Fast Speed Detection Method and System for the Mesh Size in Large Flat Area

郭繼平1,2　于冀平1　彭　翔2　刁　艷1　宋　濤1

(深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院1，廣東 深圳　518055；深圳大學(xué)光電工程學(xué)院2，廣東 深圳　518060)

?

大面積平面網(wǎng)格尺寸快速檢測(cè)方法及系統(tǒng)

Fast Speed Detection Method and System for the Mesh Size in Large Flat Area

郭繼平1,2于冀平1彭翔2刁艷1宋濤1

(深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院1，廣東 深圳518055；深圳大學(xué)光電工程學(xué)院2，廣東 深圳518060)

摘要：為實(shí)現(xiàn)對(duì)密集網(wǎng)孔尺寸的快速測(cè)量，提出一種大面積高精度平面網(wǎng)格尺寸快速自動(dòng)化檢測(cè)方法及系統(tǒng)。首先利用高、低雙放大倍率光學(xué)同軸成像系統(tǒng)同時(shí)獲取被測(cè)網(wǎng)格圖像；并由圖像中同名網(wǎng)孔計(jì)算出高、低倍圖像尺寸轉(zhuǎn)換比例系數(shù)，進(jìn)而得到低倍圖像中所有網(wǎng)孔的尺寸；最后通過三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)不同位置網(wǎng)孔的自動(dòng)化測(cè)量。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)大幅提升了密集網(wǎng)孔的測(cè)量效率，最高精度達(dá)1 μm，可用于試驗(yàn)篩檢測(cè)并可實(shí)現(xiàn)對(duì)篩網(wǎng)面質(zhì)量的客觀綜合評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化檢測(cè)試驗(yàn)篩影像測(cè)量光學(xué)成像系統(tǒng)鏡頭電荷耦合器網(wǎng)格傳感器

Abstract：In order to realize the fast speed measurement of the mesh size,the fast speed automated detection method and system with high accuracy for the mesh size in large flat area is proposed.By adopting the optical coaxial imaging system with two of the magnification,low and high; to capture the image of the measured mesh,and calculate the conversion ratio between the sizes of images of the same mesh under different magnification,then the sizes of all meshes in low magnification images are obtained.Finally,automatic measurement of the mesh in different position is implemented through 3D motion platform.The experiments verify that the system greatly enhances the measurement efficiency of dense mesh,the maximum accuracy is up to 1μm,it can be used in detection of test sieves,and realize objective comprehensive evaluation for quality of sieve surface.

Keywords:Automated inspectionTest sieveImageMeasurementOpticsImaging systemShotCharge-coupled devices

GridSensor

0引言

試驗(yàn)篩是粒度分析和篩分試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)器，廣泛應(yīng)用于冶金、化工、醫(yī)藥、建材等行業(yè)領(lǐng)域。試驗(yàn)篩具有典型的平面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格尺寸是決定其質(zhì)量水平的關(guān)鍵參數(shù)[1]。常見的試驗(yàn)篩中，最小網(wǎng)孔尺寸僅有20 μm，直徑為100 mm的試驗(yàn)篩上約有490萬個(gè)網(wǎng)孔。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6003.1-1997及國家校準(zhǔn)規(guī)范JJF 1175-2007對(duì)試驗(yàn)篩的檢測(cè)和質(zhì)量評(píng)判方法進(jìn)行了規(guī)定[2-3]。標(biāo)準(zhǔn)要求在篩網(wǎng)面上至少選擇兩個(gè)取樣部位，共測(cè)量40個(gè)網(wǎng)孔尺寸，并依此對(duì)整個(gè)篩子做質(zhì)量評(píng)價(jià)。對(duì)具有上百萬個(gè)網(wǎng)孔的試驗(yàn)篩而言，該評(píng)價(jià)方法存在不合理性。傳統(tǒng)的方法是通過萬能工具顯微鏡或投影儀進(jìn)行手動(dòng)測(cè)量，測(cè)量效率低下且存在人為誤差。因此，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)篩網(wǎng)格尺寸的快速自動(dòng)化精密測(cè)量是近年來研究的熱點(diǎn)之一。

已報(bào)道的試驗(yàn)篩自動(dòng)測(cè)量和分析方法對(duì)試驗(yàn)篩等平面網(wǎng)格尺寸測(cè)量技術(shù)的發(fā)展有重要的意義，但仍沒有根本解決試驗(yàn)篩由于檢測(cè)孔數(shù)較少帶來的質(zhì)量評(píng)判問題[4-8]。因此，進(jìn)一步研究大面積試驗(yàn)篩高精度快速測(cè)量方法，提升試驗(yàn)篩網(wǎng)孔測(cè)量采樣率乃至實(shí)現(xiàn)全部篩網(wǎng)孔的自動(dòng)檢測(cè)，具有十分重要的意義。

1測(cè)量方法及系統(tǒng)

1.1大面積平面網(wǎng)格快速測(cè)量方法

實(shí)現(xiàn)大面積平面網(wǎng)格尺寸的高精度快速測(cè)量，需要解決兩個(gè)技術(shù)問題：一是如何在保證測(cè)量精度的同時(shí)獲得大面積測(cè)量視野，以保證單次成像能夠獲得足夠多的網(wǎng)格圖像；二是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)大量網(wǎng)格特征的快速提取和尺寸計(jì)算。 為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示的雙放大倍率共軸成像系統(tǒng)，用于獲取被測(cè)網(wǎng)格圖像。成像系統(tǒng)由兩個(gè)CCD、兩組成像鏡頭及一個(gè)光束分束器組成。其中大視野CCD所用的成像鏡頭組放大倍率較低，用于獲得較大測(cè)量視野；小視野CCD所用的成像鏡頭具有較高的放大倍率，用于獲得高精度的網(wǎng)孔圖像。兩組鏡頭由分束器連接形成共軸光路，兩個(gè)光路圖像中心重合。此外，本文系統(tǒng)中的兩個(gè)成像鏡頭組都設(shè)計(jì)為放大倍率可調(diào)，以保證在對(duì)不同規(guī)格的試驗(yàn)篩(孔徑范圍0.02~5 mm)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，兩個(gè)CCD都能夠獲得較為理想的網(wǎng)孔圖像。其中大視野鏡頭包含0.2×、0.4×、0.8×三種放大倍率，小視野鏡頭包含1×~ 4.5×共五個(gè)放大倍率。

圖1　雙倍率共軸成像系統(tǒng)

測(cè)量時(shí)，兩個(gè)CCD同時(shí)采集被測(cè)篩網(wǎng)同一位置的網(wǎng)格圖像。小視野CCD的放大倍率較高，測(cè)量面積小，其采集的圖像P中包含的網(wǎng)格較少(假設(shè)為N個(gè))，每個(gè)網(wǎng)格圖像所占的像素?cái)?shù)多。大視野CCD的放大倍率較低，測(cè)量面積大，其采集的圖像Q中有大量的網(wǎng)格(假設(shè)為M個(gè)，M>>N)并包含了小視野CCD圖像中的所有網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格圖像所占的像素?cái)?shù)少。通過精密測(cè)量圖像P中的少量網(wǎng)格尺寸可計(jì)算出圖像Q中所有網(wǎng)格尺寸，具體算法如下。

(1)基于邊緣灰度圖像的曲面擬合法[9]提取圖像P中所有的網(wǎng)孔亞像素邊緣特征，計(jì)算得到圖像P中每個(gè)網(wǎng)孔的像素尺寸UPi，利用事先校準(zhǔn)標(biāo)定好的比例尺系數(shù)β可進(jìn)一步得到每個(gè)網(wǎng)孔的實(shí)際物理尺寸，XPi=β×UPi,i=1,…,N。

(2)利用兩個(gè)CCD圖像中心重合的特性，從圖像Q中查找出與圖像P中相同的網(wǎng)孔，即找到兩個(gè)圖像中的同名網(wǎng)孔，提取同名網(wǎng)孔的邊緣并計(jì)算網(wǎng)孔像素尺寸UQi,i=1,…,N。

(3)由下式計(jì)算圖像Q與圖像P的網(wǎng)孔尺寸轉(zhuǎn)換系數(shù)：

(4)提取圖像Q中所有網(wǎng)格圖像的像素尺寸WQj，并計(jì)算出所有網(wǎng)孔的物理尺寸XQj：

XQj=λ×WQjj=1,…,M

(2)

上述算法中，僅需要對(duì)圖像P和Q中的少數(shù)同名網(wǎng)孔進(jìn)行精密測(cè)量，通過轉(zhuǎn)換系數(shù)即可得到大視野中的多數(shù)網(wǎng)孔尺寸，可用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格尺寸的大面積測(cè)量。相對(duì)直接使用大視野鏡頭測(cè)量，該方法可獲得更高的測(cè)量精度。

1.2自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)及工作原理

利用上述雙倍率共軸成像系統(tǒng)，在七海光電生產(chǎn)的影像測(cè)量?jī)x(型號(hào)：SeavenOsean Accura III)的基礎(chǔ)上，搭建自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件部分主要包括雙倍率共軸成像模塊(其中大視野CCD分辨率為1 280×1 024 pixel， 小視野CCD分辨率為640×480 pixel)、XYZ三軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、照明光源、計(jì)算機(jī)及夾具;軟件部分主要包括測(cè)量控制模塊及圖像采集與運(yùn)算處理程序。系統(tǒng)工作時(shí)，首先使用夾具將被測(cè)樣品固定于三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的中心，通過軟件系統(tǒng)控制XYZ運(yùn)動(dòng)軸定位聚焦至感興趣待測(cè)區(qū)域。然后根據(jù)被測(cè)樣品網(wǎng)孔尺寸，分別選擇設(shè)置大視野、小視野成像鏡頭的放大倍率，以確保獲得適合測(cè)量的網(wǎng)格圖像。為兼顧測(cè)量效率和精度，本文在選擇小視野鏡頭倍率時(shí)，以使圖像視場(chǎng)內(nèi)網(wǎng)孔個(gè)數(shù)盡量少為原則，但必須包含至少一個(gè)完整網(wǎng)孔；選擇大視野鏡頭倍率時(shí)，在使得視場(chǎng)內(nèi)網(wǎng)孔數(shù)目盡量多的情況下，以單個(gè)網(wǎng)孔圖像邊長(zhǎng)所占像素?cái)?shù)大于5為原則。最后，調(diào)整照明光源，使兩個(gè)CCD對(duì)網(wǎng)格清晰成像并開始采集圖像，由圖像處理算法快速提取網(wǎng)孔圖像特征[10]，并按1.1節(jié)中所述算法計(jì)算待測(cè)網(wǎng)孔的尺寸結(jié)果。系統(tǒng)通過軟件控制界面可以預(yù)先設(shè)置多個(gè)待測(cè)區(qū)域，測(cè)量過程中三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到各待測(cè)位置，雙倍率共軸成像模塊依次對(duì)區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格尺寸進(jìn)行測(cè)量，最終得到所有設(shè)定區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)孔尺寸結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化測(cè)量。測(cè)量結(jié)束后，軟件自動(dòng)對(duì)所有數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形成測(cè)量報(bào)告，用于對(duì)網(wǎng)格面的整體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外，該系統(tǒng)也可僅使用小視野CCD作為常規(guī)影像測(cè)量?jī)x對(duì)網(wǎng)孔進(jìn)行直接測(cè)量，其方法和功能與文獻(xiàn)[8]類似，在此不再贅述。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用本文研制的平面網(wǎng)格自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)篩(網(wǎng)孔標(biāo)稱基本尺寸W=0.1 mm，直徑100 mm)進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置均勻分布于試驗(yàn)篩網(wǎng)面的25個(gè)待測(cè)區(qū)域，選擇大視野鏡頭倍率為0.4×，測(cè)量視場(chǎng)為(15.2×11.6)mm，小視野鏡頭倍率為4.5×，測(cè)量視場(chǎng)為(0.94×0.6)mm。參考GB/T 6003.1-2012，確定該試驗(yàn)篩網(wǎng)孔尺寸最大偏差X=0.034 mm、中間偏差Z=0.019 mm、平均偏差Y=0.005 mm，并依此對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1所示。同時(shí)，為說明本文方法的測(cè)量效率，分別使用工具顯微鏡、光學(xué)投影儀及影像測(cè)量?jī)x對(duì)試驗(yàn)篩進(jìn)行了對(duì)比測(cè)量，分別記錄各自測(cè)量的網(wǎng)孔數(shù)和所用時(shí)間，統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表2。由結(jié)果可知，本文方法的測(cè)量效率遠(yuǎn)高于其他測(cè)量方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)篩網(wǎng)格尺寸的大面積測(cè)量，提供足夠的統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)樣本，可以給出孔徑尺寸的統(tǒng)計(jì)分布情況，為客觀全面評(píng)價(jià)試驗(yàn)篩的質(zhì)量提供了有效途徑。

表1　試驗(yàn)篩測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2　試驗(yàn)篩測(cè)量效率對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證本文系統(tǒng)的測(cè)量精度，對(duì)如圖2所示的0.1 mm網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)板(鍍鉻玻璃板，含9個(gè)網(wǎng)孔，孔徑校準(zhǔn)不確定度U=1.0 μm,k=2)進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中分別采用本文2.1節(jié)所述快速測(cè)量方法及小視野鏡頭直接測(cè)量方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格進(jìn)行了10次重復(fù)測(cè)量，取10次測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差s衡量系統(tǒng)的重復(fù)性精度，并取其中一個(gè)網(wǎng)孔的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。

圖2　標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格板

測(cè)量方式孔徑實(shí)測(cè)值/mm均值/mm重復(fù)性/μm直接測(cè)量0.09910.09910.09920.09920.09910.09930.09920.09910.09930.09910.09920.08快速測(cè)量0.09860.09910.09880.09880.09880.09880.09860.09860.09900.09910.09880.20

由表3結(jié)果可知，本文提出的自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)使用快速測(cè)量方法時(shí),重復(fù)精度可達(dá)0.2 μm;使用直接測(cè)量方法時(shí)重復(fù)精度可達(dá)0.1 μm。依據(jù)不確定度評(píng)定理論，考慮校準(zhǔn)網(wǎng)格板孔徑校準(zhǔn)值的不確定度分量，系統(tǒng)測(cè)量最優(yōu)不確定度可控制在1 μm左右。由此可見，本文提出的快速測(cè)量方法及系統(tǒng)可在實(shí)現(xiàn)大面積測(cè)量的同時(shí)獲得較高的精度，且能夠滿足試驗(yàn)篩等密集平面網(wǎng)格特征的測(cè)量技術(shù)需求。

3結(jié)束語

本文對(duì)快速二維影像測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了研究。針對(duì)試驗(yàn)篩等密集平面網(wǎng)孔特征尺寸快速測(cè)量需求，設(shè)計(jì)出雙放大倍率共軸成像系統(tǒng)，提出一種網(wǎng)孔尺寸快速測(cè)量方法，并在常規(guī)影像測(cè)量?jī)x的基礎(chǔ)上研制出平面網(wǎng)格自動(dòng)化快速測(cè)量系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法有效可靠，可實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)篩網(wǎng)孔尺寸的大面積高精度快速測(cè)量。與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比新方法具有極高的測(cè)量效率，測(cè)量15萬個(gè)網(wǎng)孔僅需要60 s，同時(shí)具有較高的測(cè)量精度，系統(tǒng)最優(yōu)測(cè)量精度可達(dá)1 μm左右，無人為誤差影響;能夠自動(dòng)對(duì)網(wǎng)孔尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并生成測(cè)量報(bào)告，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)篩表面質(zhì)量更加客觀全面的評(píng)價(jià)。今后可在此系統(tǒng)上進(jìn)一步開發(fā)，優(yōu)化雙放大倍率成像模塊設(shè)計(jì)，擴(kuò)大系統(tǒng)測(cè)量網(wǎng)孔尺寸范圍，進(jìn)一步提升測(cè)量精度，增強(qiáng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力，以實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)篩全部網(wǎng)孔的快速檢測(cè)，完善對(duì)試驗(yàn)篩等密集網(wǎng)孔尺寸測(cè)量和統(tǒng)計(jì)分析評(píng)價(jià)的能力，為推進(jìn)國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)修訂奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] Rideal G.R.Sieve analysis-precision through calibration[J].Powder Handling and Processing,2007,19(1):45-47.

[2] 國家質(zhì)檢總局全國篩網(wǎng)篩分標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 6003.1-2012 試驗(yàn)篩技術(shù)要求和檢驗(yàn) 第1部分：金屬絲編織網(wǎng)實(shí)驗(yàn)篩[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.

[3] 國家質(zhì)檢總局全國幾何量工程參量計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJF 1175-2007 試驗(yàn)篩校準(zhǔn)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)量出版社,2007.

[4] Chen L M,Chen Z,Feng A S.Image analysis algorithm and verification for on-line molecular sieve size and shape inspection[J].Advanced Powder Technology,2014,25(2):508-513.

[5] Dahi G A,Byung J B,Daesuk K.Precise test sieves calibration method base on off-axis digital holography[J].Journal of the Optical Society of Korea,2011,15(2):146-151.

[6] 張建正,高敦岳.試驗(yàn)篩及金屬絲網(wǎng)微機(jī)圖像分析系統(tǒng)的研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),1999,20(4):386-388.

[7] 蘇翼雄,廖文軍,周波,等.基于機(jī)器視覺的試驗(yàn)篩自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)[J].中國計(jì)量,2009(5):75-76.

[8] 王曉飛,裘祖榮,楊聰,等.基于影像測(cè)量?jī)x的試驗(yàn)篩自動(dòng)測(cè)量方法[J].數(shù)據(jù)采集與處理,2013,28(2):257-260.

[9] Haralick R M.Digital step edges from zero crossing of second directional derivatives[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,1984,6(1):58-68.

[10]于蕭宇,郭玉波,陳剛,等.視覺測(cè)量中點(diǎn)目標(biāo)的實(shí)時(shí)全局搜索[J].光學(xué)精密工程,2014,22(10):2796-2805.

中圖分類號(hào)：TP216+.1;TH86

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602017

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：61201355)；

深圳市科技研發(fā)資金條件與平臺(tái)建設(shè)計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：CXC201105060028A)。

修改稿收到日期：2015-03-04。

第一作者郭繼平(1985-)，男，現(xiàn)為深圳大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)在讀博士研究生，工程師；主要從事幾何量計(jì)量及光學(xué)三維成像與檢測(cè)方面的研究。