基于图像尺的定位量测系统的制作方法

本发明是有关于一种定位量测系统，且特别是有关于一种基于图像尺的定位量测系统。

背景技术：

随着制造业的发展，具弹性制造的生产设备将提供企业更灵活的制造工艺设计优势。近年来自动光学检测这块领域的蓬勃发展，使得图像辨识技术应用于制造工艺产线上时，其提供的快速、非接触式的分析能够促进产线自动化、产品检测标准化，进而降低大量的制造成本。

机械加工时，由于工件的制造存在公差，因此对于需要根据二维图面或三维模型来做引导刀具的加工方式，会有工件尺寸和图面尺寸不一致的问题；另一方面，工件通常是靠夹治具做机械式的固定与定位，然而在微米级精度要求的加工条件下，普通的夹治具本身的制造公差就已经远超过此精度，因此每次工件的取放位置都会与预期的理想有所偏差。由于工件的实际坐标位置和软件图档的坐标位置因夹治具产生了偏差量，将导致影响加工精度表现。

要解决上述问题，虽可以通过三次元量测仪做工件的量测，但三次元量测仪本身造价昂贵，并且通常是线下的静态检测，不适合安装于加工机台上。目前市面上也有许多图像量测的机台软件，但一般都是在一张图像上做量测，为了可以在单一视野下看到完整的对象，则相机的放大倍率要小，量测精度就会下降；但若为了量测精度而选择高放大倍率的镜头，则通常相机视野仅能看到对象的一角，为了量测超出视野范围的对象，通常需仰赖x-y平台的定位信息，使得效率无法有效提升。

技术实现要素：

因此，本发明的一个目的是提供一种基于图像尺的定位量测系统，可以利用图像处理的方法配合图像尺的定位符号组与编码图案组来达成定位量测的功能。

为达上述目的，本发明提供一种基于图像尺的定位量测系统，包含：一图像尺，用于承载一物件，图像尺具有排列成二维阵列的多个定位符号组及多个编码图案组，各定位符号组包含多个定位符号，各编码图案组包含多个编码图案，此多个编码图案分别位于此多个定位符号之间的空隙中；一图像撷取器，撷取物件的多个量测点与图像尺以获得多个复合图像；一处理器，对此多个复合图像进行图像处理，依据此多个编码图案及此多个定位符号以求出此多个量测点的位置关系；以及一驱动机构，电连接至处理器，并机械连接至图像撷取器或图像尺，以造成图像撷取器与图像尺的相对移动。

各所述定位符号包含相交于一参考点的两线段，各所述定位符号组包含四个定位符号，各所述编码图案组包含两个编码图案。

各所述定位符号组的所述四个定位符号具有相同形状但不同方位。

各所述定位符号组的各所述定位符号具有l或v形状。

各所述定位符号组的所述四个定位符号具有不相同的形状。

所述图像撷取器撷取各所述量测点与所述图像尺的所述多个复合图像的个数为两个，且所述两复合图像包含一第一复合图像及一第二复合图像，分别为所述图像撷取器主要聚焦于所述图像尺及所述物件的顶面所获取到的图像。

所述处理器执行以下步骤：步骤a，依据所述第二复合图像来求得所述量测点的量测像素坐标；步骤b，依据所述第一复合图像中的所述多个定位符号组及所述多个编码图案组求得所述定位符号的一参考点的图像尺坐标及参考像素坐标；以及步骤c，依据所述图像尺坐标、所述量测像素坐标、所述参考像素坐标、所述定位符号组的一单位长度、所述定位符号的一型态、所述图像撷取器的一物件解析力来求出所述量测点的世界坐标。

若所述图像尺坐标为(a,b)，所述量测像素坐标为(c,d)，所述参考像素坐标为(e,f)，所述单位长度为g单位，所述物件解析力为h单位/像素，则于所述步骤c中：当所述定位符号的所述型态为一第一型态时，所述量测点的所述世界坐标为(2g*a+(c-e)*h,2g*b-(d-f)*h)；当所述定位符号的所述型态为一第二型态时，所述量测点的所述世界坐标为(2g*a+(c-e)*h+g,2g*b-(d-f)*h)；当所述定位符号的所述型态为一第三型态时，所述量测点的所述世界坐标为(2g*a+(c-e)*h,2g*b-(d-f)*h-g)；以及当所述定位符号的所述型态为一第四型态时，所述量测点的所述世界坐标为(2g*a+(c-e)*h+g,2g*b-(d-f)*h-g)。

当对应于所述多个量测点的其中一个的所述第一复合图像中呈现出的所述编码图案组被所述对象遮蔽时，所述处理器控制所述驱动机构移动所述图像尺或所述图像撷取器，并控制所述图像撷取器主要聚焦于所述图像尺的所述顶面来撷取所述图像尺以获得一第三复合图像，其中所述处理器依据所述第一复合图像及所述第三复合图像中的所述多个定位符号组及所述多个编码图案组求得所述定位符号的所述参考点的图像尺坐标及参考像素坐标，并执行所述步骤c。

所述图像尺坐标的一x轴方向相同于所述量测像素坐标、所述参考像素坐标及所述世界坐标的x轴方向，且所述图像尺坐标的一y轴方向相同于所述世界坐标的一y轴方向，但相反于所述量测像素坐标及所述参考像素坐标的y轴方向。

通过本发明的上述态样，将待测对象放置在具有定位符号与编码图案的载具上，相机在拍摄时，同时对物件与图案进行拍摄，通过分析图案，来识别该图像中对象的局部样貌的实际位置。如此一来，只要将拍摄的物件置于图像尺之上，量测的物件便不再受限于相机的视野大小，也不需要依靠平台的定位精度，即可进行长度量测。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1显示依据本发明较佳实施例的定位量测系统的示意图。

图2显示图1的图像尺的局部放大示意图。

图3显示物件与图像尺的立体示意图。

图4a至图4c分别显示图像尺坐标系统、像素坐标系统及世界坐标系统的示意图。

图5显示物件的局部俯视图。

图6a、6b与图7显示图像尺与物件的两个量测点的拍摄示意图。

图8a至8e分别显示实际拍摄的复合图像的多个例子。

im20：复合图像

im21：第一复合图像

im22：第二复合图像

im23：第三复合图像

mp1、mp2：量测点

p：参考点

p3：参考点

p4：参考点

x、y、z：坐标轴

w1：视窗

w2：视窗

w3：视窗

1：定位量测系统

2：物件

3：平台

10：图像尺

10t、2t：顶面

11：定位符号组

12a至12d：定位符号

121、122：线段

16：编码图案组

171、172：编码图案

18：空隙

20：图像撷取器

30：处理器

40：驱动机构。

具体实施方式

本发明提供一种高精度尺寸量测平台、并且搭建一套图像定位与解码系统，其特点为以光学非接触的方式进行工件的尺寸量测，并以图像处理技术进行目标物(图像尺)的移动定位，此目标物需有定位符号或图案与编码图案或符号，图像尺并没有特别的形式限制，只要能够让譬如相机的图像撷取器清晰的看见图像尺上的图案或符号即可。

首先，在待测对象底下放一片图像尺，图像尺的辅助可以让系统在量测尺度达微米级分辨率的情况下，突破视野狭窄的局限，能够量测几何尺寸比视野范围大数十倍以上的物件。图像尺上面的图案可以做为系统的定位来源，使图像量测系统不须依赖移动平台的定位精度。

图1显示依据本发明较佳实施例的定位量测系统的示意图。图2显示图1的图像尺的局部放大示意图。图3显示物件与图像尺的立体示意图。如图1至图3所示，本实施例的一种基于图像尺的定位量测系统1包含一图像尺10、一图像撷取器20、一处理器30以及一驱动机构40。x、y、z坐标轴如图1所示。

一个平台3承载图像尺10。图像尺10用于承载一对象2，并且具有排列成二维阵列的多个定位符号组11及多个编码图案组16。各定位符号组11包含多个定位符号12a至12d，各编码图案组16包含多个编码图案171与172，且此多个编码图案171与172分别位于此多个定位符号12a至12d之间的空隙18中。于本实施例中，各定位符号包含相交于一参考点p的两线段121、122。各定位符号组11的四个定位符号12a至12d具有相同形状但不同方位，以利于多种型态的判别。举例而言，各定位符号组11的各定位符号具有l形状。于另一例子中，各定位符号可具有v形状。于又另一例子中，各定位符号组11的四个定位符号具有不相同的形状，譬如是两条线的夹角不同，也有利于多种型态的判别。

图像撷取器20撷取物件2的多个量测点mp1与mp2与图像尺10以获得多个复合图像im20。图像撷取器20譬如是照相机，各量测点可以是对象2上的实体点，譬如角落点，也可以是虚拟点，譬如对象的两个边缘的交点。值得注意的是，可以利用校正片来校正图像撷取器20在特定倍率下所拍摄到的一个像素或像素的尺寸，于一例子中譬如是1.05微米。

处理器30对此多个复合图像im20进行图像处理，依据此多个编码图案171与172及此多个定位符号12a至12d以求出此多个量测点的位置关系。处理器30包含但不限于计算机或电子装置的中央处理器。

驱动机构40电连接至处理器30，并机械连接至图像撷取器20或图像尺10(譬如通过平台3，当然图像尺10本身也可以是平台，或平台上形成有图像尺)，以造成图像撷取器20与图像尺10的相对移动。

于本实施例中，图像撷取器20撷取各量测点与图像尺10的此多个复合图像im20的个数为二，且两复合图像im20包含一第一复合图像im21及一第二复合图像im22，分别为图像撷取器20主要聚焦于图像尺10及物件2的顶面10t、2t所获取到的图像。亦即，操作时，处理器30控制驱动机构40将量测点mp1移动到图像撷取器20的视野内，然后控制图像撷取器20聚焦于图像尺10的顶面10t以拍摄出第一复合图像im21，接着控制图像撷取器20聚焦于物件2的顶面2t以拍摄出第二复合图像im22。接着，处理器30控制驱动机构40将量测点mp2移动到图像撷取器20的视野内，并执行类似于上述有关量测点mp1的操作。

获得复合图像im20以后，处理器执行下述例示但非限制性的处理步骤：(1)物件边缘检测(objectedgedetection)：由于对象的边缘具有明显且连续的像素强度断层，所以使用方向梯度直方图(histogramoforientedgradients)做为特征，接着用一个移动视窗逐步地扫描整张图像，并将视窗所撷取的图像特征信息丢入预先训练好的支援向量机(supportvectormachines)进行判读，检测出水平边缘和垂直边缘所在的位置，并记录下来；(2)端点检测(terminalpointdetection)：将物件边缘检测所得到的水平边缘图像和垂直边缘图像进行霍夫线段转换(houghlinetransform)，将两条线的交点记录下来，得到线段端点；(3)定位符号检测(positioningmarkdetection)：由于图像尺上面的图案并非是完美的，和原始设计图面有些微的出入，因此先用阴影去除和中值滤波来得到干净、合适的图像，再利用定位符号的几何特性，进行检测；以及(4)解码(decoding)：用来解码的图案和定位符号的相对位置是固定的，因此当检测到定位符号之后，即可通过计算相对位置上的像素点值，来进行解码动作，以得到定位符号的图像尺坐标。于图2中，编码图案171与172分别代表图像尺坐标系统的x与y坐标。各编码图案是以六个矩形来表示，各个矩形的颜色为全黑或全白，譬如，1黑5白的编码图案可以对应到数字1至6，2黑4白的编码图案可以对应到数字7至21，3黑3白的编码图案可以对应到数字22至41，4黑2白的编码图案可以对应到数字42至56，5黑1白的编码图案可以对应到数字57至62，总共有62个数字(2⁶-2＝62)，其中不使用全黑与全白的两种，以免误判。

图4a至图4c分别显示图像尺坐标系统、像素坐标系统及世界坐标系统的示意图。如图4a至4c所示，图像尺坐标的一x轴方向相同于量测像素坐标、参考像素坐标及世界坐标的x轴方向，且图像尺坐标的一y轴方向相同于世界坐标的一y轴方向，但相反于量测像素坐标及参考像素坐标的y轴方向。图4a的图像尺坐标(x,y)相当于图4c的世界坐标(x*1000,y*1000)。图4b的图像中的像素坐标必须通过定位符号“l”的中心位置才能和世界坐标做联系。举例来说，若“l”的中心位置的图像尺坐标为(10,10)、“l”的中心位置其图像中的像素坐标为(750,250)，则“l”的中心位置的世界坐标为(10000,10000)，该张图像中的像素坐标(755,255)对应的世界坐标为(10000+5*1.05,10000-5*1.05)，其中1.05为镜头的对象解析力或分辨率(1.05μm/pixel)。

为了计算出量测点mp1与mp2的世界坐标以进一步求得量测点mp1与mp2之间的距离，处理器30针对量测点mp1与mp2执行以下步骤：步骤a，依据第二复合图像im22来求得量测点mp1的量测像素坐标；步骤b，依据第一复合图像im21中的此多个定位符号组11及此多个编码图案组16求得定位符号12a的参考点p的图像尺坐标及参考像素坐标，假设图像尺坐标为(a,b)，量测像素坐标为(c,d)，参考像素坐标为(e,f)；以及步骤c，依据此图像尺坐标、此量测像素坐标、此参考像素坐标、定位符号组11的一单位长度(g单位)、定位符号12a/12b/12c/12d的一型态、图像撷取器20的一物件解析力(h单位/像素)来求出量测点mp1的世界坐标。上述的型态为第一至第四种型态的其中一种，譬如，图2的定位符号12a/12b/12c/12d的型态为第一/二/三/四型态。另外，定位符号组11的单位长度g代表的是图2的四个p点所连成的正方形的边长，也就是定位符号每隔g单位会出现一次，或每隔2g单位重复出现相同型态的定位符号，于以下的例子中，g等于500微米(μm)。参考像素坐标与量测像素坐标都是属于像素坐标系统，其原点是所拍摄图像的左上角。

基于上述的假设，当定位符号的型态为第一型态时，量测点的此世界坐标为(2g*a+(c-e)*h,2g*b-(d-f)*h)；当定位符号的型态为第二型态时，量测点的此世界坐标为(2g*a+(c-e)*h+g,2g*b-(d-f)*h)；当定位符号的型态为第三型态时，量测点的此世界坐标为(2g*a+(c-e)*h,2g*b-(d-f)*h-g)；以及当定位符号的型态为第四型态时，量测点的此世界坐标为(2g*a+(c-e)*h+g,2g*b-(d-f)*h-g)。

图5显示物件的局部俯视图。图6a、6b与图7与显示图像尺与物件的两个量测点的拍摄示意图。如图5至图7所示，以下将以计算量测点mp1与mp2的世界坐标为例子作说明。

在图6a中，视窗w1为第一复合图像im21与第二复合图像im22的视窗，其中第二复合图像im22可能只有出现对象2，而没有出现定位符号与编码图案，如图6b所示，实际拍摄结果如图8b所示；第一复合图像im21可以出现对象2及定位符号与编码图案，如图6a的视窗w1的内容所示，实际拍摄结果如图8a所示。另外，值得注意的是，照相机所拍摄出来的编码图案的白色部分不一定要有边框。从图6b的第二复合图像im22(聚焦于对象的顶面)可以取得量测点mp1的量测像素坐标为(825,285)，从第一复合图像im21(聚焦于图像尺的顶面)可以取得第一型态“l”符号的参考点p的图像尺坐标(14,10)和参考像素坐标(436,488)，其中图6a中的定位符号12c上方的编码图案代表的数字为14，10。依据上述公式，可以计算出量测点mp1的世界坐标为(1000*14+(825-436)*1.05,1000*10-(285-488)*1.05)＝(14408,10213)。

同理，依据视窗w2的内容(第一复合图像im21的实际拍摄结果如图8c所示，第二复合图像im22的实际拍摄结果如图8d所示)可以取得量测点mp2的量测像素坐标(969,601)，并取得第四型态“l”符号的参考点p4的参考像素坐标(1038,342)，但由于此时因为编码图案被对象遮蔽，无法成功解码，因此将平台3往左移动了720μm，以获得对应于新视窗w3的一第三复合图像im23(实际拍摄结果如图8e所示)。因此，可以取得第三型态“l”符号的参考点p3的图像尺坐标(19,10.5)和参考像素坐标(830,344)，其中，图7中的定位符号12c上方的编码图案代表的数字为19，11。

因此，当对应于量测点mp2的第一复合图像im21中呈现出的编码图案组16被对象2遮蔽时，处理器30控制驱动机构40移动图像尺10或图像撷取器20，并控制图像撷取器20主要聚焦于图像尺10的顶面10t来撷取图像尺10以获得第三复合图像im23(此时的对象处于离焦的状态)，其中处理器30依据第一复合图像im21及第三复合图像im23中的此多个定位符号组11及此多个编码图案组16求得定位符号12d的参考点p4的图像尺坐标及参考像素坐标，并执行上述步骤c。

由于图像坐标必须在x-y平台3的位置相同的情况下拍摄才具有比较意义，假若拍摄两张图像时，x-y平台定位在不同的位置，则其图像中的像素坐标就不能直接做比较，且必须考虑x-y平台的定位精度可能有10～20μm左右的误差，因此不能通过x-y平台的定位的位置来做计算。

因为视窗w2的图像中的第四型态“l”符号的参考点p4的图像尺坐标，等于视窗w3的图像中的第三型态“l”符号的参考点p3的x坐标差异为(-0.5)，y坐标相同，所以通过视窗w3的图像信息，得到视窗w2中的第四型态“l”符号的参考点p4的参考像素坐标为(1038,342)，图像尺坐标为(18.5,10.5)。因此，量测点mp2的世界坐标为(1000*18.5+(969-1038)*1.05,1000*10.5-(601-342)*1.05)＝(18427,10228)。

取得量测点mp1与mp2的世界坐标以后，可以求出量测点mp1与mp2之间的坐标差异为(4019,15)，也就是长度为4019μm，以及量测点mp1与mp2的连线与x轴的夹角约为0.2度。

此外，处理器也可以根据复合图像中的多个定位符号的多个参考点来判断是否有歪斜(skew)，若有的话，可以进行纠正(de-skew)的动作。

通过本发明的上述实施例，为了解决纯图像量测物件时，量测的对象尺寸必须小于相机的视野大小的限制，本发明提出图像尺的概念，通过将待测对象放置在具有定位符号与编码图案的载具上，相机在拍摄时，同时对物件与图案进行拍摄，通过分析图案，来识别该图像中对象的局部样貌的实际位置。如此一来，只要将拍摄的物件置于图像尺之上，量测的物件便不再受限于相机的视野大小，也不需要依靠平台的定位精度，即可进行长度量测，经实验测试，以4mm的块规(物件)量测为例，平均量测长度为4011μm，平均量测误差为11μm。除了用于对象的长度量测，图像尺亦可单独使用，作为物体移动时的定位依据，例如通过取得“l”符号图像中像素的坐标，以及“l”符号的图像尺坐标，即可推算图像尺相对于相机移动了多少距离，以此可以做到像光学尺或磁性尺的定位功能。

在较佳实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅用以方便说明本发明的技术内容，而非将本发明狭义地限制于上述实施例，在不超出本发明的精神及以下申请专利范围的情况，所做的种种变化实施，皆属于本发明的范围。