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基于CCD中远距离位移测量方法研究 　　摘要：自从非接触测量受关注以来，基于激光和超声波的测量技术是最常用的方法。但是基于激光和超声波的测量方法的测量精度在很大程度上依赖于被测物表面的反射能力，如果测量表面不理想，那么测量系统通常会表现很差。本文基于数字图像处理技术，提出了以图像像素数来计算被测目标位移的图像测量方法，并分别对测量距离与所选参考点间距对测量精度的影响进行了分析。 　　关键词：CCD 位移测量 图像 像素数 　　中图分类号：TH744 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）10-0076-02 　　1 引言 　　自从非接触测量受关注以来，基于激光[1，2]和超声波[3]的测量技术是最常用的方法。但是基于激光和超声波的测量方法的测量精度在很大程度上依赖于被测物表面的反射能力，如果测量表面不理想，那么测量系统通常会表现很差，由于测量系统存在这些问题会产生测量精度丢失，因此采用基于激光的测量仪器进行标定就会有一定的影响，而且这些测量方法在进行测量时对目标图像的记录存在一定的难度。于是基于图像测量技术[4-6]的位移、距离以及从摄影图像中获取目标几何特征的图像测量技术应运而生。本文基于数字图像处理技术，提出了以图像像素数来计算被测目标距离和位移的图像测量方法。 　　2 位移测量方法 　　假设被测目标平面垂直于数码相机光轴，且被测目标位于数码相机光轴附近，那么就能进行位移测量。如图1所示，测量目标表面同一水平直线上有两参考点a、b，a、b两点之间的实际距离为。平行移动测量目标距离，a、b两点分别移动到a1、b1点，移动距离分别为、，那么==，、分别测量目标移动前后a、b两点之间距离在图像中的像素数，、分别为测量目标移动前后a、b点的像素数差，是该拍摄条件下数码相机水平方向的最大像素数。 　　如果测量目标移动前后，拍摄条件没有改变，那么我么可以得到以下关系式： 　　（1） 　　又 （2） 　　（3） 　　（4） 　　（5） 　　结合公式（1.1） （1.2） （1.3） （1.4）（1.5）可以得到测量目标移动的距离： 　　（6） 　　我们测量出a、b两点之间的实际距离并得到a、b两点之间的像素数，就可以计算出测量目标的实际移动距离（图1）。 　　3 位移测量实验数据分析 　　根据前面介绍的测量原理搭建一个中远距离位移测量平台，其硬件系统如（图2）所示。 　　图中，数码相机：尼康D90ixels，曝光时间可调，感光度ISO 200-3200。 　　丝杠：单螺纹，螺距1mm。 　　测量时，环境光线要比较充足，如果环境较暗，可以开启辅助光源，使被测目标保持光线充足；参考点需位于数码相机的光轴附近，且导轨平面与数码相机光轴垂直；通过转动丝杠来控制导轨的平行移动；导轨的位移大小采用激光干涉仪进行标定测量。 　　实验中采用高精密铣床加工的金属板的顶点作为参考点进行测量。 　　3.1 不同距离位移测量实验及距离对位移测量的影响 　　（表1）为不同测量距离下位移测量实验的结果，两参考点之间的距离为40mm，导轨每次移动30mm，测量距离为1m到20m之间变化，距离变化量为1m。 　　在前面位移测量公式的推导中，有Na=Nb，但是我们从（表1）中发现在实际测量中a、b两点移动前后的像素数差并不相等，存在一定误差，为了方便计算，在最后计算导轨实际位移时，我们取Na与Na的平均值来计算导轨的实际位移值。 　　由于两参考点之间的实际距离固定不变，因此随着测量距离的增加，两参考点之间的像素数越来越小，这表明单位像素对应的实际位移值越来越大，因此两参考点在图像中也越来越小。当测量距离最够远时，参考点在图像中的面积会只占几个像素，而我们在前面提到的图像处理方法计算参考点形心坐标时，选取特征区域灰度值为1-50的像素点所组成的图形为参考点，所以在测量距离足够远的时参考点的形心的误差会越来越大。例如，假设测量距离为1m时，导轨移动5mm得到的Na=50，此时1个像素对应的实际位移为0.1mm，若Na由50变成51，造成的测量误差为2%；测量距离为10m时，Na=5mm，此时1个像素对应的实际位移为1mm，Na由5变成6，造成的测量误差为20%。由此可以看出同样1个像素的测量误差在测量距离为1m时的误差只有2%，而再测量距离为10m时达到了20%。表5-1和图5-3也验证了我们的推断，通过表1我们发现测量距离从1m增加到20m时，a、b两点之间的像素数从660.52减少到34.89，；从图4可以看到位移测量百分比误差随着测量距离的增大，有逐渐增大的趋势，在20m的测量距离内，测量的最大误差为4.87%，该测量发生在测量距离为18m处。 　　3.2 参考点间距对位移测