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如何利用成像技术进行测量?


日期:2014-05-24 16:51:04来源:
机器自动成像技术已成为一种成熟且精确可靠的测量工具,可用于汽车、生物科技及通信等多个领域,目前随着软件和成像传感器方面的一些新技术发展如计算机处理速度更快、软件与硬件更容易集成以及可以在运动中进行成像测量等,使得测量成本进一步降低。本文介绍利用成像技术进行测量时需注意的一些问题。 

从图像中我们能得到很多可以量化的测量信息,如距离、角度、重心位置、面积、弧度等,在测量时需要考虑的问题包括基本成像参数、成像质量、校准情况和测量工具,将硬件和软件结合起来可帮助完成成像测量。 

基本成像参数包括视野范围、工作距离、分辨率、景深和探头大小,通过这些参数可以确定被观察的物体或区域。 

成像质量 

影响尺寸测量的一个重要因素是成像质量,这是因为图中获取的信息直接决定了测量效果。利用信号整形之类的技术可以得到高质量数据,此外高精度成像硬件也有助于保证较高的成像质量。

分辨率和对比度是成像质量的重要组成部分,分辨率指成像系统所能重现的被测物体细节的数量,对比度则是成像系统所产生的被测物体与其背景之间的灰度差别。摄像头、镜头和灯光是决定分辨率和对比度的重要因素。成像系统所需最小像素分辨率可由下式计算: 

最小分辨率=(物件最长端长度/最小特征尺寸)×2 

以条形码为例,假如最长端长度为60mm,最小特征尺寸是0.2mm,那么根据上式可算出其最小分辨率应该是(60/0.2)×2=600 

镜头焦距是分辨率另一种表现形式,视野(FOV)指物体最长端长度,工作距离(WD)是物体到镜头的距离,探头大小是摄像探头的尺寸,以mm表示。上述几项有如下关系:焦距=S×(WD/FOV)。 

失真是另一个影响成像质量的因素,它指由于镜头光学误差引起几何偏差,从而在成像平面上造成物体错位,在计算时可以把测量失真考虑进去。 

校准情况 

校准就是指将像素测量值与现实世界的真实测量值联系起来的过程,当需要以实际长度单位进行精确测量时,这个过程非常重要。能提供校准的成像硬件与软件有助于完成测量。 

校准可解决并消除由于镜头失真、透视或方位偏移造成的误差,它还能把图像坐标转变为现实坐标或者相反。进行成像设置校准时,要用一个已知点距的点阵,从这个点阵中可得到校准或映射信息。 

测量工具 

测量工具是尺寸测量的一个重要部分,可以使用斑纹分析、边缘检测及图形匹配等测量工具有效完成测量,具有这些功能的成像软件能够拓展测量的性能。 

通过斑纹分析,阈值处理将产生一个二进制图像,把被测物体颗粒从背景中区分开,它将返回二进制物体属性以计算测量值,包括: 

以像素表示的尺寸 
重心位置 
最长端长度 

边缘检测能帮助找到图像中亮度发生剧烈变化的点,它可以快速确定物体边界线轮廓。有许多参数对边缘检测很重要,如: 

对比度:边缘两边平均像素密度最小差值 

宽度:确定边缘任意一边对比度的平均像素值·锐度:边缘过渡区最小像素数 

图形匹配可以帮助找到图像中的参考图形并报告其在图像中的位置、旋转角度和比例,它在光线变化以及有噪声、模糊和部分阻挡的情况下也能正常工作。当精度小于像素数时,可以分数形式表示边缘检测或图形匹配信息,这种精度表示使用了插补和拟合技术,如果成像条件较好,可实现四分之一像素精度。 

测量实例 

我们已经讨论了多种与测量有关的参数,现在不妨看一看在热量、应力和速率/加速度测量方面的实际应用。 

红外成像设备(IRMV)在工艺、过程控制或测量设备中使用热成像进行测量,特殊热量测量包括热检测、温度测量、热量分析、穿过阻挡物测量、过程检测和控制,使用的热电偶超过76,000个。 

在无缝焊接中,可以为机器控制的焊接过程加一个红外摄像头对受热区域进行实时监视,在这种特定应用下元件焊接可确保达到最低限度安全标准。玻璃弯曲测量是另一个应用场合,玻璃弯曲测量包括应力评估、淬火和退火控制、除霜装置/天线质量控制、安全玻璃分层、玻璃瓶制造和灭菌质量控制等。红外还可用于碟刹系统的检查,工程师可以将红外成像与超声波局部发热结合起来,找出部件中的缺陷、裂缝和不良。 

应力测量是成像产品的另一个应用领域,可用于需要深入了解预失效分析、固态力学与结构设计、可靠性工程、测量和测试、热传输、流体力学和材料科学的用户。软材料应力测量比较困难,因为精确应力测量需要大量样本和昂贵的探测器,很多应力测量技术将永久性破坏样品,并且测量时间很长。 

速率和加速度测量是另一个实际应用场合,样板大小和方位角都会影响速度计算,具体应用包括喷雾特性、流体研究、燃油注入研究和防务等。 

视频成像是一种成熟、低成本、可靠的测量工具,能够精确地测量尺寸、热量、速率及其它数据。应仔细选择成像设备的每个部件,为可靠测量创造一个合适的条件。