影像测量仪自动定位方法研究

林修德

深圳市计量质量检测研究院 广东 深圳 518000

影像测量仪属于一种由像素较高的CCD相机和二维图像处理软件构成的高精度光电测量装置，并将测量目标的图像作为检测与传递信号的测量手段，采用此种方法主要是为了从图像中将有用的信号提取出来[1]，然后通过研究、识别图像来展开测量。目前，影像测量仪在多个领域中得到了广泛应用，比方说，精密电子、医药工业、航天航空等行业，另外，它还能够精准地测量二维尺寸、角度和位置。除此之外，由于其本身具备多种优点，因此，逐渐被广泛地应用在了工业测量中。

1 双目视觉系统标定

要想让零件从平台任何一处到达影像测量仪小视野中心，就必须标定大小视野相机光轴相对位置。不管图像是否发生了径向畸变，相机光轴经过图像中心，所以，大小视野相机位置标定与其图像中心位置标定相似。

1.1 大视野相机选型和安装 按照实验要求，大视野相机采用维视，安装位置见图1。

图1 影像测量仪

1.2 大小视野相机像素当量标定 影像测量仪的型号为HT3040，商家负责对自带的小视野相机进行标定，其像素当量为0.0057mm，大视野相机的型号为MV-EM510M[2]。标定板的圆心距为6mm，利用其对大视野像素当量进行测量，应用Halcon图像处理软件计算出两圆圆心距像素值为b，实际距离为a，因此，像素当量c＝a/b。

2 自动定位

2.1 大视野粗定位 定位方法利用大视野相机所采集的图像见图1(a)，针对图像实施预处理后得出的图像见图1(b)，提取特征点的图像坐标为P(Row，Column)，大视野图像中心坐标为DCenterImage(DWidth/2，DHeight/2)，因此，将特征点移动到大视野视野中心的移动距离为：

u＝(Column-DWidth/2)×c

V＝(Row-DHeight/2)×c (5)

其中，c代表标定计算出来的大视野相机像素当量。特征点由大视野中心到达小视野中心 的移动距离分别为X，Y，所以，将平台上任意一个特征点移动到小视野中心的距离是：

PreX＝u+X

PreY＝v+Y(6)

图1 特征点提取

2.2 小视野精准定位 由于受到了大视野相机本身的制约，比方说，发生径向畸变、相机安装光轴垂直度等方面，将特征点由平台任一部位移动到小视野中心常常会产生些许偏差，所以，文中在应用大视野实施粗定位的前提下，与小视野相机具备的优势相结合，利用小视野图像重新定位特征点，也就是精准定位[3]。采用小视野和大视野定位方法达到的定位效果见图2，其中，图2(a)由于大视野相机精度方面的原因，与小视野图像中心发生了偏离，图2(b)是应用小视野相机实施精确定位以后的位置，通过图像能够观察到，定位精度变得越来越高。

图2 定位

3 误差分析

进行粗定位的过程中，因大视野镜头发生了畸变，并且光轴也未能垂直，所以，特征点由大视野向小视野中心移动必然会产生误差。另外，要想达到精准定位的目的，就一定要将特征点移至小视野范围中。基于此，应该补偿粗定位的误差，以防镜头发生畸变和像素当量标定导致累计误差，或者说因大小视野相机标定造成误差。实验验证期间使用的标定板，基于对多处位置的布设，一一计算移动标定板里面十五个点以后的小视野中x，y方向存在的误差。为了判断大视野镜头畸变和标定像素当量造成的累计误差，文中将移动后圆心同大视野图像中心之间的实际距离作为自变量，将其单位毫米偏差作为因变量，实施误差标定，经过计算得出的关系图见图3。通过图3(a)、(b)能够观察到，x，y方向产生的误差随着距离单调增减，通过图3(c)能够观察到，x，y方向存在的误差为线性关系。

图3 误差关系

4 方法

4.1 网孔边缘拟合方法 通常情况下，由边缘检测算子直接输出的边缘数据，往往包含整幅图像中的全部边缘信息。可对边缘图中的边缘数据实施连通区检测，检测出所有的连通区域：应用八领域连通区技术，立足于起始点，以顺时针对邻近的下一个边缘点进行搜索，接着，再从下一边缘点开始，继续搜索，直至碰见起始点或不再有其它的边缘点。在全部连通区中对封闭的连通区进行搜索，找到包括检测初始操作者输入种子点的连通区，将此连通区包含的边缘作为网孔内侧四边的边缘点。然后，再结合边缘点的方向信息，将方向相同的点划分成四个组。采取最小二乘法拟合出各个分组中的点的边缘线段，以此得出检测网孔四边边缘的几何表示。此时，镜头视野大小不会影响到边缘线段：当网孔尺寸超出视野范围时，软件可驱动机台沿着边缘的方向自动运动到下一个位置继续搜索，直至完成网孔4个边缘的完整搜索，保证网孔的各个边缘均被完整搜索并拟合成线段。

4.2 网孔自动搜索方法 在影像测量仪机台上放置试验筛时，无法完全根据横平竖直的沿编织丝方向摆放，测量完一个网孔后，下一个网孔的位置可能处于当前网孔的斜向方向。所以，可设置特殊的网孔搜索功能，以防对试验筛实施手工校正，进而有利于提升校准效率。

文中采取方向预估的方法来搜索方向，并根据被检试验筛的输入边缘长度，将当前网孔的中心点，沿着计算得出的网孔竖向或横向方向移动网孔边缘长度，即可得到下一网孔的检测起始位置。

结束语

综上所述，文中提出了一种影像测量仪自动定位方法，从而使单视野测量过程中以人工手动形式控制平台移至测量位置而造成的测量延时和误差较大的问题得到了有效解决。另外，基于对特征点与大视野图像中心之间的距离和误差关系展开分析，得出了距离-误差的函数模型，并采用此模型补偿大视野移动误差。除此之外，经过多次进行定位实验测量得出精确定位以后，定位误差被控制在了±0.05mm之内，与工业测量中自动定位的标准相符合，进而证明了此种方法的合理性。