摘 要：本文采用LabVIEW機(jī)器視覺平臺(tái)開發(fā)設(shè)計(jì)基于USB攝像頭的微小位移測(cè)量系統(tǒng)。使用LabVIEW軟件平臺(tái)編程控制USB攝像頭，采集顯微鏡中放大物體前后移動(dòng)的圖像，通過(guò)計(jì)算物體圖像移動(dòng)像素點(diǎn)數(shù)來(lái)測(cè)量物體移動(dòng)的微小位移。本測(cè)量系統(tǒng)攝像幀速為30幀/秒，可以實(shí)現(xiàn)微小位移的動(dòng)態(tài)測(cè)量。

關(guān)鍵詞：微小位移;LabVIEW;USB攝像頭;讀數(shù)顯微鏡

Abstract: With the Labview Vision, the reading microscope and USB camera, a proto-type instrument system measuring the weenie displacement is demonstrated.. The program can be used to control the USB camera and acquire the image enlarged by the reading microscope. As the shooting speed is 30 frame/s, the dynamic measure can be implemented.

Key words: weenie displacement,LabVIEW,USB camera, eading microscope

前言

測(cè)量物體的微小位移在許多方面如數(shù)控機(jī)床的精確加工等，有廣泛的應(yīng)用。目前測(cè)量物體的微小位移已經(jīng)發(fā)展了多種方法：激光位移傳感器測(cè)量法、電容位移傳感器測(cè)量法等。本文實(shí)現(xiàn)了一種基于LabVIEW機(jī)器視覺軟件平臺(tái)和讀數(shù)顯微鏡以及USB攝像頭測(cè)量微小位移的系統(tǒng)。該系統(tǒng)成本低，操作方便，并實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量。由美國(guó)NI公司推出的LabVIEW是目前最流行、應(yīng)用最廣、發(fā)展最快和功能最強(qiáng)的圖形化數(shù)據(jù)軟件[1-4]。NI公司推出的機(jī)器視覺平臺(tái)是專門的圖像處理軟件平臺(tái)。本測(cè)量系統(tǒng)采用LabVIEW和機(jī)器視覺軟件平臺(tái)編程控制USB攝像頭采集讀數(shù)顯微鏡的物體圖像移動(dòng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)判斷物體圖像的像素移動(dòng)來(lái)計(jì)算物體移動(dòng)的微小位移。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，圖像采集和數(shù)據(jù)處理都是通過(guò)LabVIEW軟件編程實(shí)現(xiàn)。由于攝像頭的幀速為30幀/秒，因此可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量、÷像o實(shí)時(shí)顯示結(jié)果并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存。

1 實(shí)驗(yàn)原理和思路

通過(guò)讀數(shù)顯微鏡的放大作用把物體發(fā)生的微小位移放大，利用攝像頭拍攝物體放大的圖像，用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，通過(guò)移動(dòng)前后圖像質(zhì)心位置像素點(diǎn)的變化可計(jì)算出物體位移的變化。圖1是實(shí)驗(yàn)原理和測(cè)量流程圖。


圖1 微小位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理圖

實(shí)驗(yàn)思路如下：讀數(shù)顯微鏡底座的LED發(fā)射出均勻穩(wěn)定的光，照射到顯微鏡載物臺(tái)的玻璃片上。物體的移動(dòng)牽引顯微鏡物鏡下的細(xì)絲產(chǎn)生微小位移，這里，細(xì)絲的位移就是物體的位移。顯微鏡對(duì)細(xì)絲成一個(gè)清晰放大的像，被置于目鏡上的USB攝像頭采集到圖像并將圖像傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的圖像先進(jìn)行二值化處理，濾去背景圖像的影響，計(jì)算出圖像質(zhì)心的位置。通過(guò)比較前后圖像質(zhì)心的位置坐標(biāo)，可計(jì)算出質(zhì)心移動(dòng)的像素點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)多次測(cè)量，先得出圖像單位像素點(diǎn)和物體實(shí)際位移的比例系數(shù)。實(shí)際測(cè)量物體的位移時(shí)，通過(guò)計(jì)算出圖像質(zhì)心像素點(diǎn)的變化，再乘以單位像素點(diǎn)的變化與物體實(shí)際位移的比例系數(shù)，計(jì)算出物體的實(shí)際位移。

實(shí)驗(yàn)中使用的實(shí)驗(yàn)儀器和裝置包括：讀數(shù)顯微鏡（型號(hào)為：JCD-Ⅲ，上海光學(xué)儀器廠）。實(shí)驗(yàn)中顯微鏡的目鏡×10，物鏡×10，對(duì)細(xì)絲的放大倍數(shù)為100倍。攝像頭：普通羅技快看高手版（羅技公司），攝像頭的分辯率 320×240，30萬(wàn)像素，拍攝幀速為30幀/秒。細(xì)絲為精確加工的黑色細(xì)絲，直徑約為 。

2 基于LabVIEW和視覺開發(fā)平臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

2.1 程序設(shè)計(jì)的思路

實(shí)驗(yàn)通過(guò)采用LabVIEW視覺軟件平臺(tái)編程控制USB攝像頭采集顯微鏡中放大的物體圖像。通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行計(jì)算和處理，計(jì)算出移動(dòng)物體圖像的質(zhì)心像素的位置變化來(lái)測(cè)量物體的微小位移。在LabVIEW的機(jī)器編程中，采用編程控制USB攝像頭的采集。為了濾去背景圖像和噪音的影響，采集到的圖像需經(jīng)過(guò)二值化處理。通過(guò)設(shè)定門限值，將圖像像素值高于門限值的設(shè)為最高像素值，低于門限值的置零，獲得細(xì)絲的二值化圖像。調(diào)用視覺開發(fā)平臺(tái)中的專門模塊計(jì)算出細(xì)絲圖像質(zhì)心的像素位置[5-6]，進(jìn)一步計(jì)算出移動(dòng)前后質(zhì)心像素位置變化的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。測(cè)量時(shí)，通過(guò)計(jì)算出圖像質(zhì)心移動(dòng)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)乘以單位像素點(diǎn)的變化與實(shí)際距離的比例系數(shù)，求得物體移動(dòng)的實(shí)際距離。

2.2 測(cè)量程序顯示界面的設(shè)計(jì)

USB 攝像頭將被測(cè)物體所成像變?yōu)閿?shù)字圖像輸入計(jì)算機(jī)，由LabVIEW軟件平臺(tái)調(diào)用并顯示。考慮到顯示的方便，測(cè)量程序設(shè)為兩個(gè)界面顯示。圖2是測(cè)量程序的實(shí)時(shí)同步測(cè)量界面。“圖像跟蹤”實(shí)時(shí)顯示攝像頭拍攝到的顯微鏡成的細(xì)絲圖像，直觀顯示圖像移動(dòng)，圖中黑色物體為細(xì)絲的圖像;“結(jié)果”和“位移記錄”實(shí)時(shí)顯示物體位移變化;點(diǎn)擊“開始測(cè)量”鍵，計(jì)算機(jī)啟動(dòng)攝像頭開始測(cè)量;點(diǎn)擊“復(fù)位”鍵重新測(cè)量。考慮到攝像頭開始工作時(shí)一般都不穩(wěn)定，設(shè)置計(jì)算機(jī)啟動(dòng)攝像頭開始測(cè)量后采集到的前15幀圖像不予采用。為了方便顯示，設(shè)置圖像采集在藍(lán)色進(jìn)度條走完之后開始測(cè)量。通過(guò)這個(gè)界面，能夠直觀觀測(cè)到物體的圖像和位移。


圖2 同步測(cè)量顯示界面

2.3 測(cè)量的LabVIEW程序設(shè)計(jì)

在LabVIEW 中，由于將調(diào)用函數(shù)模塊化了，因此調(diào)用USB攝像頭非常簡(jiǎn)單。圖3是LabVIEW調(diào)用USB攝像頭采集圖像的編程。調(diào)用的過(guò)程如下：調(diào)用攝像頭①IMAQ Create.vi —> ②IMAQ USB Grab Setup.vi —> ③IMAQ USB Grab Acquire.vi —>④IMAQ USB Close.vi，該過(guò)程為靜態(tài)拍攝一幀。加上一個(gè)循環(huán)⑥While Loop，通過(guò)⑤Wait Until Next ms Multiple控制While Loop每隔多少毫秒觸發(fā)一次（默認(rèn)值為33.3毫秒，也就是每秒三十30幀），輸出⑦Image Display。


圖3 調(diào)用USB攝像頭采集圖像

從USB攝像頭采集到的圖像經(jīng)過(guò)圖4進(jìn)行二值化的編程處理：從①IMAQ USB Grab Acquire.vi輸出的圖像②IMAQ ColorImageToArray，由③Optional Rectangle功能截取采集圖像的有效部分并轉(zhuǎn)化為一個(gè)32位的二維數(shù)組。為了便于確定二值化門限的標(biāo)度，使用To Unsigned Byte Integer 把32位數(shù)組轉(zhuǎn)化為8位數(shù)組，通過(guò)兩次使用④For Loop的循環(huán)端口i和⑤⑥Index Array對(duì)二維數(shù)組進(jìn)行索引;使用Less Or Equal?和⑦Select對(duì)數(shù)組的每一個(gè)值與預(yù)先的門限值進(jìn)行比較判斷，規(guī)定大于預(yù)先給定門限值為0（亮度最小），否則為255（亮度最大）。經(jīng)過(guò)二值化處理后的數(shù)組通過(guò)IMAQ ArrayToImage轉(zhuǎn)化為圖像顯示出來(lái)，這樣就把采集到的圖像變?yōu)橹挥泻诎變煞N顏色。其中，白色代表物體所成的像，黑色為背景圖像。


圖4 二值化處理圖像

NI公司的機(jī)器視覺軟件平臺(tái)是專門為圖像處理開發(fā)的，有很多專用的軟件模塊。我們選用了其中計(jì)算質(zhì)心的模塊。將圖像輸入模塊，它便能輸出圖像質(zhì)心的坐標(biāo)。按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，我們必須預(yù)先測(cè)量出圖像單位像素點(diǎn)的變化和實(shí)際物體移動(dòng)距離的比例系數(shù)，因此選用了讀數(shù)顯微鏡。讀數(shù)顯微鏡能夠精確移動(dòng)顯微鏡。物體不動(dòng)，精確移動(dòng)顯微鏡，可讀出顯微鏡的移動(dòng)距離，同時(shí)計(jì)算出圖像變化的像素點(diǎn)數(shù)。將移動(dòng)距離除以總的像素點(diǎn)數(shù)，得到單位像素點(diǎn)的變化與實(shí)際物體移動(dòng)距離的比例系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)中物體的移動(dòng)是通過(guò)牽引顯微鏡物鏡下的細(xì)絲而產(chǎn)生的，因此細(xì)絲位移就是物體的位移。為了獲得100um的位移，我們將物體放在一個(gè)螺旋測(cè)微器控制的光學(xué)平臺(tái)上。螺旋測(cè)微器總共50個(gè)小格，轉(zhuǎn)動(dòng)一周移動(dòng)為0.5mm，因此轉(zhuǎn)動(dòng)一小格為10um。通過(guò)調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微器，我們獲得100um的位移范圍。測(cè)量時(shí)，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存到電腦中，再通過(guò)畫圖軟件顯示。圖5是測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖中的橫坐標(biāo)表示測(cè)量的時(shí)間，縱坐標(biāo)表示測(cè)量的位移，平直部分是移動(dòng)螺旋測(cè)微器時(shí)的停留時(shí)間。由于是手旋動(dòng)螺旋測(cè)微器，因此移動(dòng)的快慢不一致導(dǎo)致出現(xiàn)階梯狀的停頓。


圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，物體移動(dòng)范圍為

3 實(shí)驗(yàn)誤差分析和改進(jìn)方法討論

測(cè)量系統(tǒng)中誤差主要來(lái)自兩個(gè)方面：一個(gè)是測(cè)量系統(tǒng)本身帶來(lái)的誤差，例如物體牽引細(xì)絲的運(yùn)動(dòng)不同步、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的震動(dòng)等;另一個(gè)重要的誤差來(lái)源于圖像單位像素點(diǎn)的變化和實(shí)際物體移動(dòng)距離的比例系數(shù)，如果這個(gè)系數(shù)有較大的誤差，測(cè)量結(jié)果就不可靠。實(shí)驗(yàn)中采用的方法是：細(xì)絲不動(dòng)，精確移動(dòng)顯微鏡，讀出顯微鏡的移動(dòng)距離;計(jì)算出細(xì)絲圖像變化的像素點(diǎn)數(shù)，將移動(dòng)距離除以總的像素點(diǎn)數(shù)，得到單位像素點(diǎn)的變化與實(shí)際物體移動(dòng)距離的比例系數(shù)。我們將讀數(shù)顯微鏡精確移動(dòng)100um、150um、200um ，反復(fù)多次測(cè)量細(xì)絲質(zhì)心像素點(diǎn)的變化點(diǎn)數(shù)，同時(shí)考慮回程誤差，計(jì)算出該系數(shù)平均值約為2um/像素。因此，測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度是2um。選用更高倍數(shù)的顯微鏡，能夠獲得更高的測(cè)量精度。

4 總結(jié)

本文詳細(xì)介紹了基于LabVIEW軟件和機(jī)器視覺平臺(tái)，利用USB攝像頭和讀數(shù)顯微鏡建立一個(gè)動(dòng)態(tài)測(cè)量微小位移的系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的圖像采集和數(shù)據(jù)處理都是通過(guò)LabVIEW軟件編程實(shí)現(xiàn)。通過(guò)利用周邊通用設(shè)備（計(jì)算機(jī)、讀數(shù)顯微鏡、USB攝像頭），使得該系統(tǒng)具有精度較高、制造簡(jiǎn)單、技術(shù)要求低、操作方便和移植性強(qiáng)等特點(diǎn)。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到微小位移測(cè)量中，使用LabVIEW機(jī)器視覺平臺(tái)開發(fā)設(shè)計(jì)了基于USB攝像頭的微小位移動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。我們的實(shí)驗(yàn)中，動(dòng)態(tài)測(cè)量精度達(dá)到了2um。

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