技术。基于边界的分割，是通过检测 出图像的边缘，根据边缘图像进行特征提取和图像分析；基于区域的分割技术 包括：阈值分割、区域生长和分裂合并等方法。 图像测量系统中，为了在被测图像中分离出被测量特征信息，通常须将灰 度图变换为二值图，灰度转换的阈值是二值化处理的关键。根据图像分割的理 论及分割目的，图像测量中二值化处理的灰度转换可基于图像的阈值分割技术 四川大学硕士学位论文 进行。 c 被测量特征分离 二值化处理后的被测图像中，被测对象特征包含在图像的边缘信息中，由 于噪声及其他干扰，在二值图像中还含有影响测量结果的其他信息。因此，在 二值图像中准确检测出被测量的轮廓或边缘，还需针对不同的系统设计不同的 软件算法。 2 3 3 特征量测量 图像处理后的被测图像，余下了特征量的边缘和轮廓信息，怎样从分离出 来的被测量信息中计算出被测量的量值，并将结果显示出来，是图像测量的最 终目的。根据被测量特征信息，采用不同的算法，拟合计算出面积、尺寸或其 他特征信息。 2 4 图像测量误差来源 2 4 1 图像采集过程中干扰因素的影响 1 成像系统几何畸变误差 成像系统的几何畸变误差主要是指成像系统不能使图像与实际被测对象在 全场严格满足针孔成像模型( 或中心投影关系) ，使中心投影射线发生弯曲。产 生该几何畸变误差有如下几个原因： a 透镜误差 成像系统必须通过光学透镜组才能成像，但是由于任何光学透镜都有一定 的孔径和视场，因此实际光学透镜组都不可能使成像严格满足针孔成像模型， 即存在透镜像差好加1 3 31 。透镜像差一般可分为轴对称误差和非轴对称误差两种。 轴对称像差主要有球差、彗差、像散、场曲、畸变、位置色差和倍率色差等； 非轴对称误差主要有不对心像差和薄棱镜像差等。 其中轴对称的畸变像差是最主要的镜头误差。畸变可分为正畸变和负畸变 两种，即分别对应俗称的枕形畸变和桶形畸变。它是由于一对共轭物像面上的 放大率不为常数，使得物体和图像之间失去了相似性而形成的误差。像机的焦 距变化对畸变像差影响较大。一般像机镜头在边缘处会有较大的畸变像差，尤 其是短焦距的广角镜头，镜头畸变像差会更大。图2 3 中c a ) 是一原始理想正 1 2 四川大学硕士学位论文 交网格图，( c ) 和( d ) 分别为枕形畸变和桶形畸变的图像。 口盛殿圃 ( a ) 原始图像( b ) 透镜畸变( c ) 枕形畸变( d ) 桶形畸变 图2 - 3 镜头畸变形式 b 透视误差 在成像系统的装配过程中，可能出现图像传感器芯片平面与像机光轴不严 格垂直的情况。这会影响图像的几何位置精度，产生透镜误差。另外在进行平 面二维测量时，物体表平面可能有与像机光轴不严格垂直的情况，这也会产生 透镜误差，如图2 3 中( b ) 所示。 以上使数字图像产生几何畸变误差的原因中，镜头畸变的影响通常最大。 在二维平面测量时，如果成像平面与像机光轴不垂直或物体表面与像机的光轴 不垂直，都会产生较大的透镜误差。 成像系统的几何畸变误差是多种误差的组合，是一种典型的系统误差，它 是影响光学测量精度的最重要的因素之一。 2 成像系统的噪声例1 图像在成像、数字化和传输等过程中难免会有各种干扰，形成噪声。这些 噪声使得图像上像素点灰度值不能正确地反映被测对象对应点的光强值，也就 降低了图像的质量。工业相机产生的噪声是成像系统中的主要噪声。另外，对 于工业相机和图像采集卡组成的成像系统，信号数字化过程产生的像素抖动误 差也是一种重要的噪声来源。 a 工业相机产生的噪声 相机产生的噪声主要有： ( 1 ) 光子噪声 根据量子理论，光子运动具有波粒二相性，因此感光像元在单位时间内接 受的光子数目是一个随机数，会在平均值上下做微小波动，从而产生的电荷量 也作相应的波动。这样形成的噪声称为光子噪声( p h o t o nn o i s e ) 。 这种噪声信号满足泊松分布，即和图像信号不独立，不满足高斯分布，不 四川大学硕士学位论文 是可加性噪声。其标准差等于均值的平方根。在低照度、低反差条件下，当其 它噪声用各种方法抑制后，光子噪声成为主要噪声，决定了一个器件的极限噪 声水平。 ( 2 ) 暗电流噪声 由于某些原因在感光像元会产生出与光电子无法区分的电子，这会使感光 像元产生“暗电流”，即在无光情况也会产生的电流。这样形成的噪声称为暗电 流噪声( d a r kc u r r e n tn o i s e ) 。根据产生电子的不同机理，暗电流噪声可分为热电 噪声和固定结构噪声。热电噪声是由于热电效应( 耗尽层热激发) ，即由于热能 作用而从感光像元材料中释放出的电子形成的噪声。另外还有由于感光像元组 的中心非均匀分布，特别是某些感光像元位置上的缺陷形成的暗电流峰而产生 的噪声。由于这种噪声图案是固定的，因此称为固定结构噪声。实际实验表明： 当曝光时间少于一定量，暗电流噪声可以忽略不计。但是当对需要长时间曝光 的静态图像进行拍摄时，应该考虑这种噪声的影响。 ( 3 ) 光响应非均匀性噪声( p h o t or e s p o n s en o n - u n i f o r m i t yn o i s e ) 图像传感器各个感光像元在均匀光源照射下具有光响应非均匀性。它主要 与器件的制造工艺有关，由于近红外光在硅中的穿透力较强，光响应非均匀性 还受衬底材料的非均匀性影响。光响应非均匀性没有一定的规律，因器件而异， 具有很大随机性。因此，对于弱信号的应用，应进行实际测量，然后加以补偿 以达到均匀响应。 ( 4 ) 杂波噪声 该噪声主要来源于传输通道及各种器件，如时钟信号和电源电压不稳定， 以及传输中受到的电磁干扰等。这类噪声多满足无规则随机性，频谱较宽，幅 度不等。 ( 5 ) 其它噪声 由于镜头的清洁度而产生的噪声，如镜头内外部落灰、手印、划痕等引起 的噪声。 b 图像采集的像素抖动 图像卡内部像素时钟的频率变化产生的误差。在每行的开始这种误差不存 或极小，但在结束时候可能会变得较大而不可忽略。由于像素时钟本身的波动 而造成了采样时间的变化，因此产生了像素值对应位置的变化，这些都是系统 1 4 四川大学硕士学位论文 存在的像素抖动。 减少像素抖动可以采用的措施有： ( 1 ) 图像卡用一个同步信号产生器来产生并输出同步信号，来同步像机信 号，即所谓的g e n l o c k 技术； ( 2 ) 像机输出像素时钟信号，图像卡直接采用像机输出的像素时钟信号来 进行图像的数字化。 2 4 2 目标分割过程中的影响因素 主要是分割算法的影响。实际图像分割的结果一般都不是理想的。采用不 同的分割算法和同一个算法中的参数选取不同时都会导致分割结果的变化。分 割结果的变化直接影响着特征量的检测结果，而且当分割结果发生相同变化时， 不同特征量的测量结果所受到的影响也不同已经证明图像分割对测量精度的影 响与图像的信噪比s n 、目标的形状和尺寸等都有关。 2 4 3 特征量计算过程中影响的因素 主要是特征量计算公式的影响。在对目标特征的测量中，我们从离散化了 的图像中去估计原来连续世界的情况，这里如何能估计的精确是一个复杂的问 题，其中特征量的计算公式起着很重要的作用。在边界点的拟合时，就存在特 征量的人为误差。 除了上述讨论的对测量精度的影响因素外，还有许多其它因素的影响。而 且上述各个因素的作用和影响并不是孤立的，它们是相互有联系的。例如：计 算公式对长