第三十五届航天精密加工技术交流会
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基于视觉技术的微小尺寸的精密测量
毕 超，吕来鹏，房建国，张 洋，杨 希
(北京航空精密机械研究所精密制造技术航空科技重点实验室，北京 100076)
摘要：针对航空航天领域中的微小零件尺寸的精密快速测量问题，本文应用工业相机和缩放
镜头等搭建了基于比较法的视觉测量系统。为了提高后续图像处理的精度，应用数学形态学
滤波来滤除图像中的随机噪声，同时保持清晰的细节特征。在标定像素尺寸当量的过程中，
应用高精度的同心圆标定板作为标定靶标，标定结果为0.0134mm/pixel。为了验证标定结果
并确定系统的不确定度，应用精密玻璃线纹尺作为被测物体，得到系统的测量不确定度为
0.003mm。最后，应用本文所搭建的系统测量一个微小孔径，表明该系统能够满足使用要求。
关键词：视觉测量；微小尺寸；最小二乘拟合
引 言
近年来，随着视觉技术不断应用到工业现场中，产品测量与检测的精度、效率和自动化
水平不断提高，充分说明了视觉技术的巨大潜力和应用前景。基于计算机视觉的测量方法具
有非接触、效率高、成本低、操作灵活等优点，非常适合于对易变形零件、微小尺寸零件等
的测量。在航空、航天等高新技术领域中，经常需要精确测量一些尺寸微小的零件，由于对
测量速度和精度的要求比较高，常规的测量器具和手段如游标卡尺、螺旋测微器以及三坐标
测量机等很难满足测量要求。在这种情况下，基于图像的视觉测量技术越来越成为微小尺寸
测量领域的研究热点。
在视觉测量中，需要应用CCD等成像设备对被测零件成像，然后通过图像降噪、相机
标定、特征提取等一系列步骤解算出待测物体的几何尺寸。随着成像技术与图像处理理论的
发展和进步，视觉技术得到了越来越广泛的应用。陈向伟等应用CCD和光学显微镜等搭建
了微小零件几何尺寸测量系统，可以测量微小齿轮的中心孔直径[1-2]；王磊等搭建了基于机
器视觉的微型铣刀外径测量系统，系统的不确定度为4um[3]；王晓翠等应用以CCD作为图
机器视觉技术的尺寸测量
机器视觉检测系统的优势主要体现在，非接触检测测量、长时间稳定工作等，利用机器视觉解决方案，可以节省大量劳动力资源，为公司带来可观利益，因此其应用也越来越广泛。
机器视觉系统具有测量功能，能够自动测量产品的外观尺寸，比如外形轮廓、孔径、高度、面积等尺寸的测量。尺寸测量无论是在产品的生产过程中，还是产品生产完成后的质量检验中都是必不可少的步骤，而机器视觉在尺寸测量方面有其独特的技术优势。
比如，这种非接触测量方法既可以避免对被测对象的损坏又适合被测对象不可接触的情况，如高温、高压、流体、环境危险等场合；同时机器视觉系统可以同时对多个尺寸一起测量，实现了测量工作的快速完成，适于在线测量；而对于微小尺寸的测量又是机器视觉系统的长处，它可以利用高倍镜头放大被测对象，使得测量精度达到微米以上。
机器视觉之尺寸测量是基于相对测量法，通过溯源、倍率标定、自动提边和屏幕图像测量来推算出实物大小。在精密测量中，倍率要求35*以上以获得微米级精度，此时的视觉线宽度不到5mm，对于测量5mm以上的物件需要移位解析读数与视窗测量合成来完成。
对于微小尺寸的精密测量，利用机器视觉系统通过安装高倍工业镜头或显微镜头，从微小的生物细胞直径、数量，到细小的装配缝隙大小，再到较小的机械零件、电子产品的尺寸测量等各个领域都是机器视觉系统的用武之地。
虽然实现尺寸测量的方法很多，但大多数测量重复性、高效性和鲁棒性不高。事实表明，基于机器视觉技术的尺寸测量具有良好的连续性和高精度，大大提高了工业在线测量的实时性和准确性，同时生产效率和产品质量控制也得到明显提升。
第三章
双眼视的测量
在采集病史和确定屈光不正之后，下一步就要进行常规双眼视测量。双眼视觉测量由一系
列的检测技术组成，遵循一定的检测流程，有关细节和流程在本书系列《视光学方法和理论》中
有阐述，本章将阐述方法的概要、意义和注意点。
第一节 双眼视的基本测量方法
双眼视觉的测量评估分为如下4大步：
1．测量在远近距离上的隐斜的方向和幅度以及AC／A比 基本测量方法包括遮盖试验，
yon Graefe隐斜试验，Thorington改良试验。
2．测量正负融像聚散度有直接和间接测量，前者又有平滑聚散(综合验光仪中用Risley
可变棱镜)和阶梯聚散(用棱镜排杆)测量之分，后者有负相对调节(NRA)、正相对调节(PRA)、
融像交叉柱镜(Fcc)等。
3．测量集合幅度 一般指集合近点(NPC)的倒数，此测量对于最常见双眼视异常之一，即
聚合不足的诊断极其重要。测量所用的视标类型和长时多次测量的结果是关键。
4．测量感觉状态包括抑制和立体视觉。一般而言，非斜视性双眼视觉异常的立体视觉在
临床上测量并不受影响或受影响极微，而轻度抑制却常见。特殊测量如Worth 4点灯可测抑制。
双眼视的全面测量应包括上述所有4步，但最小的数据库应包括集合近点、远近距的遮盖试
验、远近距的阶梯聚散幅度和立体视觉。若患者有症征而最小数据库信息不足时，则应加双眼视
间接测量、灵活度测量和注视视差测量等。
在临床上为方便计，将所有需用综合验光仪(：phoropter)的检测方法归为一组进行，将所有不
需用综合验光仪(phoropter)归为另一组进行。为了避免上一检测对下一检测的影响，应按以下
顺序测量：
(1)自由位测量(理论上此时无刺激或抑制，如测量隐斜)；
(2)抑制性测量(如BI、NRA)；
双目立体视觉三维测量原理
1.前言戏说
双目立体视觉是基于视差原理，由多幅图像获取物体三维几何信息的方法。
在机器视觉系统中，双目视觉一般由双摄像机从不同角度同时获取周围景物
的两幅数字图像，或有由单摄像机在不同时刻从不同角度获取周围景物的两
幅数字图像，并基于视差原理即可恢复出物体三维几何信息，重建周围景物
的三维形状与位置。
双目视觉有的时候我们也会把它称为体视，是人类利用双眼获取环境三维
信息的主要途径。从目前来看，随着机器视觉理论的发展，双目立体视觉在
机器视觉研究中发回来看了越来越重要的作用。本文主要研究了双目视觉的
数学原理。
2.双目立体视觉的数学原理
双目立体视觉是基于视差，由三角法原理进行三维信息的获取，即由两个
摄像机的图像平面和北侧物体之间构成一个三角形。一直两个摄像机之间的
