CMOS 鏡頭誤差校正

機本身的方位與參數加以校正，一般而言，可分為外部參數(Extrinsic parameters)與內部參數(Intrinsic parameters)的校正。其中外部參數主要 為進行物體之空間座標系(Scene coordinates)、攝影機座標系(Camera coordinates)、影像座標系(Image coordinates)、像素座標系(Pixel

coordinates)間的轉換；而內部參數的校正則包括攝影機得一些內部幾何參數 的校正，其中包含有：

1. 攝影機常數(Camera constant)：代表由投影中心至成像平面的距離。

2. 主軸點(Principal point)：代表光軸(Optical axis)與成像平面的交點。

3. 鏡頭畸變(Lens distortion)：代表因透鏡成像所造成的像差。

4. 長寬比(Aspect ratio)：代表像素的長寬比例。

本系統中所使用的影像處理設備與可變焦鏡頭，因為在作量測時，CMOS 影 像之下所需的單位和實際工件之尺寸有一定的比例關係，所以我們先放一網格 點校正片（Dot Grid Pattern）如圖 3.14 所示，在其 CMOS 鏡頭之下，調整 所需之放大尺寸即將其焦距調整到所需要之距離且清晰之後，所以我們可以利 用下列的關係式中作為系統校正之依據：

圖 3.14 網格點校正片（0.1mm 小方格）

長度：0.02217 mm/pixel 寬度：0.02212 mm/pixel

鏡頭畸變包含兩種，一種為徑向畸變(Radial distortion)，會使入射的 光線比實際彎曲更多或更少的量，如圖 3.15 所示；另一原因為鏡頭的偏心 (Decentering)，指鏡頭中心與光軸之間將存在一偏心距離，實際上的畸變形 式如圖 3.16 所示，分別為Barrel distortion 和Pincushion distortion。

圖3.15 徑向畸變示意圖

圖3.16 常見的鏡頭畸變形式

Tsai[22]提出依次校正出 CMOS 攝影機之外部參數及各內部參數，得出畸 變參數，再經此係數補償，可求得影像在像素座標系上之正確位置。此法雖可 以精確進行 CMOS 攝影機之校正，但是其程式運算太費時間，並不適合工廠中 線上量測、即時補償的需要。實驗中所使用的 CMOS 攝影機及鏡頭，擷取網格 影像並與實際網格比對後，靠近影像邊緣部分確實會產生些許誤差(如圖 3.17)，大體上而言，鏡頭畸變的情形並不嚴重，而我們所量測的待測物約靠 近鏡頭中心部位，故本文在此未做有關鏡頭的校正工作。

圖3.17 CMOS 擷取之網格影像

圖3.18 校正標準塊規

圖3.19 校正平台垂直正交流程 校正基準線

鏡頭十字中心線

表 3.3 X-Y 平台移動量測值

圖3.20 量測平台 Y 軸偏差值 理論移動路徑

實際移動路徑

Y 軸偏差 -242μm

量測起點

X 軸偏差 175μm

理論移動路徑

實際移動路徑

量測起點

圖3.21 量測平台 X 軸偏差值

本研究之平台及影像即時監控系統架構，主要分為平台控制、影像擷取、

資料擷取、電腦畫面即時顯示等4大部分，如圖 3.22 所示，詳細說明如下：

圖3.22 平台及影像即時監控系統架構 平台控制

影像擷取 平台及影像即時監

控系統架構

資料擷取

電腦畫面即時 顯示

軟體功能需求：

本研究為滿足即時圖控式之 X-Y 平台監控與影像擷取，所以規劃了下 列功能需求，以利研究或操作人員，很方便的使用平台設備，進行渦卷影 像的擷取與分析，詳細功能說明與方塊如下圖 3.23 所示：

軟體功能需求

影像擷取

即時圖控式軟 體介面 平台資料擷取

彈性座標移動

圖3.23 軟體功能需求示意圖

z 影像擷取

平台操控方法：

本研究之平台操控功能如下圖 3.24 所示：

平台操控方式

定義座標原點

相對移動

平台歸位 圖3.24 平台操控功能示意圖

z 定義座標原點

依據使用時的狀況，可以移動平台至新訂原點的位置，爾後的所有平台 移動，皆是參考此原點。

z 相對移動

以當時的平台位置，設定為相對原點，所做的移動。

z 平台歸位

當程式告一段落，即將關閉系統前，可將平台歸位，以利下一次系統再 度開啟時，即無須再次定義原點（Homing Define）的動作。

資料擷取方法：

由光學位置編碼器（Encoder）介面卡傳回的位置資訊，是以脈衝（Pulse）

為單位，而一個脈衝計數所代表的行程（Pulse count），X-Y兩軸皆為1 μ m。

3.3.2 軟體之使用與說明

系統軟體架構以 LabVIEW 為發展工具，它是一種圖形程式化語言，目前 已廣泛的被工業界、學術與研究機構使用為資料擷取與儀器控制的軟體標準規 格。LabVIEW 是一種擁有強大功能與適用性高的儀控與分析軟體。使用LabVIEW 在建立自己的LabVIEW 程式或虛擬儀表（Virtual Instrument，簡稱VI）是容 易的。LabVIEW 跳脫傳統的程式設計環境進入到容易使用的圖形化語言

（Graphic Language，簡稱G 語言）之作業環境，包括資料擷取（DAQ）、資 料分析與結果呈現等所有必須使用的工具。藉由圖形化程式設計語言的協助，

我們所使用圖形化的程式方塊圖編譯成機械碼。傳統程式語言上所爭辯的許多 問題，LabVIEW將可以在短時間之內解決，呈現多面科學與工程運用上的想法。

在 LabVIEW 環境裡有兩個重要的部分：人機介面跟程式方塊圖。

z 人機介面（ front panel ） :是使用者與VI 間之介面（interface）它 模擬真正儀器的介面，使用者藉由滑鼠與鍵盤操作，並可在螢幕上觀看程 式執行的結果，如圖 3.25 所示。

圖3.25 人機介面

z 程式方塊圖（block diagram），這是 VI 的程式碼，在前置面版所顯示 的結果都在此地方作運算，方塊圖包含了叫低階的VI、內建函數、常數與 程式執行的控制結構。人機介面在方塊圖中具有對應的接點（terminal），

因此資料可以經由使用者傳至程式當中，經由程式運算完畢再回傳至使用 者，如圖 3.26 所示。

圖3.26 程式方塊圖

在Labview的操作環境內還有一個工具板面，主要功能為滑鼠(游標)訂定 一些套別的工作模式:如同小畫家繪圖軟體中使用一樣，執行特定的編輯與操 作功能，如接線、文字編寫、著色等等的功能，如圖 3.27 所示。另外，在人 機介面上顯現的控制元與顯示元圖形，是位於控制板面，如圖 3.28 所示；而 程式方塊圖中所使用的常數、函數與程式架構則是位於函數板面，如圖 3.29 所示。

圖3.27 LabVIEW 環境中的工具版面

圖3.28 LabVIEW 環境中的控制版面

圖3.29 LabVIEW 環境中的函數版面

第四章 研究結果

如圖 4.1 在本研究中所使用的影像擷取系統之系統整合測試，搭配四項

4.2 程式寫作 Vision Assistant 8.2.1進行影像處理分析，如何透過程式有效辨別渦卷輪廓 點資料會在 4.5 小節作詳加介紹。

圖 4.3 影像擷取之人機介面示意圖 a

c

b

4.2.2 X-Y 平台之運動程式 1. 驅動

驅動部分最主要的地方就是設定平台的轉速以及 X、Y 的距離、大小，設 定好之後，再經由載入，平台便會依所設定的值來做驅動，驅動時再依陣列的 座標值來做機械位移。如圖 4.4 所示，平台路徑移動方式則是輸入渦卷線型 方程式，如第一章所提到渦卷曲線之創成，依座標點方式循渦卷理想中心線移 動。

圖4.4 驅動 X-Y 平台移動之程式示意圖

2. 座標產生

本研究之 X-Y 平台運動程式設計是操作 X-Y 平台的機械位移，即輸入渦 卷線型方程式，控制平台循渦卷理想中心線作相對座標移動，移動同時平台也 會輸出座標值，而本文最終研究結果就是輸出渦卷外壁邊緣座標值。

圖4.5 X-Y 移動平台之座標點產生示意圖

3. X-Y 移動平台之人機介面

上述所示之程式方塊圖所完成之移動平台人機介面如圖 4.6 所示，這樣 一來操作者就能很容易上手。第一部分為設定平台所使用到的硬體，即2軸馬 達控制卡。第二部分為驅動平台移動，按下 GO 按鍵平台便會依所設定的值來 做移動，而 Current Position 為光學尺讀值，將來則是讀取此數值作為後續 影像處理分析。第三部分為平台移動方式，由於第三章硬體組件內容提到目前

a. 驅動2軸運動控制卡 MPC 3042 b. 光學尺讀值

c. 移動X、Y 軸選擇

d. 移動步數（Pulse）選擇

e. 移動方式（絕對移動或相對移動）

f. 移動速度 4.3 定義座標原點

由渦卷標準漸開線原理得知，圓上任意一點對基圓展開，此展開點在空間 中所構成之曲線及為漸開線。而渦卷一般製造出來為了後續光學檢測定位方便 如圖 4.7 所示，以兩個定位銷為固定渦卷之基準點，並以兩點之連線取其中 心點為座標原點，所以本文假想渦卷之中心為基圓中心，即定義為座標原點如 圖 4.8 所示，並循渦卷之理想中心線軌跡作自動光學追蹤，做連續取像動作。

圖 4.7 渦卷之定位銷示意圖

定位銷之固定點

圖 4.8 定義渦卷中心孔為座標原點之示意圖

本研究為了更有效地抓取渦卷中心孔為座標原點，我們使用 LabVIEW 所 搭配的副程式 NI Vision Assistant 8.2.1，在程式驅動擷取渦卷局部圖形 時，同時驅動 Vision Assistant 8.2.1 量測出渦卷之中心點。程式介面如圖 4.9 所示，中心孔之紅點即為程式判別中心點，爾後機台座標原點之定義即為 此點，如圖 4.10 所示。在功能選單選取圓形檢測（Circular Edge），程式 就會自動判斷出渦卷中心孔之正確中心點位置所在。

圖 4.9 NI Vision Assistant 8.2.1 程式介面示意圖

圖 4.10 程式抓取中心孔之定位點

4.4 影像擷取畫面

本研究中我們所採用光源設備為同軸型環型燈源，打光技巧為正向打光

（front lighting）其光源系統之最大瓦特數為 50W ，其可照射範圍為

，此打光技巧可以很容易擷取渦卷的外形，如圖 4.11 所示，而 我們所要擷取的邊界為倒角外緣，因為倒角外緣才是本研究需要獲得的點資 料，而紅線部分為影像顯示渦卷之中心線即 4.2 節討論到驅動平台循渦卷之 理想中心線移動方式，如上述 4.2 節之影像擷取人機介面功能所示，按下

40mm×30mm

後程式則會同時進行拍攝與自動抓取渦卷座標點，由於此 檢測流程屬即時檢測，所以在細部方面是如何驅動程式抓取渦卷點座標於下一 小節作詳加說明。

渦卷理想中心線

圖4.11 以環型燈源拍攝之渦卷輪廓

4.5 渦卷資料點之擷取

在機台循渦卷中心線作自動光學追蹤後，本實驗為了更能有效確定 CMOS 量測出渦卷邊界點為真實點，使用 NI Vision Assistant 8.2.1 裡的邊緣檢

在機台循渦卷中心線作自動光學追蹤後，本實驗為了更能有效確定 CMOS 量測出渦卷邊界點為真實點，使用 NI Vision Assistant 8.2.1 裡的邊緣檢