通过灰度图像测量锡球高度的方法与流程

本发明属于机器视觉检测技术领域，具体是一种通过灰度图像测量锡球高度的方法。

背景技术：

物体高度测量方式大体上可分为接触式和非接触式，传统的接触式测量方法发展已有几十年历史，其机械结构及电子系统已经相当成熟。三坐标测量机和接触式粗糙轮廓仪是接触式三维测量的典型代表，其原理是用采样头的探针接触模型表面，采集相邻的轮廓点数据，最后构筑整个表面的线框模型。接触式测量方法具有较高的准确性和可靠性，但也存在以下缺点：

(1)测量时测量头与被测物之间有接触压力，它不适合测量柔性物体，而且对测量头无法触及的表面没有很好的测量效果；另外不当的操作容易损伤被测物体的表面，特别是高精度表面，同时也会使测量头磨损；

(2)测量头本身的半径以及接触测量时被测物体受到测量头挤压发生局部形变会影响测量的精度；

(3)接触式测量是以逐点扫描的方式进行测量的，所以测量速度慢，尤其在测量较大物体时，非常耗时；

(4)由于测量机的机械结构复杂，对工作环境要求很高，必须防震、防灰、恒温等，使其应用范围收到一些限制。

非接触测量方法主要是指光学测量方法。随着光电子技术、微电子技术的发展，各种新型器件不断出现，如电荷耦合器件、数字投影仪等。非接触式光学测量技术得到快速发展、并开始在一些领域中得到广泛应用。非接触式光学测量方法由于其高灵敏度、高速度、无损坏、获取数据多等优点而被公认为最有前途的三维面形测量。

目前，光学三维视觉测量方法的种类主要分为：摄影测量法、飞行时间法、三角法、投影条纹法、成像面定位法、干涉测量法等。而获取宏观物体的三维信息的基本方法可以分成两大类，被动三维传感和主动三维传感：

被动三维传感采用非结构光(自然光)照明方式，从一个或多个摄像系统获取的二维图像中确定的距离信息，形成三维面形数据。被动三维传感需要进行大量的相关匹配运算，当被测目标的结构信息过于简单或过于复杂，或者被测物体上各点的反射率没有明显差异时，这种相关匹配运算将变得十分复杂和困难。

主动三维传感启用结构光照明方式，这是由于物体三维表面对结构光场的空间或时间调制，观察到的变形光场包含了物体三维面形的信息，对变形光场进行解调，便可以获得三维面形数据。主动三维传感具有非接触、高自动化、高灵敏度、高精度等优点，因此，大多数以三维精细面形测量为目的的系统都采用主动三维测量方式。

虽然主动三维传感有效的解决了物体测高的问题，但是不能完全的适应工业生产中的流水线作业，大多主动三维传感因为没有有效的测量手段仍然采取的是离线作业的方式在线下测量，线下测量意味只能进行抽检，这样的做法不仅浪费人力也保证不了产品的质量，同时也降低了生产效率。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种将主动三维传感获取的高度数据转换为灰度图像的方法测量锡球的高度，转换灰度图像的优势在于将数据用图像的方式表现出来，目前图像处理技术在工业应用上已经是一种相当成熟的技术，通过图像处理后可以自动识别出图像中的锡球，解决了从繁琐的数据中查找目标数据的难点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种通过灰度图像测量锡球高度的方法，包括以下步骤：

s1，通过主动三维传感器获取pcb板表面的高度数据；

s2，将获取的高度数据转换为灰度图像；

s3，从所述灰度图像中提取锡球的区域；

s4，确定每颗锡球的灰度质心坐标；

s5，根据高度数据与灰度图像的转换规则，反推每个灰度质心坐标对应的高度数据，即得到每颗锡球的高度数据。

具体地，步骤s1中，所述主动三维传感器包括：同轴的白光共焦传感器、三维位移平台和转接板；所述白光共焦传感器通过转接板安装在三维位移平台上；所述白光共焦传感器为线扫激光，每条线上共有m个光斑，该m个光斑对应在三维位移平台的y轴上；所述白光共焦传感器的横向采样数量为n个，该n个采样点对应在三维位移平台的x轴上，即所述白光共焦传感器一次扫描获取mn个采样点，建立mn个采样点的高度数据表。

具体地，步骤s2中，将获取的高度数据转换为灰度图像的方法为：从步骤s1获取的高度数据中遍历出最大值hmax和最小值hmin，取最大值与最小值的差值hmax-hmin作为量程，将量程等比例分为255个灰度级，再根据灰度级将pcb板上每个采样点的高度值换算为灰度值，建立灰度数据表，再根据灰度值将所述高度数据转换为灰度图像。

由于高度数据不能直接进行处理和分析，从这些数据中无法得知哪些高度数据是锡球的，哪些数据是pcb板或电器元件的；本发明通过将pcb板表面不同的高度数据分配到0～255个灰度级，在计算机领域，灰度数字图像每个像素只有一个采样颜色的图像，图像显示为最暗黑色到最亮白色的灰度，0表示最暗的纯黑色，255表示最亮的纯白色，灰度图像的明亮是由pcb板上各器件的高度决定的，高度越高的部分在图像上也就越明亮；从图像中区分被测物体比从数据中查找目标容易得多。

具体地，步骤s3中，从所述灰度图像中提取锡球的区域的方法为：先通过初定位获取锡球在图像中的大致位置，再利用阈值分割的方法从图像中提取锡球的区域，并记录锡球区域的灰度值。

具体地，步骤s4中，确定每颗锡球的灰度质心坐标的方法为：将每个锡球均作为一个独立的光斑，光斑的质心即为图像中锡球区域由暗到明有趋势变化且亮度最集中的点；根据质心在图像中的坐标确定质心在灰度数据表中的坐标值。

具体地，步骤s5中，得到每颗锡球的高度数据的方法为：根据步骤s4中得到的质心坐标，在高度数据表中查找该坐标对应的采样点的高度数据，该采样点的高度数据即对应锡球的高度数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明通过将高度数据转换为灰度图像，降低了分析和处理数据的难度，直观地将高度数据以图像的形式表现出来，极大地提高了锡球高度数据测量的效率；(2)本发明将测高过程转换为图像处理过程，将耗时的测高过程简便化，使原本耗时的工艺可以直接在生产线上直接作业，提高了产品检测的效率；(3)本发明的测高方法可以应用于表面不规则的物体，且不受噪声干扰的影响，检测精度更高。

附图说明

图1为本发明一种通过灰度图像测量锡球高度的方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中pcb板表面高度数据转换的灰度图；

图3为本发明中主动三维传感器的安装结构示意图；

图中：1、白光共焦传感器；2、转接板；3、x轴；4、y轴；5、z轴；6、pcb板。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图所示，本实施例提供了一种通过灰度图像测量锡球高度的方法，包括以下步骤：

s1，通过主动三维传感器获取pcb板6表面的高度数据；

具体地，如图3所示，所述主动三维传感器包括：同轴的白光共焦传感器1、三维位移平台和转接板2；所述白光共焦传感器1通过转接板2安装在三维位移平台上；所述白光共焦传感器1为线扫激光，每条线上共有192个光斑，该192个光斑对应在三维位移平台的y轴4上；所述白光共焦传感器1的横向采样数量为1200个，该1200个采样点对应在三维位移平台的x轴3上，即所述白光共焦传感器1一次扫描获取230400个采样点，建立这些采样点的高度数据表，该高度数据表共有192行，1200列，即对应每个采样点的坐标位置。

本实施例采用的白光共焦传感器1可测量透明、非透明、漫反射、反射材料，且因为其同轴的结构，其测量角度可打到45°，一般的三维传感采用激光三角法，测量角度仅±2°，对于锡球这种具有镜面反射和球面的这类物体，白光共焦传感器1的稳定性更优，锡球的高度在2～3mm左右，所以传感镜头的量程最好选用4mm的镜头。

本实施例中的三维位移平台包括x轴3、y轴4和z轴5三个运动轴，x轴3可以控制扫描距离，y轴4可以控制扫描宽度，z轴5可以根据pcb板6面的高度调整传感器镜头到pcb面板的距离；所述白光共焦传感器1通过转接板2固定安装在z轴5上；所述白光共焦传感器1属于线扫传感器，在扫描过程中pcb板6保持不动，x轴3移动时带动传感器一起做横向运动；扫描时传感器还与x轴3的编码器连接，编码器用于接收运动脉冲，以便实时获取传感器的位置信息；根据位置信息可以设置传感器的起始采集信号和终止采集信号，调整传感器的扫描距离；本实施例中采样间隔设置为30个脉冲触发一次传感器采集数据；本实施例中传感器的线长为4.7mm，线上共有192个光斑，相当于图像的宽度，图像的长度由传感器扫描的距离和采样间隔决定的，扫面距离越长、采样间隔越短，扫描的图像越长。y轴4方向像素精度为4.7/192≈0.024mm，传感器采集频率为5000hz，x轴3移动速度为4mm/s，设置30个脉冲间隔触采集一次，则x轴3方向像素精度为4/(5000/30)＝0.024，刚好xy的精度相同，否则灰度图像会出现横向或者纵向拉伸现象使图像失真。本实施例中x轴3采样数量为1200个，一次扫描共有230400个采样点，如下表1所示：

表1白光共焦传感器1采集的高度数据表(单位——um)

s2，将获取的高度数据转换为灰度图像；

具体地，将获取的高度数据转换为灰度图像的方法为：从步骤s1获取的高度数据中遍历出最大值3710.171um和最小值1375.466um，取最大值与最小值的差值2334.705um作为量程，将量程等比例分为255个灰度级，再根据灰度级将pcb板6上每个采样点的高度值换算为灰度值，建立灰度数据表，该灰度数据表共有192行，1200列，表2中每个采样点的灰度值均与表1中相同坐标的高度数据对应；如下表2所示，再根据灰度值将所述高度数据转换为灰度图像，如图2所示，灰度图像中每个采样点的坐标均对应表2中相同坐标的灰度值。

表2高度数据转换为灰度值表

由于高度数据不能直接进行处理和分析，从这些数据中无法得知哪些高度数据是锡球的，哪些数据是pcb板6或电器元件的；本发明通过将pcb板6表面不同的高度数据分配到0～255个灰度级，在计算机领域，灰度数字图像每个像素只有一个采样颜色的图像，图像显示为最暗黑色到最亮白色的灰度，0表示最暗的纯黑色，255表示最亮的纯白色，灰度图像的明亮是由pcb板6上各器件的高度决定的，高度越高的部分在图像上也就越明亮；从图像中区分被测物体比从数据中查找目标容易得多。

s3，从所述灰度图像中提取锡球的区域；

具体地，从所述灰度图像中提取锡球的区域的方法为：先通过初定位获取5个锡球在图像中的大致位置，再利用阈值分割的方法从图像中提取锡球的区域，并记录锡球区域的灰度值。

s4，确定每颗锡球的灰度质心坐标；

具体地，确定每颗锡球的灰度质心坐标的方法为：将每个锡球均作为一个独立的光斑，光斑的质心即为图像中锡球区域由暗到明有趋势变化且亮度最集中的点；根据质心在图像中的坐标确定5个锡球的质心在表2中坐标值分别为：(120,359)，(129,481)，(104,589)，(104,693)，(123,824)。

想要获取锡球的高度，常见方法是对高度数据进行处理和分析，根据高度数据的变化趋势确定锡球的最高点在数据中的位置，最大值作为锡球的高度。然而传感器获取的高度数据实际上是由电信号转换的，信号存在噪声的影响，有可能获取的最大值只是一个噪点；而本发明在不滤噪的前提下也可以准确求取锡球的高度。

s5，根据高度数据与灰度图像的转换规则，反推每个灰度质心坐标对应的高度数据，即得到每颗锡球的高度数据。

具体地，得到每颗锡球的高度数据的方法为：根据步骤s4中得到的质心坐标，查找该坐标对应的采样点的高度数据，即根据5个锡球的质心坐标在表1中查找对应的高度分别为3549.211um，3210.845um，3256.487um，3244.112um，3428.531um，从左到右依次是5个锡球的高度值。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。