专利名称：机器视觉数字化标尺系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用机器视觉技术和绝对码刻度的数字化标尺系统。
背景技术：
现有测量仪器或加工仪器的标尺多以目视读数和光栅居多，目视读数系统由于读数过程繁琐、读数时间长、人为误差大、自动化程度低的缺点，使得目视仪器在现代高精密测量领域中受到很大限制。以万能工具显微镜系统为例，其读数部分的不确定度高达0.8μm，在总误差中占有较大比例。光栅系统由于采用增量码技术，很容易将随机误差以及光栅的刻划误差累积到最终的测量结果。为了克服以上读数系统的缺点，有人使用CCD摄像机代替人眼来读数，将摄像机获取的光学标尺图像直接传入计算机，由计算机处理标尺的数值，但是读数程序需要经过图像预处理、字符提取、字符分割和字符识别等一系列复杂的过程，很容易出现误读现象，会给系统带来很大的偶然误差。
发明内容
本发明的技术解决问题是为了避免上述方法的缺陷，本发明设计了一种机器视觉数字化标尺系统，该系统不仅彻底消除了增量码方法的累积误差的影响，而且还实现了刻线的自动瞄准定位，光学标尺数值的自动读取，无需任何人为干预即可完成读数过程。
本发明的技术解决方案机器视觉数字化标尺系统，其特点在于包括照明光源，用于向标尺系统提供均匀稳定的照明，采用透射照明的方式或反射照明的方式照明绝对码数字化标尺；绝对码数字化标尺，用于提供长度基准，标尺上只有刻线没有数字，由刻线本身提供数字刻度值；CCD，光电转换器件，用于将照在绝对码数字化标尺上的光照信号转换为电信号，并经滤波、去噪和放大处理后变成视频信号；
处理电路，用于将CCD采集到的视频信号传送到计算机中，并对其进行滤波去噪和A/D转换等数据处理；计算机，用于对处理电路输出的图像数据进行平滑去噪、边缘提取、边缘拟合、自动阈值、二值化、刻线识别等一系列图像处理过程获得当前的标尺数值，并将显示出来。
在所述的照明光源和绝对码数字化标尺之间还可以加有聚光镜，用于收集照明光源发出的光以及将照明光源的点光源变成平行光照明绝对码数字化标尺。
在所述的绝对码数字化标尺和CCD之间还可以加有成像物镜，用于将其视场范围内的标尺成像到CCD的光敏面上。
在所述的照明光源和绝对码数字化标尺之间可以加有聚光镜，用于收集照明光源发出的光以及将照明光源的点光源变成平行光照明绝对码数字化标尺，同时在绝对码数字化标尺和CCD之间加有成像物镜，用于将其视场范围内的标尺成像到CCD的光敏面上。
本发明的工作原理标尺上只有刻线没有数字，用刻线的不同形式来表示数字，刻线所在处的数值由该数字的二进制码线段表示，系统以此标尺作为长度基准。使用CCD摄像机检测标尺信号，光源发出的光经光学系统后变为平行光投射到数字化标尺上，标尺图像经成像物镜成像到CCD摄像机的光敏面上，CCD摄像机采集的图像经由处理电路送入计算机，计算机对信号进行平滑去噪、边缘提取、边缘拟合、自动阈值、二值化、刻线识别等一系列图像处理过程获得当前的标尺数值，并将该数值显示出来。
由于本发明与现有技术相比具有如下优点(1)使用绝对码数字化标尺作为长度基准，标尺刻线所在处的数值由该数字的二进制码线段表示，避免了图像读数法中字符提取、字符分割和字符识别等一系列复杂的过程出现的误读现象，提高了仪器长度基准读取的可靠性；(2)由于使用绝对码数字化标尺作为长度基准，所以不存在象光栅法那样误差累积的问题；(3)整个长度基准读取过程，无须人为干预，可大大提高系统自动化程度，减小系统偶然误差。
图1为本发明的一个实施例组成结构框图；图2为本发明的另一个实施例组成结构框图；图3为本发明的再一个实施例组成结构框图；图4为本发明的绝对码数字化标尺刻线示意图；图5为本发明的标尺图像处理流程图；图6为本发明的长度绝对码标尺示意图；图7为本发明的圆度绝对码标尺示意图；图8本发明的刻线识别示意图，其中图8a为公称值为80的刻，图8b为公称值为158的刻线。
具体实施例方式
如图1所示，本发明一个实施例由光源、聚光镜、绝对码数字化标尺、成像物镜、CCD处理电路和计算机组成，其中绝对码数字化标尺上只有刻线没有数字，用刻线的不同形式来表示数字，刻线所在处的数值由该数字的二进制码线段表示，系统以此标尺作为长度基准，照明光源发出的光经光学系统后变为平行光投射到数字化标尺上，标尺图像经成像物镜成像到CCD摄像机的光敏面上，CCD摄像机采集的图像经由处理电路送入计算机，计算机对信号进行平滑去噪、边缘提取、边缘拟合、自动阈值、二值化、刻线识别等一系列图像处理过程获得当前的标尺数值，并将该数值显示出来。
如图2所示，本发明的另一个实施例，改变照明标尺的方式为反射式照明，照明光源发出的光经过聚光镜或者直接照射到光学标尺上，标尺图像经成像物镜成像到CCD摄像机的光敏面上，CCD摄像机采集的图像经由处理电路送入计算机，计算机对信号进行平滑去噪、边缘提取、边缘拟合、自动阈值、二值化、刻线识别等一系列图像处理过程获得当前的标尺数值，并将该数值显示出来。
如图3所示，本发明的再一实施例，CCD前不需要成像透镜，照明光源发出的光经过聚光镜投射过光学标尺，标尺图像直接成像在CCD摄像机的光敏面上，然后CCD摄像机采集的图像经由处理电路送入计算机，计算机对信号进行平滑去噪、边缘提取、边缘拟合、自动阈值、二值化、刻线识别等一系列图像处理过程获得当前的标尺数值，并将该数值显示出来。
如图4所示，本发明的绝对码数字化标尺上每条数字刻度值是由一段段等长的或黑或白的线段组成，这些线段竖直组合构成标尺的一条刻线，并且每条刻线上的黑白线段数量由标尺的长度范围确定，排列顺序由该刻线所在处的二进制编码或循环码等编码数字确定。为了说明问题的方便，这里本发明任意选取了其中的十条刻线进行说明，这些数字的数值与二进制编码如表1所示，本发明用黑色的线段表示“0”，白色的线段表示“1”，在标尺上，本发明在表示“0”的地方刻线，在表示“1”的不进行刻线。这样在刻线的地方由于光的散射在图像上的灰度值较低，而没有刻线的地方因为没有散射所以灰度值较高。
如图5所示，标尺图像采集进来后先使用中值滤波法对图像进行平滑去噪处理，而后进行刻线识别和刻线定位分别获得标尺的整数和小数部分。刻线定位采用如下步骤先使用Canny算法提取图像的边缘，而后使用空间矩亚象素细分算法细分提取的边缘坐标点，最后使用带权平行线最小二乘拟合法拟合刻线两条边缘，求出与两条边缘线a和b平行且等距的线c，如图8所示。
本发明称之为刻线中线，然后再求出中线c与图像坐标系中的X轴的交点。(这里光学标尺的位置经过严格调试，保证刻线与图像坐标系中的Y轴平行)。交点的x坐标即为标尺的小数部分。
刻线识别步骤如下由于光学标尺图像有很高的对比度，图像直方图有明显的双峰特征，因此本发明选用迭代式阈值选择算法计算图像的阈值，而后对图像进行二值化操作，并对二值化后的图像进行刻线识别。根据本发明设计的标尺，每一位数字都是由八段等长的刻划过或没有刻划过的线段数码组合而成，二值化后的图像信息就是些灰度值分别为0或1的小方块，沿着刻线中线的方表1刻线值编码示意
向从上到下使用预先设计的刻线段进行匹配，如果图像方块灰度值与模板方块的灰度值相等即为1，否则为0。这样本发明就得到这条刻线的8位二进制数，因为刻尺的编码完全是按照二-十进制转换的方式编排的，所以将这个二进制数转换为十进制就为刻尺数字刻度值的整数部分，将整数部分与小数部分合成即为当前的刻尺读数值。
如图6所示，在透明介质或非透明介质的表面刻划一些代表当前长度位置值的刻线，刻线位置值可以溯源于长度基准，并使用溯源偏差值进行修正，提高系统定位精度。
如图7所示，在透明介质或非透明介质的表面刻划一些代表当前圆度位置值的刻线，刻线位置值可以溯源于圆度基准，并使用溯源偏差值进行修正，提高系统定位精度。
如图8所示，在测量过程中，假设第一次读数时的标尺图象如图6a所示，系统识别出当前的刻线值为80，刻线中线与图像坐标系中的X轴交点的x1坐标为0.3897，则当前系统的读数值为80.3897。第二次读数时的标尺图像如图6b所示，同第一次处理过程相同可读出数值为158.6283，则可得目标长度为78.2386。
权利要求
1.机器视觉数字化标尺系统，其特征在于包括下列部分照明光源，用于向标尺系统提供均匀稳定的照明，采用透射照明的方式或反射照明的方式照明绝对码数字化标尺；绝对码数字化标尺，用于提供长度基准，标尺上只有刻线没有数字，由刻线本身提供标尺数字刻度值；CCD，光电转换器件，用于将照在绝对码数字化标尺上的光照信号转换为电信号，并经滤波、去噪和放大处理后变成视频信号；处理电路，用于将CCD采集到的视频信号传送到计算机中，并对其进行滤波去噪和A/D转换数据处理；计算机，用于对处理电路输出的图像数据进行处理，获得当前的标尺数值，并将显示出来。
2.根据权利要求1所述的机器视觉数字化标尺系统，其特征在于在照明光源和绝对码数字化标尺之间加有聚光镜，用于收集照明光源发出的光以及将照明光源的点光源变成平行光照明绝对码数字化标尺。
3.根据权利要求1所述的机器视觉数字化标尺系统，其特征在于在绝对码数字化标尺和CCD之间加有成像物镜，用于将其视场范围内的标尺成像到CCD的光敏面上。
4.根据权利要求1所述的机器视觉数字化标尺系统，其特征在于在照明光源和绝对码数字化标尺之间加有聚光镜，用于收集照明光源发出的光以及将照明光源的点光源变成平行光照明绝对码数字化标尺；同时在绝对码数字化标尺和CCD之间加有成像物镜，用于将其视场范围内的标尺成像到CCD的光敏面上。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的机器视觉数字化标尺系统，其特征在于所述的绝对码数字化标尺上每条数字刻度值是由一段段等长的或黑或白的线段组成，这些线段竖直组合构成标尺的一条刻线，并且每条刻线上的黑白线段数量及排列顺序由该刻线所在处的二进制数字来确定。
6.根据权利要求5所述的机器视觉数字化标尺系统，其特征在于所述的数字刻度值的获得包括刻线识别和刻线定位两部分，刻线识别获得标尺的整数部分，刻线定位获得标尺的小数部分。
7.根据权利要求6所述的机器视觉数字化标尺系统，其特征在于所述的刻线识别步骤如下使用对图像进行二值化操作，然后沿着刻线中线的方向从上到下使用预先设计的刻线段进行匹配得到这条刻线的二进制数，按照标尺二-十进制转换的编码方式将二进制数转换为十进制就得到刻尺的整数部分。
8.根据权利要求6所述的机器视觉数字化标尺系统，其特征在于所述的刻线定位采用如下步骤先边缘提取算法提取图像的边缘，而后使用亚象素细分算法细分提取的边缘坐标点，最后拟合刻线的两条边缘，求出与两条边缘线的刻线中线，然后再求出中线在图像坐标中的位置即得标尺的小数部分。
9.根据权利要求5所述的绝对码数字化标尺，其特征在于所述的绝对码数字化标尺为长方形或者圆形，提供长度基准或者圆度基准。
10.根据权利要求5所述的绝对码数字化标尺，其特征在于所述的绝对码数字化标尺刻线的位数由标尺长度确定。
全文摘要
机器视觉数字化标尺系统包括照明光源，用于向标尺系统提供均匀稳定的照明，采用透射照明的方式或反射照明的方式照明绝对码数字化标尺；绝对码数字化标尺，用于提供长度基准，标尺上只有刻线没有数字，由刻线本身提供标尺数字刻度值；CCD用于将照在绝对码数字化标尺上的光照信号转换为电信号，并经滤波、去噪和放大处理后变成视频信号；处理电路，用于将CCD采集到的视频信号传送到计算机中，并对其进行滤波去噪和A/D转换数据处理；计算机，用于对处理电路输出的图像数据进行处理，获得当前的标尺数值，并将显示出来。本发明不仅消除了增量码方法的累积误差的影响，而且还实现了刻线的自动瞄准定位，光学标尺数值的自动读取，无需任何人为干预即可完成读数过程。
文档编号G01D13/00GK1758028SQ20051008689
公开日2006年4月12日 申请日期2005年11月17日 优先权日2005年11月17日
发明者屈玉福, 浦昭邦, 赵慧洁 申请人:北京航空航天大学