基于LabVIEW機(jī)器視覺的微小位移動(dòng)態(tài)測(cè)量

前言

測(cè)量物體的微小位移在許多方面如數(shù)控機(jī)床的精確加工等，有廣泛的應(yīng)用。目前測(cè)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(cè)量法、電容位移傳感器測(cè)量法等。本文實(shí)現(xiàn)了一種基于LabVIEW機(jī)器視覺軟件平臺(tái)和讀數(shù)顯微鏡以及USB攝像頭測(cè)量微小位移的系統(tǒng)。該系統(tǒng)成本低，操作方便，并實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量。由美國(guó)NI公司推出的LabVIEW是目前最流行、應(yīng)用最廣、發(fā)展最快和功能最強(qiáng)的圖形化數(shù)據(jù)軟件[1-4]。NI公司推出的機(jī)器視覺平臺(tái)是專門的圖像處理軟件平臺(tái)。本測(cè)量系統(tǒng)采用LabVIEW和機(jī)器視覺軟件平臺(tái)編程控制USB攝像頭采集讀數(shù)顯微鏡的物體圖像移動(dòng)，通過計(jì)算機(jī)判斷物體圖像的像素移動(dòng)來(lái)計(jì)算物體移動(dòng)的微小位移。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，圖像采集和數(shù)據(jù)處理都是通過LabVIEW軟件編程實(shí)現(xiàn)。由于攝像頭的幀速為30幀/秒，因此可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量、÷像o實(shí)時(shí)顯示結(jié)果并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存。

1 實(shí)驗(yàn)原理和思路

通過讀數(shù)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(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，通過移動(dòng)前后圖像質(zhì)心位置像素點(diǎn)的變化可計(jì)算出物體位移的變化。圖1是實(shí)驗(yàn)原理和測(cè)量流程圖。


圖1 微小位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理圖

實(shí)驗(yàn)思路如下：讀數(shù)顯微鏡底座的LED發(fā)射出均勻穩(wěn)定的光，照射到顯微鏡載物臺(tái)的玻璃片上。物體的移動(dòng)牽引顯微鏡物鏡下的細(xì)絲產(chǎn)生微小位移，這里，細(xì)絲的位移就是物體的位移。顯微鏡對(duì)細(xì)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(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。計(jì)算機(jī)對(duì)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(jì)算出圖像質(zhì)心的位置。通過比較前后圖像質(zhì)心的位置坐標(biāo)，可計(jì)算出質(zhì)心移動(dòng)的像素點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中通過多次測(cè)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(shù)。實(shí)際測(cè)量物體的位移時(shí)，通過計(jì)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(shù)，計(jì)算出物體的實(shí)際位移。

實(shí)驗(yàn)中使用的實(shí)驗(yàn)儀器和裝置包括：讀數(shù)顯微鏡（型號(hào)為：JCD-Ⅲ，上海光學(xué)儀器廠）。實(shí)驗(yàn)中顯微鏡的目鏡×10，物鏡×10，對(duì)細(xì)絲的放大倍數(shù)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(xì)絲為精確加工的黑色細(xì)絲，直徑約為 。

2 基于LabVIEW和視覺開發(fā)平臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

2.1 程序設(shè)計(jì)的思路

實(shí)驗(yàn)通過采用LabVIEW視覺軟件平臺(tái)編程控制USB攝像頭采集顯微鏡中放大的物體圖像。通過對(duì)圖像進(jìn)行計(jì)算和處理，計(jì)算出移動(dòng)物體圖像的質(zhì)心像素的位置變化來(lái)測(cè)量物體的微小位移。在LabVIEW的機(jī)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)過二值化處理。通過設(shè)定門限值，將圖像像素值高于門限值的設(shè)為最高像素值，低于門限值的置零，獲得細(xì)絲的二值化圖像。調(diào)用視覺開發(fā)平臺(tái)中的專門模塊計(jì)算出細(xì)絲圖像質(zhì)心的像素位置[5-6]，進(jìn)一步計(jì)算出移動(dòng)前后質(zhì)心像素位置變化的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。測(cè)量時(shí)，通過計(jì)算出圖像質(zhì)心移動(dòng)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)乘以單位像素點(diǎn)的變化與實(shí)際距離的比例系數(shù)，求得物體移動(dòng)的實(shí)際距離。

2.2 測(cè)量程序顯示界面的設(shè)計(jì)

USB 攝像頭將被測(cè)物體所成像變?yōu)閿?shù)字圖像輸入計(jì)算機(jī)，由LabVIEW軟件平臺(tái)調(diào)用并顯示?？紤]到顯示的方便，測(cè)量程序設(shè)為兩個(gè)界面顯示。圖2是測(cè)量程序的實(shí)時(shí)同步測(cè)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(xì)絲圖像，直觀顯示圖像移動(dòng)，圖中黑色物體為細(xì)絲的圖像;“結(jié)果”和“位移記錄”實(shí)時(shí)顯示物體位移變化;點(diǎn)擊“開始測(cè)量”鍵，計(jì)算機(jī)啟動(dòng)攝像頭開始測(cè)量;點(diǎn)擊“復(fù)位”鍵重新測(cè)量?？紤]到攝像頭開始工作時(shí)一般都不穩(wěn)定，設(shè)置計(jì)算機(jī)啟動(dòng)攝像頭開始測(cè)量后采集到的前15幀圖像不予采用。為了方便顯示，設(shè)置圖像采集在藍(lán)色進(jìn)度條走完之后開始測(cè)量。通過這個(gè)界面，能夠直觀觀測(cè)到物體的圖像和位移。


圖2 同步測(cè)量顯示界面

2.3 測(cè)量的LabVIEW程序設(shè)計(jì)

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


圖3 調(diào)用USB攝像頭采集圖像

從USB攝像頭采集到的圖像經(jīng)過圖4進(jìn)行二值化的編程處理：從①IMAQ 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(zhuǎn)化為一個(gè)32位的二維數(shù)組。為了便于確定二值化門限的標(biāo)度，使用To Unsigned Byte Integer 把32位數(shù)組轉(zhuǎn)化為8位數(shù)組，通過兩次使用④For Loop的循環(huán)端口i和⑤⑥Index Array對(duì)二維數(shù)組進(jìn)行索引;使用Less Or Equal?和⑦Select對(duì)數(shù)組的每一個(gè)值與預(yù)先的門限值進(jìn)行比較判斷，規(guī)定大于預(yù)先給定門限值為0（亮度最?。?，否則為255（亮度最大）。經(jīng)過二值化處理后的數(shù)組通過IMAQ ArrayToImage轉(zhuǎn)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(jī)器視覺軟件平臺(tái)是專門為圖像處理開發(fā)的，有很多專用的軟件模塊。我們選用了其中計(jì)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(biāo)。按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，我們必須預(yù)先測(cè)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(shù)，因此選用了讀數(shù)顯微鏡。讀數(shù)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(jì)算出圖像變化的像素點(diǎn)數(shù)。將移動(dòng)距離除以總的像素點(diǎn)數(shù)，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(shù)。

實(shí)驗(yàn)中物體的移動(dòng)是通過牽引顯微鏡物鏡下的細(xì)絲而產(chǎn)生的，因此細(xì)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(cè)微器控制的光學(xué)平臺(tái)上。螺旋測(cè)微器總共50個(gè)小格，轉(zhuǎn)動(dòng)一周移動(dòng)為0.5mm，因此轉(zhuǎn)動(dòng)一小格為10um。通過調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微器，我們獲得100um的位移范圍。測(cè)量時(shí)，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存到電腦中，再通過畫圖軟件顯示。圖5是測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖中的橫坐標(biāo)表示測(cè)量的時(shí)間，縱坐標(biāo)表示測(cè)量的位移，平直部分是移動(dòng)螺旋測(cè)微器時(shí)的停留時(shí)間。由于是手旋動(dòng)螺旋測(cè)微器，因此移動(dòng)的快慢不一致導(dǎo)致出現(xiàn)階梯狀的停頓。


圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，物體移動(dòng)范圍為

3 實(shí)驗(yàn)誤差分析和改進(jìn)方法討論

測(cè)量系統(tǒng)中誤差主要來(lái)自兩個(gè)方面：一個(gè)是測(cè)量系統(tǒng)本身帶來(lái)的誤差，例如物體牽引細(xì)絲的運(yùn)動(dòng)不同步、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(shù)，如果這個(gè)系數(shù)有較大的誤差，測(cè)量結(jié)果就不可靠。實(shí)驗(yàn)中采用的方法是：細(xì)絲不動(dòng)，精確移動(dòng)顯微鏡，讀出顯微鏡的移動(dòng)距離;計(jì)算出細(xì)絲圖像變化的像素點(diǎn)數(shù)，將移動(dòng)距離除以總的像素點(diǎn)數(shù)，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(shù)。我們將讀數(shù)顯微鏡精確移動(dòng)100um、150um、200um ，反復(fù)多次測(cè)量細(xì)絲質(zhì)心像素點(diǎn)的變化點(diǎn)數(shù)，同時(shí)考慮回程誤差，計(jì)算出該系數(shù)平均值約為2um/像素。因此，測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度是2um。選用更高倍數(shù)的顯微鏡，能夠獲得更高的測(cè)量精度。

4 總結(jié)

本文詳細(xì)介紹了基于LabVIEW軟件和機(jī)器視覺平臺(tái)，利用USB攝像頭和讀數(shù)顯微鏡建立一個(gè)動(dòng)態(tài)測(cè)量微小位移的系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)過程中的圖像采集和數(shù)據(jù)處理都是通過LabVIEW軟件編程實(shí)現(xiàn)。通過利用周邊通用設(shè)備（計(jì)算機(jī)、讀數(shù)顯微鏡、USB攝像頭），使得該系統(tǒng)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(qiáng)等特點(diǎn)。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到微小位移測(cè)量中，使用LabVIEW機(jī)器視覺平臺(tái)開發(fā)設(shè)計(jì)了基于USB攝像頭的微小位移動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。我們的實(shí)驗(yàn)中，動(dòng)態(tài)測(cè)量精度達(dá)到了2um。

參考文獻(xiàn)

[1]龍帆,錢利民,李迎春.基于LabVIEW和聲卡的揚(yáng)聲器檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,7-1: 90-92.

[2]National Instruments Corporation. LabVIEWTM User Manual, National Instruments Corporation, 1998.

[3]賈云得. 機(jī)器視覺[M]. 科學(xué)出版社. 2000.

[4] National Instruments Corporation. IMAQ Vision Concept Manual, 2000.

[5]章毓晉. 圖像工程（上冊(cè)）圖像理解與計(jì)算機(jī)視覺[M]. 清華大學(xué)出版社. 2000.

[6]章毓晉. 圖像工程（下冊(cè)）圖像處理和分析[M]. 清華大學(xué)出版社. 2000