基于機器視覺的幾何量精密測量系統分析

李瑾 虞波

摘要：機器視覺技術與幾何量精密測量的有效融合是強化穩定性，降低人為誤差，提升測量效率的重要方面?；诖?，本文就機器視覺下的幾何量精密測量系統展開分析，研究了單片機控制、圖像處理、光柵信號處理等模塊的相關內容，并以此在光學成像系統、毫米刻線的精準定位、零件尺寸的輔助測量、縱橫向兩只光柵尺信號處理等方面進行了分析，為幾何量精密測量的重復精度以及測量精度提供了參考意見。

關鍵詞：機器視覺;幾何量;精密測量

引言：隨著智能化、自動化技術的普及推廣，其在工業制造與生產方面的應用，滿足了高精度零件的幾何量精密測量的要求，進而摒棄了傳統測量儀器中人為主觀因素大、讀書時間長、測量過程繁瑣等不足。其中機器視覺技術的融入使幾何量精密測量技術中萬能工具顯微鏡的運作效率進一步加深，使得長度、圓、角等方面幾何量的精密測量被有效推進，并且通過與AutoCAD軟件的結合，輔助測量零件尺寸得以實現。

1.??? 幾何量精密測量系統的總體設計

1.1? 系統測量原理

本文測量系統的基本原理是利用光柵信號采集卡、圖像采集卡通過計算機技術的綜合運算，獲取數據結果，進而實現精確的測量結果的采集。通過在萬能工具顯微鏡X、Y向導軌與拖板間分別安裝X與Y向光柵尺，進而利用X與Y向采集卡獲取坐標值的整數部分。在中央顯微鏡以及X、Y向讀數目鏡上分別安裝基于工件檢測的CCD以及X、Y向檢測的CCD，并且采取工件對邊以及工件對線處理，在保證待檢目標與作用于工件檢測的CCD視場中心點對齊后，通過萬能顯微鏡玻璃尺上刻線的位置獲取坐標值的小數部分。在此基礎上，通過一定的算法，得到該點的坐標，并通過同樣的方式得到另一點的坐標，進而利用兩點的坐標值計算長度、直徑等待測數值，再將結果導入AutoCAD軟件，實現零件的尺寸圖形以及尺寸標注結果的獲取。在測量過程中主要應用的萬能工具顯微鏡是一種二維尺寸側量的代表性用具，在機器視覺系統中，其通過縱、橫導板以及光學照明系統的綜合運作，實現用CCD光學成像系統代替人眼，形成瞄準與讀數的分工協作，進而實現用自動化的機器視覺代替人眼目視的轉換。

1.2? 系統軟件設計

系統軟件的編寫中，一般以面向對象的編程設計模式以及思維，通過Windows系統中標準的多文檔主控界面，利用用戶界面與接口功能模塊、光柵數據處理、圖像處理模塊、數據記錄、處理、顯示等相關模塊的綜合運作，實現系統性的測量。其操作流程是通過將初始化的數據導入計算機，并對其進行參數設置，之后利用導板的粗對準開始對于工件圖像進行采集處理，若未對準進行導板的微調，若已對準則開始讀數，之后再通過導板的微調實現下一待測點的測量，完成所有待測點的測量后，對于數據進行綜合的處理。

2.??? 光柵信號處理模塊

2.1? 總體設計

光柵信號處理模塊作為自動讀數環節的核心模塊，其由單片機電路、電源轉換電路、整形濾波電路、FPGA與配置電路共同組成，在依據幾何量精密測量系統的總體測量要求，并通過借助Protel99SE對于硬件電路原理圖繪制的基礎上，利用Quartus II以及Keil C51實現相應軟件的設計，進而完成對于X軸向以及Y軸向的兩只光柵尺信號的獲取與綜合處理，進而完成整數位讀數的最終目標[1]。

其中，FPGA主要用于光柵信號的精選、分類、方向識別、計數等數據輸出，配置電路用于利用計算機技術，將FPGA的內部邏輯電路信息下載與配置芯片內部;整形濾波電路用于非方波信號，實現其向標準方波信號的轉化;單片機電路可以將FPGA邏輯電路輸出的計數數據向位移量的轉換，并借助串口將數據發送與計算機，以做進一步的處理;電源轉化電路的功用是為系統整體提供電源。

2.2? 硬件設計

硬件設計主要有以下幾方面的內容：（1）光柵尺的選擇，要依據實際情況進行選擇，一般用于整數位的讀數，如型號WTB100與WTB200的國產萬濠光柵尺，;（2）濾波整形電路，用于將光柵尺的輸出信號轉化為標準的TTL防波信號;（3）FPGA與配置電路，可以利用可編輯邏輯器代替傳統的邏輯電路，FPGA利用下載電纜間代碼向配置芯片傳送，通過數字化的信號處理有效減小電路大小，并提升提升整體電路的穩定性，配置電路可以將代碼通過JTAG接口傳送到FPGA芯片中進行調試;（4）單片機電路，可以采用MAXIM公司的MAX3232芯片，實現計算機與單片機之間的電平轉換;（5）電源轉換電路，在不借助額外直流穩壓電源的基礎上，可以直接利用5V的電源適配器。

2.3? 軟件設計

借助可編程控制器，將硬件設計軟件化的FPGA集成化設計，可以自上而下的在一片FPGA器件中實現光柵信號處理的全部功能，在降低系統整體復雜性的基礎上，降低了成本，并有效提升起穩定性，以光柵信號選擇電路、細分辨向電路、可逆計數和數據輸出電路作為FPGA的內部邏輯電路，以此完成對X向與Y向光柵尺信號的處理。

3.??? 圖像處理模塊

3.1? 圖像采集

圖像的采集是整個計算系統的重要環節，其中分辨率較高的圖像是實現正確的計算與分析的基礎，其中主要有：（1）CCD攝像機的選擇，可以借助CCD實現采集到的信號向電信化的轉化，因此要依據測量中的功用與精度進行不同分辨率、像素、光敏尺寸的選擇;（2）圖像采集卡，可以完成系統中的視覺捕捉功能，將攝像機模擬的信號轉化成離散的數字量，進而將其存入計算機。

3.2? 圖像處理

3.2.1????? 預處理

彩色圖像的數據量相比之下偏大，因此，為方便測量需要將彩色位圖進行灰度化處理，進而在降低處理數據量的基礎上，最大限度的保留圖像的信息。此外，由于圖像在采集和傳輸的過程中存在噪聲污染，導致工件圖像以及毫米刻線圖像的失真。因此，需要利用VC++6.0編程完成圖像的灰度轉化，提升圖像的邊緣信息[2]。

3.2.2????? 亞像素定位

工件圖像的邊緣定位、線定位以及毫米刻線的定位等方面的精度與否，會對于幾何量精測測量系統整體精確度產生重要形象，因此，可以借助亞像素定位技術實現了工件圖像的邊緣、線和毫米刻線的亞像素定位，其中亞像素算法可以采用擬合法與灰度重心法。

3.2.3????? 工件圖像的處理

其中有邊緣定位與線定位兩種，邊緣定位可以在Sobel對于邊緣檢測算子完成初步定位后，再借助最小二乘曲線擬合法實現亞像素的精確定位;線定位的基本原理是通過擬合形成新直線代替原有檢測目標，進而判斷工件待測點與中心線的中心點是否重合，一般采用灰度重心法。

3.2.4????? 小數位讀數的實現

毫米刻線定位，利用閾值處理分離目標與背景，并通過尋找毫米刻線的灰度值信息，計算出毫米刻線的中心點坐標數據，進而通過擬合毫米刻線實現圖像數字信號的處理，并通過建立數字圖像與實際值的對應關系，完成邊緣線的計算機輔助對齊與毫米刻線的精準定位。

結論：綜上所述，為實現幾何量精密測量技術的突破性發展，需要在保證其現有技術優勢的基礎上，結合電子計算機技術、傳感器技術、圖像處理技術等高新技術，形成集光、機、電于一體的測量系統。為此，技術人員需要在綜合分析機械結構設計、兩只光柵尺信號采集處理、工件圖像和玻璃刻度尺毫米刻線圖像的處理等基礎上，進行幾何量精密測量系統軟件程序的開發，以此實現自動化、精確化的幾何量測量。

參考文獻：

[1]?? 胡洪磊.淺談機器視覺技術及其在機械制造自動化中的應用[J].通訊世界，2020，27（02）：128-129.

[2]?? 王幗媛，王海亮，蔡錚，等.淺談工業制造業中幾何量測量技術及應用[J].航空精密制造技術，2019，55（05）：43-46.