影像测量仪背光源强度影响及误差补偿技术研究*

郭小刚，杜文华，曾志强，王俊元

(中北大学 机械与动力工程学院，太原　030051)

0　引言

影像测量仪是一种由高清晰CCD相机、二维图像处理软件等组成的高精度、高效率光电测量仪器，将被测对象的图像当作检测和传递信号的测量方法，其目的是从图像中提取有用的信号，基于图像分析、识别来进行测量。在精密电子、五金塑胶、钟表手机配件、医药工业、汽车配件、航天航空等领域具有广泛的应用空间。主要用于二维尺寸、角度及位置的精确测量，还具有CAD图形导出、报表输出、批量检测等功能。由于其非接触性、实时性强、灵活性高、测量精确、节约人力成本等优点，在工业测量中得到不断地推广和应用。

目前，影像测量仪在国内外均有广泛应用，但是国内生产的影像测量仪测量精度较低，与国外的同类产品相比仍具有较大差距。光源是影像测量仪测量系统中非常重要的部分，在进行二维尺寸测量时通常使用背光源照明方式。但是，在实际使用过程中操作人员通常对背光源强度的选择关注较少，忽略了背光源强度对测量精度的影响。

为研究背光源强度对测量精度的影响，提高国内影像测量仪测量精度，本文首先从理论和实验分析了背光源强度对图像边缘位置的影响，并实验分析了背光源强度对影像测量仪测量精度的影响，最后提出了一种误差补偿方法，对测量误差进行补偿。

通过研究由背光源强度变化引起的测量误差并进行补偿，可以有效降低由背光源强度变化造成的测量误差，提高国内影像测量仪测量精度。

1　实验系统搭建及实施方案

利用现有的HT-3040型影像测量仪，在实验室条件下开展实验，通过对标定板上的矩形及圆进行测量，完成光照强度变化对边缘位置的影响和测量精度的影响实验。

1.1　影像测量仪测量系统

测量系统采用HT-3040型影像测量仪，该影像测量仪使用了分辨率为780×580(45万像素)CCD黑白相机，像元尺寸为3.75μm×3.75μm。背光源使用的是圆形LED面光源。

1.2　图像处理软件

在进行光照强度对边缘位置的影响实验时，使用专业的图像处理软件 Halcon，在 HDevelop环境下完成图像处理及结果显示。在进行光照强度对测量精度的影响实验时，使用影像测量仪自带的由瑞捷公司开发的测量软件实现尺寸测量及结果显示。

1.3　实验实施方案

为了研究光照强度变化对边缘位置的影响，在实验室没有外界环境光源影响的条件下，采用常用的背光源照明方式，分别在不同光照强度(背光源读数1～5，步长为1)条件下，对标定板上长宽尺寸为4mm×3mm的矩形进行拍摄并提取亚像素边缘，分析不同光照强度下的边缘位置变化。

为了研究光照强度变化对测量精度的影响，在上述相同实验条件下，对直径分别为0.4、0.6、0.8、1.0、1.2和1.4mm的圆重复测量十次并计算平均误差，分析不同光照强度下的影像测量仪测量精度。

2　光照强度对边缘位置的影响

边缘检测是尺寸测量的关键步骤，边缘的定位精度直接影响测量精度，尤其是在高精度测量中边缘位置的变化对测量结果影响很大。目前影像测量系统中常用的亚像素边缘检测算法可以归纳为矩方法、插值法和拟合法三类，这些方法均根据边缘位置附近像素灰度分布特征，运用相关算法定位图像边缘，得到的定位精度高于整像素级的亚像素级定位精度[2]。

由CCD相机工作原理可知，在像元面上的光积分时间和感光面积不变的情况下，其灰度值只与感光面上的光照强度有关，像素(x,y)处的灰度值为：

(1)

式中，I(x,y)为某一时刻该像元上的光照强度平均值。由于光照强度的变化会造成边缘位置像素灰度值及灰度分布发生变化，从而影响亚像素边缘检测算法对边缘的定位，导致不同光照强度下检测到的边缘位置出现偏差，最终影响测量精度[3]。

在不同光照强度条件下，由长宽尺寸为4mm×3mm标定板上的矩形图像获取的局部边缘提取结果见图1。

图1　不同光照强度下矩形局部边缘提取结果

在不同光照强度条件下，提取的局部边缘位置变化对比见图2。

(a)局部边缘位置变化　　　　　　　(b)局部放大图　　　图2　局部边缘位置变化

由图2可以看出，随着光照强度的增强，边缘位置出现明显的逐渐内缩的现象。

3　实验结果及误差补偿

在不同光照强度条件下，对影像测量仪分别进行像素当量标定，结果见表1。

表1　像素当量标定结果

由表1可以看出，不同光照强度下，像素当量标定结果基本相同。

在不同光照条件下，对直径分别为0.4、0.6、0.8、1.0、1.2和1.4mm的圆重复测量十次并取平均值，结果见表2。

由表2可以看出：①不同光照强度下，直径分别为0.4、0.6、0.8、1.0、1.2和1.4mm的圆测量误差为1～3μm；②随着光照强度的增加(背光源读数从1到5)，测量误差逐渐增大：③对于不同直径的圆光照强度变化对测量结果影响规律基本一致。

表2　不同光照条件下测量结果

从图3可以看出光照强度的变化对影像测量仪的测量精度有明显的影响，最大测量误差可达12μm。随着光照强度的增强，测量误差逐渐增大，且测量直径始终小于理论直径。分析光照强度对测量精度的影响和光照强度变化与测量误差之间的关系，利用MATLAB软件对数据进行线性拟合，提出了一种误差补偿方法。补偿公式如下：

Δy=2.573x-0.29

(2)

式中，Δy为直径测量值补偿量，x为光照强度。

图3　光照强度与测量误差分布曲线

4　实验验证

为了验证上述提出的补偿方法及补偿公式是否能有效提高影像测量仪测量精度，利用前述的HT-3040型影像测量仪，在相同实验条件下，运用上述提出的补偿公式对不同光照条件下直径为0.375mm和3.0mm的圆测量结果进行补偿，补偿前后的测量结果如图4所示。

(a) 0.375mm圆误差补偿结果

(b) 3mm圆误差补偿结果图4　误差补偿结果

由图4中测量结果及误差补偿结果可以看出：①补偿前不同光照强度下3.0mm和0.375mm圆直径测量误差为1～13μm；②随着光照强度的增强，测量结果误差逐渐增大；③运用上述补偿公式对测量结果进行补偿后测量误差减小到0～3μm，测量均值分别为376.5μm和3000.8μm；④运用上述补偿公式可以有效降低由背光源强度变化造成的测量误差，提高影像测量仪测量精度。

5　结论

影像测量仪在国内外均有广泛应用，但在实际使用过程中操作人员通常对背光源强度的选择关注较少。本文主要对影像测量仪测量过程中LED背光源强度变化对测量精度的影响进行研究。以标定板上不同大小的圆直径在不同光照强度下的测量结果分析背光源强度变化对影像测量仪测量精度的影响，实验结果表明随着光照强度的增强，测量误差逐渐增大，最大可达13μm。通过对测量结果进行分析，得出背光源强度变化与测量误差之间的关系，并提出一种误差补偿方法，对不同光源强度下测量误差进行补偿。实验验证结果表明，补偿后测量误差为0～3μm，有效提高了影像测量仪测量精度。

[参考文献]

[1] 龚聪, 徐杜. 光源强度变化对图像检测精度的影响及其解决方法[J]. 科学技术与工程, 2014, 14(13):236-239.

[2] 段振云, 董迪, 赵文辉. 视觉测量系统结构设计与光照强度分析[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2016(8):61-63.

[3] 宋国浩, 黄晋英, 杨航,等. 人工补偿在视觉测量中的应用[J]. 科学技术与工程, 2016, 16(17):176-179.

[4] 陈戈珩, 李华杰, 房晓伟. 基于相位一致性和Hough圆的贴片机视觉定位系统的研究[J]. 科学技术与工程, 2015, 15(27):59-63.

[5] 郝永平,王永杰,张嘉易,等. 面向视觉测量的像素当量标定方法[J]. 纳米技术与精密工程,2014; 12(5) : 373-380.

[6] 李旭, 王俊元, 曾志强,等. 色差对机器视觉尺寸测量精度的影响研究[J]. 包装工程, 2015,36(19):93-96.

[7] Xu Q, Varadarajan S, Chakrabarti C, et al. A distributed canny edge detector: algorithm and FPGA implementation[J]. Image Processing,IEEE Transactions on,2014,23(7):2944-2960.

[8] 景敏. 短小零件直线度误差的高精度测量方法[J]. 科学技术与工程, 2014, 14(33):207-209.

[9] 赵文辉, 赵萍, 段振云,等. 微米级机器视觉系统中随机误差与系统误差的研究[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2013(9):108-110.

[10] Fernández-Robles L, Azzopardi G, Alegre E, et al. Machine-vision-based identification of broken inserts in edge profile milling heads[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2017, 44:276-283.

[11] Xiao H, Li M, Gao X, et al. Design and implementation of high power LED machine vision lighting system[C]// SPIE/COS Photonics Asia. 2014:92720R.

(编辑李秀敏)