阅读说明：本技术 一种计算机图像测量系统及测量方法 (Computer image measuring system and measuring method ) 是由 马国欣 于 2019-07-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种计算机图像测量系统及测量方法,系统包括照明光源、承物台、投影光学组件、显示屏、计算机,待测工件放置在承物台上,测量时,照明光源照明待测工件,投影光学组件将工件的图像投射在显示屏的显示平面上；计算机控制显示平面上显示预存工件参考标尺图形,将参考标尺图形与工件的投影进行比对,实现测量。本发明通过设置参考标尺,在利用标准工件进行标定过程中可以实现将显示屏的像素细分,得到更准确的单个像素单元刻度值,在进行测量时,利用参考标尺对待测工件图像进行像素细分,得到更准确的像素个数,从而提高准确度。该系统和方法适用于工件几何量的快捷图形测量,也可方便地应用于精密机械加工过程的实时测量。(The invention discloses a computer image measuring system and a measuring method, wherein the system comprises an illumination light source, an object bearing table, a projection optical assembly, a display screen and a computer, wherein a workpiece to be measured is placed on the object bearing table; and controlling a display plane to display a prestored workpiece reference scale pattern by the computer, and comparing the reference scale pattern with the projection of the workpiece to realize measurement. According to the invention, by arranging the reference scale, the pixels of the display screen can be subdivided in the calibration process by using the standard workpiece, so that a more accurate scale value of a single pixel unit is obtained, and during measurement, the reference scale is used for subdividing the pixels of the workpiece image to be measured so as to obtain more accurate pixel number, thereby improving the accuracy. The system and the method are suitable for rapid graphic measurement of the geometric quantity of the workpiece, and can also be conveniently applied to real-time measurement of the precision machining process.)

一种计算机图像测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及几何量测量领域，具体涉及一种带有透明显示屏的计算机图像测量系统及测量方法。

背景技术

光学投影图像测量技术在几何量测量方面已得到广泛的应用。与传统的接触式坐标测量或工具显微对准测量相比，图像投影测量具有快捷、非接触、测量方便的特点，一直被业内关注，特别是近代计算机图像技术的迅速提高，该技术开始凸显明显的优势。

公开号为01139045的中国发明专利给出了一种模具快速图形测量方法，该方法具有整体测量特点，比起接触式测量或逐点坐标测量，效率得到很大提高。但该方法使用一个摄像头来拍摄工件，之后在计算机显示屏上显示，并与计算机中预存的工件设计图进行对比，得出二者之间的差异。因此摄像头面阵器件的尺寸及像素本身极大限制了测量范围和测量精度。当使用工件标准图形对比测量时，显示屏显示像素的尺寸也直接影响对准精度，且需要间接确定图形定位基准，因此这种方法不适宜用于更高精度(如微米级)的测量和精密实时测量。

另外一种常用设备是轮廓投影仪，测量时先将工件标准图在透明胶片上严格根据投影镜头的倍率打印出来，放在轮廓仪的投影屏上进行比对。这种测量系统的局限性在于，为实现较高精度的测量，往往需要高的物镜放大倍率，待测工件的尺寸因此受到很大限制。轮廓仪原理上能够实现很高的测量精度，但需要精细打出胶片，给实际测量带来不便。

综上，现有的计算机图形测量方法，具有快捷方便的优点，但摄像头中图像传感器及显示屏像素尺寸对图像的对准精度影响很大，精度远低于上述轮廓投影仪，即使使用50倍的放大镜头，精度一般在5-10微米，测量范围同时受到很大限制。测量时需要准确测量基线，之后在显示屏上定位工件标准设计图形，增加了测量的不确定性，需要经常性进行繁琐的系统标定。

目前工业几何量测量对精度的要求越来越高，精密几何量计量和精密机械零件在线测量一般需要测量精度达到1微米水平或更高，且要求尽量方便快捷，现有计算机图像测量方法很难同时做到高精度及较大尺寸的测量。

发明内容

为克服上述不足，本发明结合计算机图像处理技术及近年来高清计算机显示技术的发展，将轮廓投影仪精细对准特点与计算机图形快速灵活测量特点结合起来，提出一种将显示屏同时作为投影屏的计算机图像测量系统及测量方法，由于工件图像直接投影，避免了使用摄像头时，自身器件尺寸及成像器件像素大小的影响，实现更高高精度(微米级)、较大尺寸的图形几何量测量。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种计算机图像测量系统，包括照明光源、承物台、投影光学组件、显示屏、计算机，待测工件放置在承物台上，测量时，照明光源照明待测工件，投影光学组件将待测工件的图像投射在显示屏的显示平面上；计算机控制所述显示平面上显示预存工件参考标尺图形，将所述参考标尺图形与待测工件的投影进行比对，实现测量。本发明将待测工件的图像直接投射在显示屏上，且通过将投影直接与参考标尺图形进行比对，以显示屏显示像素为最小分度单元，实现图形测量，具有精度高、操作便捷的优点。

优选的，所述承物台三维方向位置可调。从而可根据不同待测工件来调节工件与投影光学组件的位置，实现工件对焦，使工件在显示屏上的投影更为准确。

作为一种优选，所述投影光学组件包括一投影物镜，投影物镜一面为平面，一面为凸面，待测工件设置在平面的前方，且在物镜焦点位置，光线经过凸面后聚焦到透明显示屏上。

作为一种优选，所述投影光学组件包括主投影物镜和分光板，显示屏采用透明显示屏，投影光束经主投影物镜后传输到分光板上，经分光板反射后成像在透明显示屏上，在分光板后方设有显示屏背光源。采用这种结构，在投影成像时，显示屏上的照明更加均匀，可达到有益测量的目的。

作为一种优选，所述投影光学组件包括前置物镜、同轴光分光板、主投影物镜和分光板，在同轴光分光板一侧设有同轴光光源，同轴光光源发出的光经同轴光分光板反射并经前置物镜准直在工件表面，工件表面反射的投影光束依次经前置透镜、同轴光分光板、主投影物镜和分光板后，成像在透明显示屏上。采用这种光学组件，可以在对有凹陷或突出结构的工件进行测量时，有较大的工作距，同时减少光路总长。

更进一步的，所述前置镜头采用倍率为1的双远心镜头。

作为一种优选，所述投影光学组件包括投影物镜和分光板，投影光束经投影物镜后传输到分光板上，经分光板透射后成像在常规显示屏上，在分光板的反射方向设有观察窗。采用这种光学组件，可通过观察窗经过分光板对成像在显示屏上的图像进行观察测量。

优选的，所述计算机图像测量系统采用箱体结构，在承物台位置留有伸出口，在显示屏上方对应的箱体处设有观察窗，在观察窗处设有读数放大镜，或者，安装一个可同时获取参考标尺图形边界和相对应的工件图形边界图像的摄像头。用于辅助定位工件投影图像的边界，进一步提高读数的准确度。

一种计算机图像测量方法，包括步骤：

获取标准工件在显示平面上显示的标准工件图像；在显示平面上显示预存的与标准工件设计尺寸对应的标准工件参考标尺，根据标准工件图像对标准工件参考标尺进行标定，得到显示平面上每个像素对应的实际尺寸值，同时获得投影光学组件的放大倍率；

获取待测工件在显示平面上显示的待测工件图像，在显示平面上显示预存的与待测工件设计尺寸对应的待测工件参考标尺，以显示屏上的像素作为测量单位，通过观察窗确定待测工件图像的位置，根据待测工件参考标尺获取待测工件图像覆盖的像素个数，根据每个像素对应的实际尺寸值，计算完成对当前待测工件的尺寸测量。

优选的，根据标准工件图像对标准工件参考标尺进行标定，步骤如下：

(1-1)获取标准工件图像，图像两端边界分别为A₀′、B₀′，并在显示平面上显示预存的与标准工件设计尺寸对应的标准工件参考标尺，标准工件参考标尺两端边界分别为A_s、B_s；

(1-2)获取标准工件参考标尺长度(A_sB_s)包含的像素数目m_s，m_s为整数；

(1-3)对比标准工件参考标尺和标准工件图像一端边界A_s和A′₀，得到二者之间的像素细分差值Δm_s1，同样对比标准工件参考标尺和标准工件另一端边界B_S和B₀′,得到二者之间的像素细分差值Δm_s2；

得到标准工件图像相对于标准工件的标定放大倍率为：

式中，L₀表示标准工件的实际长度，σ为显示屏单元像素尺寸；

通过上述标定，显示屏单个像素相对于工件的单元刻度值为：

本发明通过设置参考标尺，读取的Δm_s1、Δm_s2均为小于1的像素细分差值，相当于将显示屏的像素细分，使对准精度得到提高。

优选的，根据待测工件参考标尺获取待测工件图像覆盖的像素个数，进而完成对当前待测工件的尺寸测量，步骤是：

(2-1)获取待测工件图像，图像两端边界分别为A′、B′，在显示平面上显示预存的与待测工件设计尺寸对应的待测工件参考标尺，待测工件参考标尺两端边界分别为A、B；

(2-2)获取待测工件参考标尺A、B包含的像素数目m，m为整数；

(2-3)对比待测工件参考标尺和待测工件图像一端边界A和A′，得到二者之间的像素细分差值Δm₁，同样对比标准工件参考标尺和标准工件另一端边界B和B′，得到二者之间的像素细分差值Δm₂；

进而得到待测工件的测量长度为：

本发明通过设置待测工件参考标尺，将其与待测工件图像的边界进行比对，读取的Δm₁、Δm₂均为小于1的像素细分差值，相当于将显示屏的像素细分，使对准精度得到提高，得到的长度更为精确。

优选的，在观察窗处设有读数放大镜或摄像头，通过读数放大镜或摄像头对像素细分差值进行下一数位的读数。从而进一步降低显示屏像素单元尺寸带来的对准误差，提高读数的准确度，对待测工件图像的边界进行更加准确的定位。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明将待测工件的图像直接投射在显示屏上，首先排除了摄像头二次成像的不足。由于工件图像直接成像在一个显示屏上，工件图像的边界在显示屏上清晰确定，同时避免了以往由摄像头获得图像对测量范围的限制。

2、本发明通过设定一个参考标尺，以显示屏显示像素为最小分度单元，实现图形测量。系统标定后，通过对参考标尺边界像素的细分，可降低像素量化误差的影响，提高测量精确度。本发明测量可达到微米级精度，适用于工件几何量的快捷图形测量，也可方便地应用于精密机械加工过程的实时测量。

3、本发明以工件在显示屏上直接投影的边界作为测量基准、以显示屏像素为基本测量单元、通过参考标尺的放大获得精确测量结果。使用该方法在测量前可使用已知长度的工件对系统快捷标定，所以并不要求非常严格的透镜倍率，具有精度高、成本较低、架构方便的优点。

附图说明

图1是实施例1的结构示意图。

图1-a是实施例1中的标定过程示意图。

图1-b是实施例1中的测量过程示意图。

图2是实施例2的结构示意图。

图3是实施例3的结构示意图。

图4是实施例4的结构示意图。

序号说明：1-照明光源，2-承物台，3-待测工件，4-主投影物镜，5-显示屏，6-计算机，7-标准工件图像，8-标准工件参考标尺，9-计算机图标十字线，10-待测工件图像，11-待测工件参考标尺，12-分光板，13-显示屏背光源，14-前置物镜，15-同轴光光源，16-同轴光分光板，17-常规显示屏。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例公开了一种计算机图像测量系统，该系统包括照明光源1、承物台2、投影物镜、显示屏5、计算机6及显示屏背光源13等，其中显示屏5采用透明显示屏。照明光源1、承物台2、投影物镜、透明显示屏在一条光路上，在进行标定或者测量时，先将工件放置在承物台2上，计算机可控制承物台2进行三维方向的移动，实现工件对焦。测量时，照明光源1照明工件，投影物镜将待测工件3投影在透明显示屏的显示平面上。下面对各个结构进行具体的说明。

本实施例中，照明光源1为透射光源。照明光束的中轴与待测工件的中心、投影物镜的光轴在同在一条直线上。

本实施例中，承物台2包括一三维运动机构和一支撑架，待测工件在测量时固定在支撑架上，固定的方式有很多，例如通过嵌入卡扣方式、通过螺纹固定方式、通过磁性座固定等等，这里不再详述。三维运动机构用于实现X、Y、Z轴方向的移动，移动的最终目的是放置在支撑架上的待测工件便于测量要求。该三维运动机构的控制器与计算机相连接。

本实施例中的计算机6可采用普通计算机、工业计算机，也可以采用笔记本电脑、单片机等控制器，其实现的功能主要包括控制透明显示屏上进行图像的显示、处理和存储等。另外，根据实际需要，也可以对透明屏背光源的开启和关闭进行控制。

本实施例中，透明显示屏与计算机相连，待测工件的图像直接投射在透明显示屏上，同时透明显示屏还接收计算机传递的信息，用于显示参考标尺图形，这里通常是采用CAD图予以显示。用户可在该透明显示屏上对参考标尺的CAD图或者投影进行移动，用于标定或者测量。由于工件图像直接成像在一个透明显示屏上，工件图像的边界在显示屏上清晰确定，同时避免了以往由摄像头获得图像对测量范围的限制。

为了避免环境光线、温湿度等的影响，本实施例计算机图像测量系统采用箱体结构，在承物台2位置留有伸出口，用于放置或者拿出标准工件和待测工件。在透明显示屏上方对应的箱体处设有观察窗，用于用户进行比对、校准待测工件位置等操作。另外，在观察窗处还可设置读数放大镜，用于提高人眼对边界位置甄别能力。或者，安装一个可同时获取参考标尺图形边界和相对应的工件图形边界图像的摄像头，用于辅助定位。

本实施例中，使用投影镜头倍率为20倍，显示屏使用27吋透明显示屏，参考标尺的放大倍率选择为工件投影图形的10倍时，高清晰透明屏的单个像素引起的误差约1微米。

本实施例计算机图像测量方法，包括步骤：

(1)获取标准工件在显示平面上显示的标准工件图像7；在显示平面上显示预存的与标准工件设计尺寸对应的标准工件参考标尺，根据标准工件图像对标准工件参考标尺进行标定，得到显示平面上每个像素对应的实际尺寸值，同时获得投影光学组件的放大倍率；

(2)获取待测工件在显示平面上显示的待测工件图像，在显示平面上显示预存的与待测工件设计尺寸对应的待测工件参考标尺，以显示屏上的像素作为测量单位，通过观察窗确定待测工件图像的位置，根据待测工件参考标尺获取待测工件图像覆盖的像素个数，根据每个像素对应的实际尺寸值，计算完成对当前待测工件的尺寸测量。

本发明参考标尺均是按照显示屏像素数的整数设定，其在显示平面上显示时边界是准确的整像素边界，相较于投影图像的边界，可以以透明显示屏的像素尺寸为最小分度单元，实现图形测量。

为降低显示屏像素单元尺寸带来的对准误差，可根据需要借助一个放大镜或一个数码摄像头、对待测工件投影边界和参考标尺边界同步放大，实现参考屏显示像素细分，使单元像素对测量的影响限制在允许的精度范围内。本发明并不要求非常严格的透镜倍率，只需测量前、应用长度已知的标准件对系统进行快捷标定。

系统标定后，通过选择不同倍率的投影镜头(组件)以适应不同测量精确度及测量范围。

以下就长度测量对本发明进行进一步说明(参考图(1-a)，(1-b))。

一、利用标准工件对系统进行标定。

要进行图像测量，首先要获得该计算机图像测量系统中显示平面上每个像素对应的实际尺寸值。显示平面是由多个像素组成的一个阵列，像素可视为一个一个小方格，这些小方格都有一个明确的位置和被分配的色彩数值，小方格颜色和位置就决定图像所呈现出来的样子，视为整个图像中不可分割的单位。在实际应用中，投影图像落在显示屏上时，不会恰恰好落在一个像素的边界上，正好占据一个完整的方格，实际上或多或少都会有错位，如果仅按照占据的完整像素数来计量，势必导致测量计算不准确。

参见图1-a，本发明提出下述标定方法：

(1)将已知长度尺寸为L₀的标准工件3固定在可三维移动(调焦)的承物台2上，照明光源1照明标准工件3，投影物镜4将标准工件的图像8(A₀′B₀′)在透明显示屏5的显示平面上。图中标号9表示计算机图标十字线。

(2)在显示屏5上显示预存的与标准工件设计尺寸对应的标准工件参考标尺8，两端边界分别为A_s、B_s，记录该参考标尺长度包含的像素数目为m_s。

(3)对比标准工件参考标尺和标准工件图像7一端边界A_s和A′₀，得到二者之间的像素细分差值Δm_s1，同样对比标准工件参考标尺8和标准工件另一端边界B_S和B₀′,得到二者之间的像素细分差值Δm_s2；

得到标准工件图像7相对于标准工件的标定放大倍率为：

式中，L₀表示标准工件的实际长度，σ为显示屏单元像素尺寸；

通过上述标定，显示屏单个像素相对于工件的单元刻度值为：

上述标定参数储存在计算机6中，标准工件3取出，标定步骤完成。

二、对待测工件进行测量。

测量方法如下：

(1)将待测长度为L的工件3固定在可调整的承物台2上，照明光源1照明工件3，投影物镜4将待测工件图像10(A′B′)投影在显示屏5的显示平面上。

(2)在显示平面上显示预存的与待测工件设计尺寸对应的待测工件参考标尺11，获取待测工件参考标尺A、B包含的像素数目m。

(3)对比待测工件参考标尺和待测工件图像一端边界A和A′，得到二者之间的像素细分差值Δm₁，同样对比标准工件参考标尺和标准工件另一端边界B和B′，得到二者之间的像素细分差值Δm₂；

进而得到待测工件的测量长度为：

值得说明的是，工件图像边界与参考标尺图形边界的对准可单独通过人工判断完成。也可安装一个可同时获取参考标尺边界和相对应的待测工件图形边界图像的摄像头，由该摄像头单独实现工件图像边界与参考标尺图形边界的对准。当然，也可通过人工判断并结合摄像头辅助完成。

本发明通过选择参考标尺，并通过该参考标尺的适当放大，可细化透明显示屏单位像素对应工件的刻度值，从而降低显示屏的像素尺寸对测量结果的量化误差。

本发明通过选择参考标尺，并通过对该参考标尺两端的进一步细分补偿、有效降低显示屏的像素尺寸对测量结果的量化误差。

综上，本实施例的测量方法是将待测工件像成像在透明显示屏上获得清晰投影边界，避免了应用摄像头二次成像对测量范围及边界对准的限制。以显示屏的像素作为基本测量单位，通过设定参考标尺并对两端的像素进行细分对准，结合投影镜头的倍率，像素尺寸对测量的影响将有效降低，从而有效提高测量精度。

实施例2

实施例1所述仅为本发明的一个基本装置以及基本使用方法，在实际应用中，本发明可通过显而易见的改变和优化满足差异性使用要求。实施例1中，投影光同时也是透明显示屏的背光。本实施例为了使显示屏显示效果更好，增加一个专用的透明显示屏背光源13。

同时，本实施例投影光学组件包括主投影物镜4和分光板12，显示屏采用透明显示屏，投影光束经主投影物镜4后传输到分光板12上，经分光板12反射后成像在透明显示屏上，显示屏背光源13设置在分光板12后方。

本实施例中，分光板12具有部分反射和部分透射功能，投影光束经分光板反射后成像在透明显示屏上，同时点亮光源。光通过分光板后照明透明显示屏。在正常投影成像的同时，透明显示屏上的照明更加均匀，达到有益测量的目的。

实施例3

本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：

在实际测量实践中，往往会遇到一些有凹陷或突出结构的工件，需要对凹陷纵深中的尺寸进行测量，此时要求系统有较大的测量工作距(即工件至投影镜头之间的距离)。直接设计大工作距的主投影镜头是一种解决方法，但体积和光路总长会大大增加。为此，本实施例提出可在投影物镜4前增加一个低倍率的前置物镜14。结构如图3所示。

本实施例中，该前置物镜设计成倍率为1的大工作距双远心镜头，并进行畸变和其他像差校正。由于采用了前置镜头，投影镜头的前工作距缩短，投影光路总长被压缩。引入前置物镜后，投影为正像，有利于操作和测量。

本实施例中，投影光学组件带有同轴光光源15，同轴光光源15经同轴光分光板16反射并经前置物镜14准直在工件表面，再经工件表面反射后投影成像在透明显示屏上。投影光学组件带有同轴光光源以保证表面图形结构的几何量测量。

实施例4

本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：

参见图4，本实施例中，将透明显示屏5换成常规显示屏17，同样可实现实施例1的基本功能。所述投影光学组件包括投影物镜和分光板，投影光束经投影物镜后传输到分光板上，经分光板透射后成像在常规显示屏17上，之后图像经过分光板12便于观察测量。考虑到观察窗距离显示屏距离较远，必要时可在观察窗处设置辅助摄像头或测量放大镜辅助测量。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。