周麗娟，黃 權(quán)

(中國兵器工業(yè)第五八研究所彈藥中心，四川 綿陽 621000)

在某彈藥產(chǎn)品部件(圖1)的傳火室與推進(jìn)藥劑室之間的小孔的完整性，是關(guān)系到該彈藥產(chǎn)品在射擊過程中是否存在啞火等致命故障的關(guān)鍵。因此該小孔檢測的正確性對該彈藥產(chǎn)品裝配質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。但是，傳統(tǒng)的機械檢測受機加精度的影響，存在一定的固有誤差，無法準(zhǔn)確檢測到該部件的小孔是半個孔或各種不完整孔的情況。此外，該彈藥產(chǎn)品裝配生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍高達(dá)1發(fā)/s，物流時間分配0.4 s，則實際用于檢測的工作時間僅有0.6 s。一般的光電傳感器無法滿足在如此短的時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集和A/D轉(zhuǎn)換，且光電傳感器光源發(fā)光和光敏元件接收光都存在不均勻性，會產(chǎn)生誤判和漏判等問題。

圖像處理技術(shù)在20世紀(jì)60年代以后發(fā)展迅速，目前在工程學(xué)、物理學(xué)、醫(yī)學(xué)甚至社會科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［1］。它將圖形圖像進(jìn)行數(shù)字化后，轉(zhuǎn)化為計算機能夠處理的數(shù)字形式，這樣就易于同設(shè)計信息及加工控制信息集成，在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中，圖像處理技術(shù)被廣泛用于產(chǎn)品檢驗和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。

CCD(Charge Coupled Devices)即電荷耦合器件，是一種高性能微型圖像傳感器［2］。CCD具有靈敏度高、光譜響應(yīng)寬、集成度高、維護(hù)方便、成本低廉等一系列優(yōu)點，因此有著廣泛的應(yīng)用，是現(xiàn)代最重要的圖像傳感器之一。

在該彈藥產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)中采用高速CCD相機和圖像處理技術(shù)對小孔進(jìn)行檢測可以滿足需求。

圖1 彈藥部件結(jié)構(gòu)示意圖

1 小孔檢測系統(tǒng)實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)

為了保證圖像處理的質(zhì)量和可靠性，首先在機械上對待測工件進(jìn)行準(zhǔn)確定位。主要采用V形槽和前后自動夾緊擋塊，確保待測工件在檢測過程中無轉(zhuǎn)動、串動和偏移等。其機械機構(gòu)原理圖如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)檢測原理

采用圖像處理方法檢測小孔的檢測原理是使用高分辨率的CCD鏡頭和高分辨率高精度光學(xué)鏡頭，并配以高速圖像采集卡以高抗干擾性工業(yè)級計算機為基礎(chǔ)平臺進(jìn)行實時檢測。整個檢測系統(tǒng)由圖像處理系統(tǒng)、控制器和操作機組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

圖2 小孔高速檢測專機機械機構(gòu)示意圖

圖3 小孔檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

小孔檢測系統(tǒng)的工作原理是通過CCD鏡頭采集到待測工件底圓的單幀圖像，將圖像送至圖像采集卡中并在圖像采集卡中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為計算機可以識別的數(shù)字信號，然后經(jīng)過一系列的算法處理分析出檢測結(jié)構(gòu)，并將結(jié)果通過串口通訊的方式傳送至主控制系統(tǒng)，由主控制系統(tǒng)作出判斷實現(xiàn)相應(yīng)的動作。

1.3 CCD相機及取鏡選擇

根據(jù)小孔檢測要求，檢測CCD鏡頭的取鏡范圍應(yīng)在待測工件底圓范圍之內(nèi)，即取鏡范圍尺寸小于待測工件底圓內(nèi)接正方形尺寸，如圖4所示。

圖4 CCD鏡頭取鏡范圍示意圖

圖4中的正方形框尺寸為19 mm×19 mm，為取鏡范圍的最大值。由于機械定位精度可能使采集到的圖像中存在待測工件底圓以外的信息，使圖像中存在干擾點，為避免干擾對檢測結(jié)果產(chǎn)生的影響應(yīng)將取鏡范圍在圖中正方形框的基礎(chǔ)上縮小尺寸。擬訂取鏡范圍為15 mm×15 mm即圖中虛線框范圍，為了提高檢測精度本系統(tǒng)采用1/2英寸160萬像素1280×1280的CCD鏡頭，則檢測精度為0.012 mm/pix，而實際調(diào)試過程中可知小孔的飛邊、毛刺尺寸都在0.5 mm以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)本身的檢測精度，所以采用1/2英寸160萬像素1280×1280的CCD鏡頭和15 mm×15 mm的取鏡范圍滿足檢測的精度要求。

1.4 光學(xué)鏡頭選取

在圖像處理系統(tǒng)當(dāng)中，光學(xué)鏡頭是與CCD相機同樣重要的元器件，若光學(xué)鏡頭的選擇與CCD不配套則可能使成像效果惡化。

對于任何光學(xué)元件都不可避免的面臨兩個問題:色散和色差。色散與光學(xué)元件的形狀和制造誤差無關(guān)，而是與材料本身的物理性質(zhì)有關(guān)，還與光線的波長有關(guān)。同一種光學(xué)材料，波長越短、折射率越高。一般用ne(材料對綠色的e光的折射率)表示材料的折射率，用阿貝數(shù)ve=(ne-1)/(nF-nc)表示材料的相對色散。阿貝數(shù)越高，色散越小。第二個字母(下標(biāo))表示夫朗和費對應(yīng)譜線的波長。F是紅光，e是綠光，c是藍(lán)光。每一條夫朗和費譜線都有固定不變的波長，因而成了光學(xué)設(shè)計中的標(biāo)準(zhǔn)波長。

色差則是與光學(xué)元件的幾何尺寸相關(guān)而與材質(zhì)無關(guān)。從幾何光學(xué)原理講，鏡頭等效于一個單片凸透鏡。凸透鏡的焦距，與鏡面兩邊曲率和玻璃的折射率有關(guān)。如果鏡片形狀固定，那只與制造鏡片材料的折射率有關(guān)。簡單地說，色差使鏡頭產(chǎn)生景深，即不同波長(顏色)的光波在光軸上或與光軸垂直的平面上沒有聚集在一點而是聚集在一個區(qū)域，該區(qū)域就是景深。景深使采集到的圖像出現(xiàn)彌散圓等現(xiàn)象，在遠(yuǎn)景圖片中景深的影響可以忽略，但在近景圖像如本系統(tǒng)中的應(yīng)用時景深的影響則是一個不可忽略的影響因素。

為了消除或降低色差對檢測生產(chǎn)的影響，本檢測系統(tǒng)中的鏡頭采用消色差鏡頭APO(APO是英文Apochromatic的縮寫，意為“復(fù)消色差的”)，以達(dá)到與CCD之間的最佳搭配效果。

1.5 光源選擇

針對小孔檢測的實際應(yīng)用情況，除選用消色差鏡頭外本系統(tǒng)在選用光源時選擇了純凈、均勻、穩(wěn)定的單色光(選定為紅色光源)。根據(jù)本課題研究的需要，光源波長的波動范圍確定在10 nm以內(nèi)，可保證光源的發(fā)光純凈。若光源的波長波動太大，在照明區(qū)域的某些部分會出現(xiàn)明暗不一致、顏色不一致的光斑，則采集的圖像在該區(qū)域的灰度就不能反映該區(qū)域真正的灰度值，從而導(dǎo)致錯判和誤判，具體情況如圖5所示。

圖5(b)為波長波動范圍小的光源的照明效果，圖5(c)中(1)為正常波長的白色光，(2)、(3)分別為波長過長的白色光和波長過短的白色光，其顏色和光通量都有所差異，得到的照明結(jié)果是圖5(d)中所示的明暗參差不齊的光帶。由圖5可以看出波長波動范圍小的光源的照明質(zhì)量比較理想。

圖5 光源波長不一致的照明結(jié)果

發(fā)光均勻是指在整個光照區(qū)域內(nèi)發(fā)光強度保持一致，若不考慮發(fā)光二極管的光波波長對發(fā)光強度的影響(即認(rèn)為所有發(fā)光二極管的光波波長保持一致)，則整個光照區(qū)域內(nèi)發(fā)光強度的變化主要取決于光源的分布情況。光源內(nèi)發(fā)光二極管(LED)呈矩形陣列均勻分布，分布尺寸誤差＜0.01 mm，可保證光源的發(fā)光均勻。光源發(fā)光點是否均勻也是影響采集圖像質(zhì)量的重要因素，若發(fā)光二極管的分布不夠均勻，則照明區(qū)域發(fā)光強度分布不一致，在整個照明區(qū)域里發(fā)光強度為變量，照明效果也會受到影響。具體情況可由圖6說明。

圖6(b)為發(fā)光強度穩(wěn)定的光源的照明效果，圖6(c)中(1)為正常發(fā)光強度的白色光，(2)、(3)分別為發(fā)光強度過大的白色光和發(fā)光強度過小的白色光，其明暗程度有所差異，得到的照明結(jié)果是圖6(d)中明暗參差不齊的光帶。由圖6可以看出發(fā)光強度穩(wěn)定的光源的照明質(zhì)量比較理想。

1.6 圖像處理系統(tǒng)

圖像處理系統(tǒng)中圖像采集卡是連接信號采集部分與數(shù)據(jù)處理部分的中間環(huán)節(jié)，其A/D轉(zhuǎn)換的速度對檢測速度有至關(guān)重要的影響。本系統(tǒng)選用實時采集卡，采集速度為40幀/s，可連續(xù)采集動態(tài)圖像。

圖6 光源光通量不一致的照明結(jié)果

本系統(tǒng)的處理過程是通過圖像采集部件采集原始圖像，然后對原始圖像進(jìn)行一系列的預(yù)處理，得到滿足識別和檢測要求的清晰圖像，再經(jīng)過圖像識別，提取出圖像中檢測所需的圖像特征量，最后以圖像特征量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)學(xué)計算得出檢測結(jié)果。

在圖像處理之前先要進(jìn)行圖像采集，在圖像采集過程中必然出現(xiàn)圖像退化現(xiàn)象［3］，而光源和現(xiàn)場照明情況的影響也會使圖像發(fā)生幾何畸變，所以在圖像處理中首先要設(shè)計一個圖像復(fù)原環(huán)節(jié)，將圖像復(fù)原為本來面貌。圖像復(fù)原處理后的圖像邊緣不夠突出，仍然不能滿足圖像識別的要求，所以在圖像恢復(fù)之后設(shè)計有圖像增強環(huán)節(jié)，使檢測所需的圖像特征量更加突出，更容易提取。所采集的圖像在經(jīng)過復(fù)原去噪、校正幾何畸變、邊緣增強等處理后，對比度、幾何尺寸、邊緣清晰度等都能夠達(dá)到處理要求，為了能夠準(zhǔn)確地找到圖像中的邊緣，在圖像處理過程中設(shè)計了圖像分割這一重要環(huán)節(jié)，提取出準(zhǔn)確的檢測所需的圖像特征量。最后以圖像特征量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)計算，并得出最終的檢測結(jié)果。檢測系統(tǒng)流程圖如圖7所示。

在經(jīng)過復(fù)原、增強處理后，系統(tǒng)得到一幅基本真實、清晰的圖像，然后開始對圖像進(jìn)行分析。分析的過程如下:

逐行掃描圖像，逐一比較每一行相鄰像素之間的灰度差并記憶，直至找到差值最大的兩的像素記錄灰度值大(比較亮)的像素的灰度值為α1，灰度值小的(比較暗)的像素的灰度值為α2，并記錄該點坐標(biāo)A1;

繼續(xù)掃描，當(dāng)再次發(fā)現(xiàn)當(dāng)前行中灰度值與α1接近的像素時，記錄該點坐標(biāo)A2;

重復(fù)上兩個步驟，直至找到第二個小孔的兩個點C1、C2;

縱向掃描圖像，逐一比較每一列相鄰像素之間的灰度差并記憶，直至找到差值最大的兩的像素記錄灰度值大(比較亮)的像素的灰度值為α1，灰度值小的(比較暗)的像素的灰度值為α2，并記錄該點坐標(biāo)B1;

繼續(xù)掃描，當(dāng)再次發(fā)現(xiàn)當(dāng)前列中灰度值與α1接近的像素時，記錄該點坐標(biāo)B2;

重復(fù)上兩個步驟，直至找到第二個小孔的兩個點D1、D2;

在(A1，B1)至(A2，B2)矩形框內(nèi)統(tǒng)計灰度值大于 α1的像素，若統(tǒng)計數(shù)字超過預(yù)先設(shè)定的門檻值β則該小孔合格，若低于門檻值 β則該小孔不合格;在(C1，D1)至(C2，D2)矩形框內(nèi)重復(fù)上一步操作;若兩個小孔檢測均合格，則這發(fā)待測工件合格;若任一小孔不合格，則這發(fā)待測工件不合格。算法原理圖如圖8所示。

圖7 檢測過程流程

圖8 算法原理示意圖

由以上的算法分析可知，圖像中小孔的位置灰度值比較大(比較亮)，其他位置灰度值比較小(比較暗)，A1、C1可以認(rèn)為是小孔在x方向直徑的一個端點，A2、C2則可以認(rèn)為是小孔在x方向直徑的另外一個端點;同理，B1、B2、D1、D2是小孔在y方向直徑的端點。以 (A1，B1)、(A2，B2)和( C1，D1)、(C2，D2)為端點的矩形框基本上將兩個小孔包括在內(nèi)，也就是說矩形框中的像素的灰度值應(yīng)該比較接近α1，若小于α1的像素很多即大于α1的像素數(shù)小于預(yù)先設(shè)定的門檻值β說明小孔被堵住一部分或完全堵死，則該小孔檢測不合格。

2 結(jié)束語

通過對CCD相機、鏡頭、光源的合理選取，對圖像處理算法的優(yōu)化，圖像處理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)小孔在線檢測和判斷，極大的提高工作效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量。在實際調(diào)試過程中調(diào)節(jié)門檻值β為一個適當(dāng)?shù)闹悼梢詫⒄`判率降至最低，實際應(yīng)用過程中為了保證不會出現(xiàn)將不合格的待測工件誤判為合格的待測工件，可將門檻值β略微調(diào)高。

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