微运动工件的高性能图像测量方法研究

1、微运动工件的高性能图像测量方法研究1、项目研究意义 机器视觉图像测量是数字图像技术和测量技术相结合的产物，广泛用于制造业。由于计算机的智能化和高速数据处理能力使得对一些复杂零件的高精度快速测量成为可能。机器视觉检测为非接触测量，对工件装夹精度要求低，特别适用于现代制造的在线测量和在线自动质量检测。但这项技术仍有以下缺点： （1）环境条件和系统参数变化很容易影响测量结果，测量可靠性受到影响；（2）系统测量结果与摄像机、图像采集系统、照明光源、镜头和图像分割技术等均有密切的关系，因此对系统性能评价比较困难，长期以来多采用高成本、耗时长、离线的方法来进行1；（3）对于较大尺寸的物体，检测精度较低。本

2、项目设想对上述问题进行改善，使机器视觉图像测量的应用范围得到进一步的扩大。利用近年来发展成熟的微位移技术，被测量物体放在电致伸缩陶瓷驱动的微运动平台上，测量过程中将被测量目标微运动起来，视觉系统同步多次测量。通过对多次测量结果的实时计算分析，提高测量精度。通过比较给定微位移量和微移动后测量结果的变化情况，对系统性能实现自动诊断，提高系统可靠性。我省是一个制造业大省，生产企业的在线测量水平直接影响到产品的质量。 机器视觉测量由于其自身的优点，广泛用于制造业，这项技术的发展将对产品质量的提高有重要的意义。受我省诸多企业的委托，我们已经完成十多项针对不同对象的机器视觉测量系统开发，为生产加工企业解决

3、了实际问题，提高了生产效率。我们曾经多次遇到企业委托项目，要求测量速度快，而且参数多、精度高，机器视觉测量如果能够解决精度、可靠性等问题就是最佳方法，在工业测量中将有很好的应用前景。2、项目研究目标及与申请者研究工作长期目标的关系项目研究目标：将机器视觉测量技术与近年来日益成熟的微位移技术结合起来，测量过程中在计算机控制下利用电致伸缩器件主动精密微运动被测量目标，机器视觉系统同步多次测量，对多次测量结果实时分析，直接得到系统分辨率指标，提高系统测量精度；通过比较给定微位移量和微移动后测量结果的变化情况，实现系统性能在线快速的自动评价和校准，提高测量系统可靠性。我们从事机器视觉测量研究工作已有十

4、多年时间，将机器视觉测量技术推向成熟和完善，扩大其应用范围，是我们长期工作目标。近两年来进行了微位移和纳米测量领域的研究，设想将电致伸缩微位移技术用于机器视觉测量。机器视觉测量中，对系统性能进行直观、快速和有效的评价，在线自诊断、自校正，保证系统可靠性，提高测量精度，都是难以解决的基础问题，希望能得到浙江省自然科学基金的资助。3、 项目研究内容，研究方案和进度安排研究一种新的机器视觉测量方法，期望提高系统测量精度，直接得到系统分辨率，能够在线诊断系统性能、提高系统可靠性。系统原理框图如下图所示。被测量工件装载在一个可以两维精密微运动的工作平台上，测量过程中系统控制平台产生精确微位移，同时多次重

5、复测量。选用电致伸缩陶瓷作为微位移驱动器，驱动电源产生的电压使微位移陶瓷器件发生形变，得到精密微位移。驱动电源有数字接口与计算机相连，接受计算机的控制。微位移技术近年来日益成熟，其中电致伸缩陶瓷微位移驱动器以其体积小、承载力大、效率高、位移分辨率高、对磁场不敏感、不产生噪声等优良特性，已经在扫描隧道显微镜微量、超精加工进给、微电子工程和机器人装配的超微定位中得到了应用，是一种理想的微位移驱动器。但是电致伸缩陶瓷驱动器在电场的作用下存在滞后、蠕变、非线性等不良特性，使其精度和重复性降低、输入电压与输出位移之间存在着较大的非线性和迟滞性。因此，为了提高压电陶瓷的灵敏度、稳定性和重复精度，在电致伸缩

6、陶瓷驱动器的控制中采用精度高、响应快的微位移检测电感传感器对微驱动器的实际输出位移进行检测并反馈给控制器进行闭环控制。这种方案可以达到纳米级的精度，这里为了提高微位移的精度，达到进行系统校准的目的，使用高精度电感位移传感器测量位移量，经二次仪表的数字接口将读数送入计算机，由计算机反馈控制。这里可以很容易的实现X、Y方向的微运动，最大微位移，对于考核机器视觉测量系统的分辨率已经足够。这里在微小移动范围内以电感（或电容）位移传感器作为高一级精度测量设备对机器视觉图像测量系统进行校准，充分发挥机器视觉图像测量系统对复杂工件和在多参数测量时的优点，组成高性能的复杂几何参数测量系统。主要研究内容为：（1

7、） 研究微位移控制方法，适用于机器视觉测量的精密微位移技术，需考虑被测量工件的承载和光源安装影响；（2）比较使用不同亚像素边缘检测算法、不同照明条件以及不同图像设备情况下，图像边缘检测结果与微位移量的关系；（3）定标物体微移动后产生的一系列新的坐标数据作为摄像机定标原始数据，摄像机重新定标，分析定标结果，寻找修正模型；（4） 研究利用多次测量结果综合分析系统性能的计算模型和测量精度改善效果；（5） 被测量物体的移动量和测量结果同时得到，研究利用它们直接估算测量分辨率的方法，研究在实际测量时利用它们对系统性能实现自动评价的方法。机器视觉测量系统对系统参数和外界条件改变十分敏感，很容易使系统性能不

8、稳定，希望能通过这种方法进行自诊断，并探索系统自校准方法。计划研究时间二年，其中：（1）开题准备二个月（2）设计利用精密压电陶瓷微位移装置驱动定标物体试验三个月（3）研究定标物体微移动时尖锐边缘检测结果五个月（4）寻找修正摄象机参数的方法四个月（5）利用跟踪测量数据，提高系统测量精度五个月（6）在实际测量中实现在线自评价 三个月（7）撰写论文、结题二个月4、 项目创新之处近十多年来机器视觉测量技术发展迅速，高分辨率的摄像机和图像卡不断出现，特别是最近几年出现的高分辨率数字摄像机，使这种方法的测量分辨率不断提高。为了进一步提高系统精度，人们对图像测量的软件算法十分重视，亚像素边缘定位的方法得到了

9、深入研究，主要的方法有：插值法、空间矩法、最小二乘法等。人们对这些方法进行了大量的理论和实验研究，利用计算机图形学方法生成理想边缘图像，验证亚像素边缘定位算法的定位精度和抗噪能力4 5。但是如果仅仅利用摄像机的分辨率和亚像素定位精度去计算系统精度是远远不够的。影响系统精度的因素主要有：（1）照明光源；（2）光学成像系统；（3）CCD摄像机；（4）图像采集电路；（5）软件算法2 3。照明和光学成像系统对测量系统的精度影响很大。高质量的图像对图像处理和分析起着重要的作用，一个设计良好的图像获得装置远比软件算法上的努力重要。实际光学系统都存在着误差，对于普通镜头，其误差在图像周边可达几个像素点。这种

10、情况下，亚像素处理技术失去意义。而对照明系统的判定和定量分析又比较困难。要提高测量精度，必须通过摄像机的标定和修正降低系统误差。因此利用精密微运动被测量目标来得到测量系统的精度指标是十分必要的。国外对视觉测量系统性能评价问题的研究较早1，1中对影响系统性能的各种因素作了详细分析，采用一整套复杂的评价方法，在整个测量范围移动标准物体，用多种测试方法对系统性能指标进行评定。但这种方法费时、成本高、需要专业人员来进行统计分析，在线评价是不可能的。我们基于对机器视觉、微位移和纳米测量技术的研究，提出本项目。设想利用目标的微小变化（而不是整个测量范围的移动）实现对系统性能的在线自评价。精密压电陶瓷微位移

11、技术已趋于成熟，控制精度高、动态响应好，原子力显微镜使用这一技术进行纳米级驱动，亚微米、微米级的成本则可以降低。本项目创新之处在于将测量系统性能评价、微位移技术、在线自诊断结合起来，尚未见报道。我们认为它是有价值的，有以下优点：（1）对测量分辨率的考核更直接，比整个范围的评价结果更有说服力。（2）由于小范围移动，时间短，在线自评价、自校正成为可能。虽然评价的范围小，但在一般工业应用中，零件形状、公差范围已知，利用这些信息的小范围评价结果仍然有重要意义。（3）常用的定标方法，标准物与实际被测物体有差异，由此而来的成像差异也会带来误差。利用微移动目标的方法更接近测量真实情况，可以对摄象机参数进行修

12、正，提高测量精度。（4）利用目标微变化后的多幅图像，结合已知移动数据，寻找一种统计处理方法，提高系统测量精度。与目标静止情况下的多次测量相比应该有更好的效果。比如在目标位置处于CCD敏感元间隔中的特殊情况，低成本摄象机可能有敏感“死区”存在，通过这种方法可以减少影响。5、工作基础与工作条件我们已经进行了十多年机器视觉测量领域的研究，对其关键问题有较深入的了解。成功完成相关研究项目十余项，开发针对不同对象的复杂几何参数测量设备，为生产企业解决了一些实际问题，其中：（1）印刷线路板自动定位孔钻机 通过浙江省科技厅科技成果鉴定，获浙江省科技进步三等奖；（2）钢卷尺长度光电自动检测装置 通过浙江省科技

13、厅科技成果鉴定，获部级科技进步三等奖；（3）超级电能表转动部件自动质量控制系统 通过浙江省科技厅科技成果鉴定，获浙江省科技进步三等奖；（4）轴瓦自动检测与分选系统 通过浙江省科技厅科技成果鉴定，获浙江省科技进步三等奖。近两年进行了有关精密陶瓷微位移和纳米测量领域的研究，申请人2003年在国际著名研究院参加大范围原子力显微镜项目的合作研究，对微位移技术有较好的掌握。由于机器视觉测量技术在制造业中有很好的应用前景，设想将微位移技术用于机器视觉测量。课题组成员，公开发表有关论文若干篇。主要有：(1)零件几何参数的计算机自动测量系统. 计算机自动测量与控制. 2000，8（4）:38-39(2)Bas

14、ed On Computer Vision Auto-aligning Drilling Machine For PCB , SPIE 1998, Vol 3558：74-80 EI 1999 EIP9900024568627 ISTP 1999 08194-3019-6(3)多通道分布式计算机视觉系统. 光学技术,2001，N0 4： 15-18(4)光学目标的计算机视觉定位系统研究, 光学技术, 2000 ,N0 6： 5256(5) 基于计算机视觉的光学目标自动定位系统, 光子学报, 2000,N0 12： 25-28(6)计算机立体视觉技术在工业检测中的应用研究. 计量与测试技术. 1

15、999，26（4）:9-10(7)基于单片机视频图形图像叠加的印刷线路板定位孔钻机. 组合机床与自动化加工技术. 1999，41（8）:23-25项目依托单位具备了本项目研究基础硬件设备，如视觉测量系统、坐标测量机、图像信号分析系统等。6、预期研究结果及其利用研究结果的计划和今后发展的思路预期这种测量方法可以提高机器视觉测量系统测量精度和可靠性，能得到一种快捷、直观的系统测量分辨率等性能参数评价方法。将研究结果以科研样机和论文形式递交，包括试验模型、计算方法、测试数据等。我们与生产企业有广泛合作，已经完成十多项针对不同对象的机器视觉测量系统开发，研究结果将会很快应用到新产品的开发中去，项目组能

16、够很快将结果加以应用和传播。今后将具体开发低成本微位移驱动单元，将研究成果应用到机器视觉测量产品中。希望今后能逐渐建立一个机器视觉测量系统的完整评价方法，使得机器视觉测量完善可靠。主要参考文献1 Sabry F.Ei-Hakim, David Westmore, Performance evaluation of a vision dimension metrology system, SPIE Vol.1526 Industrial Vision Metrology, pp.56-67,(1991)2 David Mendlovic, Adolf .W.Lohmann, One-dimens

17、ional super resolution optical system for temporally restricted objects, Applied Optics,1997,36(11):2353-2359 3 Pedersini Federico, Stati Augusto, Tubaro Stefano. Improving the performance of edge localization technigues through error compensation, Signal Processing: Image Communication, 1998.12:33-474 贺忠海，王宝光，廖怡白.理想边缘产生方法的研究. 光学精密工程，2002，10（1）：89-935 屈玉福，浦昭邦，王亚爱. 视觉检测系统中亚像素边缘检测技术的对比研究. 仪器仪表学报，2003，24（4）：460-4626 章毓晋，傅卓. 利用切线方向信息检测亚像素边缘. 模式识别与人工智能. 1997，10（1）：83-887 V.Carbone, M.Carocci. Combination of a vision system and a co