基于数字化标尺的视觉读数系统研究

　　1　引　言

　　光学仪器因具有测量精度高、抗干扰能力强、稳定性好等优点,在现代测量中起着举足轻重的作用。但现有光学仪器大多以目视仪器居多。目视光学仪器 由于读数系统存在读数过程繁琐、读数时间长、人为误差大、自动化程度低的缺点,所以使得目视仪器在现代高精密测量领域中受到了很大的限制。以万能工具显微 镜系统为例,其读数部分的不确定度高达0.8μm,在总误差中占有较大比例。为了克服光学仪器读数系统的这些缺点,许多学者研制了大量的新型数字化仪器。 目前的仪器主要采用光栅技术和图像式读数技术两种方法。由于光栅采用的是增量码技术,很容易将随机误差以及光栅的刻划误差累积到最终的测量结果中;图像式 读数技术使用CCD摄像机代替人眼来读数,将摄像机获取的光学标尺图像直接传入计算机,由计算机处理标尺的数值,但是读数程序需要经过图像预处理、字符提 取、字符分割和字符识别等一系列复杂的过程,另外还容易出现误读现象。为了避免以上两种方法的缺陷,本文设计了一种基于数字化标尺的视觉读数系统,该读数 系统不仅彻底消除了增量码方法的累积误差的影响,而且还实现了刻线的自动瞄准定位,光学标尺数值的自动读取,无需任何人为干预即可完成读数过程。

　　2　视觉读数系统基本原理

　　视觉读数系统原理图如图1所示。标尺采用作者自行研制的数字化标尺作为长度基准,使用CCD摄像机检测标尺信号,光源发出的光经光学系统后变为 平行光投射到数字化标尺上,标尺图像经物镜成像到CCD摄像机的光敏面上,CCD摄像机采集的图像经处理电路送入计算机,由计算机对信号进平滑去噪、边缘 提取、边缘拟合、自动阈值、二值化、刻线识别等一系列图像处理过程,最终获得当前的标尺数值,并将该数值送给测量程序显示出来。

　　3　数字化标尺设计

　　为了避免光学标尺在视觉读数中图像处理复杂和容易出现误读的问题,设计了一种新型的光学标尺。该标尺改变了以前刻线加阿拉伯数字的形式,标尺上 只有刻线没有数字,用刻线的不同形式来表示数字。刻线所在处的数值由该数字的二进制码线段表示。下面以量程为200mm的标尺为例来讲述这种视觉读数标尺 的设计方法。

　　在视觉读数标尺上,每条刻线是由一段段等长的或黑或白的线段组成,这些线段竖直组合构成标尺的一条刻线,并且在每条刻线上的黑白线段数量及排列 顺序由该刻线所在处的二进制数字来确定。因为视觉读数标尺的量程为200mm,所以采用8段(28=256)或黑或白的线段组合成标尺刻线。标尺刻线图形 如图2所示,图中的虚横线在这里是为了理解的方便而加的。为了说明问题方便,这里任意选取了其中的10个刻线进行说明,这些数字的数值与二进制编码的关系 如表1所示。用黑色的线段表示“0”,白色的线段表示“1”。在标尺上,在表示“0”的地方刻线,在表示“1”的地方不刻线。这样在刻线的地方由于光的散 射在图像上的灰度值较低,而没有刻线的地方因为没有散射所以灰度值较高。