CN1291214C - 一种用双相机数字成像精密测量工件长度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用双相机数字成像精密测量工件长度的方法，通过将工件置于量规的两个测量面之间，工件轴线与量规测量面垂直，并在工件轴线的两侧分别设置有两个数字相机和两个背光源，数字相机与图像处理装置相连。两个数字相机分别摄下对应的工件端面与量规测量面之间距离在对应背光源上投影的图像；运用数字图像处理技术计算出工件两端面与对应量规两测量面之间的距离值，就可折算出工件长度。本发明方法的测定值与工件两端面的直径无关；工件轴心线向数字相机或背光源偏移时，对测定工件的长度没有影响；数字相机摄下的图像幅面小，像素分布密，像素间距离小，因而测定值精度高。

Description

一种用双相机数字成像精密测量工件长度的方法

技术领域

本发明属于非接触长度检测技术领域，具体地说，涉及一种在自动高速检测线上用双相机数字成像精密测量工件长度的方法。

背景技术

目前，在自动检测线上，对像圆柱销之类工件长度的高速精密检测，可以采用数字成像长度检测方法，即用一个面阵式CCD数字相机和一个背光源分别放置在工件轴线的两侧，用数字相机摄下工件在背光源上的投影图象。因面阵式CCD由像素(光敏NP结)矩阵组成，摄像时，将光照的分布变成像素电量的分布，像素的电量代表像素的灰度值，再经过模/数转换形成数字图像，经过传输、存储及数字图像处理，由图像处理装置计算出工件的长度值，并与标准工件长度值作比较而判断工件长度的合格与否。其缺点是：测定值与工件大、小端的端面直径有关，工件轴心线向相机或背光源偏移时，测定的工件长度值将偏大或偏小，对测定工件的长度有影响，另外，由于数字相机摄下的投影图像幅面大，单位长度内的像素分布较少，像素间距离大，使测定值的精度分辨率偏低。

发明内容

本发明的目的是提供一种测定值与工件两端面直径无关，工件轴线向数字相机或背光源偏移时对测定结果无影响，测定精度高的用双相机数字成像精密测量工件长度的方法。

为达到上述目的，本发明提供的用数字相机精密测量工件长度的方法，包括：

(1)、将工件置于量规的两个测量面之间，工件轴线与量规测量面垂直，并在工件轴线的两侧分别设置有数字相机和背光源，其中一个数字相机在工件轴线的一侧，另一个数字相机在工件轴线的另一侧，每个数字相机均有一个背光源与其相对应，数字相机与图像处理装置相连；

(2)、两个数字相机分别摄下对应的工件端面与量规测量面之间距离在对应背光源上投影的图像；

(3)上述投影图像传输至图像处理装置，由图像处理装置运用数字图像处理技术计算出工件两端面与对应量规两测量面之间的距离值；

(4)、图像处理装置将量规两测量面间的长度减去上述两个距离值之和计算出工件长度，并将其与标准工件长度作比较，根据允许的误差范围，判断工件长度是否为合格。

所述量规两测量面的中心位于工件的轴心线上；数字相机镜头中心到对应背光源的垂线与对应工件端面重合；两数字相机与工件轴心线的距离相等，两背光源与工件轴心线的距离相等。

由于本发明中采用两个数字相机在工件轴线的两侧分别对工件的两端面与对应量规测量面之间的距离进行投影摄像，图像幅面边长不需要大于工件长度，仅需大于工件端面至对应量规测量面之间的距离，则投影图像相邻像素间的距离将更小，在对数字图像进行处理时，运用插值处理方法，测长分辨率可达到很高的精度。量规的长度是一定的，量规的长度减去上述两距离之和，便是工件长度的测量值，使测定值几乎与两端面的直径无关；工件轴心线向数字相机或背光源偏移时，两数字相机测定值的偏大(小)量为同值异号，最终对工件的长度测定值没有影响。采用上述方案，与传统单数字相机测定工件长度的方法相比，具有如下显著效果：

(1)、测定值与工件两端面的直径无关；

(2)、工件轴心线向数字相机或背光源偏移时，对测定工件的长度没有影响；

(3)、数字相机摄下的图像幅面小，单位长度内的像素分布较多，像素间距离小，测定值精度分辨率高。

附图说明

图1是本发明方法的实施例流程图；

图2是传统单数字相机测长方法的原理图；

图3是本发明方法的原理图；

图4是本发明方法最佳的布置方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明提供的用双相机数字成像精密测量工件长度的方法，是运用面阵式CCD成像，摄像时，将光照的分布变成像素电量的分布，像素电量代表像素的灰度值，再经过模/数转换形成数字图像。经过传输、储存及处理得到待测长度值，下面结合附图1，以在自动检测线上测定一种有小端面和大端面的工件1的长度为例，详述其步骤如下：

(1)、将工件1置于半环形量规2的两个测量面之间，工件1轴线与量规2测量面垂直，并在工件1轴线的两侧分别设置有数字相机和背光源，其中一个数字相机3在工件1轴线的一侧，另一个数字相机4在工件1轴线的另一侧，数字相机3和数字相机4分别有背光源5和背光源6与其相对应，数字相机3和数字相机4均与图像处理装置7相连；

(2)、数字相机3和数字相机4分别摄下对应的工件1两个端面与量规2测量面之间距离在对应背光源5和背光源6上投影的图像；

(3)上述投影图像传输至图像处理装置7，由图像处理装置7运用数字图像处理技术计算出工件1两端面与对应量规2两测量面之间的距离值；

(4)、图像处理装置7将量规2两测量面之间的长度减去上述两个距离值之和计算出工件1的长度，并将其与标准工件长度作比较，根据允许的误差范围，判断工件长度是否为合格。

下面结合图2、图3及有关公式，对传统单数字相机测长方法与本发明方法的测量精度进行比较分析(假设工件1要求的测量精度为10微米)：

(一)、传统单数字相机测长方法测量误差分析：

如图2所示，工件1置于数字相机与背光源之间。设工件1在背光源上的投影长度为L并由两段LR、Lr组成(以数字相机镜头中心到背光源的垂线为分界线)；工件1的长度为l，并由两段l_R、l_r组成(以数字相机镜头中心到背光源的垂线为分界线)；工件1小端面的半径为r，大端面半径为R；工件1轴心线到背光源的距离为h，数字相机到背光源的距离为H。

工件1投影长 $L=\mathrm{LR}+\mathrm{Lr}$

$=(\frac{l_R}{H-h-R}+\frac{l_r}{H-h-r})H$

因投影长L大于工件长l，

令 $\frac{l}{L}=k<1$ k为投影系数

则l＝k×L

在实测中，对k赋值，使kL＝l即可。

传统单数字相机方法测长时，图像幅面边长应大于工件长度，例如工件1长度为30毫米，则取图像幅面为51.2×51.2毫米，假设像素为512×512，则相邻像素距离为0.1毫米。在图像处理时，再用插值处理，算出四个相邻像素中某一点的灰度值，测长分辨率(显示精度)可达0.01毫米。

先用标准样件对数字相机参数进行设定，同时设定k值。

实测时，工件1尺寸与样件相比有一些变动，而且工件1的测量位置也有变动，k将变动为k′，实际长为k′×L，但测量值仍按k值计算，因此传统单数字相机测长方法的测量误差：

Δ＝(k-k′)L

与测量误差有关的工件1尺寸是长度l，大端面半径R，小端面半径r。

与测量误差有关的工件1位置尺寸是h、l_R。

用上述误差计算公式可得工件1的测长误差。

例：H＝210 l＝25 h＝35 R＝3 r＝1 l_r＝12.5 l_R＝12.5时：

r＝1±0.1R＝3±0.1l＝25±0.2h＝35±0.1lr＝12.5±0.2

Δ＝±0.0071Δ＝±0.0073Δ＝±0.0012Δ＝±0.0145Δ＝±0.0023

误差小于许可值误差小于许可值误差很小误差超出许可值较多误差很小

工件1轴线轴向偏移±0.2毫米时，测长误差仅±0.0023毫米。

工件1轴线向相机或背光源偏移±0.1毫米时，测长误差达±0.0145毫米，超出许可值。因此对测量系统的工件1定位精度有很高的要求。

(二)、本发明方法测量误差分析：

如图3所示，设工件1的长度为l，量规2两测量面之间的距离为L，工件1小端面的半径为r，大端面的半径为R，量规2两测量面的半高为h₃；数字相机3到背光源5的距离为H₁，数字相机4到背光源6的距离为H₂，工件1与量规2同轴心，工件1轴心线到背光源5的距离为h₁，到背光源6的距离为h₂；数字相机3镜头中心到背光源5垂线与对应量规2测量面间的距离为l₁₃，与工件1小端面间的距离为l_1r，数字相机4镜头中心到背光源6垂线与对应量规2测量面间的距离为l₂₃，与工件1大端面间的距离为l_2R，量规2测量面与工件1端面之间的距离在背光源5和背光源6上的投影长度，其中靠近量规2测量面的段分别为L₁₃和L₂₃(以数字相机镜头中心到背光源的垂线为分界线)，靠近工件1端面的段分别为L_1r和L_2R(以数字相机镜头中心到背光源的垂线为分界线)，工件1的长度l为量规2两测量面之间的长度减去工件1两端面与量规2对应两测量面之间距离的和，即

$l=L-(l_{1r}+l_{13})-(l_{2R}+l_{23})$

$=L-\frac{L_{1r}(H_1-h_1+r)+L_{13}(H_1-h_1+h_3)}{H_1}-\frac{L_{2R}(H_2-h_2+R)+L_{23}(H_2-h_2+h_3)}{H_2}$

令投影系数 $k_1=\frac{l_{1r}+l_{13}}{L_{1r}+L_{13}}$

投影系数 $k_2=\frac{l_{2R}+l_{23}}{L_{2R}+L_{23}}$

l＝L-k₁(L_1r+L₁₃)-k₂(L_2R+L₂₃)

图像幅面边长若为3毫米，则取图像幅面为5.12×5.12毫米，假设像素为512×512，则相邻像素距离为0.01毫米。在图像处理时，再用插值处理，测长分辨率(显示精度)可达0.001毫米。先用标准样件对数字相机3和数字相机4的参数进行设定。同时设定k₁、k₂值。

实测时，工件1尺寸与样件相比有一些变动，而且工件1的测量位置也有变动，k₁、k₂将变动为k₁′、k₂′，实际长为k′×L，但测量值仍按k值计算，因此本发明方法测量误差：

Δ＝Δ₁+Δ₂＝(k₁-k₁′)(L_1r+L₁₃)+(k₂-k₂′)(L_2R+L₂₃)

与测量误差有关的工件尺寸是工件1的长度l，大端面直径R，小端面直径r。

与测量误差有关的工件1位置尺寸是h₁、h₂、l_1r、l_2R。

用上述误差计算公式可得到工件1的测长误差。

例：L＝27 l＝25 H＝75 h＝35 R＝3 r＝1 l_r＝0.5 l_R＝0.5时：

r＝1±0.1R＝3±0.1l＝25±0.2h＝35±0.1lr＝0.5±0.1

Δ＝±0.0012Δ＝±0.0011Δ＝±0.0020Δ＝±0.0000Δ＝±0.0055

误差很小误差很小误差很小误差为零误差小于许可值

从以上分析计算数据，可以得到如下结论：

a、工件1小端面直径r变动±0.05、大端面直径R变动±0.05与长度变动±0.20引起的测量误差，传统方法与本发明方法的测长误差均小于4微米，可以忽略不计；

b、工件1轴线向数字相机或背光源偏移±0.1毫米引起的测量误差，传统单数字相机测长方法为14.5微米，超过测量精度要求较多。而本发明方法中因为Δ₁与Δ₂抵消结果，误差仅0.1微米，可忽略不计，因此对测量系统的工件1轴线高低及定位精度要求不高；

c、工件1轴线轴向位置变动±0.1引起的测量误差，传统单数字相机测长方法较小，而本发明方法约为5.5微米，仍小于许可值；

d、当上述几个参数同时变动时引起的测量误差，本发明方法为4.7微米；

e、本发明方法测长时，图像幅面较小，相邻像素距离为0.01毫米，测长分辨率(显示精度)可达0.001毫米，而传统单数字相机测长方法分辨率仅为0.01毫米；

f、与传统单数字相机测长方法误差计算结果比较，本发明方法的各项误差较小。

图4是本发明方法最佳的布置方式，量规2两测量面的中心位于工件1的轴心线上，数字相机3和数字相机4镜头中心到对应背光源5和背光源6的垂线分别与对应工件1两端面重合，两数字相机3和4与工件轴心线的距离相等，两背光源5和6与工件1轴心线的距离也相等，这样布置使工件1大小端面对测量结果没有任何影响，并简化计算，提高测量的精度。

Claims (2)

1、一种用双相机数字成像精密测量工件长度的方法，其特征在于包括：

(1)、将工件置于量规的两个测量面之间，工件轴线与量规测量面垂直，并在工件轴线的两侧分别设置有数字相机和背光源，其中一个数字相机在工件轴线的一侧，另一个数字相机在工件轴线的另一侧，每个数字相机均有一个背光源与其相对应，数字相机与图像处理装置相连；

(2)、两个数字相机分别摄下对应的工件端面与量规测量面之间距离在对应背光源上投影的图像；

(3)上述投影图像传输至图像处理装置，由图像处理装置运用数字图像处理技术计算出工件两端面与对应量规两测量面之间的距离值；

(4)、图像处理装置将量规两测量面间的长度减去上述两个距离值之和计算出工件长度，并将其与标准工件长度作比较，根据允许的误差范围，判断工件长度是否为合格。

2、根据权利要求1所述的一种用双相机数字成像精密测量工件长度的方法，其特征在于：量规两测量面的中心位于工件的轴心线上；数字相机镜头中心到对应背光源的垂线与对应工件端面重合；两数字相机与工件轴心线的距离相等，两背光源与工件轴心线的距离相等。