基于亚像素定位的标准量器液位检测系统 李巍 尹菊坤

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1、基于亚像素定位的标准量器液位检测系统李巍尹菊坤摘要：本文研究了基于亚像素边缘定位细分算法的标准量器液位检测系统。包括有关的亚像素定位算法的分析与比较、硬件构架、软件组成以及系统闭环实现等等有关关键技术。关键词：亚像素；边缘定位；液位检测中图分类号：TP391文献标识码：A0、前言目前，图像(视觉)测量的许多相关研究都尝试利用软件处理的方法来解决图像中目标的高精度定位问题，这就是亚像素定位技术。所谓亚像素定位技术就是采用软件的方法将图像上的特征目标定位在亚像素级别，这就相当于提高了图像测量系统精度。例如定位精度

2、为0.1个像素，则测量系统的分辨率就提高了10倍，因此亚像素定位技术能有效提高测量的精度。采用亚像素定位技术是精密光测图像分析技术中一个重要的特色与标志。标准金属量器检定是国家计量工作的重要组成部分。由于国家计量检定工作的特殊性，并且该系统需要为整个检定流程自动化的实现提供可靠保障，因此对系统液位检测的精度、实时性、可靠性都提出了较高的要求。本文研究了基于亚像素定位技术的标准金属量器液位检测系统，包括有关的算法分析与比较，硬件构架、软件组成和系统闭环实现等等关键技术。1、亚像素边缘定位细分算法定位原理由傅立叶

3、光学可知，物点经光学成像系统在像面上形成以高斯像点为中心的衍射斑，因此物面上点的集合经过光学系统以后变换为像面上互相重叠的衍射斑的集合，像不再是物体的准确复现，而是物体的平滑变形。在一定的近似条件下，其边缘特征点处灰度变化最大。同时，在不考虑成像系统像差的情况下，非相干照明的图像测量系统的数学模型是一个对被测物体的亮度分布进行多次卷积的过程。由于卷积对于函数具有平滑作用，因此，即使物体的亮度分布为比较理想的阶跃分布，图像的最终输出也是一个由高到低或由低到高的渐变的电压分布。另外，CCD感光元不但接收直接照射到

4、自身感光面的光能，而且还能够感受照射到相邻感光元的光能，尤其是对边缘点，因为感光元所接收的光来自于物体的反射（或透射）以及背景，而背景和物体的反射（或透射）特性是不一样的，这样造成CCD感光部分对阶跃边缘的响应信号由明到暗（或由暗到明）存在一个渐变过程。边缘点的亚像素位置恰好在这一渐变过程中的斜率最大的位置，因此，可以采用插值或曲线逼近等方法获得边缘点的亚像素位置。2、亚像素边缘定位用于高精度液位检测实现液位边缘的亚像素定位包括两步：第一步通过边缘检测、图像分析后得到液位边缘，并把边缘位置定位在一个像素的准确

5、度上；第二步利用该边缘中各个边缘点周围像素的灰度值作为判断的补充信息，使用合适的亚像素定位技术以提高边缘的定位精度。在线高精度液位边缘检测要求精度高、速度快、可靠性好，因此在选取亚像素定位算法时，首先需要考虑定位算法所能达到的精度，这里包括定位精度与抗噪性，其次是算法的简洁性与计算速度。2.1亚像素边缘定位算法分析与比较目前，常用的亚像素定位细分算法有：多项式插值法，离散的Chebyshev多项式拟合法，最小二乘估计法，空间灰度矩边缘检测法，灰度矩边缘检测法。通过对各种算法比较分析，结果表明最小二乘法定位精度

6、最高，计算量最大，且需要有一定的先验知识，抗噪声能力较差；多项式插值法重复性最好，计算量最小，算法耗时最少，定位精度良好；灰度矩法的定位精度最差；而离散的切比雪夫多项式拟合法和空间灰度矩法定位精度较好，但是计算量较大，速度较慢。2.2亚像素测定液位值的实现方法测量液位，我们首先使用边缘检测方法提取边缘，得到的边缘宽度为一个像素，即边缘(点)的定位精度在一个像素上；然后使用图像分析的方法对边缘检测后得到的多条边缘进行处理，利用各条边缘的长度与X-方向中央像素坐标值的差异，提取出正确的液位边缘；再采用多项式插值亚

7、像素定位算法，利用各个边缘点周围像素的灰度值作为判断的补充信息，对该液位边缘进行更加精确的定位，定位精度达到亚像素级别。经过亚像素定位后的边缘效果示意图见图1。图1多项式插值亚像素定位技术效果示意图正如图1中所示，边缘点的定位精度达到亚像素级别，此时液位边缘是由亚像素坐标表示的边缘点所组成。比较各个边缘点Y坐标值(YE)的大小，将YE值最小的点做为该液位的数值。这个数值是以像素为单位的，进行相应转换，即得到实际液位值。对采集到的液位图像，经过遮蔽、图像边缘检测、液位边缘识别、亚像素定位后可以得到精确的液位像素

8、值，最后再经过相应转换即可得到实际液位值。液位图像检测流程示意图见图2。在下面的系统中我们采用了改进型沈俊边缘检测方法和多项式差值亚像素定位细分算法实现了金属标准量器的在线液位检测。图2液位图像检测流程示意图3、基于亚像素定位的标准金属量器液位检测系统3.1检测对象分析与测定在标准金属量器检定工作中，要求液位检测的精度达到±0.05mm(相对于读数标尺)；要求实时性好，液位检测的速率至少达到10帧/