◇科技论坛◇2014年12
期
视觉测量技术基本原理
王
（天津科技大学理学院
莹中国
天津
300457）
【摘要】视觉测量技术是精密测量技术领域内最具有发展潜力的新技术，它综合运用了电子学、光电探测、图像处理和计算机技术，将机器视觉引入到工业检测中，实现对物体的尺寸及位移的快速测量，具有非接触、精度高、速度快、柔性好等诸多优点。本章主要介绍视觉测量技术的基本原理、光路特点、分类及其应用装置的总体结构。
【关键词】测量技术；基本原理
1.视觉测量技术原理
基于计算机视觉技术的尺寸测量是以计算机视觉为基础，结合光、电、机应用的一种新兴的测量技术。系统的装置设计主要包括光学系统、数据采集和传输系统以及数据处理。其中，光学系统主要部件包括光源，聚焦透镜，成像透镜，光电检测器件等。光学系统组件示意图如图1-1(b)所示。LD表示激光二极管（LaserDiode），CCD表示光电耦合器件（ChargeCoupledDevice），Lens表示透镜或者透镜组，δ表示像点位移，Δ为物点位移———表示被测物体的位移量。在测量过程中，激光二极管LD发出的激光束在被测物体表面上形成一个亮的光斑，经成像物镜Lens将该光斑成像到光电接收器CCD的光敏面上，光强信号被转换为电信号；电信号经A/D采集并顺序输出后，就得到同时具备位置信息和光强信息的一维图像信息，图像信息经过图像数据分析可以精确计算出光斑像点的位置。因为像点位置与激光斑点的位置存在严格的数学关系，所以只要能精确地测量出像点位移δ，就可以得到被测物体的准确位移量Δ。
响，所以本节以下几个方面对直射式光学三角法和斜射式光学三角法进行了比较：
(1)从接受成像光的形式来讲，斜射式光学三角法可接收来自被测物体的正散射光，比较适合测量表面较为平滑的物体。而直射式接收的是表面的散射光，比较适合于测量散射性能好的表面，如果表面较为平滑，由于耦合到光电探测器的散射光光强太弱或者甚至为零，则使用直射式光学三角法可能无法进行测量，也就是说可能存在测量盲区。
(2)从检测斑点的位置来讲，使用斜射式三角法进行测量时，因光束的倾斜入射导致测量光点的位置随物体表面的移动而发生变化，所以无法直接知道被测物体某点的位移情况，这一点也是影响斜射式测量精度和稳定性的一个重要因素。相对而言，直射式测量法采用垂直入射，测量光点位置在测量过程中不会发生变化。
(3)从检测斑点的大小来讲，斜射式三角法的入射光线因与被测表面不垂直而扩大了光斑，当被测表面发生倾斜和扭转时会对结果产生很大的影响；相反，直射式三角法由于垂直入射，光斑较小，光强集中，加上入射在被测面的同一点，所以被测面的倾斜和扭转对测量结果的影响不大,精度较高。
此外，由于光路的原因，直射式光学三角法具有结构尺寸小、工作距离大、抗干扰性能相对较强、安装调试方便等许多优点，根据实际情况，包括工作距离、测量范围、被测面的粗糙度、安装方式、精度等要求。
3.Scheimpflug条件
图1-1
学系统组件示意图
在光学成像系统中，Scheimpflug条件是保证清晰成像的一个公理性条件。在直射式光学三角法中，其物像位移关系满足Scheimpflug条件是实现高精度测量的一个重要前提条件。因为，在使用直射式三角法测量时，激光光束与被测表面垂直，整个光学系统只有一个准确调焦的位置，其余位置的像点都处于不同位置的离焦状态。离焦将引起像点的弥散，从而降低了系统的测量精度。∠θ、∠φ必须满足Scheimpflug条件才能保证激光光斑成像在CCD敏感面上，从而提高系统的测量精度。
在一般成像系统中，Scheimpflug条件是要求像平面、物平面、透镜平面相交于一条直线，在直射式光学三角法中则是激光投射线、线阵CCD敏感面所在直线和透镜主平面两线一面交于一点。
综上所述，在光学三角法光路中，当相应参数满足式(2-15)时，被测面移动直线方程式(2-6)，与成像直线方程式(2-14)，透镜主平面代表方程三线共同经过点(0，ak)，即满足Scheimpflug条件。
这一规律为光学三角法的光路设计提供了理论基础，可以保证CCD能接收到准确的像点位置，也给计算带来了方便。所以，在光学三角法中，为获得理想的成像效果，光电探测器必须沿着满足
Fig.1-1PrincipleofLaserTriangulation
2．光路分类及特点
在视觉测量等领域中激光三角法作为光学测量的基本方法之一,得到广泛的应用,其测量系统具有结构简单,体积小、重量轻,测量精度高,并可在线进行全面测量等特点。在测量系统中,光学系统参数的设计对于整个系统的测量范围、测量精度及分辨率等均具有重要影响。因此,如何对基于激光三角法的光学测量系统的光学结构参数进行快速设计和优化,具有十分重要的意义。
2.1光学三角法分类
光学三角法根据入射光线与被测物体表面法线的关系，又可分为直射式和斜射式。直射式光学三角法是指与被测面的法线重合，斜射式光学三角法是指与被测面的法线存在一定的夹角，这两者由于反射光路的不同而各自具有不同的特点。
2.2两种方式特性比较
直射式和斜射式是光学三角法两种主要的光路布局方式。因为不同的光路布局对测量精度、装置结构大小等各个方面有着重要的影
Scheimpflug条件的夹角放置
。科
（上接第126页）办事。很多事故的发生都是由于船体未能达到预期的要求而产生的悲剧。
河船舶的安全性稳定性，为社会的发展贡献自身的力量。科
4.结语
我们要立足于国情，针对现代船舶运输遇到的困难进行研究，对于常见的事故要加强认识，不断的改进船舶加工的工艺，优化制作方法，不断的进行创新，争取创造方便快捷安全的内河船舶。同时应该加强相应的法制建设，完善法律制度，加强人们的安全意识，从而提高内
●
【参考文献】
［1］尹旭巍.黑龙江小型船舶安全评估的研究[D].大连海事大学,2009.
［2］童国和.试析内河小型船舶检验质量及处理对策[J].科技与企业,2013(19):28.［3］王春华.内河小型船舶常见事故及预防[J].中国港口,2013(04):50-51.
［4］韩周铎.内河小型船舶检验故障分析及处理措施[J].工业设计,2011(06):122.
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视觉测量技术基本原理
王
（天津科技大学理学院
莹中国
天津
300457）
【摘要】视觉测量技术是精密测量技术领域内最具有发展潜力的新技术，它综合运用了电子学、光电探测、图像处理和计算机技术，将机器视觉引入到工业检测中，实现对物体的尺寸及位移的快速测量，具有非接触、精度高、速度快、柔性好等诸多优点。本章主要介绍视觉测量技术的基本原理、光路特点、分类及其应用装置的总体结构。
【关键词】测量技术；基本原理
1.视觉测量技术原理
基于计算机视觉技术的尺寸测量是以计算机视觉为基础，结合光、电、机应用的一种新兴的测量技术。系统的装置设计主要包括光学系统、数据采集和传输系统以及数据处理。其中，光学系统主要部件包括光源，聚焦透镜，成像透镜，光电检测器件等。光学系统组件示意图如图1-1(b)所示。LD表示激光二极管（LaserDiode），CCD表示光电耦合器件（ChargeCoupledDevice），Lens表示透镜或者透镜组，δ表示像点位移，Δ为物点位移———表示被测物体的位移量。在测量过程中，激光二极管LD发出的激光束在被测物体表面上形成一个亮的光斑，经成像物镜Lens将该光斑成像到光电接收器CCD的光敏面上，光强信号被转换为电信号；电信号经A/D采集并顺序输出后，就得到同时具备位置信息和光强信息的一维图像信息，图像信息经过图像数据分析可以精确计算出光斑像点的位置。因为像点位置与激光斑点的位置存在严格的数学关系，所以只要能精确地测量出像点位移δ，就可以得到被测物体的准确位移量Δ。
响，所以本节以下几个方面对直射式光学三角法和斜射式光学三角法进行了比较：
(1)从接受成像光的形式来讲，斜射式光学三角法可接收来自被测物体的正散射光，比较适合测量表面较为平滑的物体。而直射式接收的是表面的散射光，比较适合于测量散射性能好的表面，如果表面较为平滑，由于耦合到光电探测器的散射光光强太弱或者甚至为零，则使用直射式光学三角法可能无法进行测量，也就是说可能存在测量盲区。
(2)从检测斑点的位置来讲，使用斜射式三角法进行测量时，因光束的倾斜入射导致测量光点的位置随物体表面的移动而发生变化，所以无法直接知道被测物体某点的位移情况，这一点也是影响斜射式测量精度和稳定性的一个重要因素。相对而言，直射式测量法采用垂直入射，测量光点位置在测量过程中不会发生变化。
(3)从检测斑点的大小来讲，斜射式三角法的入射光线因与被测表面不垂直而扩大了光斑，当被测表面发生倾斜和扭转时会对结果产生很大的影响；相反，直射式三角法由于垂直入射，光斑较小，光强集中，加上入射在被测面的同一点，所以被测面的倾斜和扭转对测量结果的影响不大,精度较高。
此外，由于光路的原因，直射式光学三角法具有结构尺寸小、工作距离大、抗干扰性能相对较强、安装调试方便等许多优点，根据实际情况，包括工作距离、测量范围、被测面的粗糙度、安装方式、精度等要求。
3.Scheimpflug条件
图1-1
学系统组件示意图
在光学成像系统中，Scheimpflug条件是保证清晰成像的一个公理性条件。在直射式光学三角法中，其物像位移关系满足Scheimpflug条件是实现高精度测量的一个重要前提条件。因为，在使用直射式三角法测量时，激光光束与被测表面垂直，整个光学系统只有一个准确调焦的位置，其余位置的像点都处于不同位置的离焦状态。离焦将引起像点的弥散，从而降低了系统的测量精度。∠θ、∠φ必须满足Scheimpflug条件才能保证激光光斑成像在CCD敏感面上，从而提高系统的测量精度。
在一般成像系统中，Scheimpflug条件是要求像平面、物平面、透镜平面相交于一条直线，在直射式光学三角法中则是激光投射线、线阵CCD敏感面所在直线和透镜主平面两线一面交于一点。
综上所述，在光学三角法光路中，当相应参数满足式(2-15)时，被测面移动直线方程式(2-6)，与成像直线方程式(2-14)，透镜主平面代表方程三线共同经过点(0，ak)，即满足Scheimpflug条件。
这一规律为光学三角法的光路设计提供了理论基础，可以保证CCD能接收到准确的像点位置，也给计算带来了方便。所以，在光学三角法中，为获得理想的成像效果，光电探测器必须沿着满足
Fig.1-1PrincipleofLaserTriangulation
2．光路分类及特点
在视觉测量等领域中激光三角法作为光学测量的基本方法之一,得到广泛的应用,其测量系统具有结构简单,体积小、重量轻,测量精度高,并可在线进行全面测量等特点。在测量系统中,光学系统参数的设计对于整个系统的测量范围、测量精度及分辨率等均具有重要影响。因此,如何对基于激光三角法的光学测量系统的光学结构参数进行快速设计和优化,具有十分重要的意义。
2.1光学三角法分类
光学三角法根据入射光线与被测物体表面法线的关系，又可分为直射式和斜射式。直射式光学三角法是指与被测面的法线重合，斜射式光学三角法是指与被测面的法线存在一定的夹角，这两者由于反射光路的不同而各自具有不同的特点。
2.2两种方式特性比较
直射式和斜射式是光学三角法两种主要的光路布局方式。因为不同的光路布局对测量精度、装置结构大小等各个方面有着重要的影
Scheimpflug条件的夹角放置
。科
（上接第126页）办事。很多事故的发生都是由于船体未能达到预期的要求而产生的悲剧。
河船舶的安全性稳定性，为社会的发展贡献自身的力量。科
4.结语
我们要立足于国情，针对现代船舶运输遇到的困难进行研究，对于常见的事故要加强认识，不断的改进船舶加工的工艺，优化制作方法，不断的进行创新，争取创造方便快捷安全的内河船舶。同时应该加强相应的法制建设，完善法律制度，加强人们的安全意识，从而提高内
●
【参考文献】
［1］尹旭巍.黑龙江小型船舶安全评估的研究[D].大连海事大学,2009.
［2］童国和.试析内河小型船舶检验质量及处理对策[J].科技与企业,2013(19):28.［3］王春华.内河小型船舶常见事故及预防[J].中国港口,2013(04):50-51.
［4］韩周铎.内河小型船舶检验故障分析及处理措施[J].工业设计,2011(06):122.
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