基于LabVIEW機器視覺(jué)的微小位移動(dòng)態(tài)測量

前言

測量物體的微小位移在許多方面如數控機床的精確加工等，有廣泛的應用。目前測量物體的微小位移已經(jīng)發(fā)展了多種方法：激光位移傳感器測量法、電容位移傳感器測量法等。本文實(shí)現了一種基于LabVIEW機器視覺(jué)軟件平臺和讀數顯微鏡以及USB攝像頭測量微小位移的系統。該系統成本低，操作方便，并實(shí)現了計算機的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量。由美國NI公司推出的LabVIEW是目前最流行、應用最廣、發(fā)展最快和功能最強的圖形化數據軟件[1-4]。NI公司推出的機器視覺(jué)平臺是專(zhuān)門(mén)的圖像處理軟件平臺。本測量系統采用LabVIEW和機器視覺(jué)軟件平臺編程控制USB攝像頭采集讀數顯微鏡的物體圖像移動(dòng)，通過(guò)計算機判斷物體圖像的像素移動(dòng)來(lái)計算物體移動(dòng)的微小位移。整個(gè)實(shí)驗過(guò)程中，圖像采集和數據處理都是通過(guò)LabVIEW軟件編程實(shí)現。由于攝像頭的幀速為30幀/秒，因此可實(shí)現動(dòng)態(tài)測量、÷像o實(shí)時(shí)顯示結果并將數據實(shí)時(shí)保存。

1 實(shí)驗原理和思路

通過(guò)讀數顯微鏡的放大作用把物體發(fā)生的微小位移放大，利用攝像頭拍攝物體放大的圖像，用計算機對圖像進(jìn)行二值化處理，通過(guò)移動(dòng)前后圖像質(zhì)心位置像素點(diǎn)的變化可計算出物體位移的變化。圖1是實(shí)驗原理和測量流程圖。


圖1 微小位移測量實(shí)驗原理圖

實(shí)驗思路如下：讀數顯微鏡底座的LED發(fā)射出均勻穩定的光，照射到顯微鏡載物臺的玻璃片上。物體的移動(dòng)牽引顯微鏡物鏡下的細絲產(chǎn)生微小位移，這里，細絲的位移就是物體的位移。顯微鏡對細絲成一個(gè)清晰放大的像，被置于目鏡上的USB攝像頭采集到圖像并將圖像傳到計算機進(jìn)行處理。計算機對采集到的圖像先進(jìn)行二值化處理，濾去背景圖像的影響，計算出圖像質(zhì)心的位置。通過(guò)比較前后圖像質(zhì)心的位置坐標，可計算出質(zhì)心移動(dòng)的像素點(diǎn)。實(shí)驗中通過(guò)多次測量，先得出圖像單位像素點(diǎn)和物體實(shí)際位移的比例系數。實(shí)際測量物體的位移時(shí)，通過(guò)計算出圖像質(zhì)心像素點(diǎn)的變化，再乘以單位像素點(diǎn)的變化與物體實(shí)際位移的比例系數，計算出物體的實(shí)際位移。

實(shí)驗中使用的實(shí)驗儀器和裝置包括：讀數顯微鏡（型號為：JCD-Ⅲ，上海光學(xué)儀器廠(chǎng)）。實(shí)驗中顯微鏡的目鏡×10，物鏡×10，對細絲的放大倍數為100倍。攝像頭：普通羅技快看高手版（羅技公司），攝像頭的分辯率 320×240，30萬(wàn)像素，拍攝幀速為30幀/秒。細絲為精確加工的黑色細絲，直徑約為 。

2 基于LabVIEW和視覺(jué)開(kāi)發(fā)平臺測量系統的程序設計

2.1 程序設計的思路

實(shí)驗通過(guò)采用LabVIEW視覺(jué)軟件平臺編程控制USB攝像頭采集顯微鏡中放大的物體圖像。通過(guò)對圖像進(jìn)行計算和處理，計算出移動(dòng)物體圖像的質(zhì)心像素的位置變化來(lái)測量物體的微小位移。在LabVIEW的機器編程中，采用編程控制USB攝像頭的采集。為了濾去背景圖像和噪音的影響，采集到的圖像需經(jīng)過(guò)二值化處理。通過(guò)設定門(mén)限值，將圖像像素值高于門(mén)限值的設為最高像素值，低于門(mén)限值的置零，獲得細絲的二值化圖像。調用視覺(jué)開(kāi)發(fā)平臺中的專(zhuān)門(mén)模塊計算出細絲圖像質(zhì)心的像素位置[5-6]，進(jìn)一步計算出移動(dòng)前后質(zhì)心像素位置變化的像素點(diǎn)個(gè)數。測量時(shí)，通過(guò)計算出圖像質(zhì)心移動(dòng)的像素點(diǎn)個(gè)數乘以單位像素點(diǎn)的變化與實(shí)際距離的比例系數，求得物體移動(dòng)的實(shí)際距離。

2.2 測量程序顯示界面的設計

USB 攝像頭將被測物體所成像變?yōu)閿底謭D像輸入計算機，由LabVIEW軟件平臺調用并顯示?？紤]到顯示的方便，測量程序設為兩個(gè)界面顯示。圖2是測量程序的實(shí)時(shí)同步測量界面。“圖像跟蹤”實(shí)時(shí)顯示攝像頭拍攝到的顯微鏡成的細絲圖像，直觀(guān)顯示圖像移動(dòng)，圖中黑色物體為細絲的圖像;“結果”和“位移記錄”實(shí)時(shí)顯示物體位移變化;點(diǎn)擊“開(kāi)始測量”鍵，計算機啟動(dòng)攝像頭開(kāi)始測量;點(diǎn)擊“復位”鍵重新測量?？紤]到攝像頭開(kāi)始工作時(shí)一般都不穩定，設置計算機啟動(dòng)攝像頭開(kāi)始測量后采集到的前15幀圖像不予采用。為了方便顯示，設置圖像采集在藍色進(jìn)度條走完之后開(kāi)始測量。通過(guò)這個(gè)界面，能夠直觀(guān)觀(guān)測到物體的圖像和位移。


圖2 同步測量顯示界面

2.3 測量的LabVIEW程序設計

在LabVIEW 中，由于將調用函數模塊化了，因此調用USB攝像頭非常簡(jiǎn)單。圖3是LabVIEW調用USB攝像頭采集圖像的編程。調用的過(guò)程如下：調用攝像頭①I(mǎi)MAQ Create.vi —> ②IMAQ USB Grab Setup.vi —> ③IMAQ USB Grab Acquire.vi —>④IMAQ USB Close.vi，該過(guò)程為靜態(tài)拍攝一幀。加上一個(gè)循環(huán)⑥While Loop，通過(guò)⑤Wait Until Next ms Multiple控制While Loop每隔多少毫秒觸發(fā)一次（默認值為33.3毫秒，也就是每秒三十30幀），輸出⑦Image Display。


圖3 調用USB攝像頭采集圖像

從USB攝像頭采集到的圖像經(jīng)過(guò)圖4進(jìn)行二值化的編程處理：從①I(mǎi)MAQ USB Grab Acquire.vi輸出的圖像②IMAQ ColorImageToArray，由③Optional Rectangle功能截取采集圖像的有效部分并轉化為一個(gè)32位的二維數組。為了便于確定二值化門(mén)限的標度，使用To Unsigned Byte Integer 把32位數組轉化為8位數組，通過(guò)兩次使用④For Loop的循環(huán)端口i和⑤⑥Index Array對二維數組進(jìn)行索引;使用Less Or Equal?和⑦Select對數組的每一個(gè)值與預先的門(mén)限值進(jìn)行比較判斷，規定大于預先給定門(mén)限值為0（亮度最?。?，否則為255（亮度最大）。經(jīng)過(guò)二值化處理后的數組通過(guò)IMAQ ArrayToImage轉化為圖像顯示出來(lái)，這樣就把采集到的圖像變?yōu)橹挥泻诎變煞N顏色。其中，白色代表物體所成的像，黑色為背景圖像。


圖4 二值化處理圖像

NI公司的機器視覺(jué)軟件平臺是專(zhuān)門(mén)為圖像處理開(kāi)發(fā)的，有很多專(zhuān)用的軟件模塊。我們選用了其中計算質(zhì)心的模塊。將圖像輸入模塊，它便能輸出圖像質(zhì)心的坐標。按照實(shí)驗設計思路，我們必須預先測量出圖像單位像素點(diǎn)的變化和實(shí)際物體移動(dòng)距離的比例系數，因此選用了讀數顯微鏡。讀數顯微鏡能夠精確移動(dòng)顯微鏡。物體不動(dòng)，精確移動(dòng)顯微鏡，可讀出顯微鏡的移動(dòng)距離，同時(shí)計算出圖像變化的像素點(diǎn)數。將移動(dòng)距離除以總的像素點(diǎn)數，得到單位像素點(diǎn)的變化與實(shí)際物體移動(dòng)距離的比例系數。

實(shí)驗中物體的移動(dòng)是通過(guò)牽引顯微鏡物鏡下的細絲而產(chǎn)生的，因此細絲位移就是物體的位移。為了獲得100um的位移，我們將物體放在一個(gè)螺旋測微器控制的光學(xué)平臺上。螺旋測微器總共50個(gè)小格，轉動(dòng)一周移動(dòng)為0.5mm，因此轉動(dòng)一小格為10um。通過(guò)調節螺旋測微器，我們獲得100um的位移范圍。測量時(shí)，將采集到的數據實(shí)時(shí)保存到電腦中，再通過(guò)畫(huà)圖軟件顯示。圖5是測量的實(shí)驗結果。圖中的橫坐標表示測量的時(shí)間，縱坐標表示測量的位移，平直部分是移動(dòng)螺旋測微器時(shí)的停留時(shí)間。由于是手旋動(dòng)螺旋測微器，因此移動(dòng)的快慢不一致導致出現階梯狀的停頓。


圖5實(shí)驗結果顯示，物體移動(dòng)范圍為

3 實(shí)驗誤差分析和改進(jìn)方法討論

測量系統中誤差主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面：一個(gè)是測量系統本身帶來(lái)的誤差，例如物體牽引細絲的運動(dòng)不同步、實(shí)驗平臺的震動(dòng)等;另一個(gè)重要的誤差來(lái)源于圖像單位像素點(diǎn)的變化和實(shí)際物體移動(dòng)距離的比例系數，如果這個(gè)系數有較大的誤差，測量結果就不可靠。實(shí)驗中采用的方法是：細絲不動(dòng)，精確移動(dòng)顯微鏡，讀出顯微鏡的移動(dòng)距離;計算出細絲圖像變化的像素點(diǎn)數，將移動(dòng)距離除以總的像素點(diǎn)數，得到單位像素點(diǎn)的變化與實(shí)際物體移動(dòng)距離的比例系數。我們將讀數顯微鏡精確移動(dòng)100um、150um、200um ，反復多次測量細絲質(zhì)心像素點(diǎn)的變化點(diǎn)數，同時(shí)考慮回程誤差，計算出該系數平均值約為2um/像素。因此，測量系統的測量精度是2um。選用更高倍數的顯微鏡，能夠獲得更高的測量精度。

4 總結

本文詳細介紹了基于LabVIEW軟件和機器視覺(jué)平臺，利用USB攝像頭和讀數顯微鏡建立一個(gè)動(dòng)態(tài)測量微小位移的系統。實(shí)驗過(guò)程中的圖像采集和數據處理都是通過(guò)LabVIEW軟件編程實(shí)現。通過(guò)利用周邊通用設備（計算機、讀數顯微鏡、USB攝像頭），使得該系統具有精度較高、制造簡(jiǎn)單、技術(shù)要求低、操作方便和移植性強等特點(diǎn)。

本文創(chuàng )新點(diǎn)：將虛擬儀器技術(shù)應用到微小位移測量中，使用LabVIEW機器視覺(jué)平臺開(kāi)發(fā)設計了基于USB攝像頭的微小位移動(dòng)態(tài)測量系統。我們的實(shí)驗中，動(dòng)態(tài)測量精度達到了2um。

參考文獻

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