提高激光测头测量精度的图像优化方法

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摘 要：由于激光测头的测量精度主要依赖于图像处理模块，因此为提高测量精度，首先提出基于图像反馈的自适应激光亮度调节方法，设计1个激光亮度控制器，并对不同激光强度下拍摄的图像进行激光条纹中心点提取，以选择最合适的激光强度；然后应用离散的Gabor滤波模板对激光条纹进行增强处理，以提高测量条纹的连续性. 实验表明：(1)自适应激光亮度调节方法与采用手动调节方法选取的最佳激光亮度偏差不超过5级，其有效性较高；(2)改进后的激光测头从扫描数据的均匀程度到连续性都远好于改进前的测头. 该方法对测量精度的提高较大，为其在复杂型面测量领域的应用打下良好基础.

关键词：激光测头；图像处理；自适应激光亮度调节；Gabor滤波器

中图分类号：TN248.4；TP391.41 文献标志码：A

Improvement on measurement precision of laser probe using image optimization method

HU Ying，MA Zi，LIN Na

(Automation Research Center，Dalian Maritime Univ.，Dalian Liaoning 116026，China)

Abstract：The measurement precision of laser probe mainly depends on the image process model. To improve the measurement precision，a method is proposed based on image feedback，an adaptive laser brightness adjustment controller is designed，and the central points of laser stripe images that are shot are extracted to select the most appropriate laser brightness. The discrete Gabor filter template is used to enhance the image process of laser stripe to improve the continuity of measurement stripe. The experiments indicate：(1)the best laser brightness obtained by the method of adaptive laser brightness adjustment is not more than 5 degree compared with that obtained by manual adjustment，and its validity is improved；(2)as to the uniformity or continuity of the scanned data，the improved laser probe is far better than the normal one. The method can improve the measurement precision and lay a sound basis for its application on the measurement of complex surfaces.

Key words：laser probe；image process；adaptive laser brightness adjustment；Gabor filter

0 引 言

随着制造业设计和加工水平的不断发展，机械零部件的结构复杂度和加工精度越来越高.特别是在航空、汽车和船舶等领域，由复杂型面组成的零部件扮演着非常重要的角色，对其加工质量要求很高.由于测量速度的限制，传统的接触式检测设备已经难以满足复杂型面的三维表面检测需求.随着计算机视觉技术的不断发展，非接触式激光测量技术开始高速发展.由于激光测量具有速度快和非接触的特点，新型激光测量设备开发和应用不断涌现.[1-3]

作为激光测量设备的核心部件，激光测头的测量精度是关系到整个设备应用范围的关键技术指标.针对激光测头的测量精度优化问题，本文提出两种基于图像的优化方法，获得很好的效果.

1 激光测头工作原理

所研究的激光测头由半导体激光器、1枚8 mm的镜头、1个CCD摄像机、1块图像采集卡、激光强度控制板和控制软件组成，其系统结构见图1.

其工作原理为：半导体激光器投射1条激光线到达被测型面，由于被测型面表面深度的不同，激光线在被测型面的表面发生弯曲.摄像机捕获到该图像后，通过图像处理模块提取激光条纹中心，根据事先标定好的测头数学模型，即可获得激光线所覆盖的被测型面相对于激光测头中心点的二维坐标值.在实际应用中，测头安装在1个多自由度的执行机构(如三坐标测量机或柔性臂)上.通过执行机构的运动，就可以获得被测型面的三维信息，完成复杂型面的表面测量.

可以看出，测量精度主要依赖于图像处理模块对激光条纹中心的提取精度，因此提出两种基于图像的方法提高激光条纹的提取精度.

2 自适应激光亮度调节

激光测头的摄像机通过捕获被测物体表面的激光条纹实现测量.由于被测物体表面的激光反射特性不同以及环境光照的变化，固定强度的激光线在摄像机中所成的图像有很大变化.这必将导致测量结果的不稳定性，极大影响测量精度.为解决该问题，提出基于图像反馈的自适应激光亮度调节方法.首先设计1个激光亮度控制器，可以输出256可调的PWM信号控制激光器强度.从最强逐渐减弱激光器强度，在此过程中，拍摄一系列图像，直到在图像上不再出现激光条纹为止.然后，对此过程中拍摄的每幅图像进行激光条纹中心点的提取，根据一定的判据选择最适宜的激光强度.

通过大量实验发现，当激光条纹很粗时提取的激光中心很不稳定；当激光条纹太细时提取的中心存在大量断点；而在1个合适的区域内，激光中心非常稳定.中心线上所有点的图像坐标与前后帧中中心线上所有点的图像坐标之间的变化率最小.因此，给出如下优化判据：

图2给出自适应激光调节原理框图，图3为实际调节效果.在实际应用中，所提出的自适应激光亮度调节方法与采用手动调节方法人工选取的最佳激光亮度偏差不超过5级，验证了本方法的有效性.

3 Gabor滤波器

Gabor滤波器是1个典型的具有带宽和方向选择性的滤波器.[4]在图像处理中的特征提取、纹理分析和立体视差估计等方面有许多应用.[5]偶对称Gabor滤波器的一般形式为Gabor滤波器的带宽和方向选择特性使得它非常适合与对方向和宽度具有明显特征的图像进行增强，而激光条纹图像正是这样1种典型的图像.通过第2节对激光亮度的自适应调节，在测量过程中能够获得固定宽度的激光条纹，但在局部区域会由于亮度过低造成条纹不连续的现象，使得测量结果出现一些漏点.可以借助Gabor滤波器对获得的激光条纹进行增强，一方面减少条纹的断点，另一方面还可以消除局部抖动.

基于上述思想，应用离散的Gabor滤波模板对激光条纹进行增强处理.先对激光条纹图像进行二值化；再将条纹分成一定大小的具有一致方向的局部区域；然后利用梯度算法计算出该区域的主方向迹蛔詈蠡于家约坝商跷瓶矶鹊玫降钠德f，生成得到1个离散的Gabor滤波模板对原始条纹图像进行卷积运算，得到增强后的条纹图像见图5.(a)原始激光条纹(b)Gabor增强后的激光条纹图 5 Gabor滤波器的增强效果

4 实验结果及结论

对已有的激光测头进行改进，通过对多个标准试件进行扫描，得到的对比结果见表1.

图6是对1组平面扫描数据的局部放大效果，可以看出，改进后的测头从扫描数据的均匀程度到连续性都要远好于改进前的测头.

由实验结果可知，本文的研究工作对激光测头的测量精度有很大提高，为下一步在复杂型面检测领域的应用打下良好基础.

参考文献：

[1] MA Zi，HU Ying，HUANG Jin，et al. A novel design of in pipe robot for inner surface inspection of large size pipes[J]. Int J Mech Based Des Struct & Machines，2007，35(4)：447-466.

[2] 杨培，徐滨士，吴林. 基于结构光三维视觉的再制造工件的测量及重建[J]. 焊接学报，2005，26(8)：12-15.

[3] 李敏，林财兴，吕永. 汽车内饰件的测量[J]. 计算机辅助工程，2004，13(1)：33-38.

[4] LIN Hong，WAN Yifei，JAIN A. Fingerprint image enhancement：algorithm and performance evaluation[J]. IEEE Trans Pattern Anal & Machine Intelligence，1998，20(8)：777-789.

[5] 雷明. 计算机生物特征识别算法与应用发展[J]. 计算机辅助工程，2001，10(3)：34-40.

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