目標(biāo)測(cè)量（Dimensional Measurements）是機(jī)器視覺的重要應(yīng)用之一，它以被測(cè)目標(biāo)的關(guān)鍵尺寸信息為特征，對(duì)這些尺寸進(jìn)行測(cè)量，或根據(jù)測(cè)量結(jié)果來判定產(chǎn)品質(zhì)量是否合格。尺寸信息包括間距、角度、面積以及根據(jù)邊緣點(diǎn)擬合得到的線段、多邊形、圓或橢圓等解析幾何形狀的參數(shù)等。

基于機(jī)器視覺的目標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)一般用于對(duì)尺寸小、生產(chǎn)批量大的工件進(jìn)行測(cè)量和質(zhì)量檢測(cè)，如電子連接器件、繼電器開關(guān)等。若要人工對(duì)這些器件的尺寸進(jìn)行測(cè)量，不僅要耗費(fèi)大量時(shí)間和精力，而且由于受人為因素影響，常不能得到準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。

此外，機(jī)器視覺目標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)能在一些人類無法進(jìn)入的環(huán)境中工作，如有毒或高溫的環(huán)境等。機(jī)器視覺目標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)可以在線或離線的方式解決各種實(shí)際問題。

• 在線方式下，測(cè)量和判定過程發(fā)生在生產(chǎn)線的生產(chǎn)或裝配過程中。

  常見的在線測(cè)量應(yīng)用包括機(jī)械裝配驗(yàn)證、電子包裝檢驗(yàn)、集裝箱檢驗(yàn)、玻璃瑕疵檢驗(yàn)和電子連接器檢驗(yàn)等；

• 離線方式下，測(cè)量和判定過程則發(fā)生在生產(chǎn)線下，它對(duì)實(shí)時(shí)性的要求相對(duì)于在線測(cè)量判定過程要低些。

下圖匯總了機(jī)器視覺目標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的常見應(yīng)用：

機(jī)器視覺系統(tǒng)的目標(biāo)測(cè)量通常包括目標(biāo)搜索、特征定位、尺寸測(cè)量和結(jié)果判定4個(gè)過程。

• 目標(biāo)搜索過程用于從圖像中尋找被測(cè)目標(biāo)或參考目標(biāo)；

• 特征定位過程則通過邊緣檢測(cè)或圖像匹配來確定被測(cè)量在圖像中的位置；

• 隨后，就可基于它實(shí)現(xiàn)幾何測(cè)量過程，并進(jìn)而根據(jù)測(cè)量結(jié)果以及設(shè)定的閾值來判定被測(cè)目標(biāo)的質(zhì)量。

實(shí)際測(cè)量過程中，由于目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)，被測(cè)目標(biāo)或被測(cè)量并不總是位于圖像中的某一固定位置。這就要求機(jī)器視覺系統(tǒng)具有可根據(jù)被測(cè)目標(biāo)位置在圖像中自動(dòng)調(diào)整測(cè)量區(qū)域的能力。

機(jī)器視覺系統(tǒng)可以測(cè)量的量通常包括距離、角度、面積等。在圖像中對(duì)這些量進(jìn)行測(cè)量的方法大致分為卡鉗（Clamp）、卡尺（Caliper）和解析幾何法。

下圖對(duì)機(jī)器視覺系統(tǒng)目標(biāo)測(cè)量的過程、方法進(jìn)行了匯總：

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目標(biāo)搜索

機(jī)器視覺目標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的目標(biāo)搜索過程一般用于從圖像中尋找兩類目標(biāo)：被測(cè)目標(biāo)或參考目標(biāo)。被測(cè)目標(biāo)是指被測(cè)量所在的目標(biāo)，參考目標(biāo)則是指用于確定參考坐標(biāo)系和測(cè)量坐標(biāo)系的目標(biāo)。換句話說，在圖像中搜索到的目標(biāo)，既可直接用于測(cè)量，又能用于確定測(cè)量過程的參考坐標(biāo)系或測(cè)量坐標(biāo)系。

由于實(shí)際測(cè)量過程中，被測(cè)目標(biāo)并不總是位于圖像中的某一固定位置，而是會(huì)在視場(chǎng)內(nèi)平移或旋轉(zhuǎn)，因此對(duì)于每一幅采集到的圖像，都必須重新搜索目標(biāo)所在的位置和旋轉(zhuǎn)角度。邊緣檢測(cè)和圖像模式匹配是完成該任務(wù)的兩種較好的方法。其中圖像模式匹配方法包括：LabVIEW圖像模式匹配詳細(xì)介紹的灰度匹配和幾何匹配。無論是使用邊緣檢測(cè)法還是模式匹配法搜索目標(biāo)，都必須確保被測(cè)目標(biāo)可以出現(xiàn)在指定的ROI內(nèi)。

Nl Vision提供了使用邊緣檢測(cè)法搜索被測(cè)目標(biāo)和參考目標(biāo)的函數(shù)。若搜索的目標(biāo)位置和角度直接用于測(cè)量，則可使用位于LabVIEW的視覺與運(yùn)動(dòng)→Machine Vision→Caliper函數(shù)選板中的各種邊緣檢測(cè)VI。如下圖所示：

 函數(shù)說明及使用可參見幫助手冊(cè)：

如果從圖像中搜索的目標(biāo)并非直接用于測(cè)量，而是用其位置來創(chuàng)建參考坐標(biāo)系，則可使用位于LabVIEW的視覺與運(yùn)動(dòng)→Machine Vision→Coordinate System函數(shù)選板中的IMAQ Find CoordSys (Rect)2、IMAQ Find CoordSys (2 Rects)2。如下圖所示：

 函數(shù)說明及使用可參見幫助手冊(cè)：

 以灌裝檢測(cè)為例，系統(tǒng)要求生產(chǎn)線上各瓶?jī)?nèi)所灌裝的液位必須在指定的范圍內(nèi)，液位不能過高也不能過低。由于相機(jī)相對(duì)于生產(chǎn)線上的瓶子位置固定，且各瓶子不會(huì)在圖像垂直方向上移動(dòng)，因此可以瓶子頂端構(gòu)成的邊緣線作為參考，通過測(cè)量液位（由亮到暗的邊緣）到該參考線的距離來判斷液位是否合格。距離大于指定閾值，則說明液位過低；距離小于閾值，則說明液位過高。程序設(shè)計(jì)思路如下所示：

• 程序一開始先將被測(cè)圖像讀入內(nèi)存，并設(shè)定了用于從上到下、從左到右檢測(cè)邊緣的矩形ROI；

• 隨后程序調(diào)用IMAQ Find CoordSys(2 Rects)2，基于從這兩個(gè)VI中檢測(cè)到的邊緣來創(chuàng)建測(cè)量坐標(biāo)；

• 在創(chuàng)建測(cè)量坐標(biāo)時(shí)，IMAQ Find CoordSys(2 Rects)2先將從上到下搜索到的邊緣線作為坐標(biāo)系的縱軸（主軸），然后再以從左到右搜索到的邊緣與水平邊緣的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，參照坐標(biāo)系的類型（直接/間接）確定坐標(biāo)系的橫軸。

  Options參數(shù)用于控制邊緣的搜索過程和搜索結(jié)果的顯示。

程序設(shè)計(jì)如下所示：

 如下圖所示的實(shí)例運(yùn)行結(jié)果中顯示了搜索矩形、搜索方向和最終確定的坐標(biāo)系：

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特征定位

搜索到被測(cè)目標(biāo)并確定了測(cè)量坐標(biāo)系之后，就可以定位被測(cè)特征的位置。由于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中被測(cè)目標(biāo)并不總是固定在視場(chǎng)中，因此待測(cè)的特征位置也會(huì)隨著目標(biāo)在圖像中平移、旋轉(zhuǎn)。這意味著對(duì)每一幅采集到的圖像，開發(fā)人員必須先設(shè)法重新定位被測(cè)特征的位置，才能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。

如前所述，可以基于參考坐標(biāo)系和測(cè)量坐標(biāo)系來解決這一問題，其過程可分為以下兩步:

1. 在系統(tǒng)初始化階段，從標(biāo)準(zhǔn)圖像中搜索被測(cè)目標(biāo)，確定參考坐標(biāo)系并放置定位待測(cè)特征的ROI；

2. 在系統(tǒng)采集和檢測(cè)階段，從每幅被測(cè)圖像中重新搜索目標(biāo)位置更新測(cè)量坐標(biāo)系，并根據(jù)新坐標(biāo)系和參考坐標(biāo)系的關(guān)系，變換搜索待測(cè)特征的ROI位置。

例如，以下視頻顯示了牙線檢測(cè)系統(tǒng)特征定位過程各階段的坐標(biāo)系與ROl的變換情況。

這個(gè)案例的實(shí)現(xiàn)原理如下所示：

• 在初始化階段，程序調(diào)用IMAQ Find CoordSys(Pattern)3從標(biāo)準(zhǔn)件中搜索牙線底座，并根據(jù)匹配到的目標(biāo)位置、角度創(chuàng)建參考坐標(biāo)系；

• 為了能根據(jù)牙線的有無（區(qū)域灰度）判斷產(chǎn)品的質(zhì)量，程序還參照參考坐標(biāo)系放置了檢測(cè)牙線的ROI；

• 此后，對(duì)于每一個(gè)被測(cè)件的圖像，程序再次調(diào)用IMAQ Find CoordSys(Pattern)3從圖像中定位牙線底座的位置，并根據(jù)其位置、角度更新測(cè)量坐標(biāo)系;

• 一旦得到新的測(cè)量坐標(biāo)系，程序就可以根據(jù)參考坐標(biāo)系和測(cè)量坐標(biāo)系之間的關(guān)系，對(duì)特征ROl的位置進(jìn)行相應(yīng)的平移和旋轉(zhuǎn)，確保待測(cè)特征能準(zhǔn)確落在ROI中。

3

幾何測(cè)量

準(zhǔn)確鎖定目標(biāo)和待測(cè)量的特征后，就可以基于特征進(jìn)行各種測(cè)量任務(wù)。Nl Vision提供的目標(biāo)測(cè)量函數(shù)可分為卡鉗、卡尺和解析幾何法三大類。使用這些工具可以實(shí)現(xiàn)距離、角度、面積等物理量的測(cè)量。

3.1、卡鉗

卡鉗工具位于LabVIEW的視覺與運(yùn)動(dòng)→Machine Vision→Measure Distance函數(shù)選板中，如下所示：

 函數(shù)說明及使用可參見幫助手冊(cè)： 

使用卡鉗不僅可以測(cè)量同一方搜索向上目標(biāo)兩邊緣之間的最大或最小距離，還可以測(cè)量目標(biāo)輪廓上位于同一直線上的兩點(diǎn)間的最大距離，測(cè)量原理可如以下方式理解：

通過使用IMAQ Clamp Horizontal Max測(cè)量某一工件沿矩形ROI水平搜索方向上最大距離的實(shí)例，了解卡鉗的使用方法。

程序已開始先為圖像處理分配內(nèi)存，讀取圖像文件并設(shè)定默認(rèn)矩形搜索區(qū)域。隨后，While循環(huán)將監(jiān)測(cè)下述3個(gè)條件：

• 循環(huán)是否首次執(zhí)行；

• 圖像顯示控件中是否有繪制ROI的Draw事件發(fā)生；

• 測(cè)量類型控件Distance Type的值是否有變換。

程序設(shè)計(jì)如下所示：

 通過運(yùn)行程序，效果如下所示：

3.2、卡尺

與卡鉗工具在圖像中測(cè)量?jī)蓚€(gè)平行線所夾的目標(biāo)長(zhǎng)度不同，卡尺工具則主要用來沿圖像中某一指定的ROI路徑檢測(cè)該路徑上的邊緣、灰度峰值，根據(jù)該路徑上像素特征檢測(cè)目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角度，或者測(cè)量ROI路徑上的其他圖像特征。測(cè)量原理可如以下方式理解：

Nl Vision提供的卡尺工具位于LabVIEW的視覺與運(yùn)動(dòng)→Machine Vision→Caliper函數(shù)選板中，如下圖所示：

 函數(shù)說明及使用可參見幫助手冊(cè)： 

Nl Vision的Caliper工具中的大多數(shù)邊緣檢測(cè)VI在前面已經(jīng)詳細(xì)介紹過。例如，IMAQSimple Edge和IMAQ Edge Tool 3用于邊緣點(diǎn)的檢測(cè)。其中IMAQ Simple Edge可以沿一維像素序列檢測(cè)其中的灰度邊緣點(diǎn)；IMAQ Edge Tool 3則可基于優(yōu)化后的邊緣檢測(cè)算法，沿圖像中任意指定的路徑檢測(cè)各類邊緣點(diǎn)，包括上升邊緣、下降邊緣、搜索路徑上的首、尾或所有邊緣點(diǎn)以及邊緣強(qiáng)度最大的最佳邊緣點(diǎn)。

除了邊緣檢測(cè)，Caliper工具中還包括波峰–波谷檢測(cè)、邊緣對(duì)檢測(cè)、灰度插值、邊緣間距測(cè)量和旋轉(zhuǎn)檢測(cè)等函數(shù)。IMAQ Peak-Valley Detector可檢測(cè)以數(shù)組形式輸入的一組像素波峰或波谷的位置、灰度以及二階導(dǎo)數(shù)。它依次對(duì)個(gè)數(shù)等于寬度（Width）參數(shù)的像素進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，然后將結(jié)果與閾值（Threshold）參數(shù)比較，最終返回高于閾值的波峰或低于閾值的波谷部分。

3.3、解析幾何

卡鉗和卡尺工具可直接對(duì)圖像中的目標(biāo)進(jìn)行尺寸測(cè)量，解析幾何法則基于各種圖像分析或圖像處理結(jié)果，使用解析幾何原理，間接計(jì)算各種待測(cè)量的值，如距離、面積或角度等。

Nl Vision提供的解析幾何函數(shù)位于LabVIEW的視覺與運(yùn)動(dòng)→Machine Vision→Analytic Geometry函數(shù)選板中，如下圖所示：

按照處理對(duì)象和計(jì)算結(jié)果不同，Nl Vision的解析幾何函數(shù)可以分為點(diǎn)、線、角度、面積以及曲線擬合相關(guān)的幾大類。

與像素點(diǎn)相關(guān)的函數(shù)IMAQ Point Distance可以計(jì)算像素與像素之間的距離，IMAQ Lines Intersection可計(jì)算兩直線的交點(diǎn)，IMAQ GetPointsOnLine可返回輸入直線所覆蓋的所有像素點(diǎn)，IMAQ GetPointsOnContour則可提取圖像中的邊緣并返回各邊緣上的像素及各邊緣的信息。與線相關(guān)的函數(shù)IMAQ Perpendicular Line可確定一點(diǎn)到直線的垂直線并計(jì)算點(diǎn)到線的距離，IMAQ Bisecting Line可確定兩直線的平分線，IMAQ Mid Line則用來計(jì)算某一點(diǎn)與某一直線的平分線。

函數(shù)說明及使用可參見幫助手冊(cè)： 

使用機(jī)器視覺進(jìn)行目標(biāo)測(cè)量的目的可大致分為兩類：一是對(duì)目標(biāo)的尺寸進(jìn)行度量，二是根據(jù)測(cè)量得到的尺寸信息判斷被測(cè)件的質(zhì)量。

無論出于何種目的，多數(shù)機(jī)器視覺目標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)最終都需要求得被測(cè)件的實(shí)際尺寸信息，或根據(jù)被測(cè)件的實(shí)際尺寸信息作出檢測(cè)結(jié)果的判定。這不僅要求機(jī)器視覺目標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)必須被校準(zhǔn)，還要求像素分辨率能最大限度地滿足測(cè)量的要求。

系統(tǒng)校準(zhǔn)過程不僅可建立圖像與世界坐標(biāo)的關(guān)系，還能矯正系統(tǒng)畸變。它先建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后再根據(jù)系統(tǒng)特性選擇能使真實(shí)坐標(biāo)與通過模型計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)的誤差平方和最小的參數(shù)，以最終確定系統(tǒng)的模型公式。常見的系統(tǒng)校準(zhǔn)方法包括簡(jiǎn)易校準(zhǔn)法和點(diǎn)陣校準(zhǔn)法，后者常用于對(duì)****畸變、鏡頭徑向或切向畸變以及非線性畸變進(jìn)行校準(zhǔn)。