史 瑞 吳辛培 王 珊

（上海工程技術(shù)大學(xué) 數(shù)理與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，上海 201620）

1 概述

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的高速化、智能化，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)尺寸測(cè)量提出了更高的要求。在較精確的測(cè)量場(chǎng)景下，傳統(tǒng)的機(jī)械測(cè)量測(cè)量由于其體積龐大、操作復(fù)雜、設(shè)備昂貴、使用場(chǎng)景較窄等缺點(diǎn)，已經(jīng)不滿(mǎn)足要求。而高速化、智能化、輕巧簡(jiǎn)便的光電機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)成為了替代機(jī)械測(cè)量的一種良好選擇[1]。

在一維尺寸測(cè)量方面，線(xiàn)陣CCD具有易處理、精度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于各種工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景。但傳統(tǒng)CCD尺寸測(cè)量系統(tǒng)有著硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜、對(duì)測(cè)量條件要求高、易產(chǎn)生誤差等缺點(diǎn)[2]。為了研究影響傳統(tǒng)CCD測(cè)量的具體因素，文章初步探究了測(cè)量過(guò)程中的閾值、尺寸參照、放大倍率、焦距、光圈參數(shù)等基本參數(shù)對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響，進(jìn)一步探究了一般測(cè)量情形下，最佳的測(cè)量參數(shù)范圍[3]。

2 測(cè)量基本原理

線(xiàn)陣CCD光電測(cè)量包括兩個(gè)步驟，即使用光電系統(tǒng)使機(jī)械尺寸信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，處理輸出信號(hào)并輸出數(shù)字化尺寸信息。線(xiàn)陣CCD的輸出信號(hào)包含CCD各個(gè)像元所接收光強(qiáng)度的分布和像元位置的信息，為了便于觀(guān)察被測(cè)物體成像，在接收輸出信號(hào)后應(yīng)對(duì)光強(qiáng)度信息做二值化處理。

圖1所示為測(cè)量物體外形尺寸（例如測(cè)量棒材的直徑D）的原理圖。測(cè)量時(shí)，將被測(cè)物體A與CCD像敏面分別安裝在成像物鏡兩側(cè)的物方視場(chǎng)與最佳成像面上；當(dāng)被均勻平行光源照明的被測(cè)物體A通過(guò)物鏡成像至CCD上時(shí)，CCD像敏面相應(yīng)像敏單元便會(huì)存儲(chǔ)載荷關(guān)于像元所接收光強(qiáng)度信息的電荷包。此載有尺寸信息的電荷包可通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)下載到數(shù)字處理終端（如個(gè)人電腦或智能控制終端等處理系統(tǒng)）。根據(jù)輸出波形如圖1右側(cè)所示的時(shí)序電壓信號(hào)（輸出波形），可以測(cè)得物體A在像方的尺寸D'，再根據(jù)光學(xué)成像系統(tǒng)的放大倍率β，便可以用下面公式計(jì)算出物體A的實(shí)際尺寸D

由于成像系統(tǒng)難免會(huì)出現(xiàn)成像邊緣的機(jī)械抖動(dòng)，導(dǎo)致成像邊緣模糊。而線(xiàn)陣CCD的輸出信號(hào)UO隨光強(qiáng)的變化關(guān)系為線(xiàn)形的，因此，可用UO模擬光強(qiáng)分布。采用二值化處理方法將物體邊界信息（圖1中的N1與N2）檢測(cè)出來(lái)是簡(jiǎn)單快捷的方法。

圖1 物體尺寸測(cè)量系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)

線(xiàn)陣像敏單元的數(shù)據(jù)容量為8bits，可將光強(qiáng)度信息依次轉(zhuǎn)化為0至255種電壓信號(hào)。固定某個(gè)電壓閾值并對(duì)各個(gè)像敏單元的電壓信息做邏輯處理：大于閾值部分為亮，輸出為高電平；小于閾值部分為暗，輸出低電平。經(jīng)過(guò)處理后結(jié)合CCD各個(gè)像元所接收光強(qiáng)度的分布，輸出理想的方波時(shí)序電信號(hào)，便可以提取出物體邊緣的位置信息N1和N2。則物體A像方的尺寸D'為

式中，N1與N2為邊界位置的像元序號(hào)，L0為CCD單個(gè)像敏單元的尺寸。因此，物體的外徑D為

3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建與基本變量的控制

本實(shí)驗(yàn)采用MXY9003機(jī)器視覺(jué)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)與計(jì)算機(jī)，搭配對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件，搭建基本的測(cè)量環(huán)境。在計(jì)算機(jī)中選擇調(diào)用其線(xiàn)陣CCD功能，并將光電信號(hào)轉(zhuǎn)化為波形圖輸出。注意觀(guān)察輸出信號(hào)波形，使信號(hào)波形中反映尺寸信息的變化邊緣越陡，邊緣波形的斜率絕對(duì)值越大，測(cè)量系統(tǒng)的精度越高，使軟件能夠觀(guān)測(cè)到比較陡直的輸出信號(hào)波形。本實(shí)驗(yàn)使用三根直徑分別為3.00 mm、5.00 mm和8.00 mm的均勻圓柱鐵棒進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)，并作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)參照。

本實(shí)驗(yàn)采用觀(guān)察反映尺寸信息之變化邊緣的斜率變化和計(jì)算測(cè)量正確度兩種方式衡量不同的測(cè)量方案的優(yōu)劣。

3.1 探究光圈大小對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

光圈是一種控制照射入鏡頭機(jī)身內(nèi)感光面光強(qiáng)度的裝置，它通常是在鏡頭內(nèi)部，由一組或多組面積可變的孔狀光柵組成。通常的，光圈限制光強(qiáng)的能力由F值衡量。上一級(jí)的進(jìn)光量是下一級(jí)的兩倍。F值越小，通光孔徑越大，在單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)光量便越多。

在其他條件不變的情況下，夾持任意直徑的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量棒，并啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。當(dāng)由F/0.4 到F/7.0 調(diào)整光圈參數(shù)F值并觀(guān)察輸出波形，可以發(fā)現(xiàn)，反映尺寸信息的變化邊緣斜率與像素寬度并沒(méi)有改變，僅有波形起始段與結(jié)束段的像素寬度變化。

因此，光圈數(shù)值參數(shù)并不會(huì)直接影響測(cè)量準(zhǔn)確度，而是會(huì)影響測(cè)量的最大范圍，即可以測(cè)量的最大直徑。

3.2 探究放大倍率焦距）對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

在本實(shí)驗(yàn)中放大倍率是指待測(cè)物體的直徑與實(shí)際成像的像素寬度的比值。由于像素位寬是單位化的，當(dāng)成像邊緣小于一個(gè)像素時(shí)，測(cè)量結(jié)果會(huì)近似的忽略不足一個(gè)像素的部分，造成系統(tǒng)誤差。因此，當(dāng)放大倍率過(guò)大時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的系統(tǒng)誤差。而當(dāng)放大倍率過(guò)小時(shí)，由于存在環(huán)境光會(huì)導(dǎo)致有較大的偶然誤差出現(xiàn)。因此，確定一個(gè)合適的放大倍率有助于減少誤差。

由于放大倍率不可直接調(diào)整，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)整焦距來(lái)間接調(diào)整參數(shù)大小。

在其他條件不變的情況下，調(diào)整鏡頭的焦距旋鈕到最小焦距可調(diào)范圍，然后逐漸減少。觀(guān)察反映尺寸信息的變化邊緣斜率可以發(fā)現(xiàn)隨著焦距逐漸變大，即放大倍率逐漸變大，斜率逐漸變大，測(cè)量效果越好。

使用直徑為3.00 mm的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量棒，并調(diào)整焦距以測(cè)定系統(tǒng)放大倍率。在確定放大倍率后更換另兩根的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量棒，記錄其測(cè)量值并計(jì)算正確度。通過(guò)比較不同的放大倍率下的測(cè)量正確度可知，考慮鏡頭輪盤(pán)的誤差，放大倍率在(0.50 ±0.01 )為最佳放大區(qū)間。

3.3 探究不同閾值對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

對(duì)于使用二值化的光電信號(hào)通常采用閾值比較法來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。根據(jù)徐國(guó)盛[4]的研究成果，閾值的選取通常遵循全局閾值選取和局部閾值選取兩種，在本實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)為固定閾值和浮動(dòng)閾值。當(dāng)測(cè)量環(huán)境較好、干擾源較少、信號(hào)波形較為清晰時(shí)通常采用固定閾值以減少計(jì)算量，而測(cè)量環(huán)境較為復(fù)雜、信號(hào)有噪聲時(shí)通常采用浮動(dòng)閾值以減少干擾。兩者在良好實(shí)驗(yàn)條件下基本等價(jià)。

由于本實(shí)驗(yàn)測(cè)量環(huán)境光源較為復(fù)雜，故采用浮動(dòng)閾值取值法來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

在其他條件不變的情況下，使用直徑為3.00 mm的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量棒以確定系統(tǒng)放大倍率。

圖2 放大倍數(shù)和閾值對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

4 結(jié)論

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)選取幾種尺寸在1.00 mm至5.00 mm之間的均勻不透光棒材，并使用千分尺測(cè)量其標(biāo)準(zhǔn)尺寸。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)采用3.00 mm標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量棒，而后調(diào)整各參數(shù)至浮動(dòng)閾值70%、放大倍率0.501 、光圈為F/0.4 進(jìn)行無(wú)接觸測(cè)量并記錄測(cè)量值。將測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)尺寸作比較，計(jì)算其測(cè)量正確度。如表1，通過(guò)統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)量值的正確度小于2%。

表1

本實(shí)驗(yàn)探究了影響線(xiàn)陣CCD測(cè)量物體尺寸的因素，給出了使用線(xiàn)陣CCD測(cè)量物體尺寸的具體方案，并驗(yàn)證了該方案的可行性。但由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備精度不足以及軟件算法存在一定缺陷，本方案無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量尺寸小于1.00 mm或大于26.00 mm的待測(cè)物體。并且由于光的干涉衍射現(xiàn)象，本實(shí)驗(yàn)無(wú)法對(duì)半透光與存在狹縫的材料進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，環(huán)境光與鏡頭鏡片的光學(xué)質(zhì)量對(duì)實(shí)驗(yàn)也有一定影響。