高精度零件尺寸测量系统

1、第卷第 期科学技术与工程© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 高精度零件尺寸测量系统夏若安朱理胡双灸湖南人学软件学院长沙摘 要 提出了一种零件尺寸高桥度测畫的图像测歆系统.为了提高测覆系统的粘度 先在 样子的堆础I:去掉局部非极 大值点获得象素级边缘 进而任梯度方向上进行冊斯曲

2、线拟介插值 进步提岛图像边缘建位的粘度 从而便测星系统的命度 大大提高。实脸证明是町行的.关犍诃 边缘检测 亚彖索 曲线拟介中图分类号文献标识码© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 图像测鼠是一种采用 电荷耦合器件进行 摄像测量的新型光电测量技术它是将 器件与 光学仪器联用 应

3、用于测量领域而形成的。图像测 駅技术是以现代光学为星础融计算机图像学、信 息处理、计算机视觉、光电学等科学技术为一体 的现代测量技术 它把被测对彖的图像为作检测和 传递信息的手段从中提取冇用的信号来获得待测 的参数.近年 图像测量技术在国内外发展很快 已广 泛应用于儿何量的尺寸测量、航空遥感测量、桥密 复杂零件微尺寸测量和外观监测、光波干涉图、应 力应变场状态分布图等和图像仃关的技术领域。本 文将图像测量技术用到零件尺寸参数的测量Z屮 并为了提高测駅系统的将度提出了一种先在 算子的基础上去掉局部非极大值点获得象素级边 缘进而在梯度方向上进行高斯曲线拟介插值进 一步提高图像边缘定位轿度从而使测录

4、系统将度 大大提高的方法。测彊系统的构成图像测量系统是集光学、光电子学、耕密机械 及计算机技术为-体的综合系统。高精度零件尺寸 测吊系统由 摄像机、图像卡、计篦机及图像处理年 月 日收到第一作者简介兀若安 出牛 湖南益闭人 硕上研究生 研究方 向图彤图像处理.软件等组成 再加上相应的照明系统、接口硬件 结 构框图如图 所示。其工作过程为 将被测零件置于 尽可能均匀照明的可控背景前 和图像卡将被 测零件图像采集到计算机电计算机按一定的算法 计郭;II彼测物体的儿何参数 最后计算机对这些 数据进行备种处理并将结果按-淀的要求y以显 示和存储.图1图像测莹系饶结构也图测量算法在图像测量系统屮图像边缘

5、的检测是整个测 量的基础和关键。图像边缘检测粘度高 整个测量 系统的辅度就可大大提高.零件的轮廓通常产生阶 跃型边缘因为零件的图像强度不同于背景的图像 强度。对j邛介跃型边缘的检测 算了边缘检测 效果比较好但灯法复杂 提出用一维高斯加权 两数对原始图像作平滑然后检测二阶方向导数作 为边缘点 过滤了噪声 但可能将原有的边缘也给 过滤掉了 利用 算了检测边缘方法简单 处理速度快得到的边缘光滑、连续。虽於得到的边缘较 宽 但在其梯度图像屮去除非局部最大值点 就可 以检测出更将确的边缘。为满足图像测量的需耍本文先在 算子的 阜础上去掉局部非极大值点获得象素级边缘 进而 在梯度方向上进行高斯曲线拟合插值

6、进一步提高 图像边缘宦位粘度到亚彖索级从而人人捉高测量 系统的精度。線素级边缘提取彖索级边缘提取是指用彖索级的边缘检测算 子对忖标初步定位 得到線索级柿度的定位过程. 本文利用 算子 在梯度方向上去除非局部最大 值点成功地获得了彖素级边缘取得了较好的效 果。具体的步骤如下。用算子对去噪后的图像进行卷枳得到卷枳图像。计算图像中每一点的梯度方向值0其计算 公式为0''这样就可以得到图像中毎一点的梯度方向值。根据离散数字图像的特 点将的卞成四个方向范阳 水平方向 。一 ° 以及 。一。 方向 。一。 竖 直方向 。方向。_0o対梯股图像屮的所有边缘点 在無一点的 X邻域中

7、将屮心彖素梯度值与沿梯度方向的两 个象素梯度值进行比较若在邻域中心处的禍值比 沿梯度方向上的两个相邻点的幅值人则此点为边 缘点 否则 此点为非边缘点 赋值为 从而得到单 象素边缘图像。图是利用算子在改进前后得到的微孔零件图像的边缘图。从图中对比结果可以看出经典 算子获得的图像边缘比较宽而利用改进的算 子获得的图像边缘较细达到了单彖素级水平取 得了比较满意的效果.亚線素边缘定位图像边缘可以梢确到一个彖素点 这样 边缘 点坐标可以近似地为像元的儿何中心位置。这时系 统的测虽桁度由 感光部分的像敏元间距决定. 因此 图像测最系统的测量将度 在不考虑像差等 因索的情况卜主要取决于 摄像机的分辨率。为

8、了提高测量系统的将度文献 提出了一种槪率W2改进册看边缘对比图统计细分方法来提高 尺寸测鼠分辨率文献 提出了解调测量方法来提高 尺寸测量分辨 率文献 提出应用概率论方法来提高 尺寸 测量分辨率 文献 提出应用多项式插値函数来 提高 尺寸测杲分辨率等等。本文提出在梯度方 向上进行岛斯曲线拟合插值进一步提高图像边缘 定位的辅度从而使测量系统的辅度大大提爲的 方法.高斯曲线拟令原理分析在国像边缘梯度方向上灰反梯度呈一个倚 斯曲线分布。若用边缘检测算子直接提取图像边 缘则只需找111灰度变化址人的線素的坐标就町 以了。但是灰度变化最大的彖索坐标不一定是 这个高斯曲线的极值点而且可以说往往不是极 值点如

9、图所示我们往往认为位置点就是图 像的边缘点但从图屮可以很明显地看出來实 际的边缘位置点不是点而是点。对于一个图 像测最系统来说 若认定 位置点就是我们所要 找的边缘点这往往达不到系统测量的粘度。为 了提高系统测量的精度必须找到点的准确位 置 这可以通过采用亚象素细分算法来耕确定位 点在图中点的梯度值最大设为 点和 点的足在梯度方向上紧挨点的左右两点设它 们的梯度值分别为和 通过这三个梯度值拟 合出-条高斯曲线然后通过求导来取得其极值 点 则对应极值点的坐标点 即为图像边缘的粘 确定位点。© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Pub

10、lishing House. All rights reserved, 科学技术与工程© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 图3高斯曲线及其极值点梯度方向上高斯曲线拟介插值细分算法通过 算子可以很方便地得到每个边缘線 素点的梯度值和梯度方向值根据这两个值就能够 进行卜步梯度方向

11、上的高斯曲线拟合.高斯曲线的表达式为 I|其中为均0 '值。为标准差.直接对此式进行拟合很困难 可以 把高斯曲线作变换 两边取对数仃下式成立° 7 no可以看出上式形如 是一条典空対的 二次曲线.这样就能用取对数后的值来拟介出抛物 线求出顶点坐标便计算大大简化。为了求出梯度方向上二次曲线的形式我们采 用曲而拟侖的观念先用个二元=次多项式去拟 合边缘点附近邻域内彖素梯度的对数值 得到曲面 拟介函数然后再通过曲而拟介函数來得到次曲 线形式.通常我们利用边缘点附近X邻域彖素点 来计算参数当然也可以加大区域取点范用这样 求出的曲面函数效果也比较好。但是 这会增加检 测时il笄的复杂度

12、 且增加的效果不是很明显。所衣 微孔寒件的测览结果测賦结果o 以我们通常采用边缘点附近x邻域線索点來计件 参数。设曲面拟合函数为瓦屮的为彖素点的坐标ffi为在線素点处梯度大小的对数值。所以关键是计算方程I'曲面拟合函数的系数可用最小二乘法求出系数的值然后运用公式 就可以求出边缘 点的准确付置。根据最小二乘原理残差平方和最小仃城小化谋差后就可以求出系数的值。以边缘点为中心建立极坐标系将 p o p哦入所得的曲而拟介两数里得到在梯度方向 上关于极径的二次曲线方程对这个方程求取其极 大值即可得到准确的边缘点的位置p !_20 () () 0在上而求解 值的过程中 需要注意到的一点 就是二次曲

13、线是由原高斯曲线取对数后得到的因 此求解时应将彖索点的灰度梯度值用其对数值代 替。这样 边缘点亚線素位置的提取公式为P 0P 0实验结果本课题实验采用的是型号为的黑口 摄像机工作台足 数字式工具显微镜。 图中图是通过 摄像机拍摄到的将密小孔原 图测量时通过前后左右移动工作台便小孔在成像 视场中的位置发生变化采样次运用木文所提出 的方法测吊小孔的直径得到的实验数据如表所示.从表的测量结果屮可以看到测量结果的将 度达到了U 取得了比较好的效果。结论A文首先提出了高精度零件尺寸测量系统的 结构、工作原理等问题。然后提出了一种在 W 子的基础上去掉局部非极大值点来快速获得象素 级边缘的方法 进而提出在

14、梯度方向上进行高斯曲 线拟介插值來提高测量系统的粘度 从实验结果屮 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 期更若安尊高精度寒件尺寸测量系统可以看出取得了比较好的效果。参考文献图像处理和分析 北京消华人学出版社赵嫩邱宗明等提烏图像测械分辨率的一种方法西安珅匸大 学学报一寧仲力捉高尺寸测分耕率的解调测秋法仪!»仪衣学报邱茂珍应用槪率论提高尺寸测精的分辨力仪器仪茨学报吴晓波钟先信 应用多项式插值说数捉高向阡尺寸测笊的分解耒仪覇仪衣学报© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights re