计算机视觉测量技术的发展趋势

2023-11-24 理论教育版权反馈

【摘要】：从图像处理与分析的角度看，传统的视觉测量技术的定位精度为整像素级，理论上其边缘定位最大误差为0.5个像素。这是目前和将来视觉检测系统的发展方向。视觉测量技术采用“图像”这种信息含量非常丰富的信息载体，从而表现出较大优势。自由曲面的高精度测量技术，目前成为研究的热点问题。将机器视觉测量技术和结构光应用于自由曲面测量，其测量速度、工业强度均优于以上方法，并且测量精度与三坐标测量法相当。

计算机视觉测量技术是一种具有广泛应用前景的自动检测技术，可以实现智能化、柔性、快速和低成本的检测。

1.从视觉测量技术应用角度看视觉测量技术的发展趋势

（1）实现在线实时检测

视觉测量系统大多用在工业现场及工业生产线中，对于在线实时检测，如何将视觉测量系统嵌入到生产线相应的工序中，使测量速度与生产线节拍相一致，是视觉测量走上实际应用的关键。视觉测量执行时间在很大程度上取决于底层图像处理（图像平滑、滤波、分割等）速度。因此，使用专用硬件实现独立于环境的处理算法，可大大提高图像处理速度。

（2）实现智能化检测

制造业中智能化仪器一般利用许多传感器获得测量信息，从而得出所需的测量结果，对加工过程进行控制。仪器智能化是融合智能技术、传感技术、信息技术、仿生技术、材料科学等的一门综合交叉学科，使检测的概念过渡到在线、动态、主动的实时检测与控制。例如，从CAD系统中提取零件视觉模型和检测信息（包括零件位置、方向、摄像机视角等），选定检测项目、检测点和检测路径，建立智能检测规划，并控制工业机器人抓取零件并放置到合适的位置进行检测。

（3）实现高精度检测

随着现代科学技术的不断发展，众多高科技领域均已进入了纳米世界，如精密元器件、电子工业高密度半导体集成电路等。纳米技术的加工离不开纳米精度的测量技术和设备，这就对计算机视觉测量技术提出了更高的要求。从成像角度看，需要研究更精密的光学成像系统、光电转换装置及视频、图像采集卡。从图像处理与分析的角度看，传统的视觉测量技术的定位精度为整像素级，理论上其边缘定位最大误差为0.5个像素。随着工业检测等实际应用对精度要求的不断提高，像素级精度已经不能满足实际测量的要求。因此，如何采用更高精度的图像处理算法越来越受到人们的重视。

（4）网络化

网络技术的出现，极大地改变着人们生活的各个方面。具体到测量技术领域，有远程数据采集与测量，远程设备故障诊断，电、水、燃气、热能等的自动抄表等，这些都是网络技术进步并全面发挥作用的必然结果。

目前，测控系统的设计思想明显受到计算机网络技术的影响，测控网络由传统的集中模式转变为分布模式，成为具有开放性、可互操作性、分散性、网络化、智能化的测控系统。网络的节点上不仅有计算机、工作站，还有智能测控仪器仪表。测控网络有着与信息网络相似的体系结构和通信模型，例如目前测控系统中迅猛发展的现场总线，它的通信模型和OSI模型对应，将现场的智能仪表和装置作为节点，通过网络将节点与控制室内的仪器仪表和控制装置连成有机的测控系统。

（5）实现柔性测量技术

目前，几乎所有计算机视觉测量系统都只适用于解决特定的检测任务，建立一种较为通用的视觉测量系统，以适用于不同条件下的检测任务，进而实现对目标进行“完全检测”。这是目前和将来视觉检测系统的发展方向。(www.chuimin.cn)

2.从视觉检测对象角度看视觉测量技术的发展趋势

（1）微结构尺寸检测

微结构尺寸检测是微机械研究与加工中经常遇到的问题，传统方法主要采用万能工具显微镜或者激光衍射法。前者容易受测头形状、大小及测力的影响，后者对测量环境要求苛刻，同时只能测量较为简单的结构尺寸（如细丝直径、薄带宽度等），对于较复杂的微结构尺寸及像光纤等透明、易变形的目标，两者均无能为力。

视觉检测技术具有非接触的特点，并且不一定采用相干光源，因此其测量过程不会受到测头、测力、相干光的影响。视觉测量精度和范围与摄像系统的分辨率和放大倍数密切相关，调整摄像系统的放大倍数和采用高分辨率的CCD，可实现大范围测量（微米级到毫米级），同时保证较高的测量精度。

（2）大型结构尺寸检测

大型结构尺寸，传统测量主要采用两种方法：一是直接法，即采用大尺寸导轨或标准件进行测量，成本高、精度低、操作不方便；二是间接法，如弓高弦长法、滚子法等，这类方法本身存在测量原理误差，并且测量可靠性不高。

对于大型零件，视觉测量技术可对零件的不同部位进行拍摄，得到多幅局部重叠的图像，然后利用图像之间的信息冗余进行图像拼接得到零件的完整图像，对拼接后的图像进行分析可以得到零件的完整结构尺寸。它具有简单经济的特点，同时能够达到较高的精度。

（3）复杂结构尺寸检测

齿轮、螺纹、凸轮等均是机械制造领域中常用的重要零件，这些零件形状复杂、参数繁多，通常采用专用测量仪器，测量过程复杂、成本高。视觉测量技术采用“图像”这种信息含量非常丰富的信息载体，从而表现出较大优势。螺纹、齿轮等零件的复杂轮廓信息，只需一幅或多幅图像就可以获得。

（4）自由曲面测量

自由曲面通常指无法确切用解析几何的方法描述的曲面，如火箭、飞机、汽车等复杂的外观造型。自由曲面的高精度测量技术，目前成为研究的热点问题。自由曲面传统的测量方法有手工测量法、机器人测量法、三坐标测量法、经纬仪组合测量法等。以上方法与现代工业要求的100%在线测量存在一定的差距。将机器视觉测量技术和结构光应用于自由曲面测量，其测量速度、工业强度均优于以上方法，并且测量精度与三坐标测量法相当。例如，大型雷达的曲面测量应用等。

计算机视觉测量技术的发展趋势

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