影像测量仪之测量误差分析

影像测量仪是近年来基于计算机视觉检测技术发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器，广泛应用于机械制造、电子、汽车和航天航空等工业中。它可以用来进行零部件的尺寸、形状及其相互位置的在线检测，还可应用于划线、定中心孔、光刻集成线路对准等。由于它的通用性强、测量范围大、精度高、性能好、实时性强、能与柔性制造系统相连接，所以用处相当的广泛。

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影像测量仪的组成

影像测量是将被测对象的图像当作检测和传递信息的测量方法，其目的是从图像中提取有用的信号，而基于图像分析、识别来进行测量。图像是指对物体的发光以及反射光的视觉印象，因为计算机只能处理数字信息，所以图像并不能直接由计算机进行处理，一幅图像在用计算机进行处理之前必须先转化为数字形式，成为数字图像，即进行图像的数字化。因此，一个典型的图像测量系统主要由 光源、机台、CCD摄像机、图像采集卡、运动控制系统、PC机6个部分组成，如下图所示。通过各个部分的组合来完成各种不同环境高精密影像检测任务。

影像测量仪的测量过程如下图所示。首先将待测工件放于工作台上，启动运动控制程序通过运动控制卡来控制X、Y、Z三轴的运动使得它们达到合适的位置，并使待测工件的图像能够清晰的呈现到CCD中，CCD把获得的光信号转变成为电信号，然后通过图像采集卡把被测物体的图像采集到PC机里。然后通过图像处理技术，空间几何运算，运动控制以及对光栅数据的采集与运算来获得被测物体的几何尺寸和对要检测物理量的检测，最后通过测量软件完成测量工作，得到所想要得到的参数，完成测量工作。

影像测量的过程

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测量误差分析 ：

影像测量仪的测量误差是指影像测量仪本身所固有的误差。造成仪器的误差是多方面的，在仪器的设计、制造和使用的各个阶段都可能产生误差，分别称为测量仪的 原理误差、 制造误差、 运行误差。

2.1 原理误差

属于影像测量仪的原理误差的是：CCD摄像头畸变产生的误差、测量方法不同而产生的误差。摄像机的制造和工艺等原因，入射光线在通过各个透镜时的折射误差和CD点阵位置误差等，光学系统存在着非线性的几何失真，使得目标像点与理论像点之间存在多种类型的几何畸变：径向畸变、偏心畸变、薄棱镜畸变等，并且径向畸变较大，切向畸变和薄棱镜畸变较小，且图像中心区域畸变很小，边缘畸变大。使用高质量镜头可以减少畸变误差的影响，但在精密测量中需要考虑到畸变的影响 对测量结果进行修正。

测量方法不同而产生的误差主要指不同图像处理技术带来的识别、量化误差。图像的边缘是图像的基本特征，是物体的轮廓或物体不同表面之间的交界在图像中的反映。边缘轮廓是人类识别物体形状的重要因素，也是图像处理中重要的处理对象。在图像处理的过程中需要进行边缘提取，而数字图像处理技术中边缘提取有很多不同的方法，选用不同的提取方法会对同一个被测件的边缘位置产生不小的变化，因此会对最后的测量结果产生影响，如测量某一圆形工件的半径和圆心的时候，当圆的轮廓发生变化时，它的半径值和圆心位置就会相应的发生变化。由此可知，在图像处理的过程中图像处理算法对仪器的测量精度有着十分重要的影响，是影像测量所关注的焦点问题。

2.2 制造误差

属于影像测量仪的制造误差的是：导向机构产生的误差、安装误差等。导向机构产生的误差对影像测量仪来说主要是机构误差中的直线运动定位误差。影像测量仪是正交坐标系测量仪器。正交坐标系测量仪有3根相互垂直的轴线即X、Y、Z三轴，有3个运动部件沿这三根轴线运动，使CCD相对于被测工件作三维直线运动。选用高质量的运动导向机构可以减少此类误差的影响。安装误差则主要在于摄像机与工作台面之间的相对关系，如图3所示。当测量平台与CCD摄像机的镜头呈现出一定的角度H时，根据几何学的知识可以得到误差计算式如下：

D =L(1- cosH)

摄像机安装误差示意图

如果影像测量仪的测量平台水平性能以及CCD摄像机的安装十分出色，它们之间的夹角都在范围以内，此误差非常小。

2.3 运行误差

属于影像测量仪运行误差的是：测量环境和条件变化引起的误差（如温度变化、电压波动、照明条件变化、机构磨损等），以及动态误差。由于温度的改变，使得影像测量仪的零部件尺寸、形状、相互位置关系以及一些重要的特性参数发生变化，从而影响这台仪器的精度。温度的变化还可能引起电器参数的改变以及仪器特性的改变，引起温度灵敏度漂移和温度零点漂移。电压及照明条件的变化会影响到影像测量仪的上，下光源灯的亮度，造成系统光照不均从而使得在采集图像边缘留下阴影造成的图像边缘提取误差。磨损使影像测量仪的零件产生尺寸、形状、位置误差，配合间隙增加，降低此仪器的工作精度的稳定性。因此，测量运行条件的改善可以有效地减少此类误差的影响。

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