TW201916022A - 基於彈性特徵影像尺的定位量測系統 - Google Patents

基於彈性特徵影像尺的定位量測系統 Download PDF

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Abstract

一種基於彈性特徵影像尺的定位量測系統包含：一影像擷取器，對一物件進行多次影像擷取動作；一驅動機構，機械連接至影像擷取器及物件之至少一者或兩者，以造成影像擷取器與物件之相對移動；以及一處理器，電連接至影像擷取器及驅動機構，並執行以下步驟：於控制驅動機構使物件與影像擷取器產生M個相對運動之前與後，控制影像擷取器拍攝物件的N個部分以產生N個影像；及萃取各N個影像的多個特徵點，並分別依據N個影像的相鄰兩者的此等特徵點做跨影像的特徵點匹配，以獲得M個相對運動的資訊，此等特徵點對應於物件特有的表面形貌。

Description

基於彈性特徵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彈性特徵影像尺的定位量測系統。
目前各式機械加工機具的物件及平台定位多依靠光學尺、磁性尺等，但容易受到安裝位置、機台本身機構幾何或是價格方面的影響而限制使用與量測。多數光學尺與磁性尺之運作過程沒辦法產生其他的利用，運作過程所使用的資訊只能拿來進行特定方向定位，如果要進行物件加工特徵的量測，或是多方向的定位，還需要其他工具的輔助。
在高精度的物件量測，目前多以三維物件量測的方向進行開發。在三維量測儀使用的方法當中，可以分為接觸式與非接觸式兩種。譬如，中國專利CN103302162B揭露一種基於特徵距離的模具定位方法，其中採用接觸式感測器(探針)來量測物件上所選定的特徵點的特徵距離進行修正及定位。然而，這種接觸量測的方式的缺點是較為費時，而且有受到控制系統與其他機台零件影響到精度的可能，且無法被彈性使用。
因此，本發明的一個目的是提供一種基於彈性特徵影像尺的定位量測系統，其能利用所欲加工或量測的物件的特有表面形貌，來達成影像定位、物件特定尺寸量測及彈性基準定位的功能。
為達上述目的，本發明提供一種基於彈性特徵影像尺的定位量測系統包含：一影像擷取器，對一物件進行多次影像擷取動作；一驅動機構，機械連接至影像擷取器及物件之至少一者或兩者，以造成影像擷取器與物件的相對移動；以及一處理器，電連接至影像擷取器及驅動機構，並執行以下步驟：於控制驅動機構使物件與影像擷取器產生M個相對運動之前與後，控制影像擷取器拍攝物件的N個部分以產生N個影像，其中N為大於或等於2的正整數，且M等於N-1，N個影像的任相鄰兩者局部重疊；以及萃取各N個影像的多個特徵點，並分別依據N個影像的相鄰兩者的此等特徵點做跨影像的特徵點匹配，以獲得M個相對運動的資訊，其中此等特徵點對應於物件特有的表面形貌。
藉由上述實施樣態，每個物件在被形成或加工時，都具有特有的表面形貌，利用所欲加工或量測的物件的特有表面形貌，來達成影像定位、物件特定尺寸量測及彈性基準定位的功能。
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。
IM1至IMN、IM1至IM5‧‧‧影像
IMC‧‧‧校正片影像
IMF‧‧‧對焦影像
P1至P4‧‧‧特徵點
S1至S14‧‧‧步驟
X、Y、Z‧‧‧座標軸
1‧‧‧定位量測系統
2‧‧‧物件
3‧‧‧校正片
10‧‧‧平台
20‧‧‧影像擷取器
21至2N、21至25‧‧‧部分
30‧‧‧處理器
40‧‧‧驅動機構
50‧‧‧人機介面
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顯示物件的局部放大圖。
圖3顯示跨影像的特徵點匹配的示意圖。
圖4顯示定位量測系統的操作方法的流程圖。
圖5顯示頻譜圖中作為對焦分析的中頻率部分(圈圈處)。
圖6顯示對焦良好的校正片的影像。
圖7與圖8顯示兩相鄰影像的特徵點萃取結果。
圖9顯示圖7與圖8的特徵點匹配結果。
本發明是藉由不同影像之間的特徵點匹配，得到像素移動資訊，進行定位，並非拘泥於單一影像內的特徵點辨識匹配，故可以發揮彈性使用的效果。
本發明的實施例是藉由機器視覺配合影像處理方法，發展一套應用於加工平台上的光學影像定位與物件量測系統，此系統具有以下幾個主要功能：(1)影像定位：利用指定的定位點，配合跨影像特徵點搜尋與匹配，計算得到特定特徵或加工處的定位位置，也就是定位量測系統可以配合一譬如鑽床、銑床、車床、磨床、線切割機、雷射加工機等加工機來使用而構成一加工定位系統，由於一邊加工一邊定位的關係，使得物件的表面形貌會有所改變，也就是特徵點會有變化；(2)物件特定尺寸量測：利用影像處理取出特定物件邊緣，配合跨影像特徵點搜尋與匹配，計算處理得到物件尺寸；(3)彈性基準定位：由使用者指定物件上所需要的加工基準位置，配合特徵搜尋匹配，達成可適應多次平台移動的來回定位。
在實際操作上，本實施例使用一個高倍率(最大4.5倍)的可見光相機，搭配XYZ三軸移動平台，使用校正片以獲取真實尺寸的參考比例尺，所拍攝的物件為塊規。首先進行相機對焦，對不同焦距 的校正片影像進行傅立葉轉換(FT)至頻率域後，由頻譜圖計算得到最佳焦距。然後，透過固定倍率下已知的條紋間距，與影像尺寸換算後獲取真實尺寸的影像比例尺。接著移動平台拍攝多張物件影像，選定基準影像中的定位點後，使用譬如加速穩健特徵(Speeded Up Robust Features,SURF)演算法，搜尋不同張影像中的特徵點，跨影像進行匹配，達成跨影像定位。在特定尺寸量測方面，利用影像處理方法將欲得知的輪廓幾何形貌取出後，再由特徵點匹配所得到物件移動資訊，相配合計算即可得到尺寸。藉由上述實施例，可提供一種達微米精度等級的系統，測試結果在4mm的樣本量測誤差小於2μm(平均1.33μm)，10mm的樣本量測誤差則是小於4μm(平均3.3μm)。
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顯示物件的局部放大圖。如圖1與圖2所示，本實施例提供一種基於彈性特徵影像尺的定位量測系統1，包含一影像擷取器20、一驅動機構40及一處理器30。X、Y、Z座標軸如圖1所示。
影像擷取器20譬如是相機，對一物件2進行多次影像擷取動作。於一例子中，主相機的鏡頭倍率可以進行切換，經過計算，在鏡頭切換到最高倍率的情況下，整體視野範圍大約是1.3mm x 1.1mm，一個像素可記錄實際物件約1.06μm x 1.06μm(特別是1.054μm x 1.054μm)的資訊；而切換到最低倍率的情況下，整體視野範圍大約是8.2mm x 6.5mm，一個像素可記錄實際物件約6.4μm x 6.4μm的資訊。
驅動機構40機械連接至影像擷取器20及物件2之至少一者或兩者，以造成影像擷取器20與物件2的相對移動。
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。處理器30電連接至影像擷取器20及驅動機構40，並執行以下步驟(a)與(b)。於步驟(a)中，於控制驅動機構40使物件2與影像擷取器20產生M個相對運動之前與後，控制影像擷取器20拍攝物件2的N個部分21-2N以產生N個影像IM1-IMN，其中N為大於或等於2的正整數，且M等於N-1，N個影像IM1-IMN的任相鄰兩者局部重疊，於本實施例中，N等於5，M等於4。因此，影像擷取器20拍攝物件2的5個部分21-25以產生5個影像IM1-IM5，而驅動機構40使物件2與影像擷取器20產生4個相對運動。值得注意的是，M個相對運動的資訊包含平移資訊及旋轉資訊之一者或兩者。
圖3顯示跨影像的特徵點匹配的示意圖。如圖3所示，於步驟(b)中，處理器30萃取各N個影像IM1-IMN的多個特徵點(包含標示出的特徵點P1至P4及未標示出的其他特徵點)，並分別依據N個影像IM1-IMN的相鄰兩者的此等特徵點做跨影像的特徵點匹配，以獲得M個相對運動的資訊，其中此等特徵點對應於物件2特有的表面形貌。
當然，定位量測系統1可以更包含一平台10，用於承載物件2，驅動機構40透過平台10驅動物件2產生M個相對運動。上述M個相對運動的每一個的單一距離都可以透過跨影像的特徵點匹配方法而得到，譬如是圖3中，影像IM1與IM2之間的相對移動距離就是對應於影像IM1中的特徵點P1的畫素座標(譬如是(9,7))與影像IM2中的特徵點P1的畫素座標(譬如是(3,7))的差值，相當於6個畫素(9-3=6)，再利用6個畫素乘以比例尺的比例即可轉成長度單位。
依據上述特徵點匹配的資訊，可以達成彈性基準定位的功能。舉例而言，處理器30更執行以下步驟：(c)判斷M個相對運動的 資訊是否達到所需的設定資訊，若否，則控制驅動機構40使物件2與影像擷取器20產生額外相對運動；以及(d)重複步驟(a)至(c)直到M個相對運動的資訊達到所需的設定資訊為止。
依據上述特徵點匹配的資訊，可以達成物件特定尺寸量測的功能舉例而言，處理器30更可執行以下步驟：偵測各N個影像IM1-IMN中是否含有一邊界B1，並選擇含有相反方位的兩邊界BM的N個影像IM1-IMN中的兩個影像當作兩邊界影像，依據兩個邊界影像及對應至兩個邊界影像的此等相對運動的累積運動的資訊來計算兩個相反的邊界B1與BM之間的一距離。舉例而言，處理器30是依據兩個邊界影像IM1與IMN(IM5)中對應於物件2的兩局部長度L1與LN(L5)，加上涵蓋兩個邊界影像的此等影像的累積運動的長度L2、L3與L4，來獲得上述距離(=L1+L2+L3+L4+L5)。
此外定位量測系統1可以更包含一人機介面50，電連接至處理器30，並接收一使用者輸入的一定位點，處理器30依據定位點來進行所述的跨影像的特徵點匹配。定位點可以是這些特徵點的其中一個，但也可以不為此等特徵點的其中一個。譬如，在工具機的加工過程可能需要指定定位點。假如使用者是要進行工件的加工，工程圖上面一定有定位或是尺寸標註基準點，用來建立所有加工步驟的座標位置，或稱原點，指定定位點的工作一般在工具機上都是移動到基準點然後歸零，這個歸零的動作其實就是指定定位參考點。使用者可以自由指定影像上面的點，作為與工程圖上面對應的基準定位點。也就是說之後的像素座標定位以此定位點為起始點。
為了決定放大倍率所對應的比例尺，於步驟(a)以前，處理器30可以更執行以下步驟：(a1)控制影像擷取器20以一放大倍率拍 攝一校正片3以獲得一校正片影像，其中影像擷取器20係以此放大倍率拍攝校正片3及物件2；以及(a2)對校正片影像進行影像處理以獲得一個畫素的尺寸，其中處理器30更依據M個相對運動的資訊以及畫素的尺寸求出對應於M個相對運動的資訊的尺寸。
為了達成對焦，於步驟(a1)中，處理器30控制影像擷取器20以多個焦距拍攝校正片3以獲得多個對焦影像IMF，並將此等對焦影像IMF轉換成頻率域以獲得多個頻譜圖，接著選定此等頻譜圖的中頻率部分有最明顯的訊號存在的其中一頻譜圖，以頻譜圖所對應的焦距來拍攝校正片3以獲得校正片影像。
圖4顯示定位量測系統的操作方法的流程圖。如圖4所示，首先設定相機的倍率(步驟S1)，譬如是4.5倍。然後，進行對焦並且記錄平台的對焦位置(步驟S2)，可利用上述的頻譜圖來達成，頻譜圖的一個實際例子如圖5所示，在對焦良好與不良好的影像中，中頻率部分的訊號會有較大的差異，若中頻率具有較明顯的訊號，則表示影像對焦程度較為良好。然後與實際拍攝影像互相比較，作為對焦是否完成的判斷，圖5為對焦良好的狀態。
接著，拍攝校正片來計算比例尺(步驟S3)，圖6顯示對焦良好的校正片的影像。然後，將物件置放於平台上(步驟S4)。接著，移動平台前後，拍攝物件的影像(步驟S5)，當然，如果兩相鄰移動過程中，不需重複拍攝同一狀態的物件影像。然後，進行物件影像的特徵點搜尋與紀錄(步驟S6)。接著，判斷是否有物件輪廓的邊緣影像(步驟S7)，也就是判斷是否為圖3中的邊界影像IM1與IM5，如果是的話，進行物件輪廓獲取的演算法(步驟S8)以及記錄邊界資訊(步驟S9)，然後計算所有像素資訊(步驟S13)，然後套用比例尺，完成 量測(步驟S14)。步驟S6的結果也可以進行特徵點的連續匹配(步驟S10)，然後由匹配結果計算平台位移並紀錄此位移(步驟S11)，接著，判斷是否已經到達所需的位置(步驟S12)，如果否的話，回到步驟S5，以達到彈性基準定位的功能，如果是的話，則計算所有像素資訊(步驟S13)，然後套用比例尺，完成定位(步驟S14)。
物件輪廓獲取的演算法可以透過以下步驟來執行：將影像轉為灰階影像、進行灰階校正、二值化處理、執行索貝爾(Sobel)邊緣偵測法以及霍夫找線(Houghline)線段偵測法。有關特徵點的匹配與追蹤，本實施例是使用影像當中的特徵點，藉由跨影像的匹配來進行特徵點的像素位置移動追蹤，換算真實平台的位置改變，進一步得到定位點位置與物件尺寸。於一例子中，選取具有重疊區域的兩相鄰位置的影像，使用SURF特徵點搜尋法取出影像中若干可能作為定位追蹤點的特徵點。兩相鄰影像的特徵點的結果如圖7與圖8所示，圖中的圓圈皆為特徵點。接著將兩張具有重疊區域，且帶有特徵點資訊的影像，進行快速近似最近鄰搜索庫(Fast Library for Approximate Nearest Neighbors(FLANN))的特徵點匹配，其結果如圖9所示，當中的跨影像的眾多連線即為匹配成功的特徵點組合。值得注意的是，FLANN是目前開發平台中openCV裡面的涵式庫，實際上匹配也可以用其他的方法，故本發明並未受限於此。
另外，從獲取特徵點匹配的位移資料還可以衍生出另外一項應用，那便是觀察或量測平台與物件是否有旋轉，以及旋轉的程度如何。由於本實施例使用的特徵點搜尋方法(SURF)具有旋轉不變性，因此就算物件發生旋轉，其特徵點依然可以匹配。因而可以從各個匹配組合中，觀察不同特徵點的X與Y方向位移數值，如果不是散亂的遞 增遞減，具有某種特定關係的話，就能幾乎排除誤差的可能性，推論此時物件與平台發生旋轉。進一步計算出等效半徑與圓心後，就能量化衡量旋轉的程度。
上述的實施例使用特徵點作為進行一切運算與定位的根本。因此無論需要定位或量測的物件或平台是什麼，只要拍攝到的影像在特徵演算法下，能夠搜尋到特徵點，並且能夠成功實現跨影像匹配，就能實現本發明的基於彈性特徵影像尺的定位量測系統，因為特徵點就可以當作影像尺的定位標記。總之，每個物件在被形成或加工時，都具有特有的表面形貌，利用所欲加工或量測的物件的特有表面形貌，來達成影像定位、物件特定尺寸量測及彈性基準定位的功能。
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. 一種基於彈性特徵影像尺的定位量測系統，包含：一影像擷取器，對一物件進行多次影像擷取動作；一驅動機構，機械連接至該影像擷取器及該物件之至少一者或兩者，以造成該影像擷取器與該物件的相對移動；以及一處理器，電連接至該影像擷取器及該驅動機構，並執行以下步驟：(a)於控制該驅動機構使該物件與該影像擷取器產生M個相對運動之前與後，控制該影像擷取器拍攝該物件的N個部分以產生N個影像，其中N為大於或等於2的正整數，且M等於N-1，該N個影像的任相鄰兩者局部重疊；以及(b)萃取各該N個影像的多個特徵點，並分別依據該N個影像的相鄰兩者的該等特徵點做跨影像的特徵點匹配，以獲得該M個相對運動的資訊，其中該等特徵點對應於該物件特有的表面形貌。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的基於彈性特徵影像尺的定位量測系統，更包含一平台，用於承載該物件，該驅動機構透過該平台驅動該物件產生該M個相對運動。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的基於彈性特徵影像尺的定位量測系統，其中該處理器更執行以下步驟：(c)偵測各該N個影像中是否含有一邊界，並選擇含有相反方位的該兩邊界的該N個影像中的兩個影像當 作兩邊界影像，依據該兩個邊界影像及對應至該兩個邊界影像的該等相對運動的累積運動的資訊來計算該兩個相反的邊界之間的一距離。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的基於彈性特徵影像尺的定位量測系統，其中於該步驟(c)中，是依據該兩個邊界影像中對應於該物件的兩局部長度，加上涵蓋該兩個邊界影像的該等影像的累積運動的長度，來獲得該距離。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的基於彈性特徵影像尺的定位量測系統，更包含一人機介面，電連接至該處理器，並接收一使用者輸入的一定位點，該處理器依據該定位點來進行所述的跨影像的特徵點匹配。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的基於彈性特徵影像尺的定位量測系統，其中該定位點不為該等特徵點的其中一個。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的基於彈性特徵影像尺的定位量測系統，其中該M個相對運動的資訊包含平移資訊及旋轉資訊之一者或兩者。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的基於彈性特徵影像尺的定位量測系統，其中該處理器更執行以下步驟：(c)判斷該M個相對運動的資訊是否達到所需的設定資訊，若否，則控制該驅動機構使該物件與該影像擷取器產生額外相對運動；以及(d)重複步驟(a)至(c)直到該M個相對運動的資訊達到該所需的設定資訊為止。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的基於彈性特徵影像尺的定位量測系統，其中於該步驟(a)以前，該處理器更執行以下步驟：(a1)控制該影像擷取器以一放大倍率拍攝一校正片以獲得一校正片影像，其中該影像擷取器係以該放大倍率拍攝該校正片及該物件；以及(a2)對該校正片影像進行影像處理以獲得一個畫素的尺寸，其中該處理器更依據該M個相對運動的資訊以及該畫素的尺寸求出對應於該M個相對運動的資訊的尺寸。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的基於彈性特徵影像尺的定位量測系統，其中於該步驟(a1)中，該處理器控制該影像擷取器以多個焦距拍攝該校正片以獲得多個對焦影像，並將該等對焦影像轉換成頻率域以獲得多個頻譜圖，接著選定該等頻譜圖的中頻率部分有最明顯的訊號存在的其中一頻譜圖，以該頻譜圖所對應的該焦距來拍攝該校正片以獲得該校正片影像。
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