影像測(cè)量?jī)x的測(cè)量誤差分析

影像測(cè)量?jī)x是近年來(lái)基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)的一種高效新型精密測(cè)量?jī)x器，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、電子、汽車、航空航天等行業(yè)。可用于元件尺寸、形狀和相互位置的在線檢測(cè)，也可用于劃線、定心孔、光刻集成電路對(duì)位等。因其通用性強(qiáng)、測(cè)量范圍大、精度高，性能好，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可與柔性制造系統(tǒng)對(duì)接，用途廣泛。

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影像測(cè)量?jī)x的組成

圖像測(cè)量是一種利用被測(cè)物體的圖像作為信息的檢測(cè)和傳遞的測(cè)量方法。其目的是從圖像中提取有用信號(hào)，并基于圖像分析和識(shí)別進(jìn)行測(cè)量。形象是指物體發(fā)光和反射光的視覺(jué)印象。由于計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信息，因此計(jì)算機(jī)無(wú)法直接處理圖像。圖像在被計(jì)算機(jī)處理之前必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。 Image，即對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)字化處理。因此，一個(gè)典型的圖像測(cè)量系統(tǒng)主要由光源、機(jī)器、CCD相機(jī)、圖像采集卡、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、PC機(jī)6部分組成，如下圖所示。通過(guò)各部分的組合，完成不同環(huán)境下的各種高精度圖像檢測(cè)任務(wù)。

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影像測(cè)量?jī)x的測(cè)量過(guò)程如下圖所示。首先將待測(cè)工件放在工作臺(tái)上，啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制程序，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡控制X、Y、Z軸的運(yùn)動(dòng)，使其到達(dá)合適的位置，并使工件的圖像為被測(cè)物體可以清晰地呈現(xiàn)給CCD 在CCD中，將獲得的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過(guò)圖像采集卡將被測(cè)物體的圖像采集到PC中。然后通過(guò)圖像處理技術(shù)、空間幾何計(jì)算、運(yùn)動(dòng)控制、光柵數(shù)據(jù)的采集和計(jì)算得到被測(cè)物體的幾何尺寸和被測(cè)物理量的檢測(cè)，最后通過(guò)測(cè)量完成測(cè)量工作軟件獲取所需結(jié)果參數(shù)，完成測(cè)量工作。

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圖像測(cè)量過(guò)程

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測(cè)量誤差分析：

影像測(cè)量?jī)x的測(cè)量誤差是指影像測(cè)量?jī)x本身的固有誤差。儀器引起的誤差是多方面的，在儀器設(shè)計(jì)、制造和使用的各個(gè)階段都可能出現(xiàn)誤差，稱為測(cè)量?jī)x器的原理誤差、制造誤差和操作誤差。

2.1 原理錯(cuò)誤

影像測(cè)量?jī)x的原理誤差為：CCD攝像頭畸變?cè)斐傻恼`差和測(cè)量方法不同造成的誤差。由于相機(jī)的制造和技術(shù)、入射光通過(guò)各個(gè)鏡頭時(shí)的折射誤差和CD點(diǎn)陣的位置誤差等原因，光學(xué)系統(tǒng)具有非線性幾何畸變，使得光學(xué)系統(tǒng)之間存在多種類型。目標(biāo)像點(diǎn)和理論像點(diǎn)。幾何畸變：徑向畸變、偏心畸變、薄棱鏡畸變等，徑向畸變大，切向畸變和薄棱鏡畸變小，圖像中心區(qū)畸變小，邊緣畸變大。使用優(yōu)質(zhì)鏡頭可以減少畸變誤差的影響，但在精密測(cè)量中需要考慮畸變的影響，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。

不同測(cè)量方法造成的誤差主要是指不同圖像處理技術(shù)造成的識(shí)別和量化誤差。圖像的邊緣是圖像的基本特征，是圖像中物體輪廓或物體不同表面邊界的反映。邊緣輪廓是人類識(shí)別物體形狀的重要因素，也是圖像處理中的重要處理對(duì)象。在圖像處理過(guò)程中，需要進(jìn)行邊緣提取。然而影像測(cè)量?jī)x，在數(shù)字圖像處理技術(shù)中，邊緣提取的方法有很多種。選擇不同的提取方法會(huì)在同一試件的邊緣位置產(chǎn)生很大的變化，因此會(huì)影響最終的結(jié)果。例如，在測(cè)量圓形工件的半徑和圓心時(shí)，當(dāng)圓的輪廓發(fā)生變化時(shí)，它的半徑值和中心位置會(huì)相應(yīng)改變。可見(jiàn)，在圖像處理過(guò)程中，圖像處理算法對(duì)儀器的測(cè)量精度有著非常重要的影響，是圖像測(cè)量的重點(diǎn)。

2.2 制造錯(cuò)誤

屬于影像測(cè)量?jī)x的制造誤差有：導(dǎo)向機(jī)構(gòu)引起的誤差、安裝誤差等。對(duì)于影像測(cè)量?jī)x來(lái)說(shuō)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的誤差主要是機(jī)構(gòu)誤差中的直線運(yùn)動(dòng)定位誤差。 影像測(cè)量?jī)x是直角坐標(biāo)系測(cè)量?jī)x。直角坐標(biāo)系測(cè)量?jī)x具有三個(gè)相互垂直的軸，即X、Y、Z三個(gè)軸，三個(gè)運(yùn)動(dòng)部件沿這三個(gè)軸運(yùn)動(dòng)，使CCD相對(duì)于被測(cè)工件作三維直線運(yùn)動(dòng)。選用優(yōu)質(zhì)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)可以減少此類誤差的影響。安裝誤差主要在于相機(jī)與工作臺(tái)面的相對(duì)關(guān)系影像測(cè)量?jī)x，如圖3所示。當(dāng)測(cè)量平臺(tái)與CCD相機(jī)鏡頭呈一定角度H時(shí)，誤差計(jì)算公式可根據(jù)幾何知識(shí)如下：

D=L(1-cosH)

攝像頭安裝錯(cuò)誤示意圖

如果影像測(cè)量?jī)x的測(cè)量平臺(tái)的水平性能和CCD攝像頭的安裝都很好，并且它們之間的夾角在范圍內(nèi)，則誤差很小。

2.3 運(yùn)行錯(cuò)誤

影像測(cè)量?jī)x操作誤差是：測(cè)量環(huán)境和條件變化（如溫度變化、電壓波動(dòng)、光照條件變化、機(jī)械磨損等）引起的誤差，以及動(dòng)態(tài)誤差。由于溫度的變化，影像測(cè)量?jī)x零件的尺寸、形狀、相互位置關(guān)系以及一些重要的特性參數(shù)都發(fā)生了變化，從而影響了本儀器的精度。溫度的變化也可能引起電氣參數(shù)和儀器特性的變化，引起溫度靈敏度漂移和溫度零漂移。電壓和光照條件的變化會(huì)影響影像測(cè)量?jī)x上下光源的亮度，導(dǎo)致系統(tǒng)照度不均，導(dǎo)致采集圖像邊緣有陰影導(dǎo)致圖像邊緣提取錯(cuò)誤。磨損導(dǎo)致影像測(cè)量?jī)x零件的尺寸、形狀和位置誤差，并增加配合間隙，降低了該儀器工作精度的穩(wěn)定性。因此，改善測(cè)量操作條件可以有效降低此類誤差的影響。