微運(yùn)動(dòng)工件的高性能圖像測(cè)量方法研究

1、微運(yùn)動(dòng)工件的高性能圖像測(cè)量方法研究1、項(xiàng)目研究意義 機(jī)器視覺(jué)圖像測(cè)量是數(shù)字圖像技術(shù)和測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，廣泛用于制造業(yè)。由于計(jì)算機(jī)的智能化和高速數(shù)據(jù)處理能力使得對(duì)一些復(fù)雜零件的高精度快速測(cè)量成為可能。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)為非接觸測(cè)量，對(duì)工件裝夾精度要求低，特別適用于現(xiàn)代制造的在線測(cè)量和在線自動(dòng)質(zhì)量檢測(cè)。但這項(xiàng)技術(shù)仍有以下缺點(diǎn)： （1）環(huán)境條件和系統(tǒng)參數(shù)變化很容易影響測(cè)量結(jié)果，測(cè)量可靠性受到影響；（2）系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與攝像機(jī)、圖像采集系統(tǒng)、照明光源、鏡頭和圖像分割技術(shù)等均有密切的關(guān)系，因此對(duì)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)比較困難，長(zhǎng)期以來(lái)多采用高成本、耗時(shí)長(zhǎng)、離線的方法來(lái)進(jìn)行1；（3）對(duì)于較大尺寸的物體，檢測(cè)精度較低。本

2、項(xiàng)目設(shè)想對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行改善，使機(jī)器視覺(jué)圖像測(cè)量的應(yīng)用范圍得到進(jìn)一步的擴(kuò)大。利用近年來(lái)發(fā)展成熟的微位移技術(shù)，被測(cè)量物體放在電致伸縮陶瓷驅(qū)動(dòng)的微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，測(cè)量過(guò)程中將被測(cè)量目標(biāo)微運(yùn)動(dòng)起來(lái)，視覺(jué)系統(tǒng)同步多次測(cè)量。通過(guò)對(duì)多次測(cè)量結(jié)果的實(shí)時(shí)計(jì)算分析，提高測(cè)量精度。通過(guò)比較給定微位移量和微移動(dòng)后測(cè)量結(jié)果的變化情況，對(duì)系統(tǒng)性能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)診斷，提高系統(tǒng)可靠性。我省是一個(gè)制造業(yè)大省，生產(chǎn)企業(yè)的在線測(cè)量水平直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。 機(jī)器視覺(jué)測(cè)量由于其自身的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于制造業(yè)，這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展將對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的提高有重要的意義。受我省諸多企業(yè)的委托，我們已經(jīng)完成十多項(xiàng)針對(duì)不同對(duì)象的機(jī)器視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，為生產(chǎn)加工企業(yè)解決

3、了實(shí)際問(wèn)題，提高了生產(chǎn)效率。我們?cè)?jīng)多次遇到企業(yè)委托項(xiàng)目，要求測(cè)量速度快，而且參數(shù)多、精度高，機(jī)器視覺(jué)測(cè)量如果能夠解決精度、可靠性等問(wèn)題就是最佳方法，在工業(yè)測(cè)量中將有很好的應(yīng)用前景。2、項(xiàng)目研究目標(biāo)及與申請(qǐng)者研究工作長(zhǎng)期目標(biāo)的關(guān)系項(xiàng)目研究目標(biāo)：將機(jī)器視覺(jué)測(cè)量技術(shù)與近年來(lái)日益成熟的微位移技術(shù)結(jié)合起來(lái)，測(cè)量過(guò)程中在計(jì)算機(jī)控制下利用電致伸縮器件主動(dòng)精密微運(yùn)動(dòng)被測(cè)量目標(biāo)，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)同步多次測(cè)量，對(duì)多次測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)分析，直接得到系統(tǒng)分辨率指標(biāo)，提高系統(tǒng)測(cè)量精度；通過(guò)比較給定微位移量和微移動(dòng)后測(cè)量結(jié)果的變化情況，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能在線快速的自動(dòng)評(píng)價(jià)和校準(zhǔn)，提高測(cè)量系統(tǒng)可靠性。我們從事機(jī)器視覺(jué)測(cè)量研究工作已有十

4、多年時(shí)間，將機(jī)器視覺(jué)測(cè)量技術(shù)推向成熟和完善，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，是我們長(zhǎng)期工作目標(biāo)。近兩年來(lái)進(jìn)行了微位移和納米測(cè)量領(lǐng)域的研究，設(shè)想將電致伸縮微位移技術(shù)用于機(jī)器視覺(jué)測(cè)量。機(jī)器視覺(jué)測(cè)量中，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行直觀、快速和有效的評(píng)價(jià)，在線自診斷、自校正，保證系統(tǒng)可靠性，提高測(cè)量精度，都是難以解決的基礎(chǔ)問(wèn)題，希望能得到浙江省自然科學(xué)基金的資助。3、 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容，研究方案和進(jìn)度安排研究一種新的機(jī)器視覺(jué)測(cè)量方法，期望提高系統(tǒng)測(cè)量精度，直接得到系統(tǒng)分辨率，能夠在線診斷系統(tǒng)性能、提高系統(tǒng)可靠性。系統(tǒng)原理框圖如下圖所示。被測(cè)量工件裝載在一個(gè)可以兩維精密微運(yùn)動(dòng)的工作平臺(tái)上，測(cè)量過(guò)程中系統(tǒng)控制平臺(tái)產(chǎn)生精確微位移，同時(shí)多次重

5、復(fù)測(cè)量。選用電致伸縮陶瓷作為微位移驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)生的電壓使微位移陶瓷器件發(fā)生形變，得到精密微位移。驅(qū)動(dòng)電源有數(shù)字接口與計(jì)算機(jī)相連，接受計(jì)算機(jī)的控制。微位移技術(shù)近年來(lái)日益成熟，其中電致伸縮陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)器以其體積小、承載力大、效率高、位移分辨率高、對(duì)磁場(chǎng)不敏感、不產(chǎn)生噪聲等優(yōu)良特性，已經(jīng)在掃描隧道顯微鏡微量、超精加工進(jìn)給、微電子工程和機(jī)器人裝配的超微定位中得到了應(yīng)用，是一種理想的微位移驅(qū)動(dòng)器。但是電致伸縮陶瓷驅(qū)動(dòng)器在電場(chǎng)的作用下存在滯后、蠕變、非線性等不良特性，使其精度和重復(fù)性降低、輸入電壓與輸出位移之間存在著較大的非線性和遲滯性。因此，為了提高壓電陶瓷的靈敏度、穩(wěn)定性和重復(fù)精度，在電致伸縮

6、陶瓷驅(qū)動(dòng)器的控制中采用精度高、響應(yīng)快的微位移檢測(cè)電感傳感器對(duì)微驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際輸出位移進(jìn)行檢測(cè)并反饋給控制器進(jìn)行閉環(huán)控制。這種方案可以達(dá)到納米級(jí)的精度，這里為了提高微位移的精度，達(dá)到進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)的目的，使用高精度電感位移傳感器測(cè)量位移量，經(jīng)二次儀表的數(shù)字接口將讀數(shù)送入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)反饋控制。這里可以很容易的實(shí)現(xiàn)X、Y方向的微運(yùn)動(dòng)，最大微位移，對(duì)于考核機(jī)器視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的分辨率已經(jīng)足夠。這里在微小移動(dòng)范圍內(nèi)以電感（或電容）位移傳感器作為高一級(jí)精度測(cè)量設(shè)備對(duì)機(jī)器視覺(jué)圖像測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，充分發(fā)揮機(jī)器視覺(jué)圖像測(cè)量系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜工件和在多參數(shù)測(cè)量時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，組成高性能的復(fù)雜幾何參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。主要研究?jī)?nèi)容為：（1

7、） 研究微位移控制方法，適用于機(jī)器視覺(jué)測(cè)量的精密微位移技術(shù)，需考慮被測(cè)量工件的承載和光源安裝影響；（2）比較使用不同亞像素邊緣檢測(cè)算法、不同照明條件以及不同圖像設(shè)備情況下，圖像邊緣檢測(cè)結(jié)果與微位移量的關(guān)系；（3）定標(biāo)物體微移動(dòng)后產(chǎn)生的一系列新的坐標(biāo)數(shù)據(jù)作為攝像機(jī)定標(biāo)原始數(shù)據(jù)，攝像機(jī)重新定標(biāo)，分析定標(biāo)結(jié)果，尋找修正模型；（4） 研究利用多次測(cè)量結(jié)果綜合分析系統(tǒng)性能的計(jì)算模型和測(cè)量精度改善效果；（5） 被測(cè)量物體的移動(dòng)量和測(cè)量結(jié)果同時(shí)得到，研究利用它們直接估算測(cè)量分辨率的方法，研究在實(shí)際測(cè)量時(shí)利用它們對(duì)系統(tǒng)性能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)評(píng)價(jià)的方法。機(jī)器視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)和外界條件改變十分敏感，很容易使系統(tǒng)性能不

8、穩(wěn)定，希望能通過(guò)這種方法進(jìn)行自診斷，并探索系統(tǒng)自校準(zhǔn)方法。計(jì)劃研究時(shí)間二年，其中：（1）開(kāi)題準(zhǔn)備二個(gè)月（2）設(shè)計(jì)利用精密壓電陶瓷微位移裝置驅(qū)動(dòng)定標(biāo)物體試驗(yàn)三個(gè)月（3）研究定標(biāo)物體微移動(dòng)時(shí)尖銳邊緣檢測(cè)結(jié)果五個(gè)月（4）尋找修正攝象機(jī)參數(shù)的方法四個(gè)月（5）利用跟蹤測(cè)量數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)測(cè)量精度五個(gè)月（6）在實(shí)際測(cè)量中實(shí)現(xiàn)在線自評(píng)價(jià) 三個(gè)月（7）撰寫(xiě)論文、結(jié)題二個(gè)月4、 項(xiàng)目創(chuàng)新之處近十多年來(lái)機(jī)器視覺(jué)測(cè)量技術(shù)發(fā)展迅速，高分辨率的攝像機(jī)和圖像卡不斷出現(xiàn)，特別是最近幾年出現(xiàn)的高分辨率數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，使這種方法的測(cè)量分辨率不斷提高。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度，人們對(duì)圖像測(cè)量的軟件算法十分重視，亞像素邊緣定位的方法得到了

9、深入研究，主要的方法有：插值法、空間矩法、最小二乘法等。人們對(duì)這些方法進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)方法生成理想邊緣圖像，驗(yàn)證亞像素邊緣定位算法的定位精度和抗噪能力4 5。但是如果僅僅利用攝像機(jī)的分辨率和亞像素定位精度去計(jì)算系統(tǒng)精度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。影響系統(tǒng)精度的因素主要有：（1）照明光源；（2）光學(xué)成像系統(tǒng)；（3）CCD攝像機(jī)；（4）圖像采集電路；（5）軟件算法2 3。照明和光學(xué)成像系統(tǒng)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的精度影響很大。高質(zhì)量的圖像對(duì)圖像處理和分析起著重要的作用，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的圖像獲得裝置遠(yuǎn)比軟件算法上的努力重要。實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)都存在著誤差，對(duì)于普通鏡頭，其誤差在圖像周邊可達(dá)幾個(gè)像素點(diǎn)。這種

10、情況下，亞像素處理技術(shù)失去意義。而對(duì)照明系統(tǒng)的判定和定量分析又比較困難。要提高測(cè)量精度，必須通過(guò)攝像機(jī)的標(biāo)定和修正降低系統(tǒng)誤差。因此利用精密微運(yùn)動(dòng)被測(cè)量目標(biāo)來(lái)得到測(cè)量系統(tǒng)的精度指標(biāo)是十分必要的。國(guó)外對(duì)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)問(wèn)題的研究較早1，1中對(duì)影響系統(tǒng)性能的各種因素作了詳細(xì)分析，采用一整套復(fù)雜的評(píng)價(jià)方法，在整個(gè)測(cè)量范圍移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)物體，用多種測(cè)試方法對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)定。但這種方法費(fèi)時(shí)、成本高、需要專業(yè)人員來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在線評(píng)價(jià)是不可能的。我們基于對(duì)機(jī)器視覺(jué)、微位移和納米測(cè)量技術(shù)的研究，提出本項(xiàng)目。設(shè)想利用目標(biāo)的微小變化（而不是整個(gè)測(cè)量范圍的移動(dòng)）實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)性能的在線自評(píng)價(jià)。精密壓電陶瓷微位移

11、技術(shù)已趨于成熟，控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，原子力顯微鏡使用這一技術(shù)進(jìn)行納米級(jí)驅(qū)動(dòng)，亞微米、微米級(jí)的成本則可以降低。本項(xiàng)目創(chuàng)新之處在于將測(cè)量系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)、微位移技術(shù)、在線自診斷結(jié)合起來(lái)，尚未見(jiàn)報(bào)道。我們認(rèn)為它是有價(jià)值的，有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）對(duì)測(cè)量分辨率的考核更直接，比整個(gè)范圍的評(píng)價(jià)結(jié)果更有說(shuō)服力。（2）由于小范圍移動(dòng)，時(shí)間短，在線自評(píng)價(jià)、自校正成為可能。雖然評(píng)價(jià)的范圍小，但在一般工業(yè)應(yīng)用中，零件形狀、公差范圍已知，利用這些信息的小范圍評(píng)價(jià)結(jié)果仍然有重要意義。（3）常用的定標(biāo)方法，標(biāo)準(zhǔn)物與實(shí)際被測(cè)物體有差異，由此而來(lái)的成像差異也會(huì)帶來(lái)誤差。利用微移動(dòng)目標(biāo)的方法更接近測(cè)量真實(shí)情況，可以對(duì)攝象機(jī)參數(shù)進(jìn)行修

12、正，提高測(cè)量精度。（4）利用目標(biāo)微變化后的多幅圖像，結(jié)合已知移動(dòng)數(shù)據(jù)，尋找一種統(tǒng)計(jì)處理方法，提高系統(tǒng)測(cè)量精度。與目標(biāo)靜止情況下的多次測(cè)量相比應(yīng)該有更好的效果。比如在目標(biāo)位置處于CCD敏感元間隔中的特殊情況，低成本攝象機(jī)可能有敏感“死區(qū)”存在，通過(guò)這種方法可以減少影響。5、工作基礎(chǔ)與工作條件我們已經(jīng)進(jìn)行了十多年機(jī)器視覺(jué)測(cè)量領(lǐng)域的研究，對(duì)其關(guān)鍵問(wèn)題有較深入的了解。成功完成相關(guān)研究項(xiàng)目十余項(xiàng)，開(kāi)發(fā)針對(duì)不同對(duì)象的復(fù)雜幾何參數(shù)測(cè)量設(shè)備，為生產(chǎn)企業(yè)解決了一些實(shí)際問(wèn)題，其中：（1）印刷線路板自動(dòng)定位孔鉆機(jī) 通過(guò)浙江省科技廳科技成果鑒定，獲浙江省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)；（2）鋼卷尺長(zhǎng)度光電自動(dòng)檢測(cè)裝置 通過(guò)浙江省科技

13、廳科技成果鑒定，獲部級(jí)科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)；（3）超級(jí)電能表轉(zhuǎn)動(dòng)部件自動(dòng)質(zhì)量控制系統(tǒng) 通過(guò)浙江省科技廳科技成果鑒定，獲浙江省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)；（4）軸瓦自動(dòng)檢測(cè)與分選系統(tǒng) 通過(guò)浙江省科技廳科技成果鑒定，獲浙江省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。近兩年進(jìn)行了有關(guān)精密陶瓷微位移和納米測(cè)量領(lǐng)域的研究，申請(qǐng)人2003年在國(guó)際著名研究院參加大范圍原子力顯微鏡項(xiàng)目的合作研究，對(duì)微位移技術(shù)有較好的掌握。由于機(jī)器視覺(jué)測(cè)量技術(shù)在制造業(yè)中有很好的應(yīng)用前景，設(shè)想將微位移技術(shù)用于機(jī)器視覺(jué)測(cè)量。課題組成員，公開(kāi)發(fā)表有關(guān)論文若干篇。主要有：(1)零件幾何參數(shù)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng). 計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制. 2000，8（4）:38-39(2)Bas

14、ed On Computer Vision Auto-aligning Drilling Machine For PCB , SPIE 1998, Vol 3558：74-80 EI 1999 EIP9900024568627 ISTP 1999 08194-3019-6(3)多通道分布式計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng). 光學(xué)技術(shù),2001，N0 4： 15-18(4)光學(xué)目標(biāo)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)定位系統(tǒng)研究, 光學(xué)技術(shù), 2000 ,N0 6： 5256(5) 基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的光學(xué)目標(biāo)自動(dòng)定位系統(tǒng), 光子學(xué)報(bào), 2000,N0 12： 25-28(6)計(jì)算機(jī)立體視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)檢測(cè)中的應(yīng)用研究. 計(jì)量與測(cè)試技術(shù). 1

15、999，26（4）:9-10(7)基于單片機(jī)視頻圖形圖像疊加的印刷線路板定位孔鉆機(jī). 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù). 1999，41（8）:23-25項(xiàng)目依托單位具備了本項(xiàng)目研究基礎(chǔ)硬件設(shè)備，如視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、圖像信號(hào)分析系統(tǒng)等。6、預(yù)期研究結(jié)果及其利用研究結(jié)果的計(jì)劃和今后發(fā)展的思路預(yù)期這種測(cè)量方法可以提高機(jī)器視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度和可靠性，能得到一種快捷、直觀的系統(tǒng)測(cè)量分辨率等性能參數(shù)評(píng)價(jià)方法。將研究結(jié)果以科研樣機(jī)和論文形式遞交，包括試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?jì)算方法、測(cè)試數(shù)據(jù)等。我們與生產(chǎn)企業(yè)有廣泛合作，已經(jīng)完成十多項(xiàng)針對(duì)不同對(duì)象的機(jī)器視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，研究結(jié)果將會(huì)很快應(yīng)用到新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中去，項(xiàng)目組能

16、夠很快將結(jié)果加以應(yīng)用和傳播。今后將具體開(kāi)發(fā)低成本微位移驅(qū)動(dòng)單元，將研究成果應(yīng)用到機(jī)器視覺(jué)測(cè)量產(chǎn)品中。希望今后能逐漸建立一個(gè)機(jī)器視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的完整評(píng)價(jià)方法，使得機(jī)器視覺(jué)測(cè)量完善可靠。主要參考文獻(xiàn)1 Sabry F.Ei-Hakim, David Westmore, Performance evaluation of a vision dimension metrology system, SPIE Vol.1526 Industrial Vision Metrology, pp.56-67,(1991)2 David Mendlovic, Adolf .W.Lohmann, One-dimens

17、ional super resolution optical system for temporally restricted objects, Applied Optics,1997,36(11):2353-2359 3 Pedersini Federico, Stati Augusto, Tubaro Stefano. Improving the performance of edge localization technigues through error compensation, Signal Processing: Image Communication, 1998.12:33-474 賀忠海，王寶光，廖怡白.理想邊緣產(chǎn)生方法的研究. 光學(xué)精密工程，2002，10（1）：89-935 屈玉福，浦昭邦，王亞愛(ài). 視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中亞像素邊緣檢測(cè)技術(shù)的對(duì)比研究. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2003，24（4）：460-4626 章毓晉，傅卓. 利用切線方向信息檢測(cè)亞像素邊緣. 模式識(shí)別與人工智能. 1997，10（1）：83-887 V.Carbone, M.Carocci. Combination of a vision system and a co