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利用成像技術(shù)進(jìn)行測(cè)量
2014-10-23
機(jī)器自動(dòng)成像技術(shù)已成為一種成熟且精確可靠的測(cè)量工具，可用于汽車(chē)、生物科技及通信等多個(gè)領(lǐng)域，目前隨著軟件和成像傳感器方面的一些新技術(shù)發(fā)展如計(jì)算機(jī)處理速度更快、軟件與硬件更容易集成以及可以在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行成像測(cè)量等，使得測(cè)量成本進(jìn)一步降低。本文介紹利用成像技術(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)需注意的一些問(wèn)題。
從圖像中我們能得到很多可以量化的測(cè)量信息，如距離、角度、重心位置、面積、弧度等，在測(cè)量時(shí)需要考慮的問(wèn)題包括基本成像參數(shù)、成像質(zhì)量、校準(zhǔn)情況和測(cè)量工具，將硬件和軟件結(jié)合起來(lái)可幫助完成成像測(cè)量。
基本成像參數(shù)包括視野范圍、工作距離、分辨率、景深和探頭大小，通過(guò)這些參數(shù)可以確定被觀(guān)察的物體或區(qū)域。
成像質(zhì)量
影響尺寸測(cè)量的一個(gè)重要因素是成像質(zhì)量，這是因?yàn)閳D中獲取的信息直接決定了測(cè)量效果。利用信號(hào)整形之類(lèi)的技術(shù)可以得到高質(zhì)量數(shù)據(jù)，此外高精度成像硬件也有助于保證較高的成像質(zhì)量。
最小分辨率=(物件最長(zhǎng)端長(zhǎng)度/最小特征尺寸)×2
以條形碼為例，假如最長(zhǎng)端長(zhǎng)度為60mm，最小特征尺寸是0.2mm，那么根據(jù)上式可算出其最小分辨率應(yīng)該是(60/0.2)×2=600
鏡頭焦距是分辨率另一種表現(xiàn)形式，視野(FOV)指物體最長(zhǎng)端長(zhǎng)度，工作距離(WD)是物體到鏡頭的距離，探頭大小是攝像探頭的尺寸，以mm表示。上述幾項(xiàng)有如下關(guān)系：焦距=S×(WD/FOV)。
失真是另一個(gè)影響成像質(zhì)量的因素，它指由于鏡頭光學(xué)誤差引起幾何偏差，從而在成像平面上造成物體錯(cuò)位，在計(jì)算時(shí)可以把測(cè)量失真考慮進(jìn)去。
校準(zhǔn)情況
校準(zhǔn)就是指將像素測(cè)量值與現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)測(cè)量值聯(lián)系起來(lái)的過(guò)程，當(dāng)需要以實(shí)際長(zhǎng)度單位進(jìn)行精確測(cè)量時(shí)，這個(gè)過(guò)程非常重要。能提供校準(zhǔn)的成像硬件與軟件有助于完成測(cè)量。
校準(zhǔn)可解決并消除由于鏡頭失真、透視或方位偏移造成的誤差，它還能把圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)坐標(biāo)或者相反。進(jìn)行成像設(shè)置校準(zhǔn)時(shí)，要用一個(gè)已知點(diǎn)距的點(diǎn)陣，從這個(gè)點(diǎn)陣中可得到校準(zhǔn)或映射信息。
測(cè)量工具
測(cè)量工具是尺寸測(cè)量的一個(gè)重要部分，可以使用斑紋分析、邊緣檢測(cè)及圖形匹配等測(cè)量工具有效完成測(cè)量，具有這些功能的成像軟件能夠拓展測(cè)量的性能。
通過(guò)斑紋分析，閾值處理將產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制圖像，把被測(cè)物體顆粒從背景中區(qū)分開(kāi)，它將返回二進(jìn)制物體屬性以計(jì)算測(cè)量值，包括：
以像素表示的尺寸
重心位置
最長(zhǎng)端長(zhǎng)度
邊緣檢測(cè)能幫助找到圖像中亮度發(fā)生劇烈變化的點(diǎn)，它可以快速確定物體邊界線(xiàn)輪廓。有許多參數(shù)對(duì)邊緣檢測(cè)很重要，如：
對(duì)比度：邊緣兩邊平均像素密度最小差值
寬度：確定邊緣任意一邊對(duì)比度的平均像素值·銳度：邊緣過(guò)渡區(qū)最小像素?cái)?shù)
圖形匹配可以幫助找到圖像中的參考圖形并報(bào)告其在圖像中的位置、旋轉(zhuǎn)角度和比例，它在光線(xiàn)變化以及有噪聲、模糊和部分阻擋的情況下也能正常工作。當(dāng)精度小于像素?cái)?shù)時(shí)，可以分?jǐn)?shù)形式表示邊緣檢測(cè)或圖形匹配信息，這種精度表示使用了插補(bǔ)和擬合技術(shù)，如果成像條件較好，可實(shí)現(xiàn)四分之一像素精度。
測(cè)量實(shí)例
我們已經(jīng)討論了多種與測(cè)量有關(guān)的參數(shù)，現(xiàn)在不妨看一看在熱量、應(yīng)力和速率/加速度測(cè)量方面的實(shí)際應(yīng)用。
紅外成像設(shè)備(IRMV)在工藝、過(guò)程控制或測(cè)量設(shè)備中使用熱成像進(jìn)行測(cè)量，特殊熱量測(cè)量包括熱檢測(cè)、溫度測(cè)量、熱量分析、穿過(guò)阻擋物測(cè)量、過(guò)程檢測(cè)和控制，使用的熱電偶超過(guò)76,000個(gè)。
在無(wú)縫焊接中，可以為機(jī)器控制的焊接過(guò)程加一個(gè)紅外攝像頭對(duì)受熱區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，在這種特定應(yīng)用下元件焊接可確保達(dá)到最低限度安全標(biāo)準(zhǔn)。玻璃彎曲測(cè)量是另一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合，玻璃彎曲測(cè)量包括應(yīng)力評(píng)估、淬火和退火控制、除霜裝置/天線(xiàn)質(zhì)量控制、安全玻璃分層、玻璃瓶制造和滅菌質(zhì)量控制等。紅外還可用于碟剎系統(tǒng)的檢查，工程師可以將紅外成像與超聲波局部發(fā)熱結(jié)合起來(lái)，找出部件中的缺陷、裂縫和不良。
應(yīng)力測(cè)量是成像產(chǎn)品的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，可用于需要深入了解預(yù)失效分析、固態(tài)力學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性工程、測(cè)量和測(cè)試、熱傳輸、流體力學(xué)和材料科學(xué)的用戶(hù)。軟材料應(yīng)力測(cè)量比較困難，因?yàn)榫_應(yīng)力測(cè)量需要大量樣本和昂貴的探測(cè)器，很多應(yīng)力測(cè)量技術(shù)將永久性破壞樣品，并且測(cè)量時(shí)間很長(zhǎng)。
速率和加速度測(cè)量是另一個(gè)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，樣板大小和方位角都會(huì)影響速度計(jì)算，具體應(yīng)用包括噴霧特性、流體研究、燃油注入研究和防務(wù)等。
視頻成像是一種成熟、低成本、可靠的測(cè)量工具，能夠精確地測(cè)量尺寸、熱量、速率及其它數(shù)據(jù)。應(yīng)仔細(xì)選擇成像設(shè)備的每個(gè)部件，為可靠測(cè)量創(chuàng)造一個(gè)合適的條件
從圖像中我們能得到很多可以量化的測(cè)量信息，如距離、角度、重心位置、面積、弧度等，在測(cè)量時(shí)需要考慮的問(wèn)題包括基本成像參數(shù)、成像質(zhì)量、校準(zhǔn)情況和測(cè)量工具，將硬件和軟件結(jié)合起來(lái)可幫助完成成像測(cè)量。
基本成像參數(shù)包括視野范圍、工作距離、分辨率、景深和探頭大小，通過(guò)這些參數(shù)可以確定被觀(guān)察的物體或區(qū)域。
成像質(zhì)量
影響尺寸測(cè)量的一個(gè)重要因素是成像質(zhì)量，這是因?yàn)閳D中獲取的信息直接決定了測(cè)量效果。利用信號(hào)整形之類(lèi)的技術(shù)可以得到高質(zhì)量數(shù)據(jù)，此外高精度成像硬件也有助于保證較高的成像質(zhì)量。
分辨率和對(duì)比度是成像質(zhì)量的重要組成部分，分辨率指成像系統(tǒng)所能重現(xiàn)的被測(cè)物體細(xì)節(jié)的數(shù)量，對(duì)比度則是成像系統(tǒng)所產(chǎn)生的被測(cè)物體與其背景之間的灰度差別。攝像頭、鏡頭和燈光是決定分辨率和對(duì)比度的重要因素。成像系統(tǒng)所需最小像素分辨率可由下式計(jì)算：
最小分辨率=(物件最長(zhǎng)端長(zhǎng)度/最小特征尺寸)×2
以條形碼為例，假如最長(zhǎng)端長(zhǎng)度為60mm，最小特征尺寸是0.2mm，那么根據(jù)上式可算出其最小分辨率應(yīng)該是(60/0.2)×2=600
鏡頭焦距是分辨率另一種表現(xiàn)形式，視野(FOV)指物體最長(zhǎng)端長(zhǎng)度，工作距離(WD)是物體到鏡頭的距離，探頭大小是攝像探頭的尺寸，以mm表示。上述幾項(xiàng)有如下關(guān)系：焦距=S×(WD/FOV)。
失真是另一個(gè)影響成像質(zhì)量的因素，它指由于鏡頭光學(xué)誤差引起幾何偏差，從而在成像平面上造成物體錯(cuò)位，在計(jì)算時(shí)可以把測(cè)量失真考慮進(jìn)去。
校準(zhǔn)情況
校準(zhǔn)就是指將像素測(cè)量值與現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)測(cè)量值聯(lián)系起來(lái)的過(guò)程，當(dāng)需要以實(shí)際長(zhǎng)度單位進(jìn)行精確測(cè)量時(shí)，這個(gè)過(guò)程非常重要。能提供校準(zhǔn)的成像硬件與軟件有助于完成測(cè)量。
校準(zhǔn)可解決并消除由于鏡頭失真、透視或方位偏移造成的誤差，它還能把圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)坐標(biāo)或者相反。進(jìn)行成像設(shè)置校準(zhǔn)時(shí)，要用一個(gè)已知點(diǎn)距的點(diǎn)陣，從這個(gè)點(diǎn)陣中可得到校準(zhǔn)或映射信息。
測(cè)量工具
測(cè)量工具是尺寸測(cè)量的一個(gè)重要部分，可以使用斑紋分析、邊緣檢測(cè)及圖形匹配等測(cè)量工具有效完成測(cè)量，具有這些功能的成像軟件能夠拓展測(cè)量的性能。
通過(guò)斑紋分析，閾值處理將產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制圖像，把被測(cè)物體顆粒從背景中區(qū)分開(kāi)，它將返回二進(jìn)制物體屬性以計(jì)算測(cè)量值，包括：
以像素表示的尺寸
重心位置
最長(zhǎng)端長(zhǎng)度
邊緣檢測(cè)能幫助找到圖像中亮度發(fā)生劇烈變化的點(diǎn)，它可以快速確定物體邊界線(xiàn)輪廓。有許多參數(shù)對(duì)邊緣檢測(cè)很重要，如：
對(duì)比度：邊緣兩邊平均像素密度最小差值
寬度：確定邊緣任意一邊對(duì)比度的平均像素值·銳度：邊緣過(guò)渡區(qū)最小像素?cái)?shù)
圖形匹配可以幫助找到圖像中的參考圖形并報(bào)告其在圖像中的位置、旋轉(zhuǎn)角度和比例，它在光線(xiàn)變化以及有噪聲、模糊和部分阻擋的情況下也能正常工作。當(dāng)精度小于像素?cái)?shù)時(shí)，可以分?jǐn)?shù)形式表示邊緣檢測(cè)或圖形匹配信息，這種精度表示使用了插補(bǔ)和擬合技術(shù)，如果成像條件較好，可實(shí)現(xiàn)四分之一像素精度。
測(cè)量實(shí)例
我們已經(jīng)討論了多種與測(cè)量有關(guān)的參數(shù)，現(xiàn)在不妨看一看在熱量、應(yīng)力和速率/加速度測(cè)量方面的實(shí)際應(yīng)用。
紅外成像設(shè)備(IRMV)在工藝、過(guò)程控制或測(cè)量設(shè)備中使用熱成像進(jìn)行測(cè)量，特殊熱量測(cè)量包括熱檢測(cè)、溫度測(cè)量、熱量分析、穿過(guò)阻擋物測(cè)量、過(guò)程檢測(cè)和控制，使用的熱電偶超過(guò)76,000個(gè)。
在無(wú)縫焊接中，可以為機(jī)器控制的焊接過(guò)程加一個(gè)紅外攝像頭對(duì)受熱區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，在這種特定應(yīng)用下元件焊接可確保達(dá)到最低限度安全標(biāo)準(zhǔn)。玻璃彎曲測(cè)量是另一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合，玻璃彎曲測(cè)量包括應(yīng)力評(píng)估、淬火和退火控制、除霜裝置/天線(xiàn)質(zhì)量控制、安全玻璃分層、玻璃瓶制造和滅菌質(zhì)量控制等。紅外還可用于碟剎系統(tǒng)的檢查，工程師可以將紅外成像與超聲波局部發(fā)熱結(jié)合起來(lái)，找出部件中的缺陷、裂縫和不良。
應(yīng)力測(cè)量是成像產(chǎn)品的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，可用于需要深入了解預(yù)失效分析、固態(tài)力學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性工程、測(cè)量和測(cè)試、熱傳輸、流體力學(xué)和材料科學(xué)的用戶(hù)。軟材料應(yīng)力測(cè)量比較困難，因?yàn)榫_應(yīng)力測(cè)量需要大量樣本和昂貴的探測(cè)器，很多應(yīng)力測(cè)量技術(shù)將永久性破壞樣品，并且測(cè)量時(shí)間很長(zhǎng)。
速率和加速度測(cè)量是另一個(gè)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，樣板大小和方位角都會(huì)影響速度計(jì)算，具體應(yīng)用包括噴霧特性、流體研究、燃油注入研究和防務(wù)等。
視頻成像是一種成熟、低成本、可靠的測(cè)量工具，能夠精確地測(cè)量尺寸、熱量、速率及其它數(shù)據(jù)。應(yīng)仔細(xì)選擇成像設(shè)備的每個(gè)部件，為可靠測(cè)量創(chuàng)造一個(gè)合適的條件
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