CN109099818A - 便携式微米级高清测距系统 - Google Patents

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马小林
鲁谦仁
宁诗雯
陈琳军
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Wuhan University of Technology WUT
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Wuhan University of Technology WUT
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    • G01B5/14—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures
    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明公开了一种便携式微米级高清测距系统，该系统包括：图像采集装置，通过工业相机装置对待测工件进行拍照，采集待测工件的图像；图像处理装置，包括预处理单元、图像畸变矫正单元、边缘检测单元和测距单元；显示终端，用于显示测距结果和处理过程中的图像信息。本发明系统测量精度高，适用范围广，可以测量复杂的工作面，例如孔洞的内外径以及内径平整度以及光滑程度等，提供了一种非接触式实时性强的解决方案。

Description

便携式微米级高清测距系统
技术领域
本发明涉及图像处理技术，尤其涉及一种便携式微米级高清测距系统。
背景技术
高清测距装置主要应用于工业生产领域中，主要是为了解决加工工件的高精度，多环境，低成本以及易操作的问题。例如核电项目中散热铜板的加工精度要求达到0.01mm，空洞内径要求光洁无残屑，对于当前的测量设备来说，很难满足该测量要求，原因有一下几点：
1.对于常用的测距设备来说，游标卡尺的最小尺度为0.02mm且不能估读，螺旋测厚仪虽然可以估读到0.001mm，但是只能测量工件的厚度，无法测量孔洞内径，而且测量量程有限(一般不超过10cm)；
2.目前用来测量的微米级测量设备主要有二：1，椭偏仪，是一种非接触式的光学测量仪器，对于测量环境的要求十分苛刻，并且不易于操作，不满足要求；2，台阶仪，一种接触式的电学测量仪器，主要是用于测量工件表面的起伏程度与高度差，多用于测量薄膜厚度等，也不满足测量要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种便携式微米级高清测距系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种便携式微米级高清测距系统，包括：
图像采集装置，通过工业相机装置对待测工件进行拍照，采集待测工件的图像；所述待测工件的图像中包括两路平行激光照射在待测工件上的两激光点；其中，两激光点沿待测工件边缘平行方向排列，两激光点之间的实际物理距离已标定，作为标尺；
图像处理装置，包括预处理单元、图像畸变矫正单元、边缘检测单元和测距单元；
所述预处理单元，用于将对采集的待测工件的图像进行处理，得到待测工件的图像的二值化图像；
所述边缘检测单元，用于对二值化图像进行边缘特征提取；
所述图像畸变矫正单元，用于对边缘检测单元的结果进行畸变矫正；
所述测距单元，用于对矫正后的图像提取轮廓边缘的直线，得到直线的倾斜角，对图像做相应的旋转；旋转后，提取标尺及待测工件两端点的坐标，找到待测两点的像素点距离，然后根据已知真实距离的标尺的像素距离进行计算，利用标尺与待测物体的像素距离之间的几何关系进行换算，得到待测物体的真实距离；
显示终端，用于显示测距结果和处理过程中的图像信息。
按上述方案，所述边缘检测单元采用Canny边缘检测算法对二值化图像进行边缘特征提取。
按上述方案，所述测距单元利用Hough变换法提取轮廓边缘的直线，得到直线的倾斜角。
按上述方案，所述工业相机装置包括：工业相机、与工业相机匹配的定焦镜头、用于提供恒定照射条件的低角度环形光源和遮光保护罩。
本发明产生的有益效果是：
1.本发明能有效解决在复杂工作面(例如孔洞的内外径，以及毛刺程度)的测量问题；
2.减小测量时对测量环境的要求，例如环境光的影响；
3.采用非接触式的测量方式，大大提高了操作的方便程度。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例的工业相机装置结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种便携式微米级高清测距系统，包括：
图像采集装置，通过工业相机装置对待测工件进行拍照，采集待测工件的图像；所述待测工件的图像中包括两路平行激光照射在待测工件上的两激光点；其中，两激光点沿待测工件边缘平行方向排列，两激光点之间的实际物理距离已标定，作为标尺；
如图2，工业相机装置包括：工业相机、与工业相机匹配的定焦镜头、用于提供恒定照射条件的低角度环形光源和遮光保护罩、用于消除拍摄时工件表面产生的反光的偏振片；
图像处理装置，包括预处理单元、图像畸变矫正单元、边缘检测单元和测距单元；
所述预处理单元，用于将对采集的待测工件的图像进行处理，得到待测工件的图像的二值化图像；
所述边缘检测单元，用于采用Canny边缘检测算法对二值化图像进行边缘特征提取；
Canny边缘检测算法的步骤如下：
(1)去噪。任何边缘检测算法都不可能在未经处理的原始数据上很好地處理，所以第一步是对原始数据与高斯mask作卷积，得到的图像与原始图像相比有些轻微的模糊(blurred)。这样，单独的一个像素雜訊在经过高斯平滑的图像上变得几乎没有影响。
(2)用一阶偏导的有限差分来计算梯度的幅值和方向。
(3)对梯度幅值进行非极大值抑制。仅仅得到全局的梯度并不足以确定边缘，因此为确定边缘，必须保留局部梯度最大的点，而抑制非极大值。(non-maxima suppression,NMS)解决方法：利用梯度的方向。
(4)用双阈值算法检测和连接边缘。
所述图像畸变矫正单元，用于对边缘检测单元的结果进行畸变矫正；
所述测距单元，用于利用Hough变换法对矫正后的图像提取轮廓边缘的直线，得到直线的倾斜角，对图像做相应的旋转；旋转后，提取标尺及待测工件两端点的坐标，找到待测两点的像素点距离，然后根据已知真实距离的标尺的像素距离进行计算，利用标尺与待测物体的像素距离之间的几何关系进行换算，得到待测物体的真实距离；
显示终端，用于显示测距结果和处理过程中的图像信息。具体如下：通过Linux板与app软件建立mqtt连接；然后将测量结果以及采集处理的图片显示在APP中。
本发明是一种基于图像处理以及测距算法的微米级测距设备，与传统的测距设备相比具有：测量精度高(初步测试达到10um范围之内，相对误差在0.05％之内)，适用范围广(测量复杂的工作面，例如孔洞的内外径以及内径平整度以及光滑程度等等)，使用便携(app控制检测的开始与显示，无需人为干预)，是一种非接触式实时性强的解决方案。
一个采用本发明装置的具体实施例；
一、测距方法与主要步骤
1.被测铜条进入测距设备内部，保持静止。
2.两路平行激光照射在铜条上；其中，两激光点沿被测铜条边缘平行方向排列，但不要求严格平行；两激光点之间的实际物理距离已标定(精度精确到0.01mm级别)，记为Dr。
2.相机对焦摄像。要求：被测孔间距跨越的像素点数量应至少大于其实际物理距离的100倍，即：如果孔间距为18.10mm，则图像中的孔间距跨越的像素点至少为1810。
3.图像处理软件计算被测孔间距离；两对孔间距测量方法一致。
3-1.提取孔边缘的弧形；
3-2.找出两弧形水平方向(即：沿铜条边缘方向)对应的最近的两点像素点坐标，并计算两弧形最近两个像素点的欧氏距离，即：像素点数量Nx；
3-3.提取两激光点像素点坐标；
3-4.计算两激光点欧氏距离，即：两激光直线跨越的像素点数量Nr；
3-5.计算被测孔间物理距离Dx＝Nx*(Dr/Nr).注意：同样视角范围的图片，Nr越大，意味着每像素点表示的物理尺寸越小，可测量的精度便越高。
二、实验测试报告
1.实验环境及参数设置
实验环境：
正常光照条件下，采用上述工业相机及镜头，配合低角度环形光源下拍摄。
实验方案：
由于无法直接测量出铜条孔间距的真实距离，故采用其它标准物件衡量方案的精确性。具体如下：
准备两件标准参照物，如宽度已知的纸片和铁片，用千分尺测量其真实值，再采用所提方案计算出测量值，给出方案的误差范围。详细如下：
(1)选取10mm-20mm左右的参考物两件，用千分尺测量和图像算法测量，给出误差值；
(2)用图像算法测量出铜条的孔间距，给出测量值。
实验步骤：
(1)选择标准参考物两件，分别为纸片和铁片，称为标尺1和标尺2，用千分尺测量出两者的宽度，分别为18.698mm和5.99mm，待测物为宽度已知的纸片，宽度为18.698mm；
(2)首先用标尺2来测量待测物的宽度，记录于表1中；
(3)再用标尺1来测量待测物的宽度，记录于表2中；
(4)重复上述步骤三次，并求出绝对误差值，进行对比分析。
参数设置：
工业相机像素为1070万，分辨率为3840*2748，镜头焦距为25mm，物距为20cm，光源为低角度环形光源，实际实验环境搭建如图2所示。
2.实验测试数据表
表1以铁片作为标尺测量纸片结果
平均误差：0.266511912
表2以纸片作为标尺测量纸片的结果
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种便携式微米级高清测距系统，其特征在于，包括：
图像采集装置，通过工业相机装置对待测工件进行拍照，采集待测工件的图像；所述待测工件的图像中包括两路平行激光照射在待测工件上的两激光点；其中，两激光点沿待测工件边缘平行方向排列，两激光点之间的实际物理距离已标定，作为标尺；
图像处理装置，包括预处理单元、图像畸变矫正单元、边缘检测单元和测距单元；
所述预处理单元，用于将对采集的待测工件的图像进行处理，得到待测工件的图像的二值化图像；
所述边缘检测单元，用于对二值化图像进行边缘特征提取；
所述图像畸变矫正单元，用于对边缘检测单元的结果进行畸变矫正；
所述测距单元，用于对矫正后的图像提取轮廓边缘的直线，得到直线的倾斜角，对图像做相应的旋转；旋转后，提取标尺及待测工件两端点的坐标，找到待测两点的像素点距离，然后根据已知真实距离的标尺的像素距离进行计算，利用标尺与待测物体的像素距离之间的几何关系进行换算，得到待测物体的真实距离；
显示终端，用于显示测距结果和处理过程中的图像信息。
2.根据权利要求1所述的便携式微米级高清测距系统，其特征在于，所述边缘检测单元采用Canny边缘检测算法对二值化图像进行边缘特征提取。
3.根据权利要求1所述的便携式微米级高清测距系统，其特征在于，所述测距单元利用Hough变换法提取轮廓边缘的直线，得到直线的倾斜角。
4.根据权利要求1所述的便携式微米级高清测距系统，其特征在于，所述工业相机装置包括：工业相机、与工业相机匹配的定焦镜头、用于提供恒定照射条件的低角度环形光源和遮光保护罩。
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