数字图像处理技术在干涉仪中的应用

祝彦，丁振君，王芳，贾克军

（河北大学质量技术监督学院，河北保定 071000）

数字图像处理技术在干涉仪中的应用

祝彦，丁振君，王芳，贾克军

（河北大学质量技术监督学院，河北保定 071000）

利用CCD（charge－coupled device）对立式接触式干涉仪进行改装研制，变目视观察与判读读数为光电探测、自动瞄准、测量，把显微镜下的干涉条纹图像利用CCD采集后传输到计算机.结合数字图像处理技术，利用波长定度方法实现自动定度，双边直线拟合法自动确定0级干涉条纹中心的准确位置，并根据量块形成的0级干涉条纹中心偏移像素值计算量块长度.实验测试结果表明利用数字图像处理技术消除了人为判读差错的可能性，提高了工作效率，稳定可靠.

图像处理；CCD；自动定度；接触式干涉仪

随着计算机软硬件技术的迅猛发展，数字图像处理已成为学术研究及工程应用中一个非常重要的领域.数字图像处理是指利用计算机或其他数字设备对图像信息进行各种加工和处理，它是一门新兴的应用学科，其发展异常迅速，应用领域极为广泛［1］.采用基于图像处理的计算机视觉技术进行检测可靠性好，准确率高，可以提高检测精度、速度、自动化程度［2］.

1 系统原理及组成

系统是以CCD（charge－coupled device）图像传感器为主要元件构造而成，将CCD图像传感器安装在干涉仪目镜位置，被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上，CCD根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号输出.此系统主要由3部分组成：图像的获取、图像的处理和分析、输出或显示.图像处理技术主要用于2个方面，一是干涉仪的定度，二是量块长度的测量.

1.1 干涉仪定度原理

干涉仪的定度即是确定目镜分化板标尺的刻度值，定度时所使用的长度标准量是滤光片透过光的中心波长λ（检定数值）.

从干涉仪工作原理已知，m条干涉条纹所表示的空间长度为

其中：m为干涉条纹（移动量），λ为光波波长.

而在m条条纹间隔里包含有n个标尺刻度，则标尺刻度值i为

1.2 测量原理

量块长度的测量采用的是微差比较测量法，用已知尺寸的高一等量块作为标准量，测量出被测量块与标准量块的差值，则被测量块的长度尺寸为

式中，L标为标准量块的中心长度尺寸，检定数值.

2 图像处理系统

由于光学镜头的原因和噪声等因素，采集到的干涉条纹图像精度会受到一定的影响.图像处理的目的是将传送过来的图像数据按照系统的目标进行处理分析，以便提取其特征.本系统的目的是获得准确清晰的干涉条纹.采取的具体图像处理过程如图1所示.

图1 图像处理系统Fig.1 Image processing system

2.1 图像处理方法

首先通过CCD图像传感器获取主窗口当前位置显示的图像内容，并返回图像存储数组的指针和图像的高度、宽度等信息，将真彩色图像转换为灰度图来处理，以加快图像处理的速度以及缩减存储空间［3］，之后程序根据返回的信息计算每一列像素3个分量的和，再将所有和相加.根据这个特征提取得到的值，在对话框上画出其对应的相对高度直线，这样就得到处理后的图像，如图2所示.

图2 图像处理Fig.2 Processing of image

2.2 图像处理技术

处理后的图像为原始图像每列像素R，G，B分量值累计和波形图，像素的R，G，B分量值越小表示的颜色越暗，通过寻找波形图的极小值点来确定黑条纹中心［4］.但考虑到CMOS器件各光敏像素响应不均匀、图像光强分布的随机波动及绝大多数情况下，条纹中心距不是光敏元中心距的整数倍等一系列因素的影响，此极小值只表明黑条纹中心的大致位置.

测量时极值点有较大的随机性，为了消除单个极值点随机性大的缺点，更精确地获得零级黑条纹中心的较精确位置，需要利用此极小值及其附近的数据.常用的拟合方法有3种：灰度积分法，曲线拟合法，双边直线拟合法.其中双边直线拟合法精确度较高，算法容易实现，因而本设计采用了这种拟合方法［5］.如图3所示，选取上、下2个灰度阀值水平，把波峰灰度曲线截取为左右2个曲线段，分别对这2个曲线段进行直线拟合，拟合得到的直线与选定的上下2灰度阀值线各有一交点，再取2交点的中点与另一边的2交点的中点连成的直线段的中点位置即拟合结果1，作为测量的几何中心位置.然后找出波形曲线最低点的横坐标，然后以它为中心分别向左右2边搜索2个峰值.去除峰值和谷值附近的3～5个点，剩下的区间点就可以用来拟合曲线了.用最小二乘法和剩下的区间点分别拟合两边的直线.拟合完毕，求得2条直线的交点拟合结果2，即为所要求的黑条纹中心横坐标.

采用这种方法，条纹中心不是由单个点确定，而是由条纹极值点附近一系列点确定，消除了单个像素随机波动对测量结果的影响，同时实现了CCD像素细分.

图3 双边直线拟合法Fig.3 Method of double－sided fitted line

通过双边直线拟合法自动拟合、识别出每个条纹波谷，并对每个波谷按顺序编号.然后选取2个条纹编号输入文本框，软件自动计算出2个条纹之间的间隔条纹数m，和间隔像素数n，根据仪器给出的标准值，1个条纹对应0.283μm，计算出每个像素对应的长度值

3 实验及结论

相对测量时，只要求获得被检量块与标准量块的差值，则此值为

若要求受检量块的长度，其值为

其中，K为单位像素定度系数，指单位像素代表长度量值，L标为标准量块长度.

实验选取的9 mm标准量块来检测被检量块.实验开始前首先对接触式干涉仪进行调整，主要是光源调节、干涉条纹的调节和仪器分度值的调节，仪器2次测量的数据如图4所示.

图4 测量数据Fig.4 Measurement data

结果表明，利用图像处理技术通过运用各种算法，对图像进行数字处理，实现了数据自动采集、处理、计算和记录，消除了人为判读差错的可能性，减小了测量时系统误差和粗大误差发生的概率，提高了系统测量精度.

［1］冯瑶.数字图像处理技术的应用［J］.重庆工贸职业技术学院学报，2010，17（1）：72－74.

FENG Yao.The application of digital image processing technology［J］.Journal of Chongqing Industry ＆Trade Polytechnic，2010，17（1）：72－74.

［2］杨梅.利用数字图像处理技术测量零件几何尺寸［J］.吉林工程技术师范学院学报，2009，25（9）：34－37.

YANG Mei.Digital image processing technology for dimension of work pieces［J］.Journal of Jilin Teachers Institute of Engineering and Technology，2009，25（9）：34－37.

［3］张力.Visual C＋＋高级编程［M］.北京：人民邮电出版社，2002：83－98.

ZHANG Li.Effective programming in VC＋＋［M］.Beijing：Posts and Telecom Press，2002：83－98.

［4］周长发.精通Visual C＋＋图像编程［M］.北京：电子工业出版社，2000：160－168.ZHOU Changfa.Proficiency in VC＋＋［M］.Beijing：Publishing House of Electronic instrudry，2000：160－168.

［5］朱小平.CCD传感器用于刻线自动瞄准的研究［J］.现代测量与实验室管理，2003（1）：5－16.

ZHU Xiaoping.Research of auto－aiming for line images using CCD sensors［J］.Advanced Measurement and Laboratory Management，2003（1）：5－16.

Digital image processing technology for interferometer

ZHU Yan，DING Zhen－jun，WANG Fang，JIA Ke－jun
（College of Quality and Technology Supervision，Hebei University，Baoding 071000，China）

The contact type interferometer was reformed using CCD.Then it could transmit the interference fringe picture to computer which always observed by person under the microscope.The measurement system could realize the function that automatically controlled，instrument definition，gauge block measured，data displayed and preservation realized with the image processing technology.The stochastic factor to the measurement result influence was greatly eliminated by the fitting straight line algorithm method was used.Through the above aeries of intellectualizations transformation，the working efficiency of the instrument was greatly enhanced，and the measuring accuracy was increased.

image processing；charge－coupled device；auto definition；contact typ e interferometer

T H741.1

A

1000－1565（2012）02－0203－04

2011－09－10

国家自然科学基金资助项目（60677021）

祝彦（1977－），女，河北保定人，河北大学讲师，主要从事传感器与智能仪器方面的研究.E－mail：lemons＿zhu＠163.com

孟素兰）