способ компенсации погрешности масштабирования системы технического зрения для микроизмерений

Формула изобретения

Способ компенсации погрешности масштабирования системы технического зрения для микроизмерений, состоящий в том, что в пространстве предметов размещают эталонный объект и регулируют световые параметры системы технического зрения, отличающийся тем, что в пространстве предметов вместе с эталонным объектом размещают объекты измерения, приводят все объекты в состояние касания и регулировкой световых параметров (яркость изображения, сила света, чувствительность фотоприемника, длина волны) системы технического зрения доводят до соприкосновения изображения объектов, сформированные в цифровой форме системой технического зрения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике.

Известен способ определения погрешности увеличения проектора (п.3.3.7 ГОСТ 8.174-75 Проекторы измерительные. Методы и средства поверки). Способ заключается в том, что совмещают штрихи эталонных объектов - штриховых мер, размещаемых в пространстве предметов и на экране проектора.

Недостатком является то, что установленный таким способом масштаб изображения не учитывает влияние физических свойств (форма, прозрачность, размер) объектов измерения и световых параметров (яркость изображения, сила света, чувствительность фотоприемника, длина волны) системы технического зрения (СТЗ) на размер изображения, что приводит к возникновению систематической аддитивной погрешности при измерении, «погрешности масштабирования».

Погрешность масштабирования возникает при определении масштаба изображения объекта, вследствие неопределенности размера изображения, возникающей из-за размытости границ изображения, поэтому должна учитываться при определении погрешности увеличения наряду с другими погрешностями изображения в оптических системах.

Известен способ автоматической адаптивной трехмерной калибровки бинокулярной системы технического зрения и устройство для его реализации (Патент РФ N2250498, МКИ G06K 9/32). На основе обработки поступающих в устройство двух кадров изображения определяют средние значения яркостей пикселей по каждому кадру. Производят регулировку световых параметров той видеокамеры, среднее значение яркости которой больше, чем у другой видеокамеры, и получают равенство средних значений яркостей двух изображений.

Недостатком является произвольный выбор направления изменения яркости (уменьшение). В результате полученное изображение может произвольно варьироваться по масштабу в зависимости от экспозиции камеры с меньшим средним значением яркости.

Наиболее близким, принятым за прототип, является способ градуировки СТЗ (см. статью Соколов С.М., Трескунов А.С.«Система технического зрения для контроля линейных размеров в ГПС фрезерной обработки», в сборнике Сырямкин В.И. «Системы технического зрения». - М.: Наука, 1991. - С.159-165).

Для градуировки в поле зрения СТЗ помещают объект эталонных линейных размеров (например, плитку Иогансона), системе сообщают его эталонные размеры и на изображении указывают фрагменты, содержащие отсчеты для измерения эталонного размера. СТЗ автоматически проводит необходимые измерения и вычисляет градуировочные коэффициенты. Несмотря на индивидуальную градуировку, погрешность масштабирования остается значительной.

Для минимизации погрешности, регулируют световые параметры СТЗ с целью получения ряда промежуточных результатов для последующих осреднений по нескольким вводам зрительной информации. Эти осреднения проводят как на этапе ввода и оцифровки изображения, так и на этапе отображения края в указанном фрагменте. В обоих случаях для осреднения берут не все полученные «слагаемые». В первом случае это фрагменты, «не слишком отличающиеся» по распределению яркости от предыдущих; во втором - края, «близкие» по направлению и перепаду яркости к эталонному. Меры «отличия» и «близости» в обоих случаях, как и само число осреднений, являются параметрами модели процесса зрительного контроля и могут быть изменены оператором.

Недостатком является то, что отсутствует алгоритм определения «отличия» или «близости» изображений эталона и объектов измерения или, другими словами, не определен процесс адекватного, в плане отображения края, выполнения действий над изображениями эталона и объектов. Возникает погрешность изображения, «погрешность масштабирования», проявляющаяся в виде завышенных или заниженных размеров объектов измерения, при нормальных размерах эталона.

Погрешность масштабирования на изображении обусловлена отличием структуры границы для эталона и для объектов измерения. Отличие возникает под влиянием физических свойств (форма, прозрачность, размер) объектов измерения и световых параметров (яркость изображения, сила света, чувствительность фотоприемника, длина волны) СТЗ. Особенно значительной эта погрешность может оказаться для измерений в диапазоне видимых длин волн, с точностью порядка одного микрометра, для объектов размером порядка одного миллиметра и меньше, в связи с проявлением дифракционных явлений. Полупрозрачные объекты, из-за размытости границ, формируемых на их изображениях, в большей степени подвержены влиянию погрешности масштабирования.

Предложен способ компенсации погрешности масштабирования системы технического зрения для микроизмерений, состоящий в том, что в пространстве предметов размещают эталонный объект и регулируют световые параметры системы технического зрения, отличающийся тем, что в пространстве предметов вместе с эталонным объектом размещают объекты измерения, приводят все объекты в состояние касания и регулировкой световых параметров (яркость изображения, сила света, чувствительность фотоприемника, длина волны) системы технического зрения доводят до соприкосновения изображения объектов, сформированные в цифровой форме системой технического зрения.

Предложенный способ содержит алгоритм действий над объектами и их изображениями, для адекватного отображения краев объектов, что позволяет уменьшить «погрешность масштабирования», проявляющуюся в виде завышенных или заниженных размеров объектов измерения, при нормальных размерах эталонного объекта.

Световые параметры СТЗ, наиболее удобные для регулирования и существенно влияющие на погрешность масштабирования, следующие:

а) сила света, поступающего на вход фотоприемника (фотоматрицы);

б) чувствительность фотоприемника (фотоматрицы);

в) яркость изображения (программное управление яркостью пикселей);

г) длина световой волны источника света.

Фиг.1, фиг.2, фиг.3 иллюстрируют реализацию способа методом визуализации.

На фиг.1 изображено пространство предметов, где вместе с эталонным объектом (черный прямоугольник) размещены объекты измерения (кольца). Все объекты приведены в состояние касания.

На фиг.2 представлено изображение, сформированное системой технического зрения на мониторе. Изображения объектов доведены до соприкосновения.

На фиг.3 показаны фрагменты изображений двух объектов (участки наружных диаметров колец с фиг.1), в увеличенном виде наблюдаемых на мониторе.

Показаны результаты регулировки световых параметров СТЗ. Наблюдается изменение размера изображений одних и тех же объектов. Добиваясь соприкосновения (позиция А) наблюдаемых объектов, предполагают выполнение условий предложенного способа. Изображения объектов на позиции Б пересекаются, на позиции В отделяются.

В структуре СТЗ можно выделить три важные составляющие: оптическая часть, вычислительная часть и программное обеспечение. При измерении в диапазоне видимых длин волн, с точностью порядка одного микрометра, для объектов размером порядка одного миллиметра и меньше, в связи с проявлением дифракционных явлений, возникает специфическая погрешность, названная здесь для ее четкой идентификации погрешностью масштабирования. Испытывалась СТЗ для измерения диаметра часовых камней, построенная на базе часового проектора. Часовые камни, как полупрозрачные объекты, в большей степени подвержены влиянию погрешности масштабирования из-за размытости границ, формируемых на их изображениях. Погрешность масштабирования на изображении обусловлена отличием структуры границы для эталона и для объектов измерения.

В пространство предметов, для того чтобы выполнить геометрическую калибровку СТЗ в плоскости измерений, помещают эталонный объект. Для компенсации погрешности масштабирования в пространстве предметов вместе с эталонным объектом размещают объекты измерения. Все объекты приводят в состояние касания (фиг.1). На мониторе наблюдают изображения, сформированные СТЗ. Если изображения объектов доведены до соприкосновения (фиг.2, фиг.3 позиция А), условия предложенного способа выполнены. В противном случае (фиг.3 позиции Б и В) потребуется регулировка световых параметров СТЗ, например регулировка силы света посредством регулировки напряжения питания источника света.

Фрагменты изображений с фиг.1 представлены в увеличенном виде на фиг.3.

Отличие в геометрических размерах изображений объектов в позициях А и Б, определяемое по середине линий контуров объектов, не превышает одного микрометра, что позволяет утверждать о соответствующей точности калибровки посредством визуализации.

Отличие размеров на позициях Б и В составляет около трех микрометров, что позволяет утверждать о существенном влиянии световых параметров СТЗ на геометрические параметры изображения одного и того же объекта. Изменение уровней яркости на 2% приводит к изменению изображения на мониторе, представленному на позициях Б и В.

Предложенный способ может быть реализован в виде математической модели, без визуализации. Световые параметры СТЗ могут регулироваться на программном уровне, соприкосновение объектов также удобно определять программно, исходя из условия равенства нулю расстояния между объектами.