基于LabVIEW机器视觉的微小位移动态测量

块化了，因此调用USB摄像头非常简单。图3是LabVIEW调用USB摄像头采集图像的编程。调用的过程如下：调用摄像头①IMAQ Create.vi —> ②IMAQ USB Grab Setup.vi —> ③IMAQ USB Grab Acquire.vi —>④IMAQ USB Close.vi，该过程为静态拍摄一郑加上一个循环⑥While Loop，通过⑤Wait Until Next ms Multiple控制While Loop每隔多少毫秒触发一次（默认值为33.3毫秒，也就是每秒三十30帧），输出⑦Image Display。


图3 调用USB摄像头采集图像

从USB摄像头采集到的图像经过图4进行二值化的编程处理：从①IMAQ USB Grab Acquire.vi输出的图像②IMAQ ColorImageToArray，由③Optional Rectangle功能截取采集图像的有效部分并转化为一个32位的二维数组。为了便于确定二值化门限的标度，使用To Unsigned Byte Integer 把32位数组转化为8位数组，通过两次使用④For Loop的循环端口i和⑤⑥Index Array对二维数组进行索引;使用Less Or Equal?和⑦Select对数组的每一个值与预先的门限值进行比较判断，规定大于预先给定门限值为0（亮度最小），否则为255（亮度最大）。经过二值化处理后的数组通过IMAQ ArrayToImage转化为图像显示出来，这样就把采集到的图像变为只有黑白两种颜色。其中，白色代表物体所成的像，黑色为背景图像。


图4 二值化处理图像

NI公司的机器视觉软件平台是专门为图像处理开发的，有很多专用的软件模块。我们选用了其中计算质心的模块。将图像输入模块，它便能输出图像质心的坐标。按照实验设计思路，我们必须预先测量出图像单位像素点的变化和实际物体移动距离的比例系数，因此选用了读数显微镜。读数显微镜能够精确移动显微镜。物体不动，精确移动显微镜，可读出显微镜的移动距离，同时计算出图像变化的像素点数。将移动距离除以总的像素点数，得到单位像素点的变化与实际物体移动距离的比例系数。

实验中物体的移动是通过牵引显微镜物镜下的细丝而产生的，因此细丝位移就是物体的位移。为了获得100um的位移，我们将物体放在一个螺旋测微器控制的光学平台上。螺旋测微器总共50个小格，转动一周移动为0.5mm，因此转动一小格为10um。通过调节螺旋测微器，我们获得100um的位移范围。测量时，将采集到的数据实时保存到电脑中，再通过画图软件显示。图5是测量的实验结果。图中的横坐标表示测量的时间，纵坐标表示测量的位移，平直部分是移动螺旋测微器时的停留时间。由于是手旋动螺旋测微器，因此移动的快慢不一致导致出现阶梯状的停顿。


图5实验结果显示，物体移动范围为

3 实验误差分析和改进方法讨论

测量系统中误差主要来自两个方面：一个是测量系统本身带来的误差，例如物体牵引细丝的运动不同步、实验平台的震动等;另一个重要的误差来源于图像单位像素点的变化和实际物体移动距离的比例系数，如果这个系数有较大的误差，测量结果就不可靠。实验中采用的方法是：细丝不动，精确移动显微镜，读出显微镜的移动距离;计算出细丝图像变化的像素点数，将移动距离除以总的像素点数，得到单位像素点的变化与实际物体移动距离的比例系数。我们将读数显微镜精确移动100um、150um、200um ，反复多次测量细丝质心像素点的变化点数，同时考虑回程误差，计算出该系数平均值约为2um/像素。因此，测量系统的测量精度是2um。选用更高倍数的显微镜，能够获得更高的测量精度。

4 总结

本文详细介绍了基于LabVIEW软件和机器视觉平台，利用USB摄像头和读数显微镜建立一个动态测量微小位移的系统。实验过程中的图像采集和数据处理都是通过LabVIEW软件编程实现。通过利用周边通用设备（计算机、读数显微镜、USB摄像头），使得该系统具有精度较高、制造简单、技术要求低、操作方便和移植性强等特点。

本文创新点：将虚拟仪器技术应用到微小位移测量中，使用LabVIEW机器视觉平台开发设计了基于USB摄像头的微小位移动态测量系统。我们的实验中，动态测量精度达到了2um。

参考文献

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