本文介绍了一项关于高温锻件尺寸测量的研究，该研究由耿欣和张福民共同完成，分别来自北京航天控制仪器研究所和天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室。该研究发表于2014年1月的《计量学报》（Acta Metrologica Sinica），主要探讨了计算机图像技术在高温锻件尺寸测量中的应用。

研究背景与目的

高温锻件在工业生产中具有重要地位，其尺寸的精确测量对于产品质量控制至关重要。传统的接触式测量方法在高温环境下难以实施，而非接触式测量方法，尤其是视觉测量法，因其成本低、操作简便、精度高，逐渐成为研究热点。然而，高温锻件在高温状态下的光谱辐射特性会对图像质量产生干扰，影响测量精度。因此，本研究旨在通过数字滤光与物理滤光技术，结合图像处理算法，搭建一套能够精确测量高温锻件二维尺寸的视觉测量系统。

研究方法与流程

研究的主要流程包括以下几个步骤：

1. 系统搭建：研究团队采用彩色CCD（电荷耦合器件）和红外滤光片搭建了高温锻件尺寸测量平台。通过数字滤光与物理滤光技术，减弱了高温锻件辐射的强光干扰，提高了图像质量。

2. 图像处理算法：

   • 数字滤光与物理滤光：根据高温锻件的光谱辐射特性，采用数字滤光技术对图像中的红光分量进行抑制，并结合红外滤光片进一步衰减红外波段的强光，从而获得清晰的锻件图像。
   • 畸变校正：采用张正友的相机标定算法对图像进行畸变校正，确保测量精度。标定过程中使用了13×13的棋盘格模板，通过多角度拍摄标定板图像进行校正。
   • 图像降噪：通过暗电流噪声估计和中值滤波技术，有效降低了CCD成像过程中产生的噪声，进一步提高了图像质量。
   • 亚像素边缘提取：采用基于最小二乘拟合的亚像素边缘定位算法，精确提取锻件边缘，确保尺寸测量的高精度。

3. 像素尺寸当量标定：通过采集标准量块的图像，结合畸变校正、噪声抑制和亚像素边缘提取等技术，标定了系统的像素尺寸当量。研究团队分别对横向和纵向放置的量块进行了多次标定，取平均值作为最终的标定结果。

4. 测量系统验证：为了验证系统的测量精度，研究团队选择了不同尺寸的标准量块进行测量，并计算了系统的横向和纵向测量不确定度。结果表明，系统的横向测量不确定度为0.0051 mm，纵向测量不确定度为0.0087 mm，满足高精度测量要求。

5. 高温锻件测量实验：研究团队将45#钢锻件加热至1000℃，利用搭建的测量系统采集锻件图像，并通过图像处理算法计算出锻件的物理尺寸。测量结果与理论值的绝对误差小于1 mm，验证了系统的实用性和测量精度。

研究结果与结论

研究结果表明，通过数字滤光与物理滤光技术，结合图像处理算法，可以有效提高高温锻件图像的清晰度，进而实现高精度的尺寸测量。系统的横向和纵向测量不确定度分别为0.0051 mm和0.0087 mm，能够满足工业生产中对高温锻件尺寸测量的精度要求。

研究的意义与价值

本研究的主要科学价值在于提出了一种适用于高温环境下的非接触式尺寸测量方法，解决了传统测量方法在高温环境下难以实施的问题。通过数字滤光与物理滤光技术的结合，有效克服了高温锻件光谱辐射对图像质量的干扰，提高了测量精度。此外，研究中所采用的图像处理算法和标定方法具有较高的通用性，可推广应用于其他高温工业测量场景。

研究亮点

1. 创新性：本研究首次将数字滤光与物理滤光技术相结合，应用于高温锻件的尺寸测量，有效提高了图像质量和测量精度。
2. 高精度：通过亚像素边缘提取和多次标定取平均的方法，系统的测量不确定度达到了0.0051 mm（横向）和0.0087 mm（纵向），具有较高的测量精度。
3. 实用性：研究中所搭建的测量系统操作简便，适用于工业生产现场，具有较高的应用价值。

其他有价值的内容

研究团队还探讨了高温锻件在不同温度下的尺寸变化规律，并通过实验验证了系统的测量精度。此外，研究中所采用的图像处理算法和标定方法为其他高温环境下的视觉测量提供了参考。

参考文献

研究引用了多篇相关文献，涵盖了视觉测量技术、图像处理算法以及高温锻件测量等领域的研究成果，进一步支持了本研究的科学性和可靠性。

本研究通过创新的技术手段和严谨的实验设计，成功实现了高温锻件尺寸的高精度测量，为工业生产中的质量控制提供了有力的技术支持。