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利用成像技術(shù)進(jìn)行測量
2014-10-23
機(jī)器自動成像技術(shù)已成為一種成熟且精確可靠的測量工具，可用于汽車、生物科技及通信等多個領(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)動中進(jìn)行成像測量等，使得測量成本進(jìn)一步降低。本文介紹利用成像技術(shù)進(jìn)行測量時需注意的一些問題。
從圖像中我們能得到很多可以量化的測量信息，如距離、角度、重心位置、面積、弧度等，在測量時需要考慮的問題包括基本成像參數(shù)、成像質(zhì)量、校準(zhǔn)情況和測量工具，將硬件和軟件結(jié)合起來可幫助完成成像測量。
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，通過這些參數(shù)可以確定被觀察的物體或區(qū)域。
成像質(zhì)量
影響尺寸測量的一個重要因素是成像質(zhì)量，這是因為圖中獲取的信息直接決定了測量效果。利用信號整形之類的技術(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=(物件最長端長度/最小特征尺寸)×2
以條形碼為例，假如最長端長度為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)指物體最長端長度，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。上述幾項有如下關(guān)系：焦距=S×(WD/FOV)。
失真是另一個影響成像質(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位，在計算時可以把測量失真考慮進(jìn)去。
校準(zhǔn)情況
校準(zhǔn)就是指將像素測量值與現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)測量值聯(lián)系起來的過程，當(dāng)需要以實(shí)際長度單位進(jìn)行精確測量時，這個過程非常重要。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，要用一個已知點(diǎn)距的點(diǎn)陣，從這個點(diǎn)陣中可得到校準(zhǔn)或映射信息。
測量工具
測量工具是尺寸測量的一個重要部分，可以使用斑紋分析、邊緣檢測及圖形匹配等測量工具有效完成測量，具有這些功能的成像軟件能夠拓展測量的性能。
通過斑紋分析，閾值處理將產(chǎn)生一個二進(jìn)制圖像，把被測物體顆粒從背景中區(qū)分開，它將返回二進(jìn)制物體屬性以計算測量值，包括：
以像素表示的尺寸
重心位置
最長端長度
邊緣檢測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輪廓。有許多參數(shù)對邊緣檢測很重要，如：
對比度：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比度的平均像素值·銳度：邊緣過渡區(qū)最小像素數(shù)
圖形匹配可以幫助找到圖像中的參考圖形并報告其在圖像中的位置、旋轉(zhuǎn)角度和比例，它在光線變化以及有噪聲、模糊和部分阻擋的情況下也能正常工作。當(dāng)精度小于像素數(shù)時，可以分?jǐn)?shù)形式表示邊緣檢測或圖形匹配信息，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。
測量實(shí)例
我們已經(jīng)討論了多種與測量有關(guān)的參數(shù)，現(xiàn)在不妨看一看在熱量、應(yīng)力和速率/加速度測量方面的實(shí)際應(yīng)用。
紅外成像設(shè)備(IRMV)在工藝、過程控制或測量設(shè)備中使用熱成像進(jìn)行測量，特殊熱量測量包括熱檢測、溫度測量、熱量分析、穿過阻擋物測量、過程檢測和控制，使用的熱電偶超過76,000個。
在無縫焊接中，可以為機(jī)器控制的焊接過程加一個紅外攝像頭對受熱區(qū)域進(jìn)行實(shí)時監(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)。玻璃彎曲測量是另一個應(yīng)用場合，玻璃彎曲測量包括應(yīng)力評估、淬火和退火控制、除霜裝置/天線質(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，找出部件中的缺陷、裂縫和不良。
應(yīng)力測量是成像產(chǎn)品的另一個應(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、可靠性工程、測量和測試、熱傳輸、流體力學(xué)和材料科學(xué)的用戶。軟材料應(yīng)力測量比較困難，因為精確應(yīng)力測量需要大量樣本和昂貴的探測器，很多應(yīng)力測量技術(shù)將永久性破壞樣品，并且測量時間很長。
速率和加速度測量是另一個實(shí)際應(yīng)用場合，樣板大小和方位角都會影響速度計算，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、可靠的測量工具，能夠精確地測量尺寸、熱量、速率及其它數(shù)據(jù)。應(yīng)仔細(xì)選擇成像設(shè)備的每個部件，為可靠測量創(chuàng)造一個合適的條件
從圖像中我們能得到很多可以量化的測量信息，如距離、角度、重心位置、面積、弧度等，在測量時需要考慮的問題包括基本成像參數(shù)、成像質(zhì)量、校準(zhǔn)情況和測量工具，將硬件和軟件結(jié)合起來可幫助完成成像測量。
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，通過這些參數(shù)可以確定被觀察的物體或區(qū)域。
成像質(zhì)量
影響尺寸測量的一個重要因素是成像質(zhì)量，這是因為圖中獲取的信息直接決定了測量效果。利用信號整形之類的技術(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)的被測物體細(xì)節(jié)的數(shù)量，對比度則是成像系統(tǒng)所產(chǎn)生的被測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算：
最小分辨率=(物件最長端長度/最小特征尺寸)×2
以條形碼為例，假如最長端長度為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)指物體最長端長度，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。上述幾項有如下關(guān)系：焦距=S×(WD/FOV)。
失真是另一個影響成像質(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位，在計算時可以把測量失真考慮進(jìn)去。
校準(zhǔn)情況
校準(zhǔn)就是指將像素測量值與現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)測量值聯(lián)系起來的過程，當(dāng)需要以實(shí)際長度單位進(jìn)行精確測量時，這個過程非常重要。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，要用一個已知點(diǎn)距的點(diǎn)陣，從這個點(diǎn)陣中可得到校準(zhǔn)或映射信息。
測量工具
測量工具是尺寸測量的一個重要部分，可以使用斑紋分析、邊緣檢測及圖形匹配等測量工具有效完成測量，具有這些功能的成像軟件能夠拓展測量的性能。
通過斑紋分析，閾值處理將產(chǎn)生一個二進(jìn)制圖像，把被測物體顆粒從背景中區(qū)分開，它將返回二進(jìn)制物體屬性以計算測量值，包括：
以像素表示的尺寸
重心位置
最長端長度
邊緣檢測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輪廓。有許多參數(shù)對邊緣檢測很重要，如：
對比度：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比度的平均像素值·銳度：邊緣過渡區(qū)最小像素數(shù)
圖形匹配可以幫助找到圖像中的參考圖形并報告其在圖像中的位置、旋轉(zhuǎn)角度和比例，它在光線變化以及有噪聲、模糊和部分阻擋的情況下也能正常工作。當(dāng)精度小于像素數(shù)時，可以分?jǐn)?shù)形式表示邊緣檢測或圖形匹配信息，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。
測量實(shí)例
我們已經(jīng)討論了多種與測量有關(guān)的參數(shù)，現(xiàn)在不妨看一看在熱量、應(yīng)力和速率/加速度測量方面的實(shí)際應(yīng)用。
紅外成像設(shè)備(IRMV)在工藝、過程控制或測量設(shè)備中使用熱成像進(jìn)行測量，特殊熱量測量包括熱檢測、溫度測量、熱量分析、穿過阻擋物測量、過程檢測和控制，使用的熱電偶超過76,000個。
在無縫焊接中，可以為機(jī)器控制的焊接過程加一個紅外攝像頭對受熱區(qū)域進(jìn)行實(shí)時監(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)。玻璃彎曲測量是另一個應(yīng)用場合，玻璃彎曲測量包括應(yīng)力評估、淬火和退火控制、除霜裝置/天線質(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，找出部件中的缺陷、裂縫和不良。
應(yīng)力測量是成像產(chǎn)品的另一個應(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、可靠性工程、測量和測試、熱傳輸、流體力學(xué)和材料科學(xué)的用戶。軟材料應(yīng)力測量比較困難，因為精確應(yīng)力測量需要大量樣本和昂貴的探測器，很多應(yīng)力測量技術(shù)將永久性破壞樣品，并且測量時間很長。
速率和加速度測量是另一個實(shí)際應(yīng)用場合，樣板大小和方位角都會影響速度計算，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、可靠的測量工具，能夠精確地測量尺寸、熱量、速率及其它數(shù)據(jù)。應(yīng)仔細(xì)選擇成像設(shè)備的每個部件，為可靠測量創(chuàng)造一個合適的條件
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