原创 高精度温度计读数系统选型及搭建

实验评测时间：2008年11月
实验评测地点：北京市海淀区上地高新技术产业基地创业路17号4010房间
实验评测单位：www.china-vision.net
实验评测人：Jooonjay Zhang 及www.china-vision.net评测小组
实验报告撰写人:Jooonjay Zhang、Richard Yao
实验联系邮箱:Jooonjay.zhang@seventhsense.cn; richard.yao@seventhsense.cn
                machinevision@21cn.com；machinevision@sohu.com
试验评测环境：

    玻璃管液体温度计是应用最广泛的一种温度计，其结构简单、使用方便、准确度高、价格低廉。按用途分类，可分为工业、标准和实验室用三种。标准玻璃温度计是成套供应的，可以作为检定其他温度计用，准确度可达0.05 ~ 0.1摄氏度；工业用玻璃温度计为了避免使用时被碰碎，在玻璃管外通常由金属保护套管，仅露出标尺部分，供操作人员读数。实验室用的玻璃管温度计的形式和标准的相仿，准确度也较高。在温度计出厂前通常要进行质量检测，检测方法一般是把温度计置于标准温度槽中，此时温度计应该显示的读数是已知的，然后读取温度计上的实际显示数值，实际读数值与已知数相差较大时，就被检定为不合格产品。通常这些检测程序是由人工完成的，受操作员经验影响，长期频繁读数还容易引发视觉疲劳，导致检测结果不稳定，因此不断有厂家开始引入视觉测量设备代替人工完成检测任务。
    本文将通过构建视觉温度计读数系统，为大家展现一套典型视觉系统解决方案的形成全过程。其它类似视觉系统的搭建过程也与此类似，希望大家通过本文对视觉系统能够有一定的感性认识，在工作或生活中遇到类似问题时，可以用清晰的思路配合合适的视觉方案加以解决。

    这是用普通相机使用微距模式在室内台灯下拍摄的温度计图片，可以看出台灯的反光会在玻璃柱表面形成一条亮线，水银柱的位置与空芯的位置不易区分，再靠人眼去判读容易引起误差，效率也不高。

    采取视觉系统解决方案前，首先要完成基本视觉评估系统架构，评估系统结构简单，主要由工作台、被测物、光源（含控制器）、镜头、相机、图像采集卡（可选）、计算机系统、图像处理软件（可选）构成，主要用于完成测量方案的确定、产品选型等工作。评估系统完成后，一套视觉系统就已基本定型，其余的工作主要为控制、通信的协调以及安装方式，相对更容易实现。
    一般而言，选定被测对象后，构建视觉评估系统主要按相机、镜头、光源、软件这几个大件的顺序选型完成。
    选择相机时，首先要考虑所用相机的总像素数，像素数越多，配合高品质镜头使用的话，越容易获得清晰的图像。

  下图是对应的局部放大图。

    如上示意图所示，在镜头不变的情况下，分别使用664万、569万、142万、36万、9万像素相机所得图像，可以看出虽然视场相同，但是图像细节的再现能力随像素数的下降而变差。在识别、监控等领域，如果对图像细节要求不高，可以使用像素数较低的相机以节约成本，而在测量等图像细节对测量结果有较大影响的地方应优先考虑像素数大的相机，尤其是需要得到物体边缘精确位置的场合。
    选择像素数时，如果感光芯片的尺寸固定，大像素会通过缩小单个像元尺寸来实现，像元尺寸的缩小会降低信噪比，因此在选择相机时，如果需要大像素的相机，最好感光芯片的尺寸也相应选择较大的型号。

    1’芯片相机与1/2’芯片相机比较，可以明显看出安装相同的镜头时，使用1’的芯片的相机在确保图像细节清楚的前提下，能够呈现更大的图像，使成像系统具有更大的视场，但是对镜头的要求也会相应提高。

    在本次系统构建中，由于系统希望得到温度计的精确读数值，本次相机使用微视图像自主研发的MVC6600SAM/C-GE5千兆网工业相机，该相机采用1’规格的CMOS芯片，其最大幅面2220*3014，达660万像素，属于高像素级相机，而且该相机采用千兆位以太网标准电缆系统，这些电缆能够将数字图像数据传输100米左右而不发生损失，再加上10bit采样精度、滚动快门、支持连续采集工作方式、逐行扫描等特性，使得该相机的性能指标远非一般相机可比。由于高像素相机需要处理的数据量较大，这款相机支持的最高帧率为5fps，不适用于实时动态图像捕捉。此外厂家还提供黑白或彩色(Bayer RGB)两种相机选择，在本次温度计刻度测量中对色彩信息没有特殊要求，选用的是黑白相机。另外像素数多往往需要减小像元的尺寸，此款相机的像元尺寸为3.5um ×3.5um，然而却又能够保证59 dB动态范围，在实际测量中从图像噪点上已经与CCD芯片不相上下。加之灵活的软件增益控制，该相机应该能够完全胜任当前图像检测领域的大部分应用。尤其是其大幅面的特点，该相机更能够在大尺寸测量、大视场显微测量等领域发挥更大作用。

MVC6600SAM/C-GE5相机配合15mm宾德镜头使用，在获得大幅图像的前提下，图像的细节并不会丢失。右图是左图的局部图像的原尺寸图，为便于排版，左图已按4/15缩小。

    像素数多的芯片为检测提供了很大的自由度，配合放大率较低的镜头可以实现大幅面检测，配合放大率较高的镜头则可以实现放大检测，如图中对液晶平板的检测。右图是原比例局部图像，左图是缩小后的全图。
    完成相机选择后，下一步进行镜头选择，如果用户手里有一款变焦镜头，完成镜头选择会更方便一些。
    提起宾得，人们容易与尼康佳能蔡斯索尼莱卡等民用摄影器材联系起来，宾得，也称潘太克斯（ペンタックス株式会社，PENTAX Corporation）， 总公司位于日本东京都板桥区，创立于1919年，为一数码相机、底片相机、望远镜、内视镜、各种填补剂、移动电话用数码相机模组、微型镜头、雷射扫瞄元件、监视摄影机镜头以及各种测量器具的制造及贩售商。目前是日本光学厂商豪雅（HOYA）的子公司。以“不模仿他人，独立开发新技术”为宗旨不断创新研究，并曾发表过像是日本第一台35厘米单镜反射式相机Asahiflex和世界第一台内建闪灯的自动对焦单镜反射式相机等等产品。在进入数码相机的时代之后以一系列轻量化、高品质的产品积极抢占市场。高品质的镜头对图像测量起着关键作用。

    图中是CCTV镜头PENTAX 12.5-75mm F/1.8，在使用时，用户可以自由调整焦距与工作距离，由于可以自行选择参数余地较大，建议视觉用户在镜头选型前使用，以找到最合适的镜头参数，宾得的调焦镜头备有锁钮，可以确保镜头工作在固定的光圈、焦距、工作距离，然而由于这种镜头一般体积与重量较大，用户最好在确定参数后选择定焦镜头，以提高视觉系统在工作时抗震动等环境干扰的能力。这款镜头的前端镜片是有一层极薄增透膜的，由于镀层相当薄，不仔细观察几乎看不出来。

    使用变焦镜头在短焦端和长焦端获得的图像，可以发现使用一款变焦镜头可以满足多种视场、工作距离等要求。

    上图是宾德的定焦镜头，镜头上一般都会注明工作距离，如果必须要求镜头工作在工作距离内时，可以在镜头与相机之间加装近摄环，普通镜头加装近摄环会对像质产生一定的影响，故不常用，像宾德等品质比较好的镜头加装近摄环对像质的影响较小，但仍建议用户咨询厂家以确定自己选择的镜头是否可以加装近摄环使用。图中下方的镜头加装了近摄环。使其最近工作距离由原来的0.9m缩小到0.2m左右。

    本次使用到的所有镜头，分别是12.5-75mm F/1.8变焦镜头，8-48mm F/1.0变焦镜头，6mm F/1.2定焦镜头，12mm F/1.4定焦镜头，50mm F/2.8定焦镜头。

    不同焦距镜头主要影响视场的大小，以上两张图片表示选择镜头对视场的影响，左图使用12mm的镜头采集得到，右图采用50mm的镜头加近摄环采集得到，很明显选用较长焦距的镜头可以得到放大率较高的图像，但在使用时要注意所选镜头的工作距离。具体在本例中，使用1寸相机采集300mm远处工作，希望得到宽度确保80mm的视场。参看下图，为获得整个物体的图像，使用公式f=L×Y’/Y计算焦距，代入Y, L, Y’：
Y’=12.8mm，L=300mm，Y=80mm
f=300×12.8/80=48mm。

    最接近的镜头是f=50mm的镜头，数值接近但是比计算值48要小。焦距比理论值长的镜头会使视场减小，注意不要影响测量即可。

    接下来要选择光源，如文章开头所述，温度计的读数使用自然光难以察觉，需要人工光源的介入，光源的选择需要一定的光学基础，但更多的还是实际经验，因为不同光源的方向、颜色、照明方式、被测物材质等对被测物呈现在图像中的影响各不相同。

    环形光源容易安装，规格众多，能够提供较亮的视场，属于视觉测量中比较常用的光源，本次使用的是AI公司的RGB光源，这种光源由红、绿、蓝三种颜色的LED颗粒构成，通过AI专用的电源控制器，可以实现单组光源的独立控制，从而得到不同照明方向及不同光源颜色的光线，尤其是被测物具特定颜色时光源颜色选型的利器。
    在本例中，温度计棒身透明，表面反光，刻线细小，是不合适使用环形光正面照射的的，正面光源照过去容易在玻璃表面、水银柱表面、空心管表面产生镜面反射，难以显现液柱相对刻线的位置，如下是使用蓝色环形低角度照明光源的情况。

AI的蓝色低角度照明光源：通过AI的电源控制器，能够分4组分别控制LED颗粒的发光，图中是通过控制器使接近读者处1/4的LED环发光，从照亮桌面的情况看，该光源能够通过对光线方向的精确控制以实现照亮中间区域的1/4，如画面中出现的扇形亮区。

使用蓝色低角度环形光源时的实物照片。镜面反光使得温度计表面出现亮度明显不同的亮区和暗区。

    通过镜头与相机在计算机中呈现的图像，低角度环形光源用在温度计上效果较差，由于水银柱、刻线等处于透明体中，低角度的照明光线可以在玻璃中多次折射与反射，加之玻璃体的光洁反光表面，使得图像中出现亮暗交替的LED颗粒变形图像，影响测量。

    这是低角度照明的典型应用，环形低角度照明光源能够提供360度不发生镜面反光的照明，更适用于不平坦的表面，本次测量所使用的光源能够以极低的角度照射，从而可以显现表面的高度变化，从而能够突出边缘轮廓。如图中钥匙表面的字符。

这是本次做光源选型时选用的AI公司同轴光源，同轴方式的照明一般体积比较小巧，适用于表面反射效果较好的被测物，因此反映玻璃棒表面的刻线没有问题，但对于液柱的效果如何需要实际使用加以分析。

    使用同轴光的效果如图，由于同轴光的光线照射方向与进入镜头的光线基本平行，因此玻璃表面的刻线可以清楚地显示在图像中，而玻璃中间的水银柱及水银柱所在的空管仍然可以把光源射出的光线反射回去，而水银柱与空管的外形相同，因而水银柱相对于刻线的位置在图中不易被观测到。

    这是本次选用的AI公司条形光源，通过不同的安装方式能够从理想的角度提供与被测物相应的倾斜照明，尤其适合条形被测物。

    然而在照明透明物体时，使用条形光源一样会由于光线通过了透明玻璃体以及光洁的玻璃表面的反射效果而产生明亮的区域与黑暗的区域，这些区域与液柱的位置相关甚微，使得液柱与刻线的相对位置难以分辨，无法进行后续处理。

    本次使用的AI公司产背光源如图，是检测透明物体污损或不透明物体外轮廓的理想光源。右图是背光源用于表现不透光物体外轮廓的例子。

    使用背景光照明获得的结果如图，由于光线进入镜头的过程中被遮挡后会产生黑色区域，因此不透光的水银柱、刻线均能够与玻璃棒本体明显区分开来，便于进行下一步分析。在此处要注意由于水银柱与刻线相对于镜头的距离是稍有差别的，在精度要求不高的情况下可以直接使用普通镜头，并适当通过减小光圈并增强光源亮度或增加曝光时间以加长景深，当要求较高时可以考虑使用远心镜头以在图像像差较小的前提下获得较大的景深。此处还要注意镜头焦距的选择，上方的两个图像是50mm焦距的镜头，下方的两个图像是使用15mm焦距的镜头采集得到的图像，从图中可以看出焦距小使得视场增大，然而如果相机不做调整的话，兴趣区域的像素总数减少，无形中会降低兴趣区图像的分辨力。
    最后是软件处理部分，本次使用的软件是由大恒图像提供的德国MVtec公司知名机器视觉图像处理软件HALCON 8.0。

    HALCON是能够满足多种机器视觉应用的专业软件，在国际上已经成熟应用于宇宙航空、汽车零件制造、陶瓷业、化学、电子元件和设备、食品业、玻璃制造和生产、军事、医疗保健、生命科学、勘探、造纸、摄影与遥感、精工和光学、印刷、铁路和火车检测、橡胶、合成材料、金属、半导体、造船、保安监控、电信、交通、物流、木材等行业中的视觉检测及测量项目。对于温度计示数的自动读取，HALCON凭借边缘检测及轮廓分析技术加上其标定技术，最终获得准确的测量结果。

    温度计图像处理编程在HDevelop中进行，HDevelop是HALCON高度交互式的编程环境。支持Windows，Linux和Solaris运行环境，为用户搭建了快速有效的图像处理程序开发平台。它支持从图像采集设备中实时捕捉图像。本例中，首先使用HALCON的边缘算法算出刻度像素间距，然后找到大刻度值的坐标（如：6、7、8），最后根据刻度像素间距及大刻度坐标进行读数。

    在HDevelop中，在Program Listing对话框中完成主程序的编写，Variable View对话框可以方便地监视程序中的变量在程序运行过程中的变化情况，Operator对话框提供对程序命令参数的修改，变量以下拉菜单选择的模式出现，可以最大限度地避免出现语法错误，并使得程序具有较高的可读性。

    完成刻度分割的图像如上图左所示，温度计上的有效刻线已用红线标出，右图是最终完成测量的结果，液柱的位置已用绿箭头标出，并已通过程序计算出了结果。如果图像发生旋转，仍可通过相关算法准确找到刻线液柱的位置，另外即便部分被遮挡，HALCON也可以以高于1/20像素的精度定位出目标。因此在实际应用中，可以通过相关程序方便地实现实时自动检测。
    综合以上内容，采用MVC6600SAM/C-GE5千兆网摄像头、宾得50mm F/2.8定焦镜头、AI的蓝色低角度照明光源能够使温度计刻线和液柱清晰地采集到计算机中，再配合HALCON软件便可完成自动温度计读数任务。
    在使用中发现，使用千兆网相机将会再来较大的数据传输量，需要好的计算机硬件及支持千兆网速的网卡，否则容易出现丢帧的现象。对于使用1”感光芯片的相机而言，由于单幅图像的数据量已经很大，所以千兆网相机捕捉动态图像时将产生巨大的数据量，因此市场上出售的可以直接接驳在千兆网卡上大幅面相机一般帧速比较低，不适用于高精度动态图像测量使用。在选择镜头时，如果打算使用在镜头表面标识的工作距离以外时，最好选用像质比较好的镜头，尤其是图像测量场合。在工业生产现场使用的镜头最好使用锁紧螺钉锁紧，防止图像出现飘移。在光源选择方面，由于光源照明方式的差别，更多经验包括于其中，从理论分析难以得到准确的结果，最好咨询光源厂商或使用不同光源进行评测。另外对于图像软件的选择方面，市面上常见的图像处理软件主要有两大类，一类已把检测功能独立出来，通过简单组合便可完成检测任务，这种软件开发周期短，容易上手，但难以完成复杂任务及进行二次开发；另一类是主要通过写程序完成检测任务，这种软件对使用者有一定的代码编写能力要求，开发时间较长，但能够胜任复杂的图像处理任务及进行各种二次开发，本例中使用的HALCON就属于后者。因此用户在进行选择的时候要根据自身情况以及测量要求选择合适的软件。
    总体来讲，温度计液柱测量在视觉领域算相对比较简单的测量技术，在本次使用中，由于所用硬件质量均比同类产品性能优越，相对比较容易实现测量，加之HALCON软件提供的强大、成熟的算法，最终测量结果精度较高，但在实际使用中如此选择需要大量投入器件成本，当大批量使用并对总成本有一定要求时，应该结合成本预算与精度要求适当更改硬件参数，以获得折衷方案。

感谢以下品牌对本次评测的大力支持：
机器视觉光源厂商：Advanced illumination
工业相机厂商：北京微视新纪元科技有限公司
工业镜头厂商：Pentax
软件厂商：MVTec
感谢以下公司及个人对本次评测的大力帮助：
Advanced illumination深圳实验室及该公司王升经理对本次实验提供了大量光源产品支持
北京微视新纪元科技有限公司及总经理欧阳骏和众多公司同仁为本次评测提供该公司全新的千兆网工业相机、其代理品牌Pentax系列镜头并给予全力支持和帮助
北京嘉恒中自图像技术有限公司及市场部李曦、销售部经理张伟为本次评测提供了其代理的美国Advanced illumination系列光源产品及镜头转接圈
深圳视觉龙科技有限公司为本次实验提供了该公司研发生产的机器视觉试验台
中国大恒（集团）有限公司北京图像视觉技术分公司及潘津副总经理、技术部段德山经理对本次实验的大力支持，尤其感谢段德山经理给予我们的Halcon8.0软件的技术支持及刘鹏工程师在Halcon程序编写上面花费了大量的时间和精力
 
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