劉 遠(yuǎn)，韓紅哲

(天津科技大學(xué) 天津300222)

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的微小線尺寸測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 遠(yuǎn)，韓紅哲

(天津科技大學(xué) 天津300222)

研究了一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的微小線尺寸測(cè)量系統(tǒng)，取代了傳統(tǒng)的工件尺寸測(cè)量?jī)x，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小尺寸工件的非接觸、高精度、自動(dòng)測(cè)量。在硬件設(shè)計(jì)方面，提出了一種高速采集、快速傳輸?shù)木€陣CCD數(shù)據(jù)采集傳輸方案。在軟件設(shè)計(jì)方面，提出了微小尺寸的圖像處理與分析方法，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)采集的包含微小尺寸要素的放大數(shù)字圖像進(jìn)行處理和分析，以獲得被測(cè)尺寸的位誤差值。

視覺(jué)技術(shù) 尺寸測(cè)量 非接觸測(cè)量 線尺寸測(cè)量

0 引 言

目前，我國(guó)諸多生產(chǎn)制造企業(yè)花費(fèi)在加工尺寸檢測(cè)上的時(shí)間成本和人員數(shù)量相當(dāng)可觀，嚴(yán)重影響了企業(yè)的生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量技術(shù)已不符合現(xiàn)代企業(yè)對(duì)加工制造的非接觸要求；另外，以往的離線、靜態(tài)測(cè)量技術(shù)已不滿足現(xiàn)代加工對(duì)主動(dòng)測(cè)量的要求。因此，在現(xiàn)代化的生產(chǎn)制造企業(yè)中，提高測(cè)量速度，變靜態(tài)、被動(dòng)、非自動(dòng)測(cè)量、接觸測(cè)量為動(dòng)態(tài)、主動(dòng)、自動(dòng)、非接觸的全面測(cè)量，是每一個(gè)企業(yè)所追求的目標(biāo)。

隨著工業(yè)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，對(duì)測(cè)量精度、測(cè)量速度的要求不斷提高，非接觸式測(cè)量由于良好的精確性和實(shí)時(shí)性，已成為測(cè)量領(lǐng)域當(dāng)前的發(fā)展方向。

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的測(cè)量技術(shù)，作為一種非接觸測(cè)量技術(shù)不僅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、測(cè)量點(diǎn)小、工作距離大、自動(dòng)化程度高、受環(huán)境電磁場(chǎng)影響小等優(yōu)點(diǎn)，還可適用于不同材質(zhì)，易實(shí)現(xiàn)在線、主動(dòng)、非接觸的全面測(cè)量，能完全克服現(xiàn)有接觸式測(cè)量手段存在的問(wèn)題，在工業(yè)自動(dòng)檢測(cè)、物體識(shí)別等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

1 視覺(jué)測(cè)量技術(shù)基本原理

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的尺寸測(cè)量是以計(jì)算機(jī)視覺(jué)為基礎(chǔ)，結(jié)合光、電、機(jī)應(yīng)用的一種新興的測(cè)量技術(shù)。視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)主要包括光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其中，光學(xué)系統(tǒng)包括光源、聚焦透鏡、成像透鏡、光電檢測(cè)器件等。光學(xué)系統(tǒng)組件示意圖如圖1所示。LD表示激光二極管(Laser Diode)，CCD表示光電耦合器件(Charge Coupled Device)，Lens表示透鏡或者透鏡組，δ表示像點(diǎn)位移，Δ為物點(diǎn)位移(被測(cè)物體的位移量)。在測(cè)量過(guò)程中，激光二極管LD發(fā)出的激光束在被測(cè)物體表面上形成一個(gè)亮的光斑，經(jīng)成像物鏡Lens將該光斑成像到光電接收器CCD的光敏面上，光強(qiáng)信號(hào)被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；電信號(hào)經(jīng)A/D采集并順序輸出后，就得到同時(shí)具備位置信息和光強(qiáng)信息的一維圖像信息，圖像信息經(jīng)過(guò)圖像數(shù)據(jù)分析可以精確計(jì)算出光斑像點(diǎn)的位置。因?yàn)橄顸c(diǎn)位置與激光斑點(diǎn)位置存在嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系，只要能精確地測(cè)量出像點(diǎn)位移δ，就可得到被測(cè)物體的準(zhǔn)確位移量Δ。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)組件示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical system modules

視覺(jué)測(cè)量領(lǐng)域中光學(xué)三角法作為光學(xué)測(cè)量的基本方法之一，已得到廣泛的應(yīng)用。光學(xué)三角法根據(jù)入射光線與被測(cè)物體表面法線的關(guān)系，又可分為直射式和斜射式。本課題根據(jù)需要，選用直射式光學(xué)三角法。

在直射式光學(xué)三角法中，入射光垂直入射到被測(cè)表面，成像系統(tǒng)通過(guò)接收散射光成像，原理簡(jiǎn)圖如圖2所示。其中，1代表激光二極管，2和4表示會(huì)聚透鏡和成像透鏡，3表示被測(cè)表面，5表示CCD光電耦合器件，∠θ和∠φ分別為激光投射直線和CCD敏感面所在直線與成像透鏡主光軸的夾角，a和b分別為成像透鏡主光軸上的軸上物距和軸上像距，δ為像點(diǎn)位移，Δ為物點(diǎn)位移。為保證成像質(zhì)量，依據(jù)Scheimpflug條件，參數(shù)∠θ、∠φ、a和b必須滿足以下數(shù)據(jù)關(guān)系：

圖2 直射式光學(xué)三角法原理簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of the principle of direct optical triangle method

2 測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

微小線尺寸測(cè)量系統(tǒng)分為光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)等3部分，系統(tǒng)組成簡(jiǎn)圖如圖3所示。測(cè)量系統(tǒng)利用光學(xué)系統(tǒng)完成像點(diǎn)位置信息的探測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)完成位置信息的光電轉(zhuǎn)化、模數(shù)轉(zhuǎn)化和數(shù)據(jù)傳輸，最后利用數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)精確計(jì)算出像點(diǎn)位移，完成厚度-微位移的檢測(cè)。

光學(xué)系統(tǒng)是以光學(xué)三角法原理為設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)，主要包括光源、會(huì)聚透鏡、成像透鏡和光電轉(zhuǎn)換器件(CCD/PSD)。

數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)包括線陣CCD的驅(qū)動(dòng)、線陣CCD數(shù)據(jù)的采集及采集數(shù)據(jù)的傳輸3部分，系統(tǒng)設(shè)計(jì)以高速單片機(jī)ATmega64為控制核心，利用單片機(jī)直接為線陣CCD提供驅(qū)動(dòng)脈沖，控制線陣CCD專用A/D芯片MAX1101實(shí)現(xiàn)對(duì)線陣CCD輸出信號(hào)的高速采集，通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的高速傳輸。

數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)主要功能是利用USB接口與數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)保持通信，通過(guò)顯示、存儲(chǔ)等輔助功能提供采集控制、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理。

圖3 系統(tǒng)組成簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic diagram of system composition

3 測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是以光學(xué)三角法原理為基礎(chǔ)，核心元器件是光電轉(zhuǎn)換器件。圍繞光電轉(zhuǎn)換器件，測(cè)量系統(tǒng)硬件需要實(shí)現(xiàn)線陣CCD驅(qū)動(dòng)功能、線陣CCD輸出信號(hào)采集轉(zhuǎn)換功能及采集結(jié)果傳輸功能等，這就需要相關(guān)的A/D采集芯片、數(shù)據(jù)傳輸接口和控制單元等。根據(jù)設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)參數(shù)的要求，選取線陣TCD1208AP作為光電轉(zhuǎn)換器件，選取MAX1101為AD轉(zhuǎn)換器，選取CH372為USB接口芯片，選取ATmega64為下位機(jī)微控制器。

圖4 系統(tǒng)電路原理圖Fig.4 Schematic circuit diagram of the system

根據(jù)所選用的芯片，依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)總體的硬件電路圖如圖4所示，主要包括線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路、CCD信號(hào)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)電路、USB接口電路、激光器的光強(qiáng)控制電路及供電電路等。

本系統(tǒng)電路涉及高速數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)PCB板的抗干擾設(shè)計(jì)有較高的要求。在PCB設(shè)計(jì)中，布線是抗干擾設(shè)計(jì)中的重要部分，AD轉(zhuǎn)換器是模擬器件，是一個(gè)容易受干擾的器件，為提高抗干擾能力，布線時(shí)采取以下措施：電源輸入端跨接一個(gè)100μF的鋁電解電容器，為每個(gè)集成電路配置一個(gè)0.1μF的陶瓷電容器；加寬電源線、地線寬度，在印制板上敷銅且與地線相連作為地平面。

4 測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本課題軟件設(shè)計(jì)的主要目的是實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信，對(duì)線陣CCD的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)實(shí)現(xiàn)裝置進(jìn)行測(cè)試和標(biāo)定。軟件設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想分為上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

上位機(jī)軟件主要針對(duì)線陣CCD的采集控制、線陣CCD輸出數(shù)據(jù)的接收和處理以及系統(tǒng)的測(cè)試標(biāo)定等。下位機(jī)軟件主要針對(duì)外圍硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)、控制以及線陣CCD的輸出數(shù)據(jù)的傳輸，下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要是微處理器控制程序。

圖5 微處理器控制程序流程圖Fig.5 Flow chart of microprocessor control program

微處理器控制程序是下位機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的核心，負(fù)責(zé)線陣CCD數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)、采集和傳輸，主要完成3個(gè)方面的工作，包括驅(qū)動(dòng)線陣CCD、控制A/D采樣并保存采樣結(jié)果、通過(guò)USB與上位機(jī)通信并傳輸數(shù)據(jù)。微處理器控制程序流程圖如圖5所示。

5 誤差分析與系統(tǒng)試驗(yàn)

視覺(jué)技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)中所有光學(xué)參數(shù)都是在理想情況下獲得的，參數(shù)的設(shè)計(jì)也都是理想的，推導(dǎo)的公式也是理想狀態(tài)下的形式，在實(shí)際測(cè)量中往往受到系統(tǒng)參數(shù)、外界環(huán)境和被測(cè)物體等多方面的影響，導(dǎo)致測(cè)量存在或大或小的誤差。

具體誤差包括：①成像系統(tǒng)誤差；②溫度、濕度等環(huán)境因素誤差；③CCD傳感器、電路處理誤差；④數(shù)據(jù)處理誤差；⑤被測(cè)表面和方案引入的誤差。要使光學(xué)三角法測(cè)量系統(tǒng)得到正確的結(jié)果，必須分析和處理上述幾個(gè)問(wèn)題。本課題較好地解決了上述問(wèn)題。

本課題設(shè)計(jì)的基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的微小線尺寸測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試程序測(cè)試，在時(shí)間穩(wěn)定性、階躍響應(yīng)特性、重復(fù)性等指標(biāo)方面效果都比較好，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性。

6 結(jié) 語(yǔ)

本課題研究了一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的微小線尺寸測(cè)量系統(tǒng)。在深入研究視覺(jué)測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，提出了簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確的光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法。根據(jù)線性CCD工作的原理和USB傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，提出了一種高速采集、快速傳輸?shù)木€陣CCD數(shù)據(jù)采集傳輸方案。根據(jù)方案設(shè)計(jì)了相應(yīng)的原理電路和PCB板，針對(duì)硬件設(shè)計(jì)功能完成了相應(yīng)的微處理器控制程序的設(shè)計(jì)和編寫。最后，針對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了大量試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析總結(jié)，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

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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