摘要

    基于圖像處理的高精密視覺測量系統(tǒng)，具有非接觸性、實時性、靈活性、精確性等優(yōu)點。本系統(tǒng)由機臺、光源、CCD攝像機、圖像采集卡、光柵尺、光柵尺讀數(shù)卡、電機、運動制卡、PC等組成，首先通過光源的控制為獲得好的圖像質(zhì)量打下良好的基礎(chǔ)，CCD把獲得的光信號轉(zhuǎn)變成電信號，然后通過圖像采集卡來把被測物體的圖像采集到PC里，完成被測對象的圖像采集工作，然后通過圖像處理技術(shù)，空間幾何運算、運動控制以及對光柵數(shù)據(jù)的采集與運算來獲得被測物體的幾何尺寸和對要檢測的物理量的檢測。整個測量系統(tǒng)僅僅通過簡單的鼠標(biāo)操作就能物體的高精密測量，簡單、有效，把人們從繁瑣、復(fù)雜、繁重的工作中解脫出來。

    本文主要研究了影像測量儀的工作原理，以及系統(tǒng)的總體方案設(shè)計和測量原理及過程。而且對影像測量用到的關(guān)鍵技術(shù)也有一定的介紹。最后分析了影像測量的主要誤差源，并說明了多種誤差的起因及消除方法。

    關(guān)鍵詞：影像測量，系統(tǒng)組成，測量技術(shù)，誤差分析

    1緒論

    1.影像測量系統(tǒng)的研究目的和意義

    現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)正迅速向微小、超精密領(lǐng)域發(fā)展，由毫米級、微米級進入納米級階段。工業(yè)制造技術(shù)和加工工藝的提高和改進，對檢測手段、檢測速度和精度提出了更高的要求，高精度測量技術(shù)是工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和先決條件，測量的精度和效率在一定程度上決定了制造業(yè)乃至科學(xué)技術(shù)發(fā)展的水平。然而，現(xiàn)有的檢測手段(如卡尺、顯微鏡等)均難以兼顧速度、精度兩者之間的矛盾，必須尋找一種新的檢測技術(shù)解決這個難題，由此產(chǎn)生了計算機視覺檢測技術(shù)。隨著對高精度測量儀器的需求不斷擴大，高精度測量儀器在國內(nèi)也得到很大的發(fā)展。但是，在圖像測量行業(yè)中，國內(nèi)的發(fā)展僅僅限于硬件的生產(chǎn)，其核心軟件都采用國外的。

    2基于機器視覺影像測量儀的工作原理

    2.1機器視覺的定義

    計算機視覺是一門研究如何使機器“看”的科學(xué)，更進一步的說，就是指用攝像機和電腦代替人眼對目標(biāo)進行識別、跟蹤和測量等機器視覺，并進一步做圖形處理，用電腦處理成為更適合人眼觀察或傳送給儀器檢測的圖像[1]。

    2.2影像測量儀的工作原理

    影像測量儀就是測量被測對象時，把圖像當(dāng)作檢測和傳遞信息的手段的測量方法，其目的是從圖像中提取有用的信號，而基于圖像分析的圖像測量，顧名思義，系統(tǒng)的重點在于圖像分析。在此先將圖像和數(shù)字圖像的基本概念敘述如下。對于圖像一詞，并沒有一個統(tǒng)一精確的定義。一般而言，圖像是指對物體的發(fā)光以及反射的視覺印象。因為計算機只能處理數(shù)字信息，所以圖像并不能直接由計算機進行處理，這樣，一幅圖像在計算機進行處理之前必須先轉(zhuǎn)化數(shù)字形式，成為數(shù)字圖像，即進行圖像的數(shù)字化。

    一個典型的圖像測量系統(tǒng)主要由光源、機臺、CCD攝像機、圖像采集卡、運動控制系統(tǒng)、PC機6個部分組成，如圖2-1所示。通過各個部分的組合來完成各種不同環(huán)境高精密影像檢測任務(wù)。

圖2-1 影像測量儀的測量過程

    首先將待測工件放于工作臺上，啟動運動控制程序通過運動控制卡來控制x、y、z三軸的運動使得它們達到合適的位置。并使待測工件的圖像能夠清晰的呈現(xiàn)到CCD中，CCD把獲得的光信號轉(zhuǎn)變成為電信號，然后通過圖像采集卡把被測物體的圖像采集到PC機里。然后通過圖像處理技術(shù)，空間幾何運算，運動控制以及對光柵數(shù)據(jù)的采集與運算來獲得被測物體的幾何尺寸和對要檢測物理量的檢測，最后通過測量軟件完成測量工作，得到所想要得到的參數(shù)，完成測量工作。測量過程如圖2-2所示。

圖2-2 影像測量儀的測量過程

形狀尺寸視覺檢測是視覺檢測技術(shù)在測量領(lǐng)域中新的應(yīng)用，同傳統(tǒng)的形狀尺寸檢測技術(shù)相比，基于機器視覺檢測技術(shù)具有以下優(yōu)點：

提高圖像質(zhì)量。利用數(shù)字圖像處理技術(shù)可以對圖像進行各種處理。

提高測量精度，提高攝像機等圖像采集設(shè)備的分辨率，或調(diào)整光學(xué)鏡頭的放大倍數(shù)，可以使獲得的圖像信息更多、更精確。

可以測量傳統(tǒng)方法不易測量的幾何量。

可以對成像系統(tǒng)高精度標(biāo)定和誤差修正。

自動化程度高。

    3．機器視覺影像測量儀的總體方案設(shè)計

    3.1系統(tǒng)概述

    本課題所設(shè)計的檢測系統(tǒng)主要由五部分組成，機架平臺、圖像采集系統(tǒng)、光源控制系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)。通過各系統(tǒng)的有機結(jié)合來完成各種環(huán)境下的高精密影像檢測任務(wù)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3-1。

圖3-1整體系統(tǒng)原理圖

    本檢測系統(tǒng)是基于圖像處理的高精密視覺檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)首先通過六扇12環(huán)分別和綜合控制來控制上下光源，通過對光源的分環(huán)控制來獲得最好的成像條件，CCD把物體放射回來的光信號轉(zhuǎn)換成模擬的電信號輸入到圖像采集卡中，圖像采集對模擬電信號進行A/D轉(zhuǎn)換，把圖像信號采集動態(tài)地采集到電腦主機的內(nèi)存中，然后把PC內(nèi)存中的被測物體的圖像顯示在測量系統(tǒng)的視頻區(qū)，通過結(jié)合機臺的XYZ三軸移動、光柵數(shù)據(jù)的讀數(shù)變化、鼠標(biāo)點擊點的變化以及幾何運算來實現(xiàn)微小物體的高精密測量。

    3.2影像測量系統(tǒng)的組成

    3.2.1機臺

    機臺是由大理石底座、運動平臺、豎直支撐梁構(gòu)成。沉重的大理石底座在運動平臺或鏡頭移動時，起到了很好的防震作用，有效保證了工件在移動平臺的位置的一致性;運動平臺中間是玻璃層，下面用于放置下光源，平臺XY方向運動，平臺其中兩側(cè)安裝了光柵尺，用于對運動位置的讀數(shù);鏡頭、CCD和上光源安裝在豎直支撐梁上，可作Z軸上下運動。

    3.2.2圖像采集系統(tǒng)

    圖像采集系統(tǒng)是由CCD攝像機和圖像采集卡組成。CCD的工作原理是通過光學(xué)成像系統(tǒng)將景物圖像成在CCD的像敏面上，像敏面將照在每個像敏單元上的圖像照度信號通過光電效應(yīng)，將物體的反射光線按亮度強弱轉(zhuǎn)變成相應(yīng)數(shù)目的載流子，在某一個時鐘周期內(nèi)，CCD器件在轉(zhuǎn)移脈沖的作用下將門極上收集到的電子量轉(zhuǎn)移到C的移位寄存器中，在圖像采集卡作中，通過放大電路對信號進行放大，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號的一系列有目的性的處理轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號。數(shù)字信號保存到計算機或者其他處理器進行圖像或圖形的處理，從而獲取相關(guān)的信息和數(shù)據(jù)。圖3-2是基于CCD與鏡頭的視覺系統(tǒng)成像原理圖。CCD與圖像采集卡工作流程如圖3-3所示

圖3-2：基于CCD與鏡頭的視覺系統(tǒng)成像原理圖

圖3-3  CCD與圖像采集卡工作流程

    對于圖像采集卡，視頻圖像信號經(jīng)多路切換器、解碼器、A/Q變換器，將數(shù)字化的圖像數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)緩沖器，經(jīng)裁剪、比例壓縮及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后，由內(nèi)部控制圖形覆蓋與數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸目標(biāo)位置由軟件確定，可以是顯存，也可以是計算機內(nèi)存。

    3.2.3光源控制系統(tǒng)

    光照環(huán)境對采集圖像的效果有著非常重要的影響。工作環(huán)境的不同，有室內(nèi)，室外，陽光燈光等，光照也不同;即使在相同光照環(huán)境下，CCD與被測物的距離不同，鏡頭的倍率不同，曝光的效果也會不同。

    光源控制系統(tǒng)由上下光源和光源控制卡組成。光源控制系統(tǒng)的作用是通過對光源的控制，使被測物體的光照條件達到最理想狀態(tài)。光源控制系統(tǒng)的原理是通過光源對被測物體的效果通過圖像采集系統(tǒng)反應(yīng)在顯示系統(tǒng)，再人為對光源控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，使顯示圖像達到最佳狀態(tài)。在全自動測量過程中，可隨測量物體位置的不同，根據(jù)保存的腳本，圖3-4為光源控制系統(tǒng)原理圖。   

圖3-4：光源控制系統(tǒng)原理圖

    3.2.4運動控制系統(tǒng)

    運動控制系統(tǒng)由光柵，電機，光柵讀數(shù)卡和運動控制卡組成，被測物體在水平面的運動是由載物平臺的X和Y兩個方向合成的;而CCD和上光源的垂直方向的運動是由垂直方向的電機帶動。在XYZ方向都安裝了光柵尺，通過光柵讀數(shù)卡獲取機臺三個方向上的位置。運動控制系統(tǒng)目的就是滿足檢測平臺的三維運動控制。運動控制系統(tǒng)是通過光柵尺讀數(shù)卡對光柵位置的確定并把數(shù)據(jù)發(fā)給計算機進行處理，再通過運動控制卡對電機的控制，實現(xiàn)對機臺的運動。運動控制系統(tǒng)的原理圖如圖3-5所示。

圖3-5 運動控制系統(tǒng)原理圖

    3.2.2數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

    數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要是由計算機。CCD攝像機和圖像采集卡采集的圖像數(shù)字信號傳到計算機內(nèi)存，根據(jù)不同的需求，對圖像信息進行處理，如進行清晰度評價，光照環(huán)境評價，圖形的產(chǎn)生和分析等處理，再根據(jù)處理的反饋，進行如光源控制，運動控制，自動對焦，圖形處理等操作。數(shù)據(jù)處理的原理圖如圖3-6所示:

圖3-6 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

    3.3影像測量的關(guān)鍵技術(shù)

    影像測量系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括:圖像采集、高精度系統(tǒng)標(biāo)定、圖像特征提取、高精度邊緣定位技術(shù)等。有許多關(guān)鍵技術(shù)影響視覺測量系統(tǒng)的最終結(jié)果，在此簡單討論一下影像測量系統(tǒng)中的圖像采集、圖像處理、系統(tǒng)標(biāo)定、自動調(diào)焦和邊緣檢測技術(shù)。

    3.3.1圖像采集

    眼睛看到的視覺圖像時連續(xù)的，而計算機僅能處理離散的數(shù)據(jù)，所以影像測量儀首先將連續(xù)的圖像函數(shù)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)據(jù)集，這一過程叫做圖像的數(shù)字化[28]。將一幅圖像進行數(shù)字化的過程就是在計算機內(nèi)生產(chǎn)一個二維矩陣的過程。數(shù)字化過程包括兩個步驟：掃描、采樣和量化。掃描時按照一定的先后順序?qū)D像進行遍歷的過程，如按照優(yōu)先的順序進行遍歷掃描，像素是遍歷過程最小的尋址單元。所以上述網(wǎng)格又叫做矩陣掃描網(wǎng)格。采樣是指遍歷過程，在圖像的每個最小尋址單元即像素位置上量測灰度值，采樣的結(jié)果是得到每一單元的灰度值，采樣通常由光電傳感器件來完成。量化則是將采樣得到的灰度值通過模數(shù)傳感器件轉(zhuǎn)化為離散的整數(shù)值。數(shù)字圖像采集是由圖像采集系統(tǒng)完成，經(jīng)過成像、采樣和量化，得到數(shù)字圖像。圖像的采集實際上是將被測物體的可視化圖像和內(nèi)在特征轉(zhuǎn)化成能被計算機處理的一系列離散數(shù)據(jù)，它主要有三部分組成：照明、圖像聚焦形成、圖像確定和形成攝像機輸出信號。對一幅圖像依照矩形掃描網(wǎng)格進行掃描的結(jié)果是生成一個與圖像相對應(yīng)的二維整數(shù)矩陣，矩陣中每一個元素的位置由掃描的順序決定，每一個像素的灰度值由采樣生成，經(jīng)過量化得到每一像素灰度值的整數(shù)表示。因此圖像采集的結(jié)果是將一幅自然界的連續(xù)圖像進行數(shù)字化并最終獲得數(shù)字圖像。

    3.3.2圖像處理

    影像測量系統(tǒng)中，影像信息的處理技術(shù)主要依賴于圖像處理方法，它包括圖像濾波、圖像增強、邊緣提取、細化、特征提取、圖像識別與理解等內(nèi)容。經(jīng)過這些處理后，輸出圖像的質(zhì)量得到相當(dāng)程度的改善，圖像邊緣更為直觀，既改善了圖像的視覺效果，又便于計算機對圖像進行分析、處理和識別。圖像處理部分是整個測量軟件的核心內(nèi)容，它在很大程度上決定著測量的精度。隨著工業(yè)檢測等應(yīng)用對精度要求的不斷提高，像素級精度已經(jīng)不能滿足實際的測量要求，因此需要更高精度的邊緣細分算法，即亞像素算法[2]。研究表明，通過不同的亞像素細分計算，邊緣位置可以達到0.1像素或0.01像素。由此表明利用軟件來提高測量的精度具有方法簡單、有效地優(yōu)點。因此，圖像測量的軟件算法越來越受到人們的重視。

    3.3.3系統(tǒng)標(biāo)定

    影像測量系統(tǒng)的標(biāo)定十分重要。攝像機標(biāo)定是一個確定三維物體空間坐標(biāo)系與攝像機圖像二維坐標(biāo)系之間變換關(guān)系以及攝像機內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)的過程，高精度的測量系統(tǒng)需要高精度的標(biāo)定參數(shù)。由于成像中的鏡頭不可避免地產(chǎn)生畸變，小孔投影模型的假設(shè)也存在成像誤差，尋找簡單而且足夠精度的攝像機標(biāo)定方法，是視覺測量精度的關(guān)鍵因素。因此，高精度、高效率是對標(biāo)定方法的基本要求。

    3.3.4自動調(diào)焦

    在影像測量系統(tǒng)中，獲得的圖像質(zhì)量對測量和檢測結(jié)果產(chǎn)生很多的影響。在光源條件和外在的工作環(huán)境確定的條件下，如何使鏡頭和受檢物體保持最好的成像距離是極其重要的[30]。精確的自動調(diào)焦系統(tǒng)是后續(xù)影像測量非常關(guān)鍵的一部分。

    3.3.5亞像素邊緣檢測技術(shù)

    隨著工業(yè)檢測等應(yīng)用對精度要求的不斷提高，像素級精度已經(jīng)不能滿足實際測量的要求，因此需要更高精度的邊緣提取算法，這就是亞像素邊緣檢測算法。近二十年來，在光測數(shù)字圖像處理領(lǐng)域，許多研究者試圖利用軟件處理的方法來解決圖像中目標(biāo)的高精度定位問題。如果能有軟件方法將圖像上的特征目標(biāo)定位在亞像素級別，就相當(dāng)于提高了測量系統(tǒng)精度。例如，當(dāng)算法的精度為0.1個像素，則相當(dāng)于測量系統(tǒng)的硬件分辨率提高了十倍。因此，對圖像中目標(biāo)進行高精度的定位就成為提高光測測量精度的最重要的環(huán)節(jié)之一。這種亞像素定位技術(shù)具有十分重要的理論意義和實踐意義，是光測數(shù)字圖像分析中的重要特色技術(shù)之一。

    4影像測量儀系統(tǒng)誤差分析

    4.1誤差源的綜合分析

    影像測量儀的誤差是指影像測量儀本身固有的誤差。在此儀器制成之前，在規(guī)定的使用條件下，此儀器的誤差就基本固定了。

    為了有效地進行此臺影像測量儀精度的分析，必須首先對影像此儀器精度的各種誤差源，特別是影響此臺測量儀的精度的主要誤差進行分析、歸納，進而掌握其變化規(guī)律，最終設(shè)法加以控制并進一步減小其對此儀器測量精度的影響。

    造成此儀器的誤差是多方面的，在儀器的設(shè)計、制造和使用的各個階段都有可能產(chǎn)生誤差，在此，分別把它們稱為影像測量儀的原理誤差、制造誤差和運行誤差。由于它們產(chǎn)生不同的階段，故使得它們的運動規(guī)律各不相同。從數(shù)學(xué)特征上看，原理誤差多為系統(tǒng)誤差，而制造誤差和運行誤差多為隨即誤差。

    通過對影像測量過程的細致研究、分析，我們知道產(chǎn)生的誤差源有：CCD攝像頭畸變產(chǎn)生的誤差；導(dǎo)向機構(gòu)產(chǎn)生的誤差；測量環(huán)境引起的誤差，主要是溫度的影響；測量方法上不同而產(chǎn)生誤差大小的變化，主要是指圖像處理算法上的不同選擇；以及動態(tài)誤差。影像測量儀的總體誤差分類如圖4-1所示。

    而上述的各種誤差對影像測量儀最大的毫無疑問是原理誤差（包括CCD攝像頭畸變產(chǎn)生的誤差，測量方法上的不同產(chǎn)生的誤差大小的變化），這一誤差是影響測量儀精度的關(guān)鍵因素，因此是本文分析研究的重點。

圖4-1 影像測量儀的誤差分類

    4.2影像測量儀的原理誤差

    原理誤差是由于再儀器設(shè)計中采用了近似的理論、近似的數(shù)學(xué)模型、近似的機構(gòu)和近似的測量控制電路造成的。它只與儀器的設(shè)計有關(guān)，而與制造和使用無關(guān)。根據(jù)儀器的設(shè)計原則，分析影像測量儀的原理誤差的途徑是：將儀器的各個組成環(huán)節(jié)之間的實際關(guān)系也設(shè)計、計算時采用的理論關(guān)系進行比較，如有差異，則存在原理誤差。

    影像測量儀的原理誤差主要有三個：一是采用不同的圖像處理算法而對影像測量儀精度的影響。二是CCD攝像頭的光學(xué)誤差，主要是指影響影像幾何精度的CCD攝像頭的光學(xué)鏡頭所產(chǎn)生的鏡頭畸變。三是測量方法上的不同而產(chǎn)生的誤差。

    4.2.1圖像處理算法對精度的影響

    三維景物呈現(xiàn)在視網(wǎng)膜上，形成了各種各樣的圖像，它們是連續(xù)的模擬圖像。由于計算機僅能處理離散的數(shù)據(jù)，必須將模擬圖像函數(shù)轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)據(jù)集合，才能用計算機來處理。CCD攝像機由許多感光像素組成，它們在接受輸入光后，會產(chǎn)生一定的電荷轉(zhuǎn)移，從而形成和輸入光強成正比的輸出電壓，這就是模擬電信號。數(shù)字化設(shè)備是將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的電路元器件。影像測量儀中數(shù)字化設(shè)備就是圖像采集卡，圖像采集卡將模擬信號轉(zhuǎn)化為視頻信號，再將視頻圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像。圖像采集卡采集到的目標(biāo)圖像，被送到計算機內(nèi)存或者保存到硬盤上，為了便于后續(xù)的處理，必須對采集的圖像進行預(yù)處理。但是在成像過程中不可避免地存在各種噪聲，這些噪聲對我們的結(jié)果會產(chǎn)生一定的影響，從而影響測量儀的精度，因此在圖像處理的過程中去除噪聲是必須的。圖像的邊緣檢測是圖像的基本特征，是物體的輪廓或物體不同表面之間的交界在圖像中的反映。邊緣輪廓是人類識別物體形狀的重要因素，也是圖像處理中重要的處理對象（處理流程如圖4-1）。在圖像處理的過程中需要進行邊緣提取，而數(shù)字圖像處理技術(shù)中邊緣提取有很多不同的方法，選用不同的提取方法會對同一個被測件的邊緣位置產(chǎn)生不小的變化，因此會對最后的測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖：4-1 圖像處理工作流程

1) 數(shù)字量化：對原始的視頻圖像進行轉(zhuǎn)化后變成計算機能夠識別出來的數(shù)字信號也就是灰度。

2) 像素平滑：目的是消除圖像在傳輸和量化過程中可能產(chǎn)生的各種寄生效應(yīng)，同時還要盡量減少圖像邊緣輪廓和線條的模糊程度，為后續(xù)的處理提供方便。

3) 統(tǒng)計灰度：對圖像知道范圍內(nèi)各種灰度值的像素個數(shù)進行統(tǒng)計，直到尋找到高灰度值的像素為止，為以后的工作提供原始的數(shù)據(jù)。

4) 設(shè)定閥值：根據(jù)統(tǒng)計的灰度值信息設(shè)定合適的圖像灰度值，以保留輪廓光帶上的灰度值點并去掉其余的低灰度值點；閥值的確定應(yīng)隨著光帶的寬度和照度正常進行。

5) 剔除雜質(zhì)：消除輪廓光帶以外的其它高灰度值雜質(zhì)，以確保圖像處理工作正常進行。

6) 輪廓線提?。捍瞬糠质菆D像處理過程中的非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，關(guān)系著測量儀的精度，其目的是正確的提取待測工件的輪廓線得到想要的測量數(shù)據(jù)提供有效地支持。比如為了測量長方形工件的長度和寬度，有效地提取輪廓線才能得到相對準(zhǔn)確的長度和寬度值。

    4.2.2 CCD攝像頭光學(xué)誤差

    在計算機視覺的研究和應(yīng)用中，所使用的儀器或設(shè)備一般都為由多片透鏡組成的光學(xué)鏡頭。分析時，將這些光學(xué)系統(tǒng)按理想化的小孔成像原理工作，存在著模型誤差，因此二維圖像存在著不同程度的非線性變形，通常把這種非線性變形稱為幾何畸變。除了幾何畸變之外，還有攝像機成像過程不穩(wěn)定，以及圖像分辨率低引起的量化誤差等其他因素的影響，因此物體點在攝像機像面上實際所成的像與空間點之間存在著復(fù)雜的非線性關(guān)系。主要的畸變誤差分為三類:徑向畸變、偏心畸變和薄棱鏡畸變[31]。第一類只產(chǎn)生徑向位置的偏差，后兩類則既產(chǎn)生徑向偏差，又產(chǎn)生切向偏差，圖4-1為無畸變理想圖像點位置與有畸變實際圖像點位置之間的關(guān)系。

圖4-1理想圖像點與實際圖像點                    圖4-2徑向畸變

1) 徑向變形(徑向畸變):光學(xué)鏡頭徑向曲率的變化是引起徑向變形的主要原因。這種變形會引起圖像點沿徑向移動，離中心點越遠，其變形量越大。正的徑向變形量會引起點向遠離圖像中心的方向移動，其比例系數(shù)增大;負的徑向變形量會引起點向靠近圖像中心的方向移動，其比例系數(shù)減小，分別成枕形畸變和桶形畸變，如圖4-2所示，數(shù)學(xué)模型由公式(4-1)表示。

2)偏心畸變:由于裝配誤差，組成光學(xué)系統(tǒng)的多個光學(xué)鏡頭的光軸不可能完全共線，從而引起偏心變形，這種變形是由徑向變形分量和切向變形分量共同構(gòu)成，其數(shù)學(xué)模型由公式(4-2 )表示。

3）薄校鏡變形:薄棱鏡變形是指由光學(xué)鏡頭制造誤差和成像敏陣列制造誤差引起的圖像變形，如鏡頭與攝像機像面有很小的傾角等，這類畸變相當(dāng)于在光學(xué)系統(tǒng)中附加了一個薄棱鏡，其變形包括徑向變形分量和切向變形分量，數(shù)學(xué)模型由公式(4-3)表示。

    上述三種類型的非線性畸變都存在于光學(xué)鏡頭拍攝的圖像中，圖像的非線性畸變是這三種畸變的疊加，由此可以建立圖像坐標(biāo)系中的非線性畸變模型。圖像平面理想圖像點坐標(biāo)(Xu,Yu)等于實際圖像點坐標(biāo)(Xd,Xd)差之和，即

在所有的畸變當(dāng)中一般來說徑向畸變對測量的結(jié)果影像較大，其它兩個相對來說影響較小。

    4.2.3測量方法不同而產(chǎn)生誤差

    測量方法不同而產(chǎn)生的誤差主要指不同圖像處理技術(shù)帶來的識別、量化誤差。圖像的邊緣是圖像的基本特征，是物體的輪廓或物體不同表面之間的交界在圖像中的反映。邊緣輪廓是人類識別物體形狀的重要因素，也是圖像處理中重要的處理對象。在圖像處理的過程中需要進行邊緣提取，而數(shù)字圖像處理技術(shù)中邊緣提取有很多不同的方法，選用不同的提取方法會對同一個被測件的邊緣位置產(chǎn)生不小的變化，因此會對最后的測量結(jié)果產(chǎn)生影響，如測量某一圓形工件的半徑和圓心的時候，當(dāng)圓的輪廓發(fā)生變化時，它的半徑值和圓心位置就會相應(yīng)的發(fā)生變化[32]。由此可知，在圖像處理的過程中圖像處理算法對儀器的測量精度有著十分重要的影響，是影像測量所關(guān)注的焦點問題。

    4.3 影像測量儀的制造誤差

    儀器的制造誤差是指由儀器的零件、元件、部件和其它各個環(huán)節(jié)所在尺寸、形狀、相互位置以及其它參量等方面的制造及裝調(diào)的不完整所引起的誤差。制造誤差都是由于制造工藝不完善造成的，影像測量儀各個環(huán)節(jié)在制造過程中總是會產(chǎn)生許多誤差，因此會影響其精度。例如由于內(nèi)外尺寸的配合間隙，對直線運動造成歪斜誤差，對回轉(zhuǎn)運動造成徑向跳動誤差；軸與套的圓度會引起軸系的回轉(zhuǎn)誤差；表面波度和粗糙度會影響運動的平穩(wěn)性誤差。

    所以，在儀器的所有誤差中，制造誤差會占有不小的比重。但是需要注意的是并不是所有的制造誤差對儀器的精度都有影響，人們一般只研究與儀器精度有關(guān)的制造誤差，它又被稱為原始誤差。

    對影像測量儀來說影響它精度的制造誤差主要包括機構(gòu)誤差中的直線運動定位誤差。影像測量儀是正交坐標(biāo)系測量儀器。正交坐標(biāo)系測量儀有3根名義上相互垂直的軸系即XYZ三軸，有三個運動部件沿著這三根軸線運動，使CCD相對于被測工件作三維直線運動，其運動的位移量可以通過沿三根周放置的光柵尺上讀出來。由于機構(gòu)制造和裝配不完善，不可避免地會使各個運動部件的實際位移偏離它的名義值，這一誤差常常被稱為直線運動定位誤差。在小工件的影像測量時，從CCD的標(biāo)定到最后數(shù)據(jù)的輸出整個測量過程都是在靜止的狀態(tài)下完成的，由于沒有牽扯到運動所以機構(gòu)誤差對我們的測量結(jié)果沒有影響，這時可以不考慮此誤差。在大一些工件的影響測量時，可能存在CCD的視野滿足不了我們測量的要求的情況。比如要測得兩點間距過大，這時候需要控制測量臺進行X、Y兩方向的運動后，得到我們需要的測量結(jié)果。由于在這個過程中涉及到了運動軸的運動，因此機構(gòu)誤差對最后的結(jié)果會產(chǎn)生一定的影響。

    另外由于影響測量儀的測量平臺是由一塊大的方形毛玻璃板構(gòu)成，在測量時需要將被測工件放于臺上，并在CCD攝像機的視野之內(nèi)，完成測量。因此測量平臺的水平性能以及CCD攝像機安裝時其鏡頭與水平是否平行也都對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，同時CCD攝像機的鏡頭也于水平面存有夾角（如圖4-3），此時將待測工件放于測量平臺上時，二者成一定的夾角，使得呈現(xiàn)出的圖像與真實的物體存在偏差。因此要在制造安裝的時候要盡量避免此種情況的發(fā)生，首先我們在選擇毛玻璃的時候要采用平整性能突出的毛玻璃作為我們的測量平臺，并將其支架的水平性作為我們選擇支架的重點性能需求，其次在安裝CCD攝像機的時候要把其鏡頭的水平性作為一項十分重要的工作來看待，要反復(fù)的調(diào)整，使得誤差減小。

圖4-3 攝像機安裝誤差示意圖

    下面我們來簡單的分析一下此誤差的大小：當(dāng)測量平臺與CCD攝像機的鏡頭呈現(xiàn)出一定的θ角度時，根據(jù)幾何的知識我們可以得到誤差計算公式如下：

    如果影像測量儀的測量平臺水平性能以及CCD攝像機的安裝十分出色，它們之間的夾角都在0.5°以內(nèi)，此誤差 非常小。

    儀器的制造誤差是難以避免的，除了在制造過程中提高加工精度和裝配外，在設(shè)計過程中也應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧ζ溥M行控制。具體方法如下：

1) 合理地分配誤差和確定制造誤差。根據(jù)儀器總精度指標(biāo)，在儀器的測量過程與控制等各個大的環(huán)節(jié)之間進行正確的誤差分配，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中合理地確定各個環(huán)節(jié)的制造誤差對于保證和提高儀器精度具有重要意義。

2) 正確應(yīng)用儀器設(shè)計原理和設(shè)計原則。如誤差平均原則、補償原則、阿貝原則、變形最小原則，使得制造誤差對儀器的精度影響達到最小。

3) 合理地確定儀器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在保證儀器功能和性能的前提下以減小制造誤差對儀器精度影響為目標(biāo)來選擇儀器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4) 合理的結(jié)構(gòu)工藝性。好的結(jié)構(gòu)工藝性可以為加工和裝調(diào)提供方便，使制造精度易于保證。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中要遵循基面統(tǒng)一原則，設(shè)計過程中所選擇的設(shè)計基準(zhǔn)應(yīng)該充分考慮到加工和裝配的可行性與可靠性。

5) 設(shè)置適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和補償環(huán)節(jié)。適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和補償環(huán)節(jié)可以有效地減小制造誤差對儀器精度的影響。

    4.4影像測量儀的運行誤差

    儀器在使用過程中所產(chǎn)生的誤差稱為運行誤差。如力變形誤差、磨損和間隙造成的誤差，溫度變形引起的誤差，以及振動和干擾。

    影響影像測量儀精度的運行誤差是溫度引起的誤差、干擾和環(huán)節(jié)波動引起的誤差以及磨損等。

1) 溫度引起的誤差，是由于溫度的改變，使得影像測量儀的零部件尺寸、形狀、相互位置關(guān)系以及一些重要的特性參數(shù)發(fā)生變化，從而影響我們這臺儀器的精度。溫度的變化可能引起電器參數(shù)的變化以及儀器特性的改變，引起溫度靈敏度漂移和溫度零點漂移。

2) 干擾與環(huán)境波動引起的誤差，所謂干擾，一方面是外部設(shè)備電磁場、電火花等的干擾，另一發(fā)面是由于各級電流之間電磁場干擾以及通過地線、電源等相互耦合造成的干擾。環(huán)境波動指的是儀器在使用過程中環(huán)境溫度、適度、大氣壓力的波動、汽源壓力波動以及儀器電器設(shè)備的供電電壓的波動等。它們都可以使儀器產(chǎn)生測量誤差。

    在影像測量儀的使用時，由于CCD攝像機中的光學(xué)元件折射、散射、衍射使雜射光進入主光路影響了被測物體的成像，最后產(chǎn)生誤差。但這個誤差也是微乎其微，因此也不在我們研究的范圍之內(nèi)，可以忽略不計。

    還有一種情況是：當(dāng)完成標(biāo)定工作之后卻發(fā)生了電壓變化以及人為操作時的疏忽大意，此時會影響影像測量儀的上、下光源燈的亮度，造成系統(tǒng)光照不均從而使得在CCD攝像機采集圖像后，在沿圖像邊緣留下陰影造成的圖像邊緣提取誤差。因此我們在測量的時候會盡量選取電壓穩(wěn)定的地點并且一定要保證上、下光源的亮度來完成我們對待測工件各種參數(shù)的測量。即使發(fā)生了大的電壓變化的情況，測量人員只需要等電壓穩(wěn)定后在進行測量工件，也可以避免此誤差的發(fā)生。

3) 磨損。磨損使影像測量儀的零件產(chǎn)生尺寸、形狀、位置誤差，配合間隙增加，降低此儀器的工作精度的穩(wěn)定性。磨損與摩擦密切相關(guān)，零件斷面輪廓是不是有規(guī)則的，不同的加工方式留下的斷面輪廓形狀不同。由于長時間的運行，影像測量儀的x、y、z三個軸配合間隙會增加，從而降低工作精度，特別是放置在z軸上的CCD攝像機，當(dāng)z軸出現(xiàn)配合間隙的時候，會影響它的角度，對最后獲得的圖像信息產(chǎn)生一定的影響。

    雖然運行誤差對最后的測量結(jié)果影響很小但它們都是在影像測量儀使用過程中產(chǎn)生的，儀器操作者要對這部分誤差產(chǎn)生的條件了如指掌，只要這樣才能有效地減小這部分誤差。

    消除這一誤差的一個有效地方法就是增加影像測量儀標(biāo)定的次數(shù)，畢竟測量就是一個比對的過程。如果經(jīng)常標(biāo)定的話，有有效地消除運行誤差，提高此儀器的精度。

    5結(jié)論與展望

    5.1 工作總結(jié)

    對產(chǎn)品精度的要求越來越高是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。傳統(tǒng)和現(xiàn)代的檢測方法具有效率低、精度差或者成本高、靈活性不高的缺點。因此，開發(fā)一種效率高，精度高，成本低而且靈活方便的檢測系統(tǒng)成為了迫切期待。

    本文研究了影像測量儀的組成及其測量原理和測量過程，并系統(tǒng)的分析了影像其精度的各種因素。本文的主要結(jié)論及創(chuàng)造工作如下：

1) 本文論述了計算機視覺檢測技術(shù)的國內(nèi)外動態(tài)，以及計算機視覺檢測的特點。

2) 系統(tǒng)的概述了計算機視覺檢測在實際生活中各方領(lǐng)域的應(yīng)用，并闡明了計算機檢測在未來的偉大前景。

3) 分析了視覺檢測的基本原理及其結(jié)構(gòu)、特點和優(yōu)越性，并系統(tǒng)的闡述了機臺，圖像采集系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等系統(tǒng)的具體工作原理以及視覺檢測和關(guān)鍵技術(shù)研究的必要性。

4) 系統(tǒng)的對影像測量儀可能產(chǎn)生的所有誤差源進行了系統(tǒng)的分析，并根據(jù)各個誤差產(chǎn)生的不同階段分為：原理誤差、制造誤差、運行誤差，并提出了消除或減小誤差的具體措施。

參考文獻

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