TW201915443A - 基於影像尺的定位量測系統 - Google Patents

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Abstract

一種基於影像尺的定位量測系統包含：一影像尺，用於承載一物件，影像尺具有排列成二維陣列的多個定位符號組及多個編碼圖案組，各定位符號組包含多個定位符號，各編碼圖案組包含多個編碼圖案，此等編碼圖案分別位於此等定位符號之間的空隙中；一影像擷取器，擷取物件的多個量測點與影像尺以獲得多個複合影像；一處理器，對此等複合影像進行影像處理，依據此等編碼圖案及此等定位符號以求出此等量測點的位置關係；以及一驅動機構，電連接至處理器，並機械連接至影像擷取器或影像尺，以造成影像擷取器與影像尺的相對移動。

Description

基於影像尺的定位量測系統
本發明是有關於一種定位量測系統，且特別是有關於一種基於影像尺的定位量測系統。
隨著製造業的發展，具彈性製造的生產設備將提供企業更靈活的製程設計優勢。近年來自動光學檢測這塊領域的蓬勃發展，使得影像辨識技術應用於製程產線上時，其提供的快速、非接觸式的分析能夠促進產線自動化、產品檢測標準化，進而降低大量的製造成本。
機械加工時，由於工件的製造存在公差，因此對於需要根據二維圖面或三維模型來做引導刀具的加工方式，會有工件尺寸和圖面尺寸不一致的問題；另一方面，工件通常是靠夾治具做機械式的固定與定位，然而在微米級精度要求的加工條件下，普通的夾治具本身的製造公差就已經遠超過此精度，因此每次工件的取放位置都會與預期的理想有所偏差。由於工件的實際座標位置和軟體圖檔的座標位置因夾治具產生了偏差量，將導致影響加工精度表現。
要解決上述問題，雖可以透過三次元量測儀做工件的量測，但三次元量測儀本身造價昂貴，並且通常是線下的靜態檢測，不適合安裝於加工機台上。目前市面上也有許多影像量測的機台軟體，但一 般都是在一張影像上做量測，為了可以在單一視野下看到完整的物件，則相機的放大倍率要小，量測精度就會下降；但若為了量測精度而選擇高放大倍率之鏡頭，則通常相機視野僅能看到物件的一角，為了量測超出視野範圍的物件，通常需仰賴X-Y平台的定位資訊，使得效率無法有效提升。
因此，本發明的一個目的是提供一種基於影像尺的定位量測系統，可以利用影像處理的方法配合影像尺的定位符號組與編碼圖案組來達成定位量測的功能。
為達上述目的，本發明提供一種基於影像尺的定位量測系統，包含：一影像尺，用於承載一物件，影像尺具有排列成二維陣列的多個定位符號組及多個編碼圖案組，各定位符號組包含多個定位符號，各編碼圖案組包含多個編碼圖案，此等編碼圖案分別位於此等定位符號之間的空隙中；一影像擷取器，擷取物件的多個量測點與影像尺以獲得多個複合影像；一處理器，對此等複合影像進行影像處理，依據此等編碼圖案及此等定位符號以求出此等量測點的位置關係；以及一驅動機構，電連接至處理器，並機械連接至影像擷取器或影像尺，以造成影像擷取器與影像尺的相對移動。
藉由本發明的上述態樣，將待測物件放置在具有定位符號與編碼圖案的載具上，相機在拍攝時，同時對物件與圖案進行拍攝，透過分析圖案，來識別該影像中物件的局部樣貌的實際位置。如此一來，只要將拍攝之物件置於影像尺之上，量測的物件便不再受限於相機的視野大小，也不需要依靠平台的定位精度，即可進行長度量測。
為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實 施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
IM20‧‧‧複合影像
IM21‧‧‧第一複合影像
IM22‧‧‧第二複合影像
IM23‧‧‧第三複合影像
MP1、MP2‧‧‧量測點
P‧‧‧參考點
P3‧‧‧參考點
P4‧‧‧參考點
X、Y、Z‧‧‧座標軸
W1‧‧‧視窗
W2‧‧‧視窗
W3‧‧‧視窗
1‧‧‧定位量測系統
2‧‧‧物件
3‧‧‧平台
10‧‧‧影像尺
10T、2T‧‧‧頂面
11‧‧‧定位符號組
12A至12D‧‧‧定位符號
121、122‧‧‧線段
16‧‧‧編碼圖案組
171、172‧‧‧編碼圖案
18‧‧‧空隙
20‧‧‧影像擷取器
30‧‧‧處理器
40‧‧‧驅動機構
圖1顯示依據本發明較佳實施例的定位量測系統的示意圖。
圖2顯示圖1的影像尺的局部放大示意圖。
圖3顯示物件與影像尺的立體示意圖。
圖4A至圖4C分別顯示影像尺座標系統、畫素座標系統及世界座標系統的示意圖。
圖5顯示物件的局部俯視圖。
圖6A、6B與圖7顯示影像尺與物件的兩個量測點的拍攝示意圖。
圖8A至8E分別顯示實際拍攝的複合影像的多個例子。
本發明提供一種高精度尺寸量測平台、並且搭建一套影像定位與解碼系統，其特點為以光學非接觸的方式進行工件的尺寸量測，並以影像處理技術進行目標物(影像尺)之移動定位，此目標物需有定位符號或圖案與編碼圖案或符號，影像尺並沒有特別的形式限制，只要能夠讓譬如相機的影像擷取器清晰的看見影像尺上之圖案或符號即可。
首先，在待測物件底下放一片影像尺，影像尺的輔助可以讓系統在量測尺度達微米級解析度的情況下，突破視野狹窄的侷限，能夠量測幾何尺寸比視野範圍大數十倍以上之物件。影像尺上面的圖案可以做為系統的定位來源，使影像量測系統不須依賴移動平台的定位精度。
圖1顯示依據本發明較佳實施例的定位量測系統的示意 圖。圖2顯示圖1的影像尺的局部放大示意圖。圖3顯示物件與影像尺的立體示意圖。如圖1至圖3所示，本實施例的一種基於影像尺的定位量測系統1包含一影像尺10、一影像擷取器20、一處理器30以及一驅動機構40。X、Y、Z座標軸如圖1所示。
一個平台3承載影像尺10。影像尺10用於承載一物件2，並且具有排列成二維陣列的多個定位符號組11及多個編碼圖案組16。各定位符號組11包含多個定位符號12A至12D，各編碼圖案組16包含多個編碼圖案171與172，且此等編碼圖案171與172分別位於此等定位符號12A至12D之間的空隙18中。於本實施例中，各定位符號包含相交於一參考點P的兩線段121、122。各定位符號組11的四個定位符號12A至12D具有相同形狀但不同方位，以利於多種型態的判別。舉例而言，各定位符號組11的各定位符號具有L形狀。於另一例子中，各定位符號可具有V形狀。於又另一例子中，各定位符號組11的四個定位符號具有不相同的形狀，譬如是兩條線的夾角不同，也有利於多種型態的判別。
影像擷取器20擷取物件2的多個量測點MP1與MP2與影像尺10以獲得多個複合影像IM20。影像擷取器20譬如是照相機，各量測點可以是物件2上的實體點，譬如角落點，也可以是虛擬點，譬如物件的兩個邊緣的交點。值得注意的是，可以利用校正片來校正影像擷取器20在特定倍率下所拍攝到的一個畫素或像素的尺寸，於一例子中譬如是1.05微米。
處理器30對此等複合影像IM20進行影像處理，依據此等編碼圖案171與172及此等定位符號12A至12D以求出此等量測點的位置關係。處理器30包含但不限於計算機或電子裝置的的中央處理 器。
驅動機構40電連接至處理器30，並機械連接至影像擷取器20或影像尺10(譬如透過平台3，當然影像尺10本身也可以是平台，或平台上形成有影像尺)，以造成影像擷取器20與影像尺10的相對移動。
於本實施例中，影像擷取器20擷取各量測點與影像尺10的此等複合影像IM20的個數為二，且兩複合影像IM20包含一第一複合影像IM21及一第二複合影像IM22，分別為影像擷取器20主要聚焦於影像尺10及物件2的頂面10T、2T所獲取到的影像。亦即，操作時，處理器30控制驅動機構40將量測點MP1移動到影像擷取器20的視野內，然後控制影像擷取器20聚焦於影像尺10的頂面10T以拍攝出第一複合影像IM21，接著控制影像擷取器20聚焦於物件2的頂面2T以拍攝出第二複合影像IM22。接著，處理器30控制驅動機構40將量測點MP2移動到影像擷取器20的視野內，並執行類似於上述有關量測點MP1的操作。
獲得複合影像IM20以後，處理器執行下述例示但非限制性的處理步驟：(1)物件邊緣偵測(Object edge detection)：由於物件的邊緣具有明顯且連續的像素強度斷層，所以使用方向梯度直方圖(Histogram of oriented gradients)做為特徵，接著用一個移動視窗逐步地掃描整張影像，並將視窗所擷取之影像特徵資訊丟入預先訓練好的支援向量機(Support vector machines)進行判讀，偵測出水平邊緣和垂直邊緣所在的位置，並記錄下來；(2)端點偵測(Terminal point detection)：將物件邊緣偵測所得到的水平邊緣影像和垂直邊緣影像進行霍夫線段轉換(Hough line transform)，將兩條線的交點記錄下來，得到線段端點；(3) 定位符號偵測(Positioning mark detection)：由於影像尺上面的圖案並非是完美的，和原始設計圖面有些微的出入，因此先用陰影去除和中值濾波來得到乾淨、合適的影像，再利用定位符號的幾何特性，進行偵測；以及(4)解碼(Decoding)：用來解碼的圖案和定位符號的相對位置是固定的，因此當偵測到定位符號之後，即可透過計算相對位置上的像素點值，來進行解碼動作，以得到定位符號的影像尺座標。於圖2中，編碼圖案171與172分別代表影像尺座標系統的X與Y座標。各編碼圖案是以六個矩形來表示，各個矩形的顏色為全黑或全白，譬如，1黑5白的編碼圖案可以對應到數字1至6，2黑4白的編碼圖案可以對應到數字7至21，3黑3白的編碼圖案可以對應到數字22至41，4黑2白的編碼圖案可以對應到數字42至56，5黑1白的編碼圖案可以對應到數字57至62，總共有62個數字(26-2=62)，其中不使用全黑與全白的兩種，以免誤判。
圖4A至圖4C分別顯示影像尺座標系統、畫素座標系統及世界座標系統的示意圖。如圖4A至4C所示，影像尺座標的一X軸方向相同於量測畫素座標、參考畫素座標及世界座標的X軸方向，且影像尺座標的一Y軸方向相同於世界座標的一Y軸方向，但相反於量測畫素座標及參考畫素座標的Y軸方向。圖4A的影像尺座標(x,y)相當於圖4C的世界座標(x*1000,y*1000)。圖4B的影像中的像素座標必須透過定位符號「L」的中心位置才能和世界座標做聯繫。舉例來說，若「L」的中心位置的影像尺座標為(10,10)、「L」的中心位置其影像中的像素座標為(750,250)，則「L」的中心位置的世界座標為(10000,10000)，該張影像中的像素座標(755,255)對應的世界座標為(10000+5 * 1.05,10000-5 * 1.05)，其中1.05為鏡頭之物件解析力或解析度(1.05μm/pixel)。
為了計算出量測點MP1與MP2的世界座標以進一步求得量測點MP1與MP2之間的距離，處理器30針對量測點MP1與MP2執行以下步驟：(a)依據第二複合影像IM22來求得量測點MP1的量測畫素座標；(b)依據第一複合影像IM21中的此等定位符號組11及此等編碼圖案組16求得定位符號12A的參考點P的影像尺座標及參考畫素座標，假設影像尺座標為(a,b)，量測畫素座標為(c,d)，參考畫素座標為(e,f)；以及(c)依據此等影像尺座標、此等量測畫素座標、此等參考畫素座標、定位符號組11的一單位長度(g單位)、定位符號12A/12B/12C/12D的一型態、影像擷取器20的一物件解析力(h單位/畫素)來求出量測點MP1的世界座標。上述的型態為第一至第四種型態之其中一種，譬如，圖2的定位符號12A/12B/12C/12D的型態為第一/二/三/四型態。另外，定位符號組11的單位長度g代表的是圖2的四個P點所連成的正方形的邊長，也就是定位符號每隔g單位會出現一次，或每格2g單位重複出現相同型態的定位符號，於以下的例子中，g等於500微米(μm)。參考畫素座標與量測畫素座標都是屬於畫素座標系統，其原點是所拍攝影像的左上角。
基於上述的假設，當定位符號的型態為第一型態時，量測點的此等世界座標為(2g*a+(c-e)*h,2g*b-(d-f)*h)；當定位符號的型態為第二型態時，量測點的此等世界座標為(2g*a+(c-e)*h+g,2g*b-(d-f)*h)；當定位符號的型態為第三型態時，量測點的此等世界座標為(2g*a+(c-e)*h,2g*b-(d-f)*h-g)；以及當定位符號的型態為第四型態時，量測點的此等世界座標為(2g*a+(c-e)*h+g,2g*b-(d-f)*h-g)。
圖5顯示物件的局部俯視圖。圖6A、6B與圖7與顯示影像尺與物件的兩個量測點的拍攝示意圖。如圖5至圖7所示，以下將 以計算量測點MP1與MP2的世界座標為例子作說明。
在圖6A中，視窗W1為第一複合影像IM21與第二複合影像IM22的視窗，其中第二複合影像IM22可能只有出現物件2，而沒有出現定位符號與編碼圖案，如圖6B所示，實際拍攝結果如圖8B所示；第一複合影像IM21可以出現物件2及定位符號與編碼圖案，如圖6A的視窗W1的內容所示，實際拍攝結果如圖8A所示。另外，值得注意的是，照相機所拍攝出來的編碼圖案的白色部分不一定要有邊框。從圖6B的第二複合影像IM22(聚焦於物件的頂面)可以取得量測點MP1的量測畫素座標為(825,285)，從第一複合影像IM21(聚焦於影像尺的頂面)可以取得第一型態「L」符號的參考點P的影像尺座標(14,10)和參考畫素座標(436,488)，其中圖6A中的定位符號12C上方的編碼圖案代表的數字為14，10。依據上述公式，可以計算出量測點MP1的世界座標為(1000 * 14+(825-436)* 1.05,1000* 10-(285-488)* 1.05)=(14408,10213)。
同理，依據視窗W2的內容(第一複合影像IM21的實際拍攝結果如圖8C所示，第二複合影像IM22的實際拍攝結果如圖8D所示)可以取得量測點MP2的量測畫素座標(969,601)，並取得第四型態「L」符號的參考點P4的參考畫素座標(1038,342)，但由於此時因為編碼圖案被物件遮蔽，無法成功解碼，因此將平台3往左移動了720μm，以獲得對應於新視窗W3的一第三複合影像IM23(實際拍攝結果如圖8E所示)。因此，可以取得第三型態「L」符號的參考點P3的影像尺座標(19,10.5)和參考畫素座標(830,344)，其中，圖7中的定位符號12C上方的編碼圖案代表的數字為19，11。
因此，當對應於量測點MP2的第一複合影像IM21中呈 現出的編碼圖案組16被物件2遮蔽時，處理器30控制驅動機構40移動影像尺10或影像擷取器20，並控制影像擷取器20主要聚焦於影像尺10的頂面10T來擷取影像尺10以獲得第三複合影像IM23(此時的物件處於離焦的狀態)，其中處理器30依據第一複合影像IM21及第三複合影像IM23中的此等定位符號組11及此等編碼圖案組16求得定位符號12D的參考點P4的影像尺座標及參考畫素座標，並執行上述步驟(c)。
由於影像座標必須在X-Y平台3的位置相同的情況下拍攝才具有比較意義，假若拍攝兩張影像時，X-Y平台定位在不同的位置，則其影像中的畫素座標就不能直接做比較，且必須考量X-Y平台的定位精度可能有10~20μm左右的誤差，因此不能透過X-Y平台之定位的位置來做計算。
因為視窗W2的影像中的第四型態「L」符號的參考點P4的影像尺座標，等於視窗W3的影像中的第三型態「L」符號的參考點P3的X座標差異為(-0.5)，Y座標相同，所以透過視窗W3的圖像資訊，得到視窗W2中的第四型態「L」符號的參考點P4的參考畫素座標為(1038,342)，影像尺座標為(18.5,10.5)。因此，量測點MP2的世界座標為(1000 * 18.5+(969-1038)* 1.05,1000 * 10.5-(601-342)* 1.05)=(18427,10228)。
取得量測點MP1與MP2的世界座標以後，可以求出量測點MP1與MP2之間的座標差異為(4019,15)，也就是長度為4019μm，以及量測點MP1與MP2的連線與X軸的夾角約為0.2度。
此外，處理器也可以根據複合影像中的多個定位符號的多個參考點來判斷是否有歪斜(skew)，若有的話，可以進行糾正(de-skew) 的動作。
藉由本發明的上述實施例，為了解決純影像量測物件時，量測之物件尺寸必須小於相機的視野大小的限制，本發明提出影像尺之概念，藉由將待測物件放置在具有定位符號與編碼圖案的載具上，相機在拍攝時，同時對物件與圖案進行拍攝，透過分析圖案，來識別該影像中物件的局部樣貌的實際位置。如此一來，只要將拍攝之物件置於影像尺之上，量測的物件便不再受限於相機的視野大小，也不需要依靠平台的定位精度，即可進行長度量測，經實驗測試，以4mm的塊規(物件)量測為例，平均量測長度為4011μm，平均量測誤差為11μm。除了用於物件的長度量測，影像尺亦可單獨使用，作為物體移動時的定位依據，例如透過取得「L」符號影像中像素的座標，以及「L」符號的影像尺座標，即可推算影像尺相對於相機移動了多少距離，以此可以做到像光學尺或磁性尺的定位功能。
在較佳實施例之詳細說明中所提出之具體實施例僅用以方便說明本發明之技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，在不超出本發明之精神及以下申請專利範圍之情況，所做之種種變化實施，皆屬於本發明之範圍。

Claims (10)

  1. 一種基於影像尺的定位量測系統，包含：一影像尺，用於承載一物件，該影像尺具有排列成二維陣列的多個定位符號組及多個編碼圖案組，各該定位符號組包含多個定位符號，各該編碼圖案組包含多個編碼圖案，該等編碼圖案分別位於該等定位符號之間的空隙中；一影像擷取器，擷取該物件的多個量測點與該影像尺以獲得多個複合影像；一處理器，對該等複合影像進行影像處理，依據該等編碼圖案及該等定位符號以求出該等量測點的位置關係；以及一驅動機構，電連接至該處理器，並機械連接至該影像擷取器或該影像尺，以造成該影像擷取器與該影像尺的相對移動。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的基於影像尺的定位量測系統，其中各該定位符號包含相交於一參考點的兩線段，各該定位符號組包含四個定位符號，各該編碼圖案組包含兩個編碼圖案。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的基於影像尺的定位量測系統，其中各該定位符號組的該四個定位符號具有相同形狀但不同方位。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的基於影像尺的定位量測系統，其中各該定位符號組的各該定位符號具有L或V形狀。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的基於影像尺的定位量測系統，其中各該定位符號組的該四個定位符號具有不相同的形狀。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的基於影像尺的定位量測系統，其中該影像擷取器擷取各該量測點與該影像尺的該等複合影像的個數為二，且該兩複合影像包含一第一複合影像及一第二複合影像，分別為該影像擷取器主要聚焦於該影像尺及該物件的頂面所獲取到的影像。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的基於影像尺的定位量測系統，其中該處理器執行以下步驟：(a)依據該第二複合影像來求得該量測點的量測畫素座標；(b)依據該第一複合影像中的該等定位符號組及該等編碼圖案組求得該定位符號的該參考點的影像尺座標及參考畫素座標；以及(c)依據該等影像尺座標、該等量測畫素座標、該等參考畫素座標、該定位符號組的一單位長度、該定位符號的一型態、該影像擷取器的一物件解析力來求出該量測點的世界座標。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的基於影像尺的定位量測系統，其中若該等影像尺座標為(a,b)，該等量測畫素座標為 (c,d)，該等參考畫素座標為(e,f)，該單位長度為g單位，該物件解析力為h單位/畫素，則於該步驟(c)中：當該定位符號的該型態為一第一型態時，該量測點的該等世界座標為(2g*a+(c-e)*h,2g*b-(d-f)*h)；當該定位符號的該型態為一第二型態時，該量測點的該等世界座標為(2g*a+(c-e)*h+g,2g*b-(d-f)*h)；當該定位符號的該型態為一第三型態時，該量測點(MP)的該等世界座標為(2g*a+(c-e)*h,2g*b-(d-f)*h-g)；以及當該定位符號的該型態為一第四型態時，該量測點的該等世界座標為(2g*a+(c-e)*h+g,2g*b-(d-f)*h-g)。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的基於影像尺的定位量測系統，其中當對應於該等量測點的其中一個的該第一複合影像中呈現出的該編碼圖案組被該物件遮蔽時，該處理器控制該驅動機構移動該影像尺或該影像擷取器，並控制該影像擷取器主要聚焦於該影像尺的該頂面來擷取該影像尺以獲得一第三複合影像，其中該處理器依據該第一複合影像及該第三複合影像中的該等定位符號組及該等編碼圖案組求得該定位符號的該參考點的影像尺座標及參考畫素座標，並執行該步驟(c)。
  10. 如申請專利範圍第7項所述的基於影像尺的定位量測系統，其中該影像尺座標的一X軸方向相同於該量測畫素座標、該參考畫素座標及該世界座標的X軸方向，且該影像尺座標的一Y軸方向相同於該世界座標的一Y軸方 向，但相反於該量測畫素座標及該參考畫素座標的Y軸方向。
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