CN102607421A - 一种大视野影像测量方法与设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大视野影像测量方法与设备，可以实现小尺寸工件的快速测量。本发明的大视野影像测量方法，主要包括测量任务创建模块、工件图像自动匹配模块、测量任务自动运行模块、测量报告自动输出模块。工件图像自动匹配模块以测量任务和当前工件图像为输入，输出测量任务中图像和当前工件图像匹配的旋转和平移参数；测量任务自动运行模块自动完成匹配后的测量。一种大视野影像测量设备，由测量工作台、支撑架、远心光学镜头、CCD、透射光源、反射光源和计算机组成，远心光学镜头采用70mm以上大口径远心镜头，CCD采用1000万像素CCD工业相机，且CCD只获取远心镜头中心62.5mm小畸变区域的成像图像。

Description

一种大视野影像测量方法与设备

技术领域

本发明涉及一种大视野的影像测量方法和设备，尤其是用于精密尺寸测量的大视野影像测量方法和设备。

背景技术

在精密工件的非接触式尺寸测量领域，常见的测量仪器有万能工具显微镜、测量投影仪和影像测量仪，这些测量仪器都各有优缺点，有各自的优势和应用范围。

万能工具显微镜和测量投影仪发展历史较长，技术成熟，使用范围广泛，市场保有率高。但在测量过程中人为干预的因素较多，测量效率低，测量数据的一致性、可靠性差。随着制造业生产效率的逐步提高，这种手工操作的测量仪器日益无法满足测量需求，在制造业的各个产业中都在面临逐步淘汰的命运。

影像测量仪，尤其是全自动的影像测量仪，是近几年才发展起来的高精度、高效率、多功能的非接触式精密尺寸测量仪器。由于是以坐标测量为核心理念构建的测量仪器，使得自动影像测量仪具备全数字化、测量过程全CNC控制、测量速度快等特定，并可使用数字图像处理技术、几何运算等手段构建丰富的测量功能。影像测量仪通常采用显微镜作为成像元件，通过高倍率来实现测量的高精度，但是这种方式就限制了影像测头的视野范围，通常的影像测头视野范围都在3～4mm左右。对于大工件的测量，则需要移动影像测量仪的工作台，将待测位置移入影像测头的视野内再次进行图像提取，实现测量。这种工作方式是以测量时间的牺牲来换取测量范围的扩大。

影像测量仪进行自动测量的另一个特点是在自动测量任务中需要对测量工件建立工件坐标系，在工件的自动测量之前，需要通过夹具坐标系或手工方式对工件以与测量任务中相同的方式建立工件坐标系，测量软件就会对测量任务中的各个测量位置进行相应的摆正，找到当前被测工件的正确测量位置，以实现自动测量。

若被测工件规整，容易通过工装夹具实现快速的高重复性定位，那就可以采用夹具坐标系快速实现上述自动摆正。而对于圆形、椭圆形等外轮廓都是光滑曲面的工件，通常不容易实现这种工装夹具的快速定位。在这种情况下，每个工件在测量之前都需要手工的建立对应的工件坐标系，这个操作过程必然会降低影像测量仪的测量效率。

而在工业制造中还存在着尺度不是特别大，大概在50mm左右的小尺寸工件，这种工件的产量特别巨大，如钟表业、仪表业、小五金业和磁性材料业等。这些产业的工件的尺寸大都在50mm上下，使用普通影像测量仪测量工件时，测量速度远不能满足要求，其测量过程的主要时间就花费在了手工建立工件坐标系和测量工程中的机台移动上。

若以影像测量仪原型为基础，开发一种视野范围更大，能覆盖这些产业大部分工件尺寸，并保证精度，则可极大的提高这些工件的测量效率，满足大批量生产中的测量问题。这样一种仪器，可以称作大视野影像测量仪。

大视野影像测量仪的不足之处在于测量视野范围有一定限制，不能像普通影像测量仪那样借助移动机台能大幅扩展，其测量范围通常取决于可实现的远心镜头的视野范围。但这种限制在上面提到的产业里并不存在，可以非常有效的解决其测量难题。

由于大视野影像测量仪可以一次性抓取被测工件的完整图像，则可通过图像的匹配算法找出测量任务中工件位置与当前被测工件位置之间的平移和旋转参数，然后自动的摆正被测工件，省略手动建立工件坐标系的过程，实现完全的自动测量。

大视野影像测量仪以坐标测量为核心，一次抓取工件完整图像，并通过软件算法摆正工件，可实现将工件随意放置到工作台即能快速完成多数据的测量，测量效率相对于普通影像测量仪有巨大的提升。

近年米，在各种学术期刊上常有刊登这种图像式测量技术的论文，但通常都着眼于图像处理算法的探讨上，而对于一种完整测量设备的研究上，还是缺乏相关的资料。

发明内容

本发明提供了一种大视野影像测量方法与设备，可以实现小尺寸工件的快速测量。

本发明的大视野影像测量方法，主要包括测量任务创建、工件图像自动匹配、测量任务自动运行、测量报告自动输出几项功能。

对于一种工件，本发明的大视野影像测量方法需要首先对其建立一个测量任务。测量任务是自动测量步骤的集合，它记录工件需要测量的几何元素、每个几何元素的测量位置、测量方式等相关参数，同时还包括工件完整图像信息。测量任务是实现自动测量的数据载体，通常需要操作者对一种工件中的一个样品进行手工测量，然后将该手工测量过程保存为测量任务。在对这种工件的其他样品进行测量时，载入这个测量任务，本发明的大视野影像测量方法就可以对该样品进行自动测量。测量任务也可以通过载入工件的设计图纸，通过一定的设置就可以生成工件的测量任务。

测量任务创建功能用于创建测量任务，可对操作者的手工测量步骤进行记录再将其保存，也可以通过载入工件图纸将其转变为测量任务。测量任务创建功能还支持对已有的测量任务进行编辑，以适应新的测量需求。

工件图像自动匹配功能是实现自动测量的第一个步骤，它抓取当前工件样品的图像，再与测量任务中保存的工件图像进行匹配，计算两个图像间的旋转和平移参数，并将这些参数输出到测量任务自动运行功能中。

测量任务自动运行功能使用工件图像自动匹配功能输出的参数，对测量任务中的每个几何量的测量位置调整，包括旋转和平移计算，以保证测量任务中的测量位置与当前测量图像相符合，自动运行功能才能在恰当的位置提取到各个几何量；完成测量位置调整后，测量任务自动运行功能依次读取测量任务中的包含各个几何量的测量序列，在对应的测量位置实现对应几何量的自动测量。

测量报告自动输出功能自动将测量数据输出到测量报告中，实现测量报告的自动生成。测量报告自动输出功能可以实现定制报表输出，根据用户的需要，将测量数据输出到指定的位置，直接生成符合用户需要的测量报告。

本发明的大视野影像测量设备，其主体机构包括测量工作台、支撑架、远心光学镜头、CCD、透射光源、反射光源、计算机组成。

远心光学镜头和CCD连接在一起，通过支撑架固定在测量工作台的正上方。透射光源安装在测量工作台的下方，测量工作台采用玻璃材料，透射光源的光线可以透过玻璃直接照射到测量工作台的工件上，再投射到远心光学镜头上，在CCD上形成图像信号，计算机采集CCD上信号生成数字图像数据。计算机中的自动测量模块实现图像数据的处理，进行图像滤波、边缘提取、图像匹配、几何运算等操作，完成工件的测量。

远心光学镜头景深大，并且在景深范围内图像放大倍率不会随物距的变化而变化，适用于高精度测量领域。选择口径足够大的远心镜头，以确保50mm大的工件可以在CCD上合理成像。

透射光源位于镜头相对于被测工件的异侧，可提供工件外轮廓精确测量时的照明。反射光源位于镜头相对于被测工件的同侧，可提供工件表面测量时的照明。

本发明提供的大视野影像测量方法与设备，可以实现小尺寸工件的快速测量。该测量设备操作简单、测量速度快、测量效率高，在小工件测量领域具备很强的优势。

附图说明

图1是本发明的大视野影像测量方法流程示意图。

图2是本发明的大视野影像测量设备原理示意图。

图中主要结构为：1-测量任务创建模块、2-工件图像自动匹配模块、3-测量任务自动运行模块、4-测量报告自动输出模块、11-CCD、12-远心光学镜头、13-反射光源、14-测量工作台、15-仪器底座、16-支撑架、17-透射光源。

具体实施方式

本发明的实施例介绍了一种大视野影像测量方法，该方法的流程示意图见图1。

具体流程如下：

1)测量任务创建模块[1]创建测量任务，保存被测量几何元素的测量位置等测量参数，并保存被测量工件的完整图像；

2)工件图像自动匹配模块[2]首先读取测量任务中保存的测量工件完整图像，再实时抓取当前被测工件的完整图像，调用内部的匹配算法，计算两幅图像之间的旋转和平移参数；

3)测量任务自动运行模块[3]读取测量任务中保存的几何元素的测量参数，并接收来自工件图像自动匹配模块[2]输出的图像匹配旋转和平移参数，然后对测量任务中几何元素测量位置进行旋转和平移变换，再按照测量任务中的几何元素顺序，以变换后的测量位置进行测量；

4)测量报告自动输出模块[4]接收测量任务自动运行模块[3]输出的测量数据，按照用户定制输出报告的要求，将测量数据输出到报告中的适当位置，完成本次测量任务。

测量任务创建模块[1]包括三个子模块：测量任务记录子模块、测量任务转换子模块、测量任务编辑子模块。测量任务创建模块[1]生成测量任务，并将测量任务输出，供工件图像自动匹配模块[2]和测量任务自动运行模块[3]使用。

测量任务记录子模块可对操作者手工测量工件样品的过程进行记录，记录包括几何元素类别、每个几何元素的测量位置、测量方式、各个几何元素测量顺序等相关参数，同时还会记录工件样品的整体图像信息，并按照后面提到的图像特征点提取算法提取出工件样品中的特征点集，最后将这些所有信息保存为测量任务。

在被测量工具样品有设计图纸的情况下，测量任务转换子模块直接从设计图纸中获取测量的几何元素、每个几何元素的测量位置，在通过交互式操作设定各个几何元素的测量方式、测量参数等信息，然后再按照各个几何元素的实际位置，按照横向优先或纵向优先的顺序规划出合适的测量顺序，即可完成测量任务的创建，以提高创建测量任务的效率。

测量任务编辑子模块可对已有的测量任务进行编辑，可调整已有测量任务中几何元素的顺序、增加新的几何元素、删除已有几何元素、修改几何元素的测量方式等操作，以适应工件样品新的测量需求。

工件图像自动匹配模块[2]抓取当前工件样品的图像，再提取测量任务中保存的工件图像，对两者进行匹配运算，计算两图像间的旋转和平移参数。本实施例的图像匹配算法分为三个步骤，图像特征点提取、特征点匹配、几何变换参数计算。

图像特征点提取是图像匹配的基础，本实施例采用如下方式来提取图像特征点：

1)使用一个半径4个像素的圆形区域为特征提取模板，以模板中心遍历图像所有像素位置；

2)在每个位置以模板中心像素的灰度值与模板内其他所有像素的灰度值比较，记录差值小于某个阈值的像素个数，将该个数值除以模板面积值，以此作为模板中心所在位置的特征权值；

3)选择所有特征权值小于0.4的位置作为初选特征点；

4)以每个初选特征点为中心，以上述特征提取模板为范围，对模板范围内的所有特征权值进行排序，若这些特征权值变化不均匀，有较大突变，则剔除该初选特征点；

5)对经过剔除的初选特征点，按照分布区域进行限制，对于密度过大的区域剔除部分特征点，剩下的初选特征点作为图像匹配用的特征点。

特征点匹配采用最大相关匹配算法，对当前工件样品的图像中的特征点和测量任务中保存的工件图像的特征点进行匹配，找出两幅图像中的特征点匹配点对。

工件任意摆放在测量工作台[14]上，其图像之间的变换只有旋转和平移两者变换情况，无缩放、错切的变换形式。在完成特征点的匹配后，使用最小二乘法对这些对应特征点的坐标数据进行计算，可以得到两幅图像之间的旋转和平移参数。

测量任务自动运行模块[3]使用工件图像自动匹配模块[2]输出的旋转和平移量，对测量任务中的每个几何元素的测量位置参数进行几何变换：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& \mathrm{\Δx}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& \mathrm{\Δy}\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\\ 1\end{array}\right]$

其中，参数θ为测量任务自动运行模块[3]输出的两幅图像之间的旋转量，Δx和Δy为测量任务自动运行模块[3]输出的两幅图像之间的平移量，(x′，y′)为测量任务中保存的测量位置坐标，(x，y)为通过几何变换得到的当前工件样品中测量的坐标数据。

通过几何变换测量任务中的测量位置就可完全和当前工件样品的实际位置想符合，测量任务自动运行模块[3]顺序读取测量任务中的各个几何元素中的信息：几何元素类别、每个几何元素的测量位置、测量方式等，在对应测量位置使用其测量方式测量出对应的几何元素。

测量报告自动输出模块[4]从测量任务自动运行模块[3]获取测量数据，将测量数据输出到指定格式的报表中，完成整个测量任务。为实现定制格式报表功能，测量报告自动输出模块[4]还提供定制格式报表设置功能，提供输出数据选择、数据输出位置选择、数据输出方向选择、数据输出间隔选择等多项设置功能。

本发明的实施例还介绍了一种大视野影像测量设备，该设备的原理示意图如图2所示。本发明的大视野影像测量设备主体机构包括测量工作台[14]、支撑架[16]、远心光学镜头[12]、CCD[11]、透射光源[17]、反射光源[13]、计算机。

远心光学镜头[12]和CCD[11]连接在一起，通过支撑架[16]固定在测量工作台[14]的正上方。透射光源[17]安装在测量工作台[14]的下方，测量工作台[14]采用玻璃材料，透射光源[17]的光线可以透过玻璃直接照射到测量工作台[14]的工件上，再投射到远心光学镜头[12]上，在CCD[11]上形成图像信号，计算机采集CCD[11]上信号生成数字图像数据。计算机中的大视野测量模块实现图像和数据的处理，包括测量任务的建立、图像位置的匹配、测量任务的自动运行等功能。

为了保证全视野内镜头无较大畸变，本实施例选用80mm口径的远心镜头，使用其中62.5mm的中心区域就以保证预期的横向50mm大小的工件完整成像。

为保证合适的测量精度，本实施例选用1000万像素的CCD[11]进行图像成像，使用其中心的3600×2700像素进行成像，可以得到1像素约14微米的当量，利用先进的图像处理算法，按照1/5像素测量精度的保守计算，可实现2.8微米的测量精度。

测量工作台[14]采用玻璃材料，投射光源从下方照射到测量工作台[14]上的工件，在CCD[11]上形成黑白分明的工件剪影图像，可获得很高的测量精度。

虽然远心镜头具备很大的景深，但是不再最佳焦距上的工件必然会对测量精度造成不良影响，为尽量降低这种影响，本实施例在测量工作台[14]下方设计了工作台高度调节机构。高度调节结构由固定在底座上的调节手轮和测量工作台[14]上的齿条组成，在转动调节手轮时，手轮内部的齿轮在测量工作台[14]上的齿条上发生啮合运动，由于调节手轮固定，带动测量工作台[14]发生竖直方向的运动。通过观察在计算机屏幕上的成像图像，上下调节测量工作台[14]，直到获得最佳的成像效果。

本实施例的透射光源[17]和反射光源[13]均为LED冷光源，降低光源发热对整个测量仪器机构的影响。透射光源[17]和反射光源[13]均采用恒流源驱动，光源亮度可调，以适应不同材料特性工件的测量需求。

计算机中具备大视野测量模块，具体实现本发明的大视野影像测量方法的各个功能模块。

Claims (3)

1.一种大视野影像测量方法，由测量任务创建模块[1]、工件图像自动匹配模块[2]、测量任务自动运行模块[3]和测量报告自动输出模块[4]组成，其特征在于：

测量任务创建模块[1]输出测量任务；

测量任务记录被测量工件需要测量的几何元素类型、几何元素测量位置和测量方式参数，同时还包括被测量工件完整图像；

工件图像自动匹配模块[2]以测量任务和当前工件图像为输入，输出测量任务中图像和当前工件图像匹配的旋转和平移参数；

测量任务自动运行模块[3]以测量任务、当前工件图像、以及旋转和平移参数为输入，输出测量结果数据；

测量报告自动输出模块[4]以测量结果数据为输入，输出测量报告。

2.如权利要求1所述的工件图像自动匹配模块[2]，包括特征点提取子模块、特征点匹配子模块和几何参数计算子模块，其特征在于：

所述特征点提取子模块使用一个半径4个像素的圆形区域为特征提取模板，以模板中心遍历图像所有像素位置；特征点提取子模块在每个位置以模板中心像素的灰度值与模板内其他所有像素的灰度值比较，记录差值小于某个阈值的像素个数，将该个数值除以模板面积值，以此作为模板中心所在位置的特征权值；特征点提取子模块选择所有特征权值小于0.4的位置作为初选特征点；特征点提取子模块以每个初选特征点为中心，以上述特征提取模板为范围，对模板范围内的所有特征权值进行排序，若这些特征权值变化不均匀，有较大突变，则剔除该初选特征点；特征点提取子模块对经过剔除的初选特征点，按照分布区域进行限制，对于密度过大的区域剔除部分特征点，剩下的初选特征点作为图像匹配用的特征点。

3.一种大视野影像测量设备，由测量工作台[14]、支撑架[16]、远心光学镜头[12]、CCD[11]、透射光源[17]、反射光源[13]和计算机组成，其特征在于：

所述远心光学镜头[12]采用70mm以上大口径远心镜头，所述CCD[11]采用1000万像素CCD工业相机，且CCD[11]只获取远心镜头中心62.5mm小畸变区域的成像图像。

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