一种基于像栅的直线位移测量系统及测量方法

1.本发明涉及光学测量领域，具体设计一种基于像栅的直线位移测量系统及测量方法。


背景技术：

2.直线位移测量在工业生产中应用极其广泛，比如物体位置信息的获取、三维形貌的复原、各种零部件的加工等。然而随着先进制造业的发展，很多领域对于位移测量的高精度和大量程的需求也越来越突出，例如：半导体领域超大尺寸晶圆的加工和测量、航空航天领域航空叶片尺寸和形貌的测量、自由曲面加工领域高档数控机床的定位、计量领域三坐标测量机的研究与开发等。
3.目前高精度、大量程的位移测量系统大都通过激光干涉仪或传统的栅式传感器来实现。激光干涉仪的精度最高，分辨率可达纳米甚至亚纳米级，但是它在使用过程中不仅需要精确的对准安装，而且对外界的环境也有很高的要求，以避免温度、振动等外界因素造成检测精度的下降，从而限制了其在工业中的应用。传统的栅式位移传感器包括光栅、磁栅、容栅和感应同步器，这些传感器的测量精度相比激光干涉仪略低，其分辨率都依赖于栅尺刻线，且存在明显的累积误差。此外，它们均采用栅尺和读数头紧贴的结构，其狭窄的安装距离限制了其安装的灵活性，给旧设备加装新的位移传感器和新设备的结构优化带来了极大的麻烦。
4.视觉测量技术近年来发展非常迅速，其凭借安装简单、成本低廉、非接触、远距离、高分辨率等优点被广泛应用于三维重建、目标检测、变形分析等领域。针对视觉中大位移测量，清华大学刘雪玲等提出基于图像灰度信息的直线位移测量方法，该方法通过建立周期性图像各像素点的灰度值与直线运动位移间的映射函数模型，从而解算出位移台的位移。实验结果表明该方法在10mm的测量范围内，标准差为4μm。但这种方法在高频率的位移信息采样中，会显著增加计算机的运算负担。
5.图像相关方法是视觉测量中研究面内变形或刚体位移的常用方法，它具备极强的适应性和实时性，并且可以通过插值实现亚像素位移的测量。因此，将图像相关方法应用于直线位移测量具有极大的研究前景。安徽大学赵吉文等则是利用随位移台运动的相机拍摄非周期正弦条纹图像，并通过标定物像尺寸比实现了位移台位移量的测量。他们提出了各种基于相位相关的亚像素插值算法，并对比分析了各种相关算法在亚像素插值中的速度、精度及抗干扰问题，得到了较好的计算图像平移的解决方案。
6.这两类基于视觉的直线位移测量方法各有千秋，但是没有解决如何在大位移行程中实现高精度测量的问题。原因可分为两个方面：一是忽视了光学畸变对于位移测量精度的影响；二是没有打破单个视场的限制，实现更大量程的测量。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供了在大位移行程中实现高精度测量的一种基于像栅的直
线位移测量系统。
8.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种基于像栅的直线位移测量系统一种基于像栅的直线位移测量系统，包括led背光源、玻璃线纹尺、位移驱动模块、图像采集模块、数据处理和显示模块；将所述玻璃线纹尺置于led背光源上，并让其随位移驱动模块中的直线位移滑台做平移运动，通过所述图像采集模块采集到不同位置的条纹图像，然后利用数据处理和显示模块对平移前后的图像进行相位相关，来得到图像之间平移的像素数，根据得到的像素数并利用物像之间的比例关系来获取位移台的实际位移值。
9.优选地，玻璃线纹尺包括两种条纹线纹尺：一种是用于对焦、调整相机光轴垂直度、标定像素当量的全条纹线纹尺；一种是实现位移测量的部分条纹线纹尺，其表面刻有特殊设计的条纹。
10.优选地，所述图像采集模块，包括超低畸变镜头组、高分辨率线阵相机以及计算机。
11.优选地，所述超低畸变镜头组安装于所述高分辨率线阵相机上，且高分辨率线阵相机的输出端接至所述计算机上。
12.优选地，所述数据处理和显示模块通过计算机对图像采集模块得到的平移图像进行处理计算，并将计算结果进行显示。
13.优选地，所述led背光源置于所述位移驱动模块的电动直线位移滑台上，且玻璃线纹尺置于led背光源上，led背光源发出的光线透过玻璃线纹尺即可形成条纹图像被图像采集模块获取，再由图像采集模块将条纹图像传输至数据处理和显示模块进行计算处理和位移值的显示。
14.一种采用如上所述的一种基于像栅的直线位移测量系统进行直线位移测量方法，包括如下步骤：
15.(1)对焦：将全条纹线纹尺置于led背光源上，上下调整线阵相机及镜组的位置，使相机中出现清晰的条纹图像；
16.(2)调整相机光轴垂直度：根据规定数目条纹图像在全视场中各个位置所占像素数的分布情况，调整相机光轴，使其垂直于线纹尺平面；
17.(3)标定像素当量：用规定数目条纹的实际长度比上其在像面中所占的像素数，得到用于计算线纹尺位移的像素当量值；
18.(4)获取平移图像：将全条纹线纹尺更换为测量用的部分条纹线纹尺，驱动电动直线位移滑台，带动led背光源和部分条纹线纹尺运动，线阵相机能够拍到平移的条纹图像。
19.(5)亚像素配准：使用dft(离散傅里叶变换)局部上采样相位相关法来获得图像间具有亚像素精度的平移像素数；
20.(6)得出实际位移值：用步骤(3)标定的像素当量乘以步骤(5)得到的平移像素数，得到玻璃线纹尺的实际位移。
21.优选地，在步骤(1)中，调节led背光源的发光亮度和线阵相机的曝光时间，在景深的中间位置使线纹尺清晰成像。
22.优选地，在步骤(2)中，根据透视投影原理可知，在相机光轴完全垂直于物体平面时，物平面内的任一等长的物体在像平面中的像长都相等。所以通过判断视场中不同位置相同宽度(规定数目)条纹在像面上的像素数分布是否相等，来完成相机光轴垂直度的调
整。
23.优选地，在步骤(4)中，部分条纹线纹尺的每组条纹在线纹尺上分开布置，一个线对宽度可设置在90μm-150μm之间，总宽度为3600μm。
24.优选地，在步骤(4)中，部分条纹线纹尺的条纹设计还需要满足以下条件(i)至少相邻的三组条纹的特征不相同；(ii)每两组条纹之间的间隔足够充满相机视野。此外，根据条纹位于视场中的相对位置，调整条纹图像的采样间隔，确保视场内都有一组完整的条纹与前面位置的相同条纹图像进行匹配，以保证匹配的准确性和连续性。
25.优选地，在步骤(5)中，dft局部上采样相位相关法是学者们提出的一种基于频域的亚像素配准方法，它具有很高的鲁棒性、准确性和实时性，是高频率采集下用于计算图像平移的上好方法。可分为两步：(i)整像素级定位。要把图像在空域中的平移通过傅里叶变换转换为相移，然后取互功率谱，即可得到代表图像平移的纯相位变化，最后通过逆变换就能得到δ函数，此时δ函数峰值处的位置坐标就表示了参考图像平移的像素数；(ii)亚像素级定位。该步骤的核心是在功率谱不变的情况下，细化空域中的峰值位置周围的局部区域，在逆变换时用sinc函数实现插值，最终得到具有亚像素精度的平移像素数。
26.本发明具有如下有益效果：1、采用相机拍摄线纹尺来获取目标物的实际位移，改变了传统栅式位移传感器(光栅、磁栅等)栅尺和读数头紧贴在一起的设计结构，具有更强的安装灵活性，为旧设备或新产品提供了一种低成本的、便利性的、灵活性的位移测量方案；2、采用强背光led作为光源放置在线纹尺下，并使用dft局部上采样相位相关法实现了位移前后图像的亚像素配准，使测量具有更高的精度、适应性和实时性；3、位移测量取决于位移前后图像间的匹配，不依赖于栅尺刻线，不存在栅线之间的累积误差；4、采用超低畸变的镜头，避免了镜头畸变给位移前后条纹图像带来的变形，使位移前后图像保持了较高的一致性，不仅降低了像素当量的变化，而且提高了亚像素配准的精度；5、基于相位相关法的原理，设计了多组不同特征的条纹在线纹尺上，从而打破了相机视野的限制，实现了大量程的测量；6、像栅位移测量系统可以配合高倍率镜头实现很高的分辨率，为小尺寸高精度的位移测量方法也提供了一种新方案。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
28.图1为本发明的测量系统组成示意图；
29.图2为本发明的全条纹线纹尺示意图；
30.图3为本发明的部分条纹线纹尺示意图；
31.图4为本发明相机光轴垂直度调整前后视场中各位置20个线对条纹所占像素数对比图，其中图4(a)为相机光轴倾斜时的像素数变化示意图，图4(b)为相机光轴垂直时时的像素数变化示意图；
32.图5为本发明dft局部上采样相位相关法的流程框图。
33.图例说明：1-图像采集模块；2-玻璃线纹尺；3-led背光源；4-移动平台；5-计算机。
具体实施方式
34.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
35.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
36.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
37.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
39.实施例
40.以下仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于下述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。
41.图1为本发明测量系统组成示意图。如图1所示，在左侧的方框中，电动直线位移滑台位于底部，它与右侧的计算机和控制器相连构成位移驱动模块。同时，它带动着位于上方的led背光源和玻璃线纹尺做平移运动。把led背光源置于玻璃线纹尺的下方，白光从底部投射到玻璃线纹尺上，经过刻蚀的阴影区域，在相机中就会形成明暗相间的高对比度条纹图像，极大地提高了图像的抗噪能力，使像素当量的标定和图像的配准达到了更高的精度。
42.图1左侧方框的上部是图像采集模块中的线阵相机和超低畸变镜组。线阵相机的厂家为basler，型号是ral8192-12gm-racer，水平/垂直分辨率：8192px x 1px，像元尺寸为
3.5μm，小的像元能给图像带来更高的分辨率，使图像配准时亚像素插值的精度更高，较大的靶面为测量视场的增大提供了更多的便利条件。在测量中，通过利用位移前后图像之间的亚像素配准来实现更高精度亚像素平移量的获取，其中非常关键的一环是，要保证位移前后图像的一致性。但对于普通的成像镜头来说，总会因为镜头的设计、制作和装配的偏差而使放大率随着视场呈现出非线性变化。因此，条纹在视场中运动时，很难保证前后位置图像保持高度的一致性，不仅使像素当量表现出较大的变化，也使图像的亚像素配准存在了较大的误差。所以，本发明采用了opt machine vision生产的型号为vhk120/5.8的超低畸变的镜头，放大倍率为1倍，畸变为0.01％，极大地降低了因镜头畸变导致的位移测量误差。
43.图1右侧的计算机，是位移驱动模块、图像采集模块、数据处理和显示模块的重要组成部分，本系统通过利用计算机的智能控制和快速处理能力实现位移的快速测量。图2为全条纹线纹尺示意图。如图2所示，条纹布满线纹尺，其一个线对宽为100μm。全条纹线纹尺可用于对焦、调整相机光轴垂直度、标定测量系统的像素当量。在进行位移测量前，将全条纹线纹尺置于均匀发光的led背光源上，经过图像采集模块，线阵相机视场中的每个位置都能观察到黑白相间的条纹图像。
44.图3为部分条纹线纹尺示意图。部分条纹线纹尺又称测量线纹尺。如图3所示，本发明将不同线宽的条纹布置在玻璃线纹尺上，每组条纹之间保持一定间隔，各组条纹中一个线对宽度可设置在90μm-150μm之间，总宽度为3600μm。这些条纹在在测量过程中会在相机中形成不同特征的条纹图像，为大量程位移测量提供了先决条件。与此同时，在条纹设计时为了能避免配准混乱，保证条纹图像匹配的唯一性，需遵循以下两点要求：(1)至少相邻的三组条纹的特征要不一致。(2)每两组条纹之间的间隔要足够大，尽量充满相机视野。
45.本实例中，一种基于像栅的直线位移测量系统的测量方法，按照如下步骤进行：
46.1、对焦。将图2所示的全条纹线纹尺置于led背光源上，调整线阵相机及镜组的位置、调节led背光源的发光亮度和线阵相机的曝光时间，使线纹尺在景深的中间位置清晰成像，并使条纹图像具有很高的对比度。
47.2、调整相机光轴垂直度。在相机在安装的过程中，相机光轴总会些许倾斜于线纹尺平面，进而引入了透视误差，使得线纹尺在同一个视场下不能保证恒定的光学放大率。因此在针孔成像模型下，要想保证能保证高精度的测量，必须将相机光轴垂直于物体平面。根据透视投影原理可知，相机光轴完全垂直于物体平面时，物平面内的任一等长的物体在像平面中的像长都相等。故本文通过判断视场中不同位置相同宽度条纹在像面上的像素数分布是否相等，来完成相机光轴垂直度的调整。相机光轴倾斜时和垂直时视场中各位置20个线对条纹所占像素数变化分别如图4(a)和图4(b)所示。为了准确地统计条纹的像在相机感光面上占有的像素数，本文采用了100倍的三次样条插值法对条纹图像形成的灰度曲线进行插值，并取灰度值为150的直线与之相交(该措施用于统计交点间的像素数)，即可得到精度为0.01pixel的条纹所占像素数。
48.3、标定像素当量。在相机光轴调整到垂直于线纹尺平面后，同样用全条纹线纹尺标定测量系统中的像素当量。以20个线对为一组，从视场左侧至右侧依次量化像素当量，最终便可以得到全视场内的像素当量变化。为了减小随机误差的影响，本发明用全场内不同位置像素当量的均值来计算位移。
49.4、获取平移图像。将全条纹线纹尺更换为测量用的部分条纹线纹尺，根据条纹位
于视场中的相对位置，调整条纹图像的采样间隔，驱动电动直线位移滑台带动led背光源和部分条纹线纹尺运动，线阵相机即可拍到平移的条纹图像。
[0050][0051]
表1不同位置的条纹图像
[0052]
表1是测量过程中条纹运动到不同位置处相机所捕捉到的一系列图像。可以看出任何一个视场内都有一组完整的条纹和前面选择的参考位置条纹进行匹配，这样就能够保证不同位置条纹图像之间匹配的准确性。而且在第一组条纹消失在视野之前，第二组不同的条纹就会出现，因此保证了匹配的连续性，从而在单个视场下也能实现大量程测量。
[0053]
5、亚像素配准。像栅位移测量系统的关键步骤之一就是位移前后条纹图像间平移像素数的获取，为了能更快、更准地获取图像中特征目标的亚像素平移，本文采用了dft(离散傅里叶变换)局部上采样相位相关法，其简要概述如图5所示的流程框图，整个过程可分为两步如下：
[0054]
第一步，整像素级定位，得到整像素位移量为t。首先通过图像采集模块获取两幅位移前后的条纹图像，然后利用傅里叶变换将空域中的平移转换为频域中的相移。之后对两个频域表达式取归一化互功率谱即可得到代表图像平移的纯相位变化，也把此称之为频率域的互相关函数r(u,v)，即：
[0055]
最后将互相关函数做逆变换，就能得到表示了图像之间的平移像素数的函数δ，即：
[0056]
r(x,y)＝ift[r(u,v)]＝δ(x-x0,y-y0)。
[0057]
当测量精度需要突破整像素的限制时，即采样倍数大于1时，就需要进行第二步，亚像素级定位，得到亚像素位移量为δt。该步骤的核心是在功率谱不变的情况下，细化空域中的峰值位置周围的局部区域内二维坐标，然后再在逆变换时用sinc函数实现插值。
[0058]
在第一步获取了整像素的位置(x0,y0)后，以(x0,y0)为中心取1.5x1.5pixel大小的区域，然后在该区域内进行dft矩阵乘法的k倍上采样。当细化所选区域后，对功率谱函数r(u,v)进行矩阵乘法的归一化逆傅里叶变换，得到插值后的二维δ函数r(x',y')，
[0059][0060]
其中，
[0061][0062]
最终得到具有亚像素精度的平移像素数t+δt。
[0063]
6、得出实际位移值。用步骤3标定的像素当量乘以步骤5得到的平移像素数，即可得到线纹尺的实际位移。
[0064]
综上所述，本发明所提出的一种基于像栅的直线位移测量系统及测量方法，解决了传统栅式传感器安装灵活性不足的问题，相比之前的视觉测量方法，其测量精度更高、量程更大。