物距和光強(qiáng)變化對測量精度的影響研究及補(bǔ)償

劉淼淼,蔡晉輝,李立新,孫蔡霞,鄭臺(tái)臺(tái)

(中國計(jì)量大學(xué)計(jì)量測試工程學(xué)院,浙江杭州 310018)

0 引言

目前,利用機(jī)器視覺測量物體的尺寸已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)并應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1]。其中,在高精度的圖像尺寸測量系統(tǒng)中,工業(yè)相機(jī)和被測物體的相對位置,適當(dāng)?shù)墓庠磸?qiáng)度和光源穩(wěn)定性對拍攝圖像的質(zhì)量和圖像邊緣的定位精度有很大的影響。

在影像測量儀測量過程中,郭小剛等針對光源強(qiáng)度的變化會(huì)導(dǎo)致圖像邊緣位置向內(nèi)收縮或向外擴(kuò)展的問題,提出了一種對測量誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒╗2]。龔聰?shù)葹榱藴p小光源強(qiáng)度變化對測量精度的影響,提出了一種在一定范圍內(nèi)根據(jù)光源強(qiáng)度的變化動(dòng)態(tài)調(diào)整像素當(dāng)量值的方法[3]。高俊釵等針對物體遠(yuǎn)近的小范圍變化對測量精度的影響,對像素當(dāng)量標(biāo)定值進(jìn)行修正,實(shí)現(xiàn)了高精度的測量[4]。郝永平等為了減小高度差帶來的影響,提出了一種基于形狀匹配的像素當(dāng)量標(biāo)定方法[5]?，F(xiàn)有研究缺少對物距和光源強(qiáng)度的雙因素考慮,所以本文針對物距和光源強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)耦合變化帶來的影響展開了研究。

為了提高圖像尺寸的測量精度,本文從理論和實(shí)驗(yàn)的角度進(jìn)行分析。驗(yàn)證了物距變化對像素當(dāng)量標(biāo)定結(jié)果的影響,光源強(qiáng)度對圖像邊緣位置的影響以及對測量精度的影響。最后提出了一種誤差綜合補(bǔ)償方法,對圖像尺寸測量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)證明該方法能夠減小物距和光源強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)變化對圖像尺寸測量精度造成的影響,提高圖像尺寸測量系統(tǒng)的精度。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示,分為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和視覺采集系統(tǒng)兩部分。在測量過程中,通過調(diào)整工業(yè)相機(jī)和被測物體的相對位置,使被測物體位于視場范圍內(nèi),合適的光源強(qiáng)度將被測物體邊緣清晰地投影到相機(jī)上[3],獲取高質(zhì)量的被測物體圖像用于后續(xù)的圖像處理和運(yùn)算。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

本文視覺采集系統(tǒng)采用MV-CE200-10GC型以太網(wǎng)工業(yè)面陣相機(jī),分辨率為5 472像素×3 648像素(2 000萬像素),像元尺寸為2.4 μm×2.4 μm。選用ESCM0088-120×230型遠(yuǎn)心鏡頭,放大倍率為0.088x,工作距離為(120±5)mm,最大景深5 mm。機(jī)械運(yùn)動(dòng)范圍為0～95 mm,精度為6 μm。采用光源數(shù)字控制器與藍(lán)色背光源配合使用,提供256級亮度調(diào)節(jié)。

2 物距和光源強(qiáng)度的影響分析

本文在上述實(shí)驗(yàn)裝置條件下,對物距和光源強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)變化的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)過程如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程圖

2.1 物距變化對像素當(dāng)量標(biāo)定值的影響

數(shù)字圖像是以像素為單位的,像素當(dāng)量會(huì)對系統(tǒng)的測量精度產(chǎn)生重要的影響,需要對像素當(dāng)量進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定[5],其像素當(dāng)量K表示為

(1)

式中:D為物理尺寸,μm;N為像素?cái)?shù),pixel。

在實(shí)際測量過程中,固定相機(jī)高度,進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定,采用標(biāo)準(zhǔn)件對像素當(dāng)量進(jìn)行標(biāo)定,放置被測物體完成所有測量面的尺寸測量。測量同一物體的不同測量面尺寸時(shí)需要翻轉(zhuǎn)被測物體,由于不同被測面之間存在高度差,物距在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化,會(huì)對測量精度產(chǎn)生影響。

本文為了研究物距變化對測量精度的影響,采用60 mm×60 mm點(diǎn)陣標(biāo)定板作為標(biāo)定參照物,圓直徑為3.75 mm,圓心距為7.5 mm,精度為0.01 mm。通過亞像素邊緣定位算法獲取標(biāo)定圓的邊緣坐標(biāo),由式(1)計(jì)算得到像素當(dāng)量值。由于圓心距不受光源強(qiáng)度的影響,故光源強(qiáng)度基本不會(huì)對像素當(dāng)量造成影響。

在光源強(qiáng)度一定的情況下,將標(biāo)定板放置在不同物距下分別獲取同一位姿的標(biāo)定板圖像12幅,不同物距下所獲得的像素當(dāng)量標(biāo)定結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出,在相同光源強(qiáng)度和位姿條件下,隨著物距的增大,像素當(dāng)量隨之減小,并且基本呈線性反比關(guān)系。在實(shí)際尺寸測量過程中,工業(yè)相機(jī)和被測物體的相對位置發(fā)生變化會(huì)影響像素當(dāng)量標(biāo)定的結(jié)果,從而影響尺寸的測量精度。

2.2 光源強(qiáng)度對邊緣位置的影響

在高精度測量中往往需要獲得圖像的亞像素邊緣位置,所以對定位精度要求更高[6]。光源強(qiáng)度的變化會(huì)造成邊緣位置像素灰度值及灰度分布發(fā)生變化,從而影響亞像素邊緣檢測算法對邊緣的定位,導(dǎo)致不同光源強(qiáng)度下檢測到的邊緣位置出現(xiàn)偏差,最終影響測量精度[7]。

本文為了研究光源強(qiáng)度的變化對測量精度的影響,測量同一工件在不同光源強(qiáng)度下的邊緣位置誤差。在物距固定的條件下,獲取不同光源亮度下的圖像,利用Halcon中intensity算子對框選區(qū)域中的像素點(diǎn)計(jì)算灰度算術(shù)平均值,如圖4所示,以此表示光源強(qiáng)度。量化后各像素灰度值為0～255,灰度值越接近255,說明光源強(qiáng)度越大。

選取寬度為15 mm的長方體標(biāo)準(zhǔn)量塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn),調(diào)整物距后進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定,光源強(qiáng)度過小不利于圖像檢測,從光源強(qiáng)度40 Lux開始獲取不同光源強(qiáng)度下的圖像。根據(jù)Halcon尺寸測量得到的像素尺寸為實(shí)測像素?cái)?shù),理論像素?cái)?shù)是由物理尺寸15 mm與像素當(dāng)量標(biāo)定值27.240 μm/pixel計(jì)算得出,像素?cái)?shù)誤差量為實(shí)測像素?cái)?shù)與理論像素?cái)?shù)的差,如圖5所示。

圖5 像素?cái)?shù)誤差量分布曲線

由圖5可以看出,光源強(qiáng)度在140 Lux之前,像素?cái)?shù)誤差量數(shù)據(jù)波動(dòng),隨著光源強(qiáng)度的增加,像素?cái)?shù)誤差量由大變小,但是當(dāng)光源強(qiáng)度過大時(shí),像素?cái)?shù)誤差量逐漸增大,這說明光源的強(qiáng)度需要控制在合適的范圍[8]。光源強(qiáng)度在147～154 Lux,像素?cái)?shù)誤差量逐漸減小,測量結(jié)果更接近于實(shí)際尺寸,實(shí)測像素?cái)?shù)見表1所示。

表1 不同光源強(qiáng)度實(shí)測像素?cái)?shù)

如果光源強(qiáng)度過大,會(huì)使像元趨于飽和,圖像細(xì)節(jié)失真,從而導(dǎo)致提取的邊緣位置向尺寸縮小的方向變化,造成測量結(jié)果偏小,反之,光源強(qiáng)度過小,提取的邊緣位置向尺寸增大的方向變化,導(dǎo)致尺寸測量結(jié)果偏大[3]。

3 綜合補(bǔ)償方法

針對測量過程中物距會(huì)發(fā)生變化以及光源不穩(wěn)定對圖像尺寸測量系統(tǒng)精度的影響[9],本文提出一種在一定范圍內(nèi)物距和光源強(qiáng)度變化的系統(tǒng)像素當(dāng)量標(biāo)定方法和光源強(qiáng)度像素?cái)?shù)誤差補(bǔ)償方法。

分析物距變化對像素當(dāng)量標(biāo)定結(jié)果的影響,如圖6所示,對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,提出了系統(tǒng)像素當(dāng)量標(biāo)定方法。擬合直線如下:

圖6 系統(tǒng)像素當(dāng)量標(biāo)定值與物距分布曲線

k=27.449 85-0.001 76x

(2)

式中:k為系統(tǒng)像素當(dāng)量標(biāo)定值, μm/pixel;x為物距,mm。

分析光源強(qiáng)度和像素?cái)?shù)誤差量之間的關(guān)系,對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,如圖7所示,提出了一種光源強(qiáng)度像素?cái)?shù)誤差補(bǔ)償方法。補(bǔ)償公式如下:

ΔN=4.091 57-0.026 33a

(3)

式中:ΔN為像素?cái)?shù)誤差量,pixel;a為光源強(qiáng)度,Lux。

采用系統(tǒng)像素當(dāng)量標(biāo)定方法和光源強(qiáng)度像素?cái)?shù)誤差補(bǔ)償方法對圖像尺寸檢測進(jìn)行綜合補(bǔ)償[10],提高系統(tǒng)的測量精度。由式(2)和式(3)可知,測量結(jié)果物理尺寸測量結(jié)果物理尺寸D計(jì)算公式如下:

D=k·N=(27.449 85-0.001 76x)·(Ni-4.091 57+0.026 33a)

(4)

式中:N為像素?cái)?shù),pixel;Ni為實(shí)測像素?cái)?shù),pixel。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證提出的測量結(jié)果綜合補(bǔ)償方法是否能有效提高測量系統(tǒng)的測量精度,實(shí)驗(yàn)選取長寬高分別為22、15、10 mm長方體工件作為被測對象,測量面A為22 mm×10 mm,物距為x1,測量面B為15 mm×10 mm,物距為x2,尺寸測量過程如圖8所示。

圖8 測量過程示意圖

鏡頭與載物臺(tái)的距離為140 mm,首先進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定,由點(diǎn)陣標(biāo)定板計(jì)算得到像素當(dāng)量標(biāo)定值K為27.206 4 μm/pixel,分別對測量面A和B的寬度進(jìn)行尺寸測量。依據(jù)物距變化動(dòng)態(tài)調(diào)整像素當(dāng)量值,通過光源強(qiáng)度像素?cái)?shù)誤差量對測量面A和B尺寸測量結(jié)果進(jìn)行綜合補(bǔ)償,補(bǔ)償前后的測量結(jié)果如表2所示。

表2 補(bǔ)償前后測量結(jié)果

由表2可以看出,補(bǔ)償前的測量結(jié)果平均誤差為11.24 μm和7.41 μm,運(yùn)用上述綜合補(bǔ)償方法對測量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償后測量結(jié)果平均誤差為9.53 μm和0.08 μm,2個(gè)測量面補(bǔ)償前后的測量誤差如圖9所示。

(a)測量面A誤差補(bǔ)償

由圖9的測量誤差以及誤差補(bǔ)償結(jié)果可以看出,補(bǔ)償前的測量結(jié)果誤差最大值為15.77 μm,最小值為4.05 μm,運(yùn)用上述綜合補(bǔ)償方法對測量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償后測量誤差減小,最大值為13.11 μm,最小值為0.54 μm。運(yùn)用上述綜合補(bǔ)償方法可以有效降低由物距和光源強(qiáng)度變化造成的測量誤差,提高測量系統(tǒng)的測量精度。

5 結(jié)論

在實(shí)際工件尺寸測量過程中,操作人員通常對物距和光源強(qiáng)度發(fā)生變化關(guān)注較少。本文主要對物距和背光源強(qiáng)度變化對測量過程的影響進(jìn)行研究。綜合上述理論和實(shí)驗(yàn)分析可以看出,采用系統(tǒng)像素當(dāng)量標(biāo)定方法和光源強(qiáng)度像素?cái)?shù)誤差補(bǔ)償方法,對圖像尺寸檢測進(jìn)行綜合補(bǔ)償可以提高系統(tǒng)的測量精度,減小因物距和光源強(qiáng)度變化給圖像尺寸測量系統(tǒng)所造成的測量誤差影響。