影像測量儀的測量誤差分析

影像測量儀是近年來基于計(jì)算機(jī)視覺檢測技術(shù)開發(fā)的一種高效新型精密測量儀器，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、電子、汽車、航空航天等行業(yè)?？捎糜谠叽?、形狀和相互位置的在線檢測，也可用于劃線、定心孔、光刻集成電路對位等。因其通用性強(qiáng)、測量范圍大、精度高，性能好，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可與柔性制造系統(tǒng)對接，用途廣泛。

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影像測量儀的組成

圖像測量是一種利用被測物體的圖像作為信息的檢測和傳遞的測量方法。其目的是從圖像中提取有用信號，并基于圖像分析和識別進(jìn)行測量。形象是指物體發(fā)光和反射光的視覺印象。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，即對圖像進(jìn)行數(shù)字化處理。因此，一個(gè)典型的圖像測量系統(tǒng)主要由6部分組成：光源、機(jī)器、CCD相機(jī)、圖像采集卡、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和PC，如下圖所示。通過各部分的組合，完成不同環(huán)境下的各種高精度圖像檢測任務(wù)。

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

圖像測量過程

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測量誤差分析：

影像測量儀的測量誤差是指影像測量儀本身的固有誤差。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，稱為測量儀器的原理誤差、制造誤差和操作誤差。

2.1 原理錯(cuò)誤

影像測量儀的原理誤差為：CCD攝像頭畸變造成的誤差和測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。使用高質(zhì)量的鏡頭可以減少畸變誤差的影響，但在精密測量中需要考慮畸變的影響來校正測量結(jié)果。

不同測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。邊緣輪廓是人類識別物體形狀的重要因素，也是圖像處理中的重要處理對象。在圖像處理過程中，需要進(jìn)行邊緣提取。然而，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在同一試件的邊緣位置產(chǎn)生很大的變化，因此會影響最終的結(jié)果。例如，在測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相應(yīng)改變?？梢?，在圖像處理過程中，圖像處理算法對儀器的測量精度有著非常重要的影響，是圖像測量的重點(diǎn)。

2.2 制造錯(cuò)誤

屬于影像測量儀的制造誤差有：導(dǎo)向機(jī)構(gòu)引起的誤差、安裝誤差等。對于影像測量儀來說，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。 影像測量儀是直角坐標(biāo)系測量儀。直角坐標(biāo)系測量儀具有三個(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相對于被測工件作三維直線運(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)與工作臺面的相對關(guān)系，如圖3所示。當(dāng)測量平臺與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)幾何知識如下：

D=L(1-cosH)

攝像頭安裝錯(cuò)誤示意圖

如果影像測量儀的測量平臺的水平性能和CCD攝像頭的安裝都很好影像測量儀，并且它們之間的角度在范圍內(nèi)，則誤差很小。

2.3 運(yùn)行錯(cuò)誤

影像測量儀操作誤差是：測量環(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，影像測量儀零件的尺寸、形狀、相互位置關(guān)系以及一些重要的特性參數(shù)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影響影像測量儀上下光源的亮度，導(dǎo)致系統(tǒng)照度不均勻，從而在采集到的圖像邊緣留下陰影，導(dǎo)致圖像邊緣提取錯(cuò)誤。磨損導(dǎo)致影像測量儀零件的尺寸、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，改善測量操作條件可以有效降低此類誤差的影響。