一鍵式測(cè)量?jī)x

一鍵式測(cè)量?jī)x

機(jī)器整體介紹：
基于光學(xué)成像的尺寸測(cè)量?jī)x器在制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,，傳統(tǒng)的光學(xué)尺寸測(cè)量?jī)x器包括工具顯微鏡,、投影儀、影像測(cè)量?jī)x（二次元）等，都存在檢測(cè)效率低,、人為操作誤差,、人員技能要求高、數(shù)據(jù)難以信息化等各種問(wèn)題,。

一鍵式圖像尺寸測(cè)量?jī)x產(chǎn)品為新一代影像尺寸測(cè)量系統(tǒng),，通過(guò)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)、高速信號(hào)采集處理,、高精度圖像處理算法,、機(jī)器學(xué)習(xí)智能算法、UI 軟件設(shè)計(jì)等技術(shù),，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物體二維尺寸的快速成像測(cè)量,，有效地解決了一次成像范圍與測(cè)量精度的矛盾，大幅度提高了檢測(cè)效率和測(cè)量精度,，消除了人為誤差,，實(shí)現(xiàn)了精密測(cè)量的自動(dòng)化和智能化。下表為本產(chǎn)品與傳統(tǒng)量具（數(shù)顯卡尺,、千分尺等）,、投影儀、工具顯微鏡,、CNC 影像測(cè)量?jī)x等儀器設(shè)備在測(cè)量效率,、人為誤差、操作便捷性,、數(shù)據(jù)信息化等各方面的區(qū)別,。

產(chǎn)品主要特點(diǎn)：
1.簡(jiǎn)便高效：大視野高景深成像，無(wú)需定位工件及夾具,，單次測(cè)量周期為 1-2s,，效率是傳統(tǒng)設(shè)備的數(shù)十倍；只需設(shè)置匹配特征,、規(guī)劃測(cè)量項(xiàng)目?jī)蓚€(gè)準(zhǔn)備步驟,，即可實(shí)現(xiàn)多產(chǎn)品、多尺寸批量測(cè)量,；避免了傳統(tǒng)影像測(cè)量?jī)x繁雜的操作流程,，手經(jīng)短時(shí)間培訓(xùn)即可熟練操作。
2.精準(zhǔn)穩(wěn)定：雙遠(yuǎn)心光路結(jié)合圖像畸變校正,、亞像素?cái)?shù)值處理算法,，實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性尺寸測(cè)量,；精密電動(dòng)平臺(tái)配合可程控調(diào)節(jié)的正面照明系統(tǒng)，滿足用戶對(duì)復(fù)雜表面尺寸的準(zhǔn)確測(cè)量。
3.柔性智能：點(diǎn),、線,、圓等測(cè)量元素的智能組合，可靈活調(diào)用修改,，減少規(guī)劃工作量,；測(cè)量數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí) SPC 統(tǒng)計(jì)分析，并以 Excel,、PDF ,、Word、圖片等格式保存,；可智能識(shí)別被測(cè)產(chǎn)品并自動(dòng)調(diào)用檢測(cè)檔案,，無(wú)需人工搜索選擇，快速切換產(chǎn)品,；特定要素測(cè)量工具可定制,，CAD 交互、輪廓比對(duì)等功能可選配,。
4.適用性廣：具有立式,、臥式兩大系列，適用平面及回轉(zhuǎn)體工件,；產(chǎn)品量程覆蓋 20-200mm,，滿足不同規(guī)格類(lèi)型產(chǎn)品測(cè)量；軟硬件接口豐富,，可集成各類(lèi)測(cè)量傳感器,、自動(dòng)化機(jī)構(gòu)及數(shù)字化管理軟件，組成自動(dòng)化智能化系統(tǒng),。
5.自主成果：本產(chǎn)品具自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),，成像組件均采用高性能進(jìn)口產(chǎn)品，圖像處理算法技術(shù)*自主開(kāi)發(fā),，而非基于 Halcon,、eVision 等商用軟件包，為用戶提供了更好的性價(jià)比選擇,、更快速及時(shí)的技術(shù)服務(wù),，且避免了盜版等法律風(fēng)險(xiǎn)。

技術(shù)指標(biāo)：

軟件功能：

軟件*升級(jí)。

產(chǎn)品核心技術(shù)簡(jiǎn)介
1．雙遠(yuǎn)心光學(xué)成像系統(tǒng)
雙遠(yuǎn)心光學(xué)成像系統(tǒng)主要是指在物方,、像方主光線平行于光軸的光學(xué)系統(tǒng),，其具有高分辨率、誤差小,、專(zhuān)業(yè)精確測(cè)量“近乎零畸變”等特點(diǎn),。如圖所示為普通光學(xué)鏡頭與遠(yuǎn)心鏡頭的成像區(qū)別，遠(yuǎn)心鏡頭由于主光線與光軸平行,，不存在普通光學(xué)鏡頭存在的成像遠(yuǎn)近造成的視覺(jué)誤差,，因此適合高景深范圍的光學(xué)測(cè)量。邊緣為光滑曲面的物體在背光源照射下經(jīng)普通的鏡頭成像時(shí),，由于邊緣是過(guò)渡變化的曲面,，致使一部分光線經(jīng)邊緣反射后進(jìn)入鏡頭，并成像在 CCD 接收面上物體該邊緣部分在圖像中便呈現(xiàn)為亮區(qū)域,，而物體在 CCD 接收面上實(shí)際應(yīng)為暗區(qū)域,。為消除上述誤差,，采用遠(yuǎn)心成像光學(xué)系統(tǒng)，保證了唯有與光軸平行或接近平行的光束能被 CCD  接收面接收,，因此大大減小了物體邊緣不規(guī)則形態(tài)帶來(lái)的測(cè)量誤差,，且消除了物距變化帶來(lái)的影響,。因此,，本產(chǎn)品選用遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)對(duì)被測(cè)件成像，在一定成像距離內(nèi)無(wú)需調(diào)焦,，可消除透視變形,，打破了常規(guī)光學(xué)測(cè)量?jī)x器在測(cè)量前必須進(jìn)行調(diào)焦操作的局限性，大幅度縮減測(cè)量準(zhǔn)備時(shí)間,，為一鍵式圖像尺寸測(cè)量?jī)x實(shí)現(xiàn)“按一鍵,，瞬間完成所有測(cè)量”奠定良好的基礎(chǔ)。

2．LED 照明系統(tǒng)

光源為光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,，合適的照明光源可突出被測(cè)產(chǎn)品特征,、提高測(cè)量精度。我公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì) LED 光源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量設(shè)計(jì)仿真與實(shí)驗(yàn)研究,，設(shè)計(jì)了可自適應(yīng)調(diào)節(jié)的組合式照明結(jié)構(gòu),，通過(guò)成像參數(shù)對(duì)光源亮度進(jìn)行閉環(huán)控制，消除雜散光對(duì)輪廓成像精度的影響,，充分保證待測(cè)物體投影的真實(shí)性,。
（1）在背面投影照明時(shí)為了保障輪廓邊緣銳利度，采用與成像雙遠(yuǎn)心鏡頭相同原理的遠(yuǎn)心平行 LED 光源,，實(shí)現(xiàn)背面投影方向與主光線平行的照明光束,。

（2）在正面投射照明時(shí)，為了突出產(chǎn)品表面的起伏以及不同材質(zhì)及光澤的反
光特性,，在主光源上采用多個(gè)角度組合的環(huán)形 LED 光源,，并且在供電控制上實(shí)現(xiàn)程控分段控制，各段的亮度可單獨(dú)控制,。

另外在針對(duì)一些表面光滑,、邊緣整齊的產(chǎn)品表面成像測(cè)量時(shí)，可采用 LED 同軸光源,，光線經(jīng) 45°分束器反射后,，其投射方向?qū)⑴c相機(jī)同軸。

3．基于機(jī)器學(xué)習(xí)的圖像輪廓匹配算法

常規(guī)光學(xué)影像測(cè)量?jī)x器對(duì)待測(cè)件的擺放位置和方向有非常嚴(yán)格的要求（比如,，要放置在有標(biāo)記的區(qū)域,，需夾具配合等），否則,，將無(wú)法得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果,，甚至根本無(wú)法完成測(cè)量,。然而，待測(cè)件一般是微小物體,，嚴(yán)格擺放這樣的物品并不容易,，加長(zhǎng)了測(cè)量的準(zhǔn)備時(shí)間。一鍵測(cè)量?jī)x就是要把操作員解放出來(lái),，允許他們隨意擺放待測(cè)件,，從圖像上觀察，主要是高低錯(cuò)位,、順/逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)及鏡像,。在測(cè)量軟件中實(shí)現(xiàn)待測(cè)件圖像與其標(biāo)準(zhǔn)圖像的自動(dòng)配準(zhǔn)，實(shí)際使用效果如圖,。配準(zhǔn)的前提則是圖像中的有效幾何特征,，找到并提取出這些特征以確保圖像配準(zhǔn)。在圖像處理過(guò)程中,，由于圖像數(shù)字化表示所需數(shù)據(jù)的維數(shù)通常很高,，直接對(duì)圖像的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理十分困難。為了提高測(cè)量?jī)x測(cè)算速度,，采用基于機(jī)器學(xué)習(xí)及模式識(shí)別的圖像輪廓匹配算法,，獲取描述圖像自身的各類(lèi)特征。在實(shí)際應(yīng)用中,，噪聲干擾,、遮擋和復(fù)雜環(huán)境不可避免地影響了描述目標(biāo)特征的有效性和準(zhǔn)確性，進(jìn)而終影響目標(biāo)識(shí),，因此在機(jī)器學(xué)習(xí)模式識(shí)別中,，需要特別考慮識(shí)別的穩(wěn)定性、顯著性和*性,。本產(chǎn)品利用測(cè)量目標(biāo)邊界上的點(diǎn)獲得特征描述方式,，能夠簡(jiǎn)便、直觀地完成對(duì)特征目標(biāo)的描述,，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輪廓匹配,。本算法在研究過(guò)程中對(duì)參數(shù)和流程進(jìn)行了大量?jī)?yōu)化，將誤判率降低到低程度,，完成對(duì)高低錯(cuò)位,、順/逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)及鏡像圖像的精確識(shí)別及匹配，保證在測(cè)量過(guò)程中可以隨意擺放待測(cè)件,，減少測(cè)量準(zhǔn)備時(shí)間,。

4．亞像素精度幾何測(cè)量算法

圖像測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)對(duì)被測(cè)物體亮度分布的幾次卷積的過(guò)程。由于卷積對(duì)函數(shù)具有平滑的作用，因此即使物體的亮度分布為較理想的階躍分布,，系統(tǒng)的終輸出也是一個(gè)由高到低或由低到高的漸變過(guò)程,。另一方面，CCD 感光元不但接收照射到自身感光面的光,，還感受照射到相鄰感光面的光,，這同樣造成 CCD 器件對(duì)階躍邊緣的響應(yīng)信號(hào)存在由明到暗或由暗到明的一個(gè)漸變過(guò)程。邊緣的亞像素位置恰好存在于這一過(guò)渡過(guò)程中的斜率大的位置,，因此采用插值及曲線逼近的方法獲得邊緣點(diǎn)的亞像素位置,。插值法計(jì)算時(shí)間較短，抗噪能力和定位精度都較高,，能夠有效提取亞像素邊緣,，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量,。本產(chǎn)品設(shè)計(jì)的亞像素精度幾何測(cè)量算法,，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)直線度、圓度,、長(zhǎng)度尺寸等多種幾何量的自動(dòng)測(cè)量,，基于高階插值、數(shù)值擬合等方法,，確保測(cè)量精確度達(dá)到亞像素級(jí)別,。

5．基于非線性技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)畸變校正算法

在高精度圖像尺寸測(cè)量應(yīng)用中，鏡頭畸變校正具重要意義,，即使是細(xì)微的畸變,，也會(huì)造成精度嚴(yán)重滑坡。只有真實(shí)的圖像才能真實(shí)地反映物體的真實(shí)形態(tài),。但是鏡頭畸變是透鏡的固有失真造成的,，實(shí)際應(yīng)用中，還與鏡頭的精度,、質(zhì)量,、生產(chǎn)廠商有著種種關(guān)聯(lián)，是不可避免的,。通常的鏡頭畸變主要為非線性畸變,，包括了徑向畸變和切向畸變。常見(jiàn)的桶形畸變和枕型畸變正是由徑向畸變所造成的,。而切向畸變是理想點(diǎn)沿著切線方向發(fā)生變化導(dǎo)致的,，也可以理解為角度方向上的變化。因此,，本產(chǎn)品對(duì)基于非線性技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)畸變校正算法進(jìn)行了研究,，以提高測(cè)量精度以及測(cè)量效率。將非線性畸變參數(shù)作為相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)之一,，通過(guò)對(duì)初值的獲取,，聯(lián)合其他的內(nèi)部參數(shù)一并在非線性深度優(yōu)化求解過(guò)程中獲得,。終利用得到的誤差補(bǔ)償函數(shù)的系數(shù)矩陣和徑向畸變參數(shù)，實(shí)現(xiàn)鏡頭畸變的誤差校正,，有效改善了鏡頭畸變?cè)斐傻臋z測(cè)誤差,，滿足工業(yè)測(cè)量過(guò)程中的實(shí)時(shí)性和高精度要求。

6．基于多核,、多 CPU,、GPU 加速等方式的圖像加速處理算法
由于一鍵式圖像尺寸測(cè)量?jī)x測(cè)量精度高、速度快,，所用的各種算法時(shí)間復(fù)雜度高,，數(shù)據(jù)量大，算法中存在大量的細(xì)粒度計(jì)算,，對(duì)系統(tǒng)處理速度要求*,，常規(guī)的單核處理方式顯然無(wú)法滿足其應(yīng)用需求。因此,，我們的技術(shù)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了基于多核,、多 CPU、GPU（Graphics Processing Unit,，圖形處理器）加速等方式的圖像加速處理算法,，利用并行式處理，結(jié)合 GPU 的通用計(jì)算來(lái)加速圖像處理計(jì)算中的輪廓匹配,、亞像素精度幾何測(cè)量算法等,，在保證測(cè)量精度的前提下，提高系統(tǒng)運(yùn)算,。