自動影像測量系統(tǒng)地設計論文

[7]。焦距評價函數應具有以下幾個特點：1、單峰性；2、無偏性；3、能反映離焦極性；4、較高的信噪比；5、速度快。常用的聚焦評價函數有以下幾種：a、能量譜方法該方法是基于頻域的算法，根據傅立葉光學理論，圖像清晰或聚焦的程度主要由圖像的高頻分量的多少確定，因此可以根據高頻分量的多少作為聚焦評價函數的主要依據。將序列圖像進行快速傅立葉變換，幅度的平方稱為能量譜。由于幅度決定了一幅圖像中含有的各種頻率分量的多少，故可以用能量譜來構造聚焦評價函數。設是一個圖像的函數，則二維離散傅立葉變換為：，(10)其傅立葉譜為：，(11)能量譜函數為：，(12)則能量譜評價函數為：，(13)其中，和分別是傅立葉變換的實部和虛部。所在的位置即為聚焦位置。b、灰度方差法一幅聚焦清晰的圖像應有較多的灰度變化，因此圖像的聚焦程度可以用灰度變化的平均程度即方差來衡量。當灰度方差算子取最大值時，該位置即為聚焦位置。c、灰度梯度法聚焦清晰的圖像應該有較銳利的邊緣，由于梯度算子具有各向同性和旋轉不變性，可把圖像中各不同走向的邊緣和線條突出，離焦量越小圖像邊緣越銳化，所以圖像灰度梯度可以用來評價圖像的聚焦程度。對圖像中的每一像素點求梯度并求和。即：，(14)常用的梯度算子有以下幾種：1）、灰度差分法采用差分絕對值代替乘方和開方，即利用圖像的相鄰像素灰度值差的絕對值之和作為聚焦評價函數，即：，(15)取得最大值的位置即為聚焦位置。2）、Roberts梯度法在灰度差分法中，沒有考慮和灰度差的像素位置關系，可以采用Roberts梯度算子來計算圖像的梯度。，(16)取得最大值的位置即為聚焦位置。3）、Sobel梯度法即采用Sobel算子的兩個卷積核來求圖像中每點的梯度具體公式如下：，(17)，(18)，(19)取得最大值的位置即為聚焦位置。能量譜法由于計算量較大，不適用于一般情況下的快速、實時測量?；叶炔罘址ê蚏oberts梯度法計算速度快，但對于復雜圖像由于沒有考慮周圍點的變化，容易受噪聲影響而導致錯誤的聚焦。綜合考慮，本文采用Sobel梯度法來進行聚焦評價。由于本系統(tǒng)在進行高度測量時，焦距和像距固定，因此可以通過Z軸方向上的伺服運動系統(tǒng)實現調焦，利用滾珠絲桿作為傳動機構，伺服電機為驅動源，帶動光學成像系統(tǒng)沿Z軸方向上下移動，通過聚焦評價函數判斷實現正確聚焦。通過計算兩個不同平面上聚焦時Z軸方向的光柵尺的讀數的差值,就可計算兩個平面間的距離。具體步驟如圖3所示。3.5影像測量系統(tǒng)光柵尺讀數的誤差補償方法在進行影像測量的過程中有時測量的距離超過了視野范圍在這種情況下，要進行測量就要移動工作臺，這時的測量值是由光柵尺的讀數確定的。由于工作臺本身的精度問題、光柵尺本身的精度問題以及其它方面的原因可能引起光柵尺的讀數有誤差，所以對光柵尺的讀數要進行補償，具體的補償方法有多種[8-20]，下面就介紹光柵尺的分段補償方法。首先是要將工作臺調平，然后通過對標準的高精度的光刻玻璃尺（精度為0.0001mm）進行分段測量，工作臺在x、y兩個方向上的行程為200、300mm。用一根300mm的標準尺對x方向上每隔10mm就記下光柵尺的讀數，然后根據每段光柵尺的讀數和標準尺的值進行比較得到誤差值。然后根據誤差值進行誤差補償，如常用的方法有分段線性回歸法，即在每一段都分別采用線性回歸的方法進行誤差補償，分段的長度可以根據具體情況確定。圖3高度測量流程圖Fig.3Flowchartofheightmeasurement4測量實驗與結果4.1比例尺的設定實驗影像測量的過程中，要將測到的像素值換算成毫米等通用的計量單位，不同的放大倍率下一個像素所代表的被測物體的長度不同，所以在不同的放大倍率下，要進行比例尺的調整。通常的做法就是用標準板（通常為光刻的高精度的光學玻璃，上面刻有不同尺寸的圓、矩形等）在不同的放大倍率下進行測量，將標準板上的實際尺寸和在不同放大倍率下所測的像素值的比值就是在不同放大倍率下的比例尺。為了提高測量的精度，可在同一放大倍率下，對直徑不同的圓的直徑進行測量并分別計算出每一個像素所代表的長度然后求平均值作為在該放大倍率下的比例尺。在進行實際的測量之前，先對系統(tǒng)進行標定試驗，其中一項就是進行比例尺的設定，在同一測量條件下，對同一標準板上的圖像像素長度進行測量（如圖4所示）。具體操作為對標準板上的尺寸不同的多個圓測量他們的直徑，實際直徑和得到的像素直徑的比值即為比例尺。以下為物距50mm的條件下得到的比例尺的標定結果。(文中的所有圖表題目都要中英文對照，包括小圖)。（a）原始圖像（b）擬合后的圖像(a)originimage(b)fittingimageof(a)圖4比例尺設定試驗Fig.4Experimentofscaleestablishment比例尺的大小決定了系統(tǒng)的分辯能力，因此在條件許可的前提下，提高圖像的分辨率使物體的像素跨度盡量大，從而使比例尺減小，以提高測量精度。在軟件中通過將計算得到的比例尺保存起來，在放大倍率等不變的條件下，可以重復使用該比例尺進行測量。但當放大倍率改變時，要重新設定比例尺。表1系統(tǒng)比例尺的標定結果Tab.1Resultofsystemscalecalibration測量次數物長D0(mm)像長Dp(pixel)物/像比例尺(平均值)3σ10.800290.027590.027660.000521.000360.0277831.200430.0279142.000730.0274053.0001090.0275264.0001450.02759710.0003610.02770820.0007190.027824.2直線圖元和圓形圖元的測量圖5是利用直線圖元和圓形圖元測量程序分別對PCB板上的線寬和圓孔進行測量，測量結果如表2所示。為了提高測量的速度，進行測量時，采用圓形窗或矩形窗（窗口的大小可以調節(jié)），將被測物體至于選擇窗內，計算時只對選擇框內的物體進行計算，這樣就減少了運算量，提高了運算速度。圖5直線和圓形圖元測量結果Fig.5Measuringresultoflineandcirclegeometricfigures表2直線圖元和圓形圖元測量結果Tab.2Measuringresultoflineandcirclegeometricfigures測量次數測量結果/mm3σ/mm理論值/mm線寬直徑線寬直徑線寬直徑10.19651.25450.00790.00860.2001.25020.20161.260230.19471.254940.20021.255150.19781.254360.19461.253870.20051.260480.19821.2531平均值0.19801.2558直線圖元的測量誤差主要來源是物體邊緣的定位誤差。本系統(tǒng)中對直線圖元的擬合采用了最小二乘法，并采用計算距離的方法排除了孤立噪聲點對邊緣的影響。測量結果表明系統(tǒng)具有較高的測量精度和較好的測量重復性。試驗結果表明圓形圖元測量算法具有較強的抗干擾能力，通過求解物體的形心作為擬合的初值，提高了擬合速度，在進行擬合時，采用了除去孤立噪聲點的方法，提高了擬合的精度。同時，采用搜索算法，可以人為設定擬合的精度。對于測量精度高的物體，可以將擬合的精度相對提高；而對擬合精度要求不高的物體測量時，可以將擬合精度降低，以提高測量速度。4.3自動聚焦高度測量以下圖6為采用自動聚焦原理進行高度測量。表3中的數據是在相機為Sony公司的SSC-DC54A,鏡頭為Navitar公司的12XZoom在放大倍率為4.7倍時測的結果。本文所采用的自動影像測量系統(tǒng)如圖7所示。圖6高度測量示意圖。（a）高面自動聚焦示意圖；（b）低面自動聚焦示意圖。Fig.6Heightmeasurementwithautofocusmethod.(a)Autofocusonhighlevel.(b)Autofocusonlowlevel.表3高度測量結果Tab.3Resultofheightmeasurement測量次數高面/mm低面/mm高度/mm高度殘差/mm1129.27765.55363.724-0.01342129.26965.54863.721-0.01643129.27765.54663.731-0.00644129.28265.5463.7420.00465129.27965.5463.7390.00166129.27865.52963.7490.01167129.26865.5463.728-0.00948129.27265.53863.734-0.00349129.28265.52963.7530.015610129.28265.52963.7530.0156均值129.276665.539263.73743σ0.015760.047280.03513圖7自動影像檢測系統(tǒng)Fig.7Automaticimagemeasuringsystem由上述的測量結果可知，本系統(tǒng)中所采用的Sobel梯度法進行聚焦評價來進行高度測量，其測量的精度為0.035mm。5結論本文根據現代工業(yè)檢測精度高、速度快的要求，提出了非接觸影像測量的方法，并介紹了自動影像測量系統(tǒng)的結構和工作原理。然后研究了影像測量中的典型圖元的識別和測量算法以及基于自動聚焦原理的高度測量算法。最后，給出了影像測量中超出視野范圍大尺寸測量時光柵尺的誤差補正方法以及比例尺的設定方法。實驗結果證明：圖元的測量精度在微米級；高度測量精度為0.035mm；系統(tǒng)比例尺的標定精度為0.5μm。基本滿足了自動影像測量的要求。（結論要有數據）參考文獻：（五號）鄒定海,葉聲華,王春和(楷體).用于在線測量的視覺檢測系統(tǒng)(宋體)[J].儀器儀表學報(楷體),1995,16(4):337-340.（小五）ZOUDH,YESHH,WANGCHH(英文作者名中姓全拼，且全部大寫，名只需每個詞的首字母，且大寫).Avisualinspectionsystemforon-linemeasurement(正體,首個單詞的第一個字母大寫，其余均小寫，專有名詞除外)[J].ChineseJournalofScientificInstrument（斜體，除定冠詞外，每個單詞的首字母均大寫）,1995,16(4):337-340.(inChinese)(中文文獻，要在英文翻譯后加(inChinese))周亙.微機在工件不圓度自動測量中的應用[J].基礎自動,2001,8(6):50-53.ZHOUG.Theapplicationofcomputerinautomaticmeasureofthenon-rounddegreeoftheparts[J].BasicAutomation,2001,8(6):50-53.(inChinese)郭強生，靳衛(wèi)國，周慶亞.集成電路粘片機視覺檢測技術研究[J].電子工業(yè)專用設備，2005,34(7):34-40.GUOQSH,JINWG,ZHOUQY.VisioninspectiontechnologyofICdiebonder[J].EquipmentforElectronicProductsmanufacturing,2005,34(7):34-40.(inChinese)WEIZHZH,ZHANGGJ,LIX.Theapplicationofmachinevisionininspectingposition-controlaccuracyofmotorcontrolsystems[C].ProceedingsoftheFifthInternationalConferenceonElectricalMachinesandSystems,Shenyang,P.R.China:ICEMS,2001:1031-1038.(會議[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