基于机器视觉的几何量精密测量系统分析

李瑾 虞波

摘要：机器视觉技术与几何量精密测量的有效融合是强化稳定性，降低人为误差，提升测量效率的重要方面。基于此，本文就机器视觉下的几何量精密测量系统展开分析，研究了单片机控制、图像处理、光栅信号处理等模块的相关内容，并以此在光学成像系统、毫米刻线的精准定位、零件尺寸的辅助测量、纵横向两只光栅尺信号处理等方面进行了分析，为几何量精密测量的重复精度以及测量精度提供了参考意见。

关键词：机器视觉;几何量;精密测量

引言：随着智能化、自动化技术的普及推广，其在工业制造与生产方面的应用，满足了高精度零件的几何量精密测量的要求，进而摒弃了传统测量仪器中人为主观因素大、读书时间长、测量过程繁琐等不足。其中机器视觉技术的融入使几何量精密测量技术中万能工具显微镜的运作效率进一步加深，使得长度、圆、角等方面几何量的精密测量被有效推进，并且通过与AutoCAD软件的结合，辅助测量零件尺寸得以实现。

1.    几何量精密测量系统的总体设计

1.1  系统测量原理

本文测量系统的基本原理是利用光栅信号采集卡、图像采集卡通过计算机技术的综合运算，获取数据结果，进而实现精确的测量结果的采集。通过在万能工具显微镜X、Y向导轨与拖板间分别安装X与Y向光栅尺，进而利用X与Y向采集卡获取坐标值的整数部分。在中央显微镜以及X、Y向读数目镜上分别安装基于工件检测的CCD以及X、Y向检测的CCD，并且采取工件对边以及工件对线处理，在保证待检目标与作用于工件检测的CCD视场中心点对齐后，通过万能显微镜玻璃尺上刻线的位置获取坐标值的小数部分。在此基础上，通过一定的算法，得到该点的坐标，并通过同样的方式得到另一点的坐标，进而利用两点的坐标值计算长度、直径等待测数值，再将结果导入AutoCAD软件，实现零件的尺寸图形以及尺寸标注结果的获取。在测量过程中主要应用的万能工具显微镜是一种二维尺寸侧量的代表性用具，在机器视觉系统中，其通过纵、横导板以及光学照明系统的综合运作，实现用CCD光学成像系统代替人眼，形成瞄准与读数的分工协作，进而实现用自动化的机器视觉代替人眼目视的转换。

1.2  系统软件设计

系统软件的编写中，一般以面向对象的编程设计模式以及思维，通过Windows系统中标准的多文档主控界面，利用用户界面与接口功能模块、光栅数据处理、图像处理模块、数据记录、处理、显示等相关模块的综合运作，实现系统性的测量。其操作流程是通过将初始化的数据导入计算机，并对其进行参数设置，之后利用导板的粗对准开始对于工件图像进行采集处理，若未对准进行导板的微调，若已对准则开始读数，之后再通过导板的微调实现下一待测点的测量，完成所有待测点的测量后，对于数据进行综合的处理。

2.    光栅信号处理模块

2.1  总体设计

光栅信号处理模块作为自动读数环节的核心模块，其由单片机电路、电源转换电路、整形滤波电路、FPGA与配置电路共同组成，在依据几何量精密测量系统的总体测量要求，并通过借助Protel99SE对于硬件电路原理图绘制的基础上，利用Quartus II以及Keil C51实现相应软件的设计，进而完成对于X轴向以及Y轴向的两只光栅尺信号的获取与综合处理，进而完成整数位读数的最终目标[1]。

其中，FPGA主要用于光栅信号的精选、分类、方向识别、计数等数据输出，配置电路用于利用计算机技术，将FPGA的内部逻辑电路信息下载与配置芯片内部;整形滤波电路用于非方波信号，实现其向标准方波信号的转化;单片机电路可以将FPGA逻辑电路输出的计数数据向位移量的转换，并借助串口将数据发送与计算机，以做进一步的处理;电源转化电路的功用是为系统整体提供电源。

2.2  硬件设计

硬件设计主要有以下几方面的内容：（1）光栅尺的选择，要依据实际情况进行选择，一般用于整数位的读数，如型号WTB100与WTB200的国产万濠光栅尺，;（2）滤波整形电路，用于将光栅尺的输出信号转化为标准的TTL防波信号;（3）FPGA与配置电路，可以利用可编辑逻辑器代替传统的逻辑电路，FPGA利用下载电纜间代码向配置芯片传送，通过数字化的信号处理有效减小电路大小，并提升提升整体电路的稳定性，配置电路可以将代码通过JTAG接口传送到FPGA芯片中进行调试;（4）单片机电路，可以采用MAXIM公司的MAX3232芯片，实现计算机与单片机之间的电平转换;（5）电源转换电路，在不借助额外直流稳压电源的基础上，可以直接利用5V的电源适配器。

2.3  软件设计

借助可编程控制器，将硬件设计软件化的FPGA集成化设计，可以自上而下的在一片FPGA器件中实现光栅信号处理的全部功能，在降低系统整体复杂性的基础上，降低了成本，并有效提升起稳定性，以光栅信号选择电路、细分辨向电路、可逆计数和数据输出电路作为FPGA的内部逻辑电路，以此完成对X向与Y向光栅尺信号的处理。

3.    图像处理模块

3.1  图像采集

图像的采集是整个计算系统的重要环节，其中分辨率较高的图像是实现正确的计算与分析的基础，其中主要有：（1）CCD摄像机的选择，可以借助CCD实现采集到的信号向电信化的转化，因此要依据测量中的功用与精度进行不同分辨率、像素、光敏尺寸的选择;（2）图像采集卡，可以完成系统中的视觉捕捉功能，将摄像机模拟的信号转化成离散的数字量，进而将其存入计算机。

3.2  图像处理

3.2.1      预处理

彩色图像的数据量相比之下偏大，因此，为方便测量需要将彩色位图进行灰度化处理，进而在降低处理数据量的基础上，最大限度的保留图像的信息。此外，由于图像在采集和传输的过程中存在噪声污染，导致工件图像以及毫米刻线图像的失真。因此，需要利用VC++6.0编程完成图像的灰度转化，提升图像的边缘信息[2]。

3.2.2      亚像素定位

工件图像的边缘定位、线定位以及毫米刻线的定位等方面的精度与否，会对于几何量精测测量系统整体精确度产生重要形象，因此，可以借助亚像素定位技术实现了工件图像的边缘、线和毫米刻线的亚像素定位，其中亚像素算法可以采用拟合法与灰度重心法。

3.2.3      工件图像的处理

其中有边缘定位与线定位两种，边缘定位可以在Sobel对于边缘检测算子完成初步定位后，再借助最小二乘曲线拟合法实现亚像素的精确定位;线定位的基本原理是通过拟合形成新直线代替原有检测目标，进而判断工件待测点与中心线的中心点是否重合，一般采用灰度重心法。

3.2.4      小数位读数的实现

毫米刻线定位，利用阈值处理分离目标与背景，并通过寻找毫米刻线的灰度值信息，计算出毫米刻线的中心点坐标数据，进而通过拟合毫米刻线实现图像数字信号的处理，并通过建立数字图像与实际值的对应关系，完成边缘线的计算机辅助对齐与毫米刻线的精准定位。

结论：综上所述，为实现几何量精密测量技术的突破性发展，需要在保证其现有技术优势的基础上，结合电子计算机技术、传感器技术、图像处理技术等高新技术，形成集光、机、电于一体的测量系统。为此，技术人员需要在综合分析机械结构设计、两只光栅尺信号采集处理、工件图像和玻璃刻度尺毫米刻线图像的处理等基础上，进行几何量精密测量系统软件程序的开发，以此实现自动化、精确化的几何量测量。

参考文献：

[1]   胡洪磊.浅谈机器视觉技术及其在机械制造自动化中的应用[J].通讯世界，2020，27（02）：128-129.

[2]   王帼媛，王海亮，蔡铮，等.浅谈工业制造业中几何量测量技术及应用[J].航空精密制造技术，2019，55（05）：43-46.