视觉测量系统结构设计与光照强度分析*

段振云，董　迪，赵文辉

(沈阳工业大学 机械工程学院,沈阳 110870)



视觉测量系统结构设计与光照强度分析*

段振云，董迪，赵文辉

(沈阳工业大学 机械工程学院,沈阳 110870)

为了提高机器视觉测量系统的测量精度，在分析机器视觉测量系统结构和工作原理的基础上，选择合适的硬件并设计视觉测量系统整体机构，搭建视觉测量系统实验台。对于系统结构定位误差进行了研究。对光轴与物面垂直度调整方法进行研究。对于光照强度变化对测量精度的影响进行理论分析和实验验证。实验以圆形标定模板的像素当量值和圆直径作为评价系统测量精度的指标，讨论光照强度对测量精度的影响，最后提出一种误差补偿公式来补偿光照强度带来的误差，实验数据证明应用此方法系统测量精度得到提高。

测量精度；结构设计；光照强度；误差补偿

0　引言

机器视觉测量技术是以计算机来模拟人的视觉功能，以光学技术为基础，融合计算机技术、图像处理技术等对实体目标实现非接触测量[1-2]。机器视觉测量技术以其强大的功能、高效、高稳定性等优势，已经成为行业应用中稳步增长的解决方案。

对于以测量为目的的系统来说，精度是首要条件，保证精度才能保证测量的可信性。目前大多数学者将注意力集中在图像滤波、边缘提取、摄像机标定等软件算法上，对硬件系统方面的论述研究较少，文献[3-4]分析了噪声和镜头畸变及温度环境等因素对图像测量精度的影响，没有分析镜头与实验台的垂直度带来的误差影响。文献[5-6]分析了手动调节光源的缺点，构建自适应光源控制系统。但没有研究光照强度对测量精度的影响。

本文首先对系统进行结构设计，在此基础上分析影响精度的误差因素，最后通过实验分析光照强度对测量精度的影响。

1　硬件系统设计

在高精度的视觉测量系统中，硬件的选择是机器视觉系统设计中的重要环节。本系统所用的主要硬件如下：

(1)工业相机采用德国Basler公司生产的piA2400-17gc全帧型面阵CCD黑白相机。分辨率2448像素×2050像素，像素尺寸为3.45μm×3.45μm。

(2)镜头选用无透视畸变的远心镜头。远心镜头有它独特的光学特性：高分辨率、超宽景深、超低畸变，还可以消除由于调焦不准确而到来的测量误差。

(3)本系统照明光源采取平行背光源2PFT系列，精确的光路设计使出射光接近理想平行光，整体结构紧凑，亮度高，均匀性好，可以大大降低图像处理的难度，提高系统的稳定性和可靠性。

本测量系统以齿轮作为测量对象，整体结构如图1所示，齿轮的安装采用双顶尖结构。通过竖直导轨滑块结构来实现镜头的固定和上下移动，来调整镜头、光源与被测齿轮之间的距离。这样避免了人工移动相机镜头带来的误差。采用背光源照射方式，利用光源数字控制器根据照明环境进行参数调节，使图像和背景最佳分离。此机器视觉结构可以对工件进行图像测量、标定等实验研究。

图1　机器视觉测量系统结构图

2　硬件系统误差分析

在用CCD进行视觉测量时，由于噪声和镜头畸变带来的误差可以通过滤波算法和标定算法来消除[7]。对于系统硬件来说自身结构上的误差也会对测量精度存在影响。

2.1垂直度引起的误差

理想的CCD机与被测零件的位置关系应为相机镜头光轴垂直于被测零件所在平面。在实际使用中，由于CCD照相机本身的制造误差，工件制造误差等原因不能保证镜头光轴与被测零件表面及光源完全垂直，存在一定的角度偏差α，如图2所示，当相机沿着导轨上下移动时，各点所成的像也会在像面上发生一定的偏移，偏移量为：

Δ=Τ·L·tanα

(1)

其中Τ为镜头放大率,L为相机沿着导轨的移动距离。

在改变物距大小时，由于垂直度引起的误差会影响测量精度。文献[8-9]分别提出了基于数字图像处理的方法和采用光盘驱动器内自动调整的方法来调节视觉测量中光轴与物面垂直度。不过这种方法算法复杂，同时也会引入随机误差。本系统采用人工调节的方法来调节垂直度。在物距改变时，可以通过像素点的偏移量Δ来计算出偏移角度α，当α较大时，通过传统的机械制造技术能将偏移角度减小，剩下的人工不能调节的偏移带来的误差通过系统标定来补偿[10]。

图2　垂直度引起的误差示意图

2.2光照强度变化引起的误差

(2)

光照强度的变化会造成像素灰度的变化，影响亚像素边缘检测的精度，影响测量精度。

3　实验分析

为分析光照强度对测量精度的影响，对如图3所示的圆形标定板进行多次测量试验。标定板上圆的直径大小为2mm。

图3　标定板

以像素当量为计算单位的视觉测量中，系统当量值反映了系统的全局误差，标定板圆直径大小测量值反映了系统的局部误差。因此当量值和标定板圆直径大小可以代表系统的测量精度。图4为本系统图像处理技术计算当量值过程流程图。

图4　当量值计算流程图

当量值计算公式为：

(3)

其中l为标定板上圆理论直径，单位为μm，p为经过亚像素提取算法得到对应圆的直径，单位为像素。

3.1光照强度对当量值的影响

实验在保证物距不变的情况下，改变光照强度大小。实验以图像的平均灰度值作为衡量光照强度的大小，观察光照强度变化时通过边缘检测算法提取到的粗边界和精边及界的当量值的变化情况，测量结果如图5所示。

图5　测量结果分布曲线

3.2光照强度对标定板圆直径大小的影响

以标定板上的圆作为测量对象，光照强度过小，图像不能达到饱和，提取的边缘会向外扩。光照强度过大，图像过饱和，边缘向内缩小。通过实验改变光照强度，观察图像从未饱和到过饱和之间提取的粗边界和精边界圆直径值的变化情况。取标定板中心两个圆为实验对象，测量结果分布分别如图6所示。

图6　光照强度与测量结果分布曲线

从测量结果可以看出光照强度的变化对系统的测量精度有影响，得到的测量直径小于理论值。在分析光照强度变化对边界的影响上提出一种误差补偿方法对测量结果进行补偿误差。补偿公式为：

(4)其中miu为直径补偿量大小，l为理论直径，大小2mm，μ为像素当量值，p为实际测量直径大小。在光照条件不变下，取标定板5×5范围圆的粗边界直径补偿前后值作比较，得到表1，表2如下。从表中对比可知，通过误差补偿公式使所测得圆直径更接近理论值，系统测量精度得到提高。

表2　补偿后圆直径(单位为μm)

4　结论

本文在对机器视觉测量系统结构设计的基础上，对系统结构定位误差进行了分析。对如何调整垂直度进行说明。以标定板作为实验对象，系统当量值和标定板上圆直径大小作为评价测量系统精度的指标分析了光照强度对测量精度的影响。综合理论分析和实验结果可以看出光照强度的变化影响测量精度，提出一种误差补偿公式，补偿光照强度变化带来的误差，从实验结果数据可以看出补偿效果明显，测量结果更趋近真实值，提高了系统测量精度。

[1] 尚俊敏,宫闽军,雷良育,等. 基于机器视觉的在线轴承检测系统[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2004 (2):51-52.

[2] 张建德,陆金桂. 双目视觉三维数字化测量技术研究[J].组合机床与自动化加工技术,2011(2):1-4.

[3] 张云辉,谭庆昌,田原嫄. 图像测量系统精度影响因素的研究[J]. 微计算机信息, 2008,24(8-3):271-273．

[4] 吴晓波,安文斗,杨钢. 图像测量系统中的误差分析及提高测量精度的途径[J].光学精密工程,1997,5(1):133-134.

[5] 罗子明,方素平,周海明. 影响测量中的光源自适应控制系统研究[J]．制造技术与机床,2008,10(5):140-144.

[6] Lai S H. Novel illumination compensation algorithm for industrial inspection[J]. Journal of Electronic Imaging,2001,10(1):359-366.

[7] 赵文辉,赵萍,段振云,等. 微米级机器视觉系统中随机误差与系统误差的研究[J]. 组合机床与自动化加工技术,2013(9):110-114.

[8] 龚昊,吕乃光,娄小平. 二维视觉测量中光轴与载物台垂直度调节方法[J]. 北京机械工业学院学报,2006,21(3):35-38.

[9] Jung Rae Ryoo,Tae-Yong Doh.Auto-adjustment of the Objective Lens Neutral Position in Optical Disc Drives[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics(0098-3063),2007,53(4):1463-1468.

[10] 张伟,程鸿,韦穗. 摄像机标定系统的设计与实现[J]. 计算机工程,2001,33(2):255-276.

[11] 龚聪,徐杜. 光源强度变化对图像检测精度的影响其解决方法[J]．科学技术与工程,2014,14(13):236-239.

(编辑李秀敏)

Configuration Design and Illumination Intensity Analysis of Machine Vision System

DUAN Zhen-yun，DONG Di，ZHAO Wen-hui

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870，China)

To raise the measurement accuracy of machine vision system, the paper selected the appropriate hardware and designed the whole organization on basis of analyzing the structure and working principle of machine vision measuring system, bulit a vision measuring system. Studied on the system structure of positioning error. Studied on the optical axis and object surface verticality adjustment method. Made theoretical analysis and experiment verification of the impact of the change of illumination intensity on the accuracy of measurement. In the experiment, the measurement accuracy of system is evaluated by pixel equivalent value and circle diameter of circular calibration template. Discussed the effect of illumination intensity on measurement accuracy. In the end, an error compensation formula is proposed to compensate for the error casued by illumination intensity. Experimental data show that the accuracy of measurement is improved by using this method.

measurement accuracy; structural design; illumination intensity; error compensation

1001-2265(2016)08-0061-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.08.017

2015-09-26；

2015-10-26

十二五国家科技支撑计划(2014BAF08B01)

段振云(1971—)，男，河南新乡人，沈阳工业大学教授，博士生导师，博士，研究方向为复杂曲面加工技术、视觉检测，(E-mail)13604045543@139.com。

TH122；TG659

A