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热真空环境下的视觉测量方法研究


Study on Vision Measurement Method in
Thermal Vacuum Environment








学科专业：仪器科学与技术
研 究 生：陶 力
指导教师：林玉池 教授







天津大学精密仪器与光电子工程学院
二零一一年十二月
独创性声明

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研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表
或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津大学 或其他教育机构的学位或证
书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中
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签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日
摘 要

随着计算机视觉理论及图像处理技术的不断发展，视觉测量技术得到了越来
越广泛的应用。视觉测量具有测量直观、精度高、非接触、环境适应力较强等诸
多优点，但是环境温度、压力、振动等条件也会对视觉测量系统的测量精度产生
影响。当视觉测量系统在高低温、真空等特殊环境条件下长时间工作，系统关键
元件的性能将受到较大影响甚至会损坏，无法保证测量结果的有效性。因此，有
必要对特殊环境下的视觉测量方法进行相关研究。
视觉测量系统是一个涉及到光学、电子、计算机和机械的多方面复杂系统，
其各个环节都可能受环境条件的影响。以热真空环境下的零件二维间隙尺寸高精
度视觉测量方法为主要研究内容，从理论上分析了特殊的环境温度、压力及振动
对测量系统的影响，提出了相应解决对策并设计了一套能够在热真空环境下使用
的视觉测量系统。
在视觉测量系统的硬件设计上，以计算机为处理平台，选用了工业级高分辨
率 CCD 相机、远心光学镜头、LED 光源及数字电源，并通过增加温控装置和隔
振平台来减小环境条件对测量系统的影响，从而保证系统在特殊环境下的长时间
稳定工作的性能。
软件设计上通过模块化设计便于软件功能扩展。通过综合利用图像去噪、阈
值分割、边缘检测和亚像素细分等多种图像处理算法，得到了较为理想的处理效
果。设计了一种基于图像特征区域局部平均灰度的曝光补偿算法，减小光照强度
变化对测量的影响。针对二维尺寸测量，采用了一种简化的基于像素当量的实时
标定方法，很好地减小环境条件变化造成的测量误差。
在热真空环境下对测量系统进行了性能测试，测试结果表明，系统可以在特
殊环境下长时间稳定工作。完成了热真空环境下的零件多种类型二维间隙尺寸参
数的测量实验，实验结果表明本文提出的测量方法可实现热真空环境下零件二维
间隙尺寸的实时高精度测量要求。

关键词：视觉测量 热真空 图像处理 曝光补偿 实时标定 亚像素
ABSTRACT

With the development of computer vision theory and image p