专利名称：一种测量不规则缝宽的傅里叶变换方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量不规则缝宽的傅里叶变换方法及其装置，尤其涉及一 种利用傅里叶变换处理图像数据、测量各种不规则缝及槽的宽度的方法及装 置。
背景技术：
工业生产中会遇到各种缝隙、狭缝、刻槽，需要进行宽度、间距、形状等 的测量和控制。如检领U发动机中活塞环的漏光度时，需将活塞环压入环规，若 活塞环有漏光j则活塞环外缘与环规内缘间将形成宽度不均匀的圆弧状狭缝； 在各种焊接中，常需对焊缝的宽度进行测量，以便控制焊接过程，取得最好的 焊接效果；用来剥开电线外套的插线卡具有V型的卡槽间隙，为保证插线卡能 正常工作，对卡槽上特定位置处的间隙有严格规定；细缝涂覆器是一种用于制 造印刷电路板的基板处理装置，工作时细缝涂覆器从喷嘴中喷出处理液，为保 证喷出处理液的均匀性，要求喷嘴的开口间距高精度的均匀；此外，只要两个 靠近物体之间都会形成缝隙。对这些缝隙宽度、形状等的测量对评价产品质量、 控制工艺流程有重要的应用价值和实际意义。
对缝隙宽度的测量有接触式和非接触式两种方法，接触式方法采用各种量 具进行测量，但需人工操作，自动化水平低，测量精度受量具精度的限制而难 以提高。非接触式方法包括多种，其中工具显微镜的测量精度高，但成本高、 体积大、不适于工业现场使用；而利用CCD拍摄缝隙的图像，经图像处理获得 缝隙宽度、形状的方法具有体积小、使用灵活、适于现场使用等优点。
目前，通过CCD拍摄图像并应用图像处理技术测量缝隙的方法还可分为两 种第一种采用背向照明，并利用衍射效应，从衍射花样的光强分布中推导缝宽；第二种采用前向照明，组成缝隙的两条边缘同时成像在CCD上，由于成像 系统的低通作用，边缘不再清晰可辨而成为一块模糊区，若要测量组成缝隙的 两个边缘的间距，现有方法是首先提高CCD的分辨率，使得两个边缘在图像上 的模糊区相分离，再作图像处理，完成缝宽测量，如国内专利"辊嘴间距测量 方法及传感器"(申请号200310118466.3)就是使用放大倍数为60的镜头，以 提高CCD及图像的分辨率，完成测量。第一种方法存在原理误差([l]光学衍 射法细圆柱体直径测量的不确定度，崔建文，张军等，光电工程，2005， 7: 55-58)，而且成像后的缝隙不能反映实际缝隙的细节，所测结果是缝隙在一段 长度内的平均宽度。第二种方法在每次测量中都要根据需要调整镜头的放大倍 率即CCD的分辨率，并由此带来三个弊端①调整镜头的放大倍率后，为能重 新得到清晰的像，必须同时调整镜头到被测物体间的距离，这些调整过程会延 长测量时间；②调整光路需配备相应的调节机构，这必然增加测量装置的成本 和体积；③随着镜头放大倍率的增加，CCD的测量视野将减小，完成全部测量 的时间将随之延长。综上所述，现有方法、仪器都存在一定局限性，还不能很 好解决狭缝，尤其是不规则缝隙的宽度、形状等几何尺寸的测量问题。
发明内容
为解决上述中存在的问题与缺陷，本发明提供了一种利用CCD成像并用傅 里叶变换处理数据完成测量的方法及装置，不仅实现了不规则缝隙的宽度、形 状等几何尺寸的快速、精确测量，而且在不增加测量环节和测量元件的基础上， 保持CCD的分辨率不变，达到快速精确测量，同时避免光衍射效应的影响。
本发明是通过以下技术方案实现的
本发明所涉及的一种测量不规则缝宽的傅里叶变换方法，包括 调整光源的位置，构成被测缝隙的物体对接收到的光源进行反射； 调整镜头与被测缝隙间的距离； 得到被测缝隙的整个图像；将采集到的图像信息转换为数字信息，并进行相应的存储；
对数据进行读取； .
将读取的数据进行相应的运算，获得当前被测缝隙的缝宽。
本发明所涉及的一种测量不规则缝宽的傅里叶变换装置，包括
光源，用于照射到被测缝隙，构成被测缝隙的物体将光反射；
镜头和CCD，接收被测缝隙周围物体的反射光，得到整个被测缝隙的图像;
图像采集和数据存储单元，将CCD中的图像信息转换为数字信息，并对其 数字信息进行存储；
数据读取单元，沿着与缝的走向相垂直的方向读取数据，并将读取的数据 发送到傅里叶变换和处理单元；
傅里叶变换和处理单元，对读取的数据进行相应的处理和运算，获得被测 缝隙的缝宽。
本发明提供的技术方案的有益效果是-
1、 两个条状光源分别从两边斜上方照射待测缝隙，可以为多种测量对象 提供均匀和亮度充足的照明；
2、 在不同的测量中，不需改变CCD的分辨率，减少了测量环节、縮短了
3、 光源与CCD的工作波段相一致，降低了图像噪声；
4、 傅里叶变换和处理单元利用傅里叶变换处理数据，从被成像系统模糊 后的图像数据中提取缝宽信息，不仅完成缝隙几何尺寸的测量，还能恢复其在 理想情况下的图像，并计算相关的评价指标。
图l是本发明提供的方法流程图； 图2是傅里叶变换和处理流程图；' 图3是计算像素当量的流程图4是本法明结构示意图5a与5b是被测缝隙在测量过程中的演变示意图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明
实施方式作进一步地详细描述 实施例1
本实施例提供了一种测量不规则缝宽的傅里叶变换方法。 参见图l，该方法包括以下步骤
步骤IOI调整光源的位置，由构成被测缝隙的物体将接收到的光源进行反 射； '
所述光源的调整是相对被测缝隙的位置进行调整，并且两光源是相对于缝 隙呈对称状态放置，分别从两边斜上方照射缝隙，为视场区域提供亮度充足的 均匀照明。
步骤102调整镜头与被测缝隙间的距离； 使得在当前的焦距和像距下，能够得到缝隙的清晰像。 步骤103得到被测缝隙的整个图像。
步骤104将采集到的图像信息转换为数字信息，并进行存储； 通过PC机中设置的图像采集和数据存储模块控制图像采集的速度和时间， 在得到保存图像的命令下，由PC机指定图像数据存储的路径。 步骤105对存储的图像数据进行可视化显示。 步骤106在测量范围内读取一组数据；
步骤107将读取的数据进行相应的运算，获得被测缝隙当前位置的缝宽； 不仅获得了缝隙宽度等几何尺寸的测量，还能恢复其在理想情况下的图 像，并计算相关的评价指标。如果读取完毕，执行步骤109，否则执行步骤106。 步骤109输出结果。
所述数据包含有多组，每次读取其中的一组，且读取数据是在PC机的控制 下，由数据读取单元沿着与缝的走向相垂直的方向读取数据，并将读取的数据 传送到傅里叶变换和处理单元。
参见图2，本实施例提供的傅里叶变换和处理的算法流程，该流程包括以 下步骤
步骤201对读取的图像数据进行滤噪；
所述滤噪主要是滤除明显的噪声。
步骤202为读取的图像数据选择合适的坐标原点位置； 合适的原点位置方便了后续的数据处理。
步骤203根据坐标原点形成的坐标系，对读取的图像数据作离散傅里叶变换。
步骤204选择若干特殊坐标点，特殊坐标点处的傅里叶变换值包含当前位 置的缝宽。
步骤205对每个特殊坐标点处的傅里叶变换建立一个等式，并将所有特殊 坐标点联立起来构成方程组。
步骤206针对合适的坐标原点构成的坐标系，寻找几何约束条件。 步骤207在几何约束的条件下求解特殊坐标点联立构成的方程组。 步骤208根据方程组的求解和几何约束的条件，求出当前位置缝宽及相关 信息在图像上的量值，再根据计算的像素当量(已知物体的尺寸与记录的像素 的数量的比值，详见图3)，求出缝宽及相关信息的实际量值，并可恢复被测缝 隙在理想情况下的灰度分布图像，即消除成像系统对图像的模糊作用以及消除 噪声后的理想图像，同时还可计算相关的评价指标，如均方误差、信噪比等。 步骤209将需要的测量结果输出；所述结果包括缝宽的量值、恢复后的理想图像、评价指标等。
参见图3，提供了获得像素当量的流程，当镜头焦距固定且与CCD的相对 位置固定后，实际物体的尺寸为一个像素当量时，在CCD上所成像刚好为一个 像素长度。具体流程包括以下步骤
步骤301固定镜头焦距与像距；
所述固定好像距与焦距后，在其后的测量中焦距和像距将不在改变。 步骤302选定物体成像；
选择具有已知尺寸的物体，已知尺寸应是易于测量的较大尺寸，并使用焦 距、像距固定的镜头和CCD2对其拍照，将尺寸转变为图像信息。 步骤303调节工作距离；
所述工作距离即镜头至选定物体的距离，为减小误差，该距离尽量使所成 图像清晰。
步骤304记录图像对应像素的数量； 所述记录的像素的数量与物体上己知尺寸是相对应的。 步骤305获得像素当量；
已知尺寸与记录的像素数量的比值即是像素当量。
本实施例提供的被测缝隙可以是同一个物体中的缝隙，也可以是两个不同 物体间的缝隙(两个不同物体之间距离相近，但不相接触时所形成的缝隙)。 实施例2
本实施例还提供了一种测量不规则缝宽的傅里叶变换装置。 参见图4，测量不规则缝宽的傅里叶变换装置包括光源10、镜头和CCD30、 图像采集和数据存储单元40、数据读取单元50、傅里叶变换和处理单元60及PC 机70。所述光源包括两个相同的条状光源，由发光二极管构成，输出在空间均 布的红光，分别从两边斜上方照射被测缝隙20,为视场区域提供亮度充足的均 匀照明；镜头和CCD接收的是被测缝隙周围物体的反射光，从正面得到整个缝隙的清晰的像；图像采集和数据存储模块将CCD在PC控制下，将图像信息转换 为数字信息，并存储在PC的相应磁盘中；数据读取单元在PC控制下，沿着与 缝的走向相垂直的方向读取数据，并送入傅里叶变换和处理单元，通过相应算 法获知缝隙当前位置的缝宽，数据读取单元再读取缝隙上另一位置的一组数 据，送入傅里叶变换和处理单元后又完成此位置上缝宽的测量，这一过程不断 循环，直到完成用户指定范围内缝隙的缝宽几何尺寸的测量。
参见图5a与图5b，为被测缝隙在测量过程中演变的结构示意图，被测缝隙 20在光源的均匀照明下发生漫反射，反射光由镜头和CCD接收后成为平面图像 502;在PC机的控制下，图像采集和数据存储模块将图像502转换为二维灰度矩 阵503，并存储在PC机的相应磁盘中；在PC机控制下，数据读取单元在缝隙某 处读取一组数据，例如平面图像502中ab段的数据504，这是一组离散的灰度值， 离散点的间隔由镜头的放大倍率和CCD的像素尺寸决定，同时不可避免地被噪 声污染；在PC机控制下，数据被送入傅里叶变换和处理单元，由相应算法测得 当前位置的缝宽，并恢复理想情况下缝隙在当前位置的灰度分布505，计算相 关评价指标；在PC机控制下，数据读取单元不断读取新的数据，由傅里叶变换 和处理单元作相应处理，完成全部测量。本发明可测量各种缝隙表面形貌的示 意图，包括形状不规则、宽度不均匀或宽度渐变、非直线走向的缝及槽的测量 (如图5b)。
本实施例提供的被测缝隙可以是同一个物体中的缝隙，也可以是两个不同 物体间的缝隙(两个不同物体之间距离相近，但不相接触时所形成的缝隙)。
虽然通过实施例描绘了本发明，本发明由许多变形和变化不脱离本发明的 精神，本发明的权利要求包括这些变形和变化。
权利要求
1、一种测量不规则缝宽的傅里叶变换方法，其特征在于，该方法包括调整光源的位置，构成被测缝隙的物体对接收到的光源进行反射；调整镜头与被测缝隙间的距离；得到被测缝隙的整个图像；将采集到的图像信息转换为数字信息，并进行相应的存储；对数据进行读取；将读取的数据进行相应的运算，获得当前被测缝隙的缝宽。
2、 根据权利要求1或2所述的测量不规则缝宽的傅里叶变换方法，其特征 在于，所述对数据的读取是通过读取单元沿着与缝的走向相垂直的方向进行读 取。
3、 根据权利要求2所述的测量不规则缝宽的傅里叶变换方法，其特征在于， 所述数据读取单元读取的数据包括有多组。
4、 根据权利要求l所述的测量不规则缝宽的傅里叶变换方法，其特征在于， 所述对数据进行读取之前还包括对 存储的图像数据进行可视化显示；判断读取的数据是否属于测量的范围内，是，对数据进行读取；否则，读 取下一组数据。
5、 一种测量不规则缝宽的傅里叶变换装置，其特征在于，该装置包括 光源，用于照射到被测缝隙，构成被测缝隙的物体将光反射； 镜头和CCD，接收被测缝隙周围物体的反射光，得到整个被测缝隙的图像; 图像采集和数据存储单元，将CCD中的图像信息转换为数字信息，并对其数字信息进行存储；数据读取单元，沿着与缝的走向相垂直的方向读取数据，并将读取的数据 发送到傅里叶变换和处理单元；傅里叶变换和处理单元，对读取的数据进行相应的处理和运算，获得被测 缝隙的缝宽。
6、 根据权利要求5所述的不规则缝宽的傅里叶变换方法，其特征在于，所 述光源包括两个条状光源，且两个条状光源均由发光二极管构成，并分别从被 测缝隙的两边照射被测缝隙。
7、 根据权利要求5所述的不规则缝宽的傅里叶变换方法，其特征在于，所 述CCD是从正面得到整个缝隙的图像。
8、 根据权利要求5所述的不规则缝宽的傅里叶变换方法，其特征在于，所 述数据读取单元读取的数据包括有多组，每读取其中一组数据后，判断测量范 围内的数据是否读取完毕后，是，输出读取结果；否则读取下一组数据。
全文摘要
本发明公开了一种测量不规则缝宽的傅里叶变换方法及其装置，所述方法包括调整光源的位置，将接收到的光源进行反射；调整镜头与被测缝隙间的距离；得到被测缝隙的整个图像；将采集到的图像信息转换为数字信息，并进行相应的存储；对数据进行读取；将读取的数据进行相应的运算，获得当前被测缝隙的缝宽。所述装置包括光源、镜头和CCD、图像采集和数据存储模块、数据读取单元、傅里叶变换和处理单元以及个人计算机(PC)。本发明装置结构简单，适用于形状不规则、宽度不均匀或宽度渐变、非直线走向的缝及槽的宽度、形状等几何尺寸的测量，在不同的测量中，无需改变镜头的放大倍率即CCD的分辨率，就可实现精确快速的非接触测量。
文档编号G01B11/24GK101556141SQ200910084498
公开日2009年10月14日 申请日期2009年5月20日 优先权日2009年5月20日
发明者刘桂雄, 吴俊芳 申请人:华南理工大学