摘 要:为了解决现有坐标测量机中的单目显微视觉测头视场小和景深小的缺点,提出了显微视觉测头的动态测量方法。建立了运动模糊图像的复原模型以及序列图像的全景组合模型,并提出了测量系统的自标定方法,标定重复性精度优于0.5nm。实验证明:该系统在以6mm/s的速度扫描测量时,测量重复性精度可达到5μm。
1 引 言
坐标测量根据测量原理的不同分为接触式测量和非接触式测量两大类。接触式测量是,首先用接触式探针与被测工件接触来采集轮廓点,然后进行数据处理。由于接触式测头有一定的尺寸,所以不能对一些孔、槽、圆弧等尺寸较小的工件进行测量。由于探针的工作压力会引起工件的变形和划伤,所以也难以对一些薄片、刀口轮廓及柔软的材料进行测量。非接触式测量不需要测头与被测表面接触就可以实现对被测工件表面坐标点的采集。在目前的坐标测量机中,广泛采用的非接触测头是单目显微视觉测头,但显微视觉测头的一个致命缺点就是视场和景深都非常小,测量一个大型工件需要很长的时间,难以满足市场竞争中制造厂家对工件生产周期的要求。因此,本文提出了单目显微视觉测头的动态测量技术,在保证测量精度的同时,大大地缩短测量周期。
2 单目显微视觉动态测量系统的基本原理
单目显微视觉动态测量系统原理图如图1所示。测量时,计算机发送测量命令,CMM控制柜控制单目显微视觉测头在三维方向上的平移运动,依次对被测工件的表面进行图像采集,同时记录下在采集每帧图像时坐标测量机的光栅坐标。首先计算机对采集的序列图像进行运动场偏移复原和运动模糊复原;然后依据光栅坐标值的全景组合图像,重构出被测工件的整体三维形貌;最后根据工件的尺寸及定位要求,在重建的三维形貌上获取各个参数。
3 运动模糊复原
运动采集到的图像如图2(a)所示。由于CCD的场积分时间和场间隔时间不是理论中的无限小,因此视觉测头和被测对象之间的相对运动便会造成采集到的图像运动场偏移和运动模糊。所以在图像全景组合前需要对图像进行场偏移复原和运动模糊复原。处理步骤为:场偏移量求取、场偏移复原和运动模糊复原。
3.1 场偏移量的求取
由于在图像采集时,不能准确的测得坐标测量机的运动速度和方向,所以在CCD积分的场时间间隔内图像的运动偏移无法得知。因此本文使用如下方法求取场间隔时间。首先从原始图像中提取奇偶两场图像,分别使用两场图像的空白行的相邻两行插值该空白行,形成两帧与原图像同样大小的图像fo(x,y)和fe(x,y);然后分别对这两帧图像做二值化变换(这里以奇场为例)。
式中,threshold1和threshold2为图像直方图双峰中的第一个峰值和第二个峰值;sum为像素的8领域像素数统计值。其计算公式如下:
3.2 场偏移的复原
在求得场偏移量后,使用常用的图像平移公式移动偶场图像fe(x,y)[2]。
然后用处理后的fe′(x,y)的偶数行和fo(x,y)的奇数行组合重建图像f′(x,y),场偏移复原后的图像如图2(b)所示。
3.3 运动模糊的复原
设恢复后的图像为f(x,y),模糊图像为g(x,y),点扩展函数为h(x,y),则其运动模糊方向如图3所示。图中PSFH和PSFV为在曝光时间内图像分别在x方向和y方向上移动的像素数;MD为PSFH和PSFV合成得到的分量。由于视觉测头使用的是隔行扫描面帧CCD,依据其工作原理,它的两场图像的间隔时间等于每场图像的积分时间。另外,由于坐标测量机又是匀速扫描,所以PSFH和PSFV分别等于3.1节里求得的Δx和Δy。
若PSFH≥PSFV,则匀速直线运动点扩展函数为[3]
对h(x,y)进行傅里叶变换得H(u,v),使用参数化维纳滤波法[2]复原图像,则运动模糊复原后的图像为
式中,Rf=ε{fft}和Rn=ε{nnt}分别为信号和噪声的协方差矩阵;参数γ=0·001。运动复原后的图像如图2(c)所示。
4 序列图像的融合
因为在采集每一帧图像的同时,光栅坐标也被同时记录,所以可以以光栅坐标为准,直接将图像融合统一到世界坐标系下。假使摄像机坐标系为oixiyi,三坐标测量机光栅坐标系为OgXgYgZg,世界坐标系为OwXwYwZw,则在本文设计的系统中,各个坐标系的相互关系如图4所示。它们的坐标合成公式为
式中,cx,cy为摄像机像素标定值。因为显微视觉测头的景深只有5μm,所以Z方向上的精度可通过自动调焦来保证,Z方向上的坐标由测量机光栅直接读出。
5 系统自标定及实验测试
5.1 系统自标定
首先在被测工件上选择一个高精度的规则几何特征图(例如圆),在视场的5个位置(图像平面内的四个角和中间位置)分别对该特征图进行数据采集,记录下每处的图像和测量机光栅坐标值(xg,yg);然后提取图像中具有特征的质心坐标(xi,yi)。将式(8)变换后得
同理可求出cy。表1是使用以上方法标定得到的视觉测头的像素值。
5.2 实验测试
为了检验本文所提出的单视觉测头动态测量系统的精度,在工件中,对4个圆孔的直径和它们之间的位置尺寸分别进行了测试,扫描速度为6mm/s。实验结果如表2所示。
从表2可以看出,本文所设计的单目显微视觉动态测量系统的测量重复性精度可达5μm,在20s的时间内就可完成全部的参数测量。
6 结 论
为了解决现有三坐标测量机中广泛使用的单目显微视觉测头视场小和景深小的缺点,本文提出了显微视觉测头的动态测量方法。建立了运动模糊图像的复原模型以及序列图像的全景组合模型,并提出了测量系统的自标定方法,标定重复性精度为0·5nm。实验证明,该系统在以大约6mm/s的速度扫描测量时,测量重复性精度可达到5μm。这样就可以做到在保证系统测量精度的同时,可大大缩短工件的测量周期,为单目显微视觉测头的进一步的广泛应用提供了坚实的理论和实践基础。
参考文献:
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[4]王建民.二维图像测量机及图像式大尺寸弧长在线测量系统的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2001.50—92.
作者简介:屈玉福(1976-),男,陕西省靖边市人,哈尔滨工业大学自动化测试与控制系博士研究生,主要从事立体视觉检测技术和动态视觉检测技术的研究。
E-mail:quyufu@hit.edu.cn
