基于计算机视觉技术的微小线尺寸测量系统设计

刘 远，韩红哲

(天津科技大学 天津300222)

基于计算机视觉技术的微小线尺寸测量系统设计

刘 远，韩红哲

(天津科技大学 天津300222)

研究了一种基于计算机视觉技术的微小线尺寸测量系统，取代了传统的工件尺寸测量仪，实现了对小尺寸工件的非接触、高精度、自动测量。在硬件设计方面，提出了一种高速采集、快速传输的线阵CCD数据采集传输方案。在软件设计方面，提出了微小尺寸的图像处理与分析方法，采用数字图像处理技术对采集的包含微小尺寸要素的放大数字图像进行处理和分析，以获得被测尺寸的位误差值。

视觉技术 尺寸测量 非接触测量 线尺寸测量

0 引 言

目前，我国诸多生产制造企业花费在加工尺寸检测上的时间成本和人员数量相当可观，严重影响了企业的生产效率、经济效益。传统的接触式测量技术已不符合现代企业对加工制造的非接触要求；另外，以往的离线、静态测量技术已不满足现代加工对主动测量的要求。因此，在现代化的生产制造企业中，提高测量速度，变静态、被动、非自动测量、接触测量为动态、主动、自动、非接触的全面测量，是每一个企业所追求的目标。

随着工业技术的持续发展，对测量精度、测量速度的要求不断提高，非接触式测量由于良好的精确性和实时性，已成为测量领域当前的发展方向。

基于计算机视觉技术的测量技术，作为一种非接触测量技术不仅具有结构简单、测量精度高、测量点小、工作距离大、自动化程度高、受环境电磁场影响小等优点，还可适用于不同材质，易实现在线、主动、非接触的全面测量，能完全克服现有接触式测量手段存在的问题，在工业自动检测、物体识别等领域应用越来越广泛。

1 视觉测量技术基本原理

基于计算机视觉技术的尺寸测量是以计算机视觉为基础，结合光、电、机应用的一种新兴的测量技术。视觉测量系统主要包括光学系统、数据采集传输系统及数据处理系统。其中，光学系统包括光源、聚焦透镜、成像透镜、光电检测器件等。光学系统组件示意图如图1所示。LD表示激光二极管(Laser Diode)，CCD表示光电耦合器件(Charge Coupled Device)，Lens表示透镜或者透镜组，δ表示像点位移，Δ为物点位移(被测物体的位移量)。在测量过程中，激光二极管LD发出的激光束在被测物体表面上形成一个亮的光斑，经成像物镜Lens将该光斑成像到光电接收器CCD的光敏面上，光强信号被转换为电信号；电信号经A/D采集并顺序输出后，就得到同时具备位置信息和光强信息的一维图像信息，图像信息经过图像数据分析可以精确计算出光斑像点的位置。因为像点位置与激光斑点位置存在严格的数学关系，只要能精确地测量出像点位移δ，就可得到被测物体的准确位移量Δ。

图1 光学系统组件示意图Fig.1 Schematic diagram of optical system modules

视觉测量领域中光学三角法作为光学测量的基本方法之一，已得到广泛的应用。光学三角法根据入射光线与被测物体表面法线的关系，又可分为直射式和斜射式。本课题根据需要，选用直射式光学三角法。

在直射式光学三角法中，入射光垂直入射到被测表面，成像系统通过接收散射光成像，原理简图如图2所示。其中，1代表激光二极管，2和4表示会聚透镜和成像透镜，3表示被测表面，5表示CCD光电耦合器件，∠θ和∠φ分别为激光投射直线和CCD敏感面所在直线与成像透镜主光轴的夹角，a和b分别为成像透镜主光轴上的轴上物距和轴上像距，δ为像点位移，Δ为物点位移。为保证成像质量，依据Scheimpflug条件，参数∠θ、∠φ、a和b必须满足以下数据关系：

图2 直射式光学三角法原理简图Fig.2 Schematic diagram of the principle of direct optical triangle method

2 测量系统总体设计

微小线尺寸测量系统分为光学系统、数据采集传输系统和数据处理控制系统等3部分，系统组成简图如图3所示。测量系统利用光学系统完成像点位置信息的探测，通过数据采集传输系统完成位置信息的光电转化、模数转化和数据传输，最后利用数据处理控制系统精确计算出像点位移，完成厚度-微位移的检测。

光学系统是以光学三角法原理为设计理论基础，主要包括光源、会聚透镜、成像透镜和光电转换器件(CCD/PSD)。

数据采集传输系统包括线阵CCD的驱动、线阵CCD数据的采集及采集数据的传输3部分，系统设计以高速单片机ATmega64为控制核心，利用单片机直接为线阵CCD提供驱动脉冲，控制线阵CCD专用A/D芯片MAX1101实现对线阵CCD输出信号的高速采集，通过USB接口实现采集数据的高速传输。

数据处理控制系统主要功能是利用USB接口与数据采集传输系统保持通信，通过显示、存储等辅助功能提供采集控制、数据传输和数据处理。

图3 系统组成简图Fig.3 Schematic diagram of system composition

3 测量系统硬件设计

本系统的硬件设计是以光学三角法原理为基础，核心元器件是光电转换器件。围绕光电转换器件，测量系统硬件需要实现线阵CCD驱动功能、线阵CCD输出信号采集转换功能及采集结果传输功能等，这就需要相关的A/D采集芯片、数据传输接口和控制单元等。根据设计要求及设计参数的要求，选取线阵TCD1208AP作为光电转换器件，选取MAX1101为AD转换器，选取CH372为USB接口芯片，选取ATmega64为下位机微控制器。

图4 系统电路原理图Fig.4 Schematic circuit diagram of the system

根据所选用的芯片，依据系统设计方案，系统总体的硬件电路图如图4所示，主要包括线阵CCD驱动电路、CCD信号数据采集和存储电路、USB接口电路、激光器的光强控制电路及供电电路等。

本系统电路涉及高速数据采集和数据传输，对PCB板的抗干扰设计有较高的要求。在PCB设计中，布线是抗干扰设计中的重要部分，AD转换器是模拟器件，是一个容易受干扰的器件，为提高抗干扰能力，布线时采取以下措施：电源输入端跨接一个100µF的铝电解电容器，为每个集成电路配置一个0.1µF的陶瓷电容器；加宽电源线、地线宽度，在印制板上敷铜且与地线相连作为地平面。

4 测量系统软件设计

本课题软件设计的主要目的是实现上位机与下位机的通信，对线阵CCD的输出数据进行处理，对实现装置进行测试和标定。软件设计根据系统的设计思想分为上位机软件设计和下位机软件设计。

上位机软件主要针对线阵CCD的采集控制、线阵CCD输出数据的接收和处理以及系统的测试标定等。下位机软件主要针对外围硬件设备的驱动、控制以及线阵CCD的输出数据的传输，下位机软件设计主要是微处理器控制程序。

图5 微处理器控制程序流程图Fig.5 Flow chart of microprocessor control program

微处理器控制程序是下位机系统运行的核心，负责线阵CCD数据的驱动、采集和传输，主要完成3个方面的工作，包括驱动线阵CCD、控制A/D采样并保存采样结果、通过USB与上位机通信并传输数据。微处理器控制程序流程图如图5所示。

5 误差分析与系统试验

视觉技术的光学系统中所有光学参数都是在理想情况下获得的，参数的设计也都是理想的，推导的公式也是理想状态下的形式，在实际测量中往往受到系统参数、外界环境和被测物体等多方面的影响，导致测量存在或大或小的误差。

具体误差包括：①成像系统误差；②温度、湿度等环境因素误差；③CCD传感器、电路处理误差；④数据处理误差；⑤被测表面和方案引入的误差。要使光学三角法测量系统得到正确的结果，必须分析和处理上述几个问题。本课题较好地解决了上述问题。

本课题设计的基于计算机视觉技术的微小线尺寸测量系统经过测试程序测试，在时间稳定性、阶跃响应特性、重复性等指标方面效果都比较好，验证了系统设计方案的可行性。

6 结 语

本课题研究了一种基于计算机视觉技术的微小线尺寸测量系统。在深入研究视觉测量原理的基础上，提出了简便、快速、准确的光学结构参数设计方法。根据线性CCD工作的原理和USB传输的特点，提出了一种高速采集、快速传输的线阵CCD数据采集传输方案。根据方案设计了相应的原理电路和PCB板，针对硬件设计功能完成了相应的微处理器控制程序的设计和编写。最后，针对测量系统进行了大量试验，通过试验数据分析总结，验证了系统设计的可行性。

［1］ 陈阳. 光学式非接触厚度-微位移测量仪的研制[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2003.

［2］ 王世华，周肇飞，晋崇九. 激光集成测量表面粗糙度和微位移的研究[J]. 激光杂志，1998，19(1)：44-48.

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［5］ 王莹. 视觉测量技术基本原理[J]. 科技致富向导，2014(12)：255.

Design of a Micro Line Dimension Measurement System Based on Computer Vision Technology

LIU Yuan，HAN Hongzhe
(Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300222，China)

This paper studies a “micro line” size measurement system based on computer vision technology．It replaces traditional workpiece dimension measuring apparatus and realizes the non-contact，high precision and automated measurement．In the aspect of hardware design，it provides a program of a high-speed acquisition，rapid transmission of the linear array CCD data acquisition and transmission．In the aspect of software design，it provides the methods of image processing and analysis for “micro line”，which uses digital image processing technique to process and analyze enlarged digital images of collected micro line elements to acquire error value of the dimension.

computer vision technology；size measurement；non-contact measure；line size measurement

TP216+.1

：A

：1006-8945(2015)08-0040-03

2015-07-09