專利名稱：一種測量不規(guī)則縫寬的傅里葉變換方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量不規(guī)則縫寬的傅里葉變換方法及其裝置，尤其涉及一 種利用傅里葉變換處理圖像數(shù)據(jù)、測量各種不規(guī)則縫及槽的寬度的方法及裝 置。
背景技術(shù)：
工業(yè)生產(chǎn)中會遇到各種縫隙、狹縫、刻槽，需要進(jìn)行寬度、間距、形狀等 的測量和控制。如檢領(lǐng)U發(fā)動機(jī)中活塞環(huán)的漏光度時，需將活塞環(huán)壓入環(huán)規(guī)，若 活塞環(huán)有漏光j則活塞環(huán)外緣與環(huán)規(guī)內(nèi)緣間將形成寬度不均勻的圓弧狀狹縫； 在各種焊接中，常需對焊縫的寬度進(jìn)行測量，以便控制焊接過程，取得最好的 焊接效果；用來剝開電線外套的插線卡具有V型的卡槽間隙，為保證插線卡能 正常工作，對卡槽上特定位置處的間隙有嚴(yán)格規(guī)定；細(xì)縫涂覆器是一種用于制 造印刷電路板的基板處理裝置，工作時細(xì)縫涂覆器從噴嘴中噴出處理液，為保 證噴出處理液的均勻性，要求噴嘴的開口間距高精度的均勻；此外，只要兩個 靠近物體之間都會形成縫隙。對這些縫隙寬度、形狀等的測量對評價產(chǎn)品質(zhì)量、 控制工藝流程有重要的應(yīng)用價值和實際意義。
對縫隙寬度的測量有接觸式和非接觸式兩種方法，接觸式方法采用各種量 具進(jìn)行測量，但需人工操作，自動化水平低，測量精度受量具精度的限制而難 以提高。非接觸式方法包括多種，其中工具顯微鏡的測量精度高，但成本高、 體積大、不適于工業(yè)現(xiàn)場使用；而利用CCD拍攝縫隙的圖像，經(jīng)圖像處理獲得 縫隙寬度、形狀的方法具有體積小、使用靈活、適于現(xiàn)場使用等優(yōu)點。
目前，通過CCD拍攝圖像并應(yīng)用圖像處理技術(shù)測量縫隙的方法還可分為兩 種第一種采用背向照明，并利用衍射效應(yīng)，從衍射花樣的光強(qiáng)分布中推導(dǎo)縫寬；第二種采用前向照明，組成縫隙的兩條邊緣同時成像在CCD上，由于成像 系統(tǒng)的低通作用，邊緣不再清晰可辨而成為一塊模糊區(qū)，若要測量組成縫隙的 兩個邊緣的間距，現(xiàn)有方法是首先提高CCD的分辨率，使得兩個邊緣在圖像上 的模糊區(qū)相分離，再作圖像處理，完成縫寬測量，如國內(nèi)專利"輥嘴間距測量 方法及傳感器"(申請?zhí)?00310118466.3)就是使用放大倍數(shù)為60的鏡頭，以 提高CCD及圖像的分辨率，完成測量。第一種方法存在原理誤差([l]光學(xué)衍 射法細(xì)圓柱體直徑測量的不確定度，崔建文，張軍等，光電工程，2005， 7: 55-58)，而且成像后的縫隙不能反映實際縫隙的細(xì)節(jié)，所測結(jié)果是縫隙在一段 長度內(nèi)的平均寬度。第二種方法在每次測量中都要根據(jù)需要調(diào)整鏡頭的放大倍 率即CCD的分辨率，并由此帶來三個弊端①調(diào)整鏡頭的放大倍率后，為能重 新得到清晰的像，必須同時調(diào)整鏡頭到被測物體間的距離，這些調(diào)整過程會延 長測量時間；②調(diào)整光路需配備相應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，這必然增加測量裝置的成本 和體積；③隨著鏡頭放大倍率的增加，CCD的測量視野將減小，完成全部測量 的時間將隨之延長。綜上所述，現(xiàn)有方法、儀器都存在一定局限性，還不能很 好解決狹縫，尤其是不規(guī)則縫隙的寬度、形狀等幾何尺寸的測量問題。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述中存在的問題與缺陷，本發(fā)明提供了一種利用CCD成像并用傅 里葉變換處理數(shù)據(jù)完成測量的方法及裝置，不僅實現(xiàn)了不規(guī)則縫隙的寬度、形 狀等幾何尺寸的快速、精確測量，而且在不增加測量環(huán)節(jié)和測量元件的基礎(chǔ)上， 保持CCD的分辨率不變，達(dá)到快速精確測量，同時避免光衍射效應(yīng)的影響。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
本發(fā)明所涉及的一種測量不規(guī)則縫寬的傅里葉變換方法，包括 調(diào)整光源的位置，構(gòu)成被測縫隙的物體對接收到的光源進(jìn)行反射； 調(diào)整鏡頭與被測縫隙間的距離； 得到被測縫隙的整個圖像；將采集到的圖像信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，并進(jìn)行相應(yīng)的存儲；
對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀??； .
將讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，獲得當(dāng)前被測縫隙的縫寬。
本發(fā)明所涉及的一種測量不規(guī)則縫寬的傅里葉變換裝置，包括
光源，用于照射到被測縫隙，構(gòu)成被測縫隙的物體將光反射；
鏡頭和CCD，接收被測縫隙周圍物體的反射光，得到整個被測縫隙的圖像;
圖像采集和數(shù)據(jù)存儲單元，將CCD中的圖像信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，并對其 數(shù)字信息進(jìn)行存儲；
數(shù)據(jù)讀取單元，沿著與縫的走向相垂直的方向讀取數(shù)據(jù)，并將讀取的數(shù)據(jù) 發(fā)送到傅里葉變換和處理單元；
傅里葉變換和處理單元，對讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理和運(yùn)算，獲得被測 縫隙的縫寬。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是-
1、 兩個條狀光源分別從兩邊斜上方照射待測縫隙，可以為多種測量對象 提供均勻和亮度充足的照明；
2、 在不同的測量中，不需改變CCD的分辨率，減少了測量環(huán)節(jié)、縮短了
3、 光源與CCD的工作波段相一致，降低了圖像噪聲；
4、 傅里葉變換和處理單元利用傅里葉變換處理數(shù)據(jù)，從被成像系統(tǒng)模糊 后的圖像數(shù)據(jù)中提取縫寬信息，不僅完成縫隙幾何尺寸的測量，還能恢復(fù)其在 理想情況下的圖像，并計算相關(guān)的評價指標(biāo)。


圖l是本發(fā)明提供的方法流程圖； 圖2是傅里葉變換和處理流程圖；' 圖3是計算像素當(dāng)量的流程圖4是本法明結(jié)構(gòu)示意圖5a與5b是被測縫隙在測量過程中的演變示意圖。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明
實施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述 實施例1
本實施例提供了一種測量不規(guī)則縫寬的傅里葉變換方法。 參見圖l，該方法包括以下步驟
步驟IOI調(diào)整光源的位置，由構(gòu)成被測縫隙的物體將接收到的光源進(jìn)行反 射； '
所述光源的調(diào)整是相對被測縫隙的位置進(jìn)行調(diào)整，并且兩光源是相對于縫 隙呈對稱狀態(tài)放置，分別從兩邊斜上方照射縫隙，為視場區(qū)域提供亮度充足的 均勻照明。
步驟102調(diào)整鏡頭與被測縫隙間的距離； 使得在當(dāng)前的焦距和像距下，能夠得到縫隙的清晰像。 步驟103得到被測縫隙的整個圖像。
步驟104將采集到的圖像信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，并進(jìn)行存儲； 通過PC機(jī)中設(shè)置的圖像采集和數(shù)據(jù)存儲模塊控制圖像采集的速度和時間， 在得到保存圖像的命令下，由PC機(jī)指定圖像數(shù)據(jù)存儲的路徑。 步驟105對存儲的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化顯示。 步驟106在測量范圍內(nèi)讀取一組數(shù)據(jù)；
步驟107將讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，獲得被測縫隙當(dāng)前位置的縫寬； 不僅獲得了縫隙寬度等幾何尺寸的測量，還能恢復(fù)其在理想情況下的圖 像，并計算相關(guān)的評價指標(biāo)。如果讀取完畢，執(zhí)行步驟109，否則執(zhí)行步驟106。 步驟109輸出結(jié)果。
所述數(shù)據(jù)包含有多組，每次讀取其中的一組，且讀取數(shù)據(jù)是在PC機(jī)的控制 下，由數(shù)據(jù)讀取單元沿著與縫的走向相垂直的方向讀取數(shù)據(jù)，并將讀取的數(shù)據(jù) 傳送到傅里葉變換和處理單元。
參見圖2，本實施例提供的傅里葉變換和處理的算法流程，該流程包括以 下步驟
步驟201對讀取的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行濾噪；
所述濾噪主要是濾除明顯的噪聲。
步驟202為讀取的圖像數(shù)據(jù)選擇合適的坐標(biāo)原點位置； 合適的原點位置方便了后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。
步驟203根據(jù)坐標(biāo)原點形成的坐標(biāo)系，對讀取的圖像數(shù)據(jù)作離散傅里葉變換。
步驟204選擇若干特殊坐標(biāo)點，特殊坐標(biāo)點處的傅里葉變換值包含當(dāng)前位 置的縫寬。
步驟205對每個特殊坐標(biāo)點處的傅里葉變換建立一個等式，并將所有特殊 坐標(biāo)點聯(lián)立起來構(gòu)成方程組。
步驟206針對合適的坐標(biāo)原點構(gòu)成的坐標(biāo)系，尋找?guī)缀渭s束條件。 步驟207在幾何約束的條件下求解特殊坐標(biāo)點聯(lián)立構(gòu)成的方程組。 步驟208根據(jù)方程組的求解和幾何約束的條件，求出當(dāng)前位置縫寬及相關(guān) 信息在圖像上的量值，再根據(jù)計算的像素當(dāng)量(已知物體的尺寸與記錄的像素 的數(shù)量的比值，詳見圖3)，求出縫寬及相關(guān)信息的實際量值，并可恢復(fù)被測縫 隙在理想情況下的灰度分布圖像，即消除成像系統(tǒng)對圖像的模糊作用以及消除 噪聲后的理想圖像，同時還可計算相關(guān)的評價指標(biāo)，如均方誤差、信噪比等。 步驟209將需要的測量結(jié)果輸出；所述結(jié)果包括縫寬的量值、恢復(fù)后的理想圖像、評價指標(biāo)等。
參見圖3，提供了獲得像素當(dāng)量的流程，當(dāng)鏡頭焦距固定且與CCD的相對 位置固定后，實際物體的尺寸為一個像素當(dāng)量時，在CCD上所成像剛好為一個 像素長度。具體流程包括以下步驟
步驟301固定鏡頭焦距與像距；
所述固定好像距與焦距后，在其后的測量中焦距和像距將不在改變。 步驟302選定物體成像；
選擇具有已知尺寸的物體，已知尺寸應(yīng)是易于測量的較大尺寸，并使用焦 距、像距固定的鏡頭和CCD2對其拍照，將尺寸轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像信息。 步驟303調(diào)節(jié)工作距離；
所述工作距離即鏡頭至選定物體的距離，為減小誤差，該距離盡量使所成 圖像清晰。
步驟304記錄圖像對應(yīng)像素的數(shù)量； 所述記錄的像素的數(shù)量與物體上己知尺寸是相對應(yīng)的。 步驟305獲得像素當(dāng)量；
已知尺寸與記錄的像素數(shù)量的比值即是像素當(dāng)量。
本實施例提供的被測縫隙可以是同一個物體中的縫隙，也可以是兩個不同 物體間的縫隙(兩個不同物體之間距離相近，但不相接觸時所形成的縫隙)。 實施例2
本實施例還提供了一種測量不規(guī)則縫寬的傅里葉變換裝置。 參見圖4，測量不規(guī)則縫寬的傅里葉變換裝置包括光源10、鏡頭和CCD30、 圖像采集和數(shù)據(jù)存儲單元40、數(shù)據(jù)讀取單元50、傅里葉變換和處理單元60及PC 機(jī)70。所述光源包括兩個相同的條狀光源，由發(fā)光二極管構(gòu)成，輸出在空間均 布的紅光，分別從兩邊斜上方照射被測縫隙20,為視場區(qū)域提供亮度充足的均 勻照明；鏡頭和CCD接收的是被測縫隙周圍物體的反射光，從正面得到整個縫隙的清晰的像；圖像采集和數(shù)據(jù)存儲模塊將CCD在PC控制下，將圖像信息轉(zhuǎn)換 為數(shù)字信息，并存儲在PC的相應(yīng)磁盤中；數(shù)據(jù)讀取單元在PC控制下，沿著與 縫的走向相垂直的方向讀取數(shù)據(jù)，并送入傅里葉變換和處理單元，通過相應(yīng)算 法獲知縫隙當(dāng)前位置的縫寬，數(shù)據(jù)讀取單元再讀取縫隙上另一位置的一組數(shù) 據(jù)，送入傅里葉變換和處理單元后又完成此位置上縫寬的測量，這一過程不斷 循環(huán)，直到完成用戶指定范圍內(nèi)縫隙的縫寬幾何尺寸的測量。
參見圖5a與圖5b，為被測縫隙在測量過程中演變的結(jié)構(gòu)示意圖，被測縫隙 20在光源的均勻照明下發(fā)生漫反射，反射光由鏡頭和CCD接收后成為平面圖像 502;在PC機(jī)的控制下，圖像采集和數(shù)據(jù)存儲模塊將圖像502轉(zhuǎn)換為二維灰度矩 陣503，并存儲在PC機(jī)的相應(yīng)磁盤中；在PC機(jī)控制下，數(shù)據(jù)讀取單元在縫隙某 處讀取一組數(shù)據(jù)，例如平面圖像502中ab段的數(shù)據(jù)504，這是一組離散的灰度值， 離散點的間隔由鏡頭的放大倍率和CCD的像素尺寸決定，同時不可避免地被噪 聲污染；在PC機(jī)控制下，數(shù)據(jù)被送入傅里葉變換和處理單元，由相應(yīng)算法測得 當(dāng)前位置的縫寬，并恢復(fù)理想情況下縫隙在當(dāng)前位置的灰度分布505，計算相 關(guān)評價指標(biāo)；在PC機(jī)控制下，數(shù)據(jù)讀取單元不斷讀取新的數(shù)據(jù)，由傅里葉變換 和處理單元作相應(yīng)處理，完成全部測量。本發(fā)明可測量各種縫隙表面形貌的示 意圖，包括形狀不規(guī)則、寬度不均勻或?qū)挾葷u變、非直線走向的縫及槽的測量 (如圖5b)。
本實施例提供的被測縫隙可以是同一個物體中的縫隙，也可以是兩個不同 物體間的縫隙(兩個不同物體之間距離相近，但不相接觸時所形成的縫隙)。
雖然通過實施例描繪了本發(fā)明，本發(fā)明由許多變形和變化不脫離本發(fā)明的 精神，本發(fā)明的權(quán)利要求包括這些變形和變化。
權(quán)利要求
1、一種測量不規(guī)則縫寬的傅里葉變換方法，其特征在于，該方法包括調(diào)整光源的位置，構(gòu)成被測縫隙的物體對接收到的光源進(jìn)行反射；調(diào)整鏡頭與被測縫隙間的距離；得到被測縫隙的整個圖像；將采集到的圖像信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，并進(jìn)行相應(yīng)的存儲；對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取；將讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，獲得當(dāng)前被測縫隙的縫寬。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測量不規(guī)則縫寬的傅里葉變換方法，其特征 在于，所述對數(shù)據(jù)的讀取是通過讀取單元沿著與縫的走向相垂直的方向進(jìn)行讀 取。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量不規(guī)則縫寬的傅里葉變換方法，其特征在于， 所述數(shù)據(jù)讀取單元讀取的數(shù)據(jù)包括有多組。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的測量不規(guī)則縫寬的傅里葉變換方法，其特征在于， 所述對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取之前還包括對 存儲的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化顯示；判斷讀取的數(shù)據(jù)是否屬于測量的范圍內(nèi)，是，對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀??；否則，讀 取下一組數(shù)據(jù)。
5、 一種測量不規(guī)則縫寬的傅里葉變換裝置，其特征在于，該裝置包括 光源，用于照射到被測縫隙，構(gòu)成被測縫隙的物體將光反射； 鏡頭和CCD，接收被測縫隙周圍物體的反射光，得到整個被測縫隙的圖像; 圖像采集和數(shù)據(jù)存儲單元，將CCD中的圖像信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，并對其數(shù)字信息進(jìn)行存儲；數(shù)據(jù)讀取單元，沿著與縫的走向相垂直的方向讀取數(shù)據(jù)，并將讀取的數(shù)據(jù) 發(fā)送到傅里葉變換和處理單元；傅里葉變換和處理單元，對讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理和運(yùn)算，獲得被測 縫隙的縫寬。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的不規(guī)則縫寬的傅里葉變換方法，其特征在于，所 述光源包括兩個條狀光源，且兩個條狀光源均由發(fā)光二極管構(gòu)成，并分別從被 測縫隙的兩邊照射被測縫隙。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的不規(guī)則縫寬的傅里葉變換方法，其特征在于，所 述CCD是從正面得到整個縫隙的圖像。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的不規(guī)則縫寬的傅里葉變換方法，其特征在于，所 述數(shù)據(jù)讀取單元讀取的數(shù)據(jù)包括有多組，每讀取其中一組數(shù)據(jù)后，判斷測量范 圍內(nèi)的數(shù)據(jù)是否讀取完畢后，是，輸出讀取結(jié)果；否則讀取下一組數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測量不規(guī)則縫寬的傅里葉變換方法及其裝置，所述方法包括調(diào)整光源的位置，將接收到的光源進(jìn)行反射；調(diào)整鏡頭與被測縫隙間的距離；得到被測縫隙的整個圖像；將采集到的圖像信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，并進(jìn)行相應(yīng)的存儲；對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀??；將讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，獲得當(dāng)前被測縫隙的縫寬。所述裝置包括光源、鏡頭和CCD、圖像采集和數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)讀取單元、傅里葉變換和處理單元以及個人計算機(jī)(PC)。本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單，適用于形狀不規(guī)則、寬度不均勻或?qū)挾葷u變、非直線走向的縫及槽的寬度、形狀等幾何尺寸的測量，在不同的測量中，無需改變鏡頭的放大倍率即CCD的分辨率，就可實現(xiàn)精確快速的非接觸測量。
文檔編號G01B11/24GK101556141SQ200910084498
公開日2009年10月14日 申請日期2009年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月20日
發(fā)明者劉桂雄, 吳俊芳 申請人:華南理工大學(xué)