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利用成像技術進行測量

2014-10-23

機器自動成像技術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域,目前隨著軟件和成像傳感器方面的一些新技術發展如計算機處理速度更快、軟件與硬件更容易集成以及可以在運動中進行成像測量等,使得測量成本進一步降低。本文介紹利用成像技術進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、成像質量、校準情況和測量工具,將硬件和軟件結合起來可幫助完成成像測量。 

基本成像參數包括視野范圍、工作距離、分辨率、景深和探頭大小,通過這些參數可以確定被觀察的物體或區域。 

成像質量 

影響尺寸測量的一個重要因素是成像質量,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可以得到高質量數據,此外高精度成像硬件也有助于保證較高的成像質量。

 

分辨率和對比度是成像質量的重要組成部分,分辨率指成像系統所能重現的被測物體細節的數量,對比度則是成像系統所產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,那么根據上式可算出其最小分辨率應該是(60/0.2)×2=600 

鏡頭焦距是分辨率另一種表現形式,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。上述幾項有如下關系:焦距=S×(WD/FOV)。 

失真是另一個影響成像質量的因素,它指由于鏡頭光學誤差引起幾何偏差,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去。 

校準情況 

校準就是指將像素測量值與現實世界的真實測量值聯系起來的過程,當需要以實際長度單位進行精確測量時,這個過程非常重要。能提供校準的成像硬件與軟件有助于完成測量。 

校準可解決并消除由于鏡頭失真、透視或方位偏移造成的誤差,它還能把圖像坐標轉變為現實坐標或者相反。進行成像設置校準時,要用一個已知點距的點陣,從這個點陣中可得到校準或映射信息。 

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,閾值處理將產生一個二進制圖像,把被測物體顆粒從背景中區分開,它將返回二進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生劇烈變化的點,它可以快速確定物體邊界線輪廓。有許多參數對邊緣檢測很重要,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:邊緣過渡區最小像素數 

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。當精度小于像素數時,可以分數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和擬合技術,如果成像條件較好,可實現四分之一像素精度。 

測量實例 

我們已經討論了多種與測量有關的參數,現在不妨看一看在熱量、應力和速率/加速度測量方面的實際應用。

紅外成像設備(IRMV)在工藝、過程控制或測量設備中使用熱成像進行測量,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,可以為機器控制的焊接過程加一個紅外攝像頭對受熱區域進行實時監視,在這種特定應用下元件焊接可確保達到最低限度安全標準。玻璃彎曲測量是另一個應用場合,玻璃彎曲測量包括應力評估、淬火和退火控制、除霜裝置/天線質量控制、安全玻璃分層、玻璃瓶制造和滅菌質量控制等。紅外還可用于碟剎系統的檢查,工程師可以將紅外成像與超聲波局部發熱結合起來,找出部件中的缺陷、裂縫和不良。 

應力測量是成像產品的另一個應用領域,可用于需要深入了解預失效分析、固態力學與結構設計、可靠性工程、測量和測試、熱傳輸、流體力學和材料科學的用戶。軟材料應力測量比較困難,因為精確應力測量需要大量樣本和昂貴的探測器,很多應力測量技術將永久性破壞樣品,并且測量時間很長。 

速率和加速度測量是另一個實際應用場合,樣板大小和方位角都會影響速度計算,具體應用包括噴霧特性、流體研究、燃油注入研究和防務等。 

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、速率及其它數據。應仔細選擇成像設備的每個部件,為可靠測量創造一個合適的條件

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