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(1.湖南云箭集團有限公司,長沙 410100；2.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)；3.上海工程技術(shù)大學(xué))

機器視覺的零件輪廓尺寸測量系統(tǒng)設(shè)計*

萬子平1，2，馬麗莎3，陳明1,劉劍霄1

(1.湖南云箭集團有限公司,長沙 410100；2.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)；3.上海工程技術(shù)大學(xué))

提出了一種新的基于機器視覺的零件輪廓尺寸精密測量系統(tǒng)，設(shè)計了系統(tǒng)的硬件和軟件部分，并介紹了測量系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。利用LabVIEW為平臺開發(fā)系統(tǒng)軟件，采用改進(jìn)的Canny算法識別圖像邊緣，使得測量速度更快，零件輪廓信息提取效率更高。

機器視覺；Canny算法；圖像處理；LabVIEW

引 言

當(dāng)前，制造業(yè)的自動化程度越來越高，測量作業(yè)作為制造業(yè)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)也在不斷發(fā)展，如何提高測量的效率和精度一度成為制造業(yè)發(fā)展的重點問題。在計算機、微電子等先進(jìn)技術(shù)的推動以及現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防技術(shù)的需求下，測量技術(shù)不斷進(jìn)步。近年來，國內(nèi)外出現(xiàn)了大量的精密測量技術(shù)，其中以計算機圖像處理為基礎(chǔ)的機器視覺技術(shù)便是其中之一[1]。

隨著機械行業(yè)的發(fā)展，對零件測量精度的要求越來越高，測量結(jié)果不僅會影響產(chǎn)品的質(zhì)量，同時也會影響產(chǎn)品的生產(chǎn)效率[2]。傳統(tǒng)的零件輪廓尺寸測量方法效率低、誤差大，往往要求具備特定的測量設(shè)備，這不符合現(xiàn)代工業(yè)的要求。針對傳統(tǒng)檢測方法的不足，本文設(shè)計了一種基于機器視覺的機械零件輪廓尺寸測量方法，具有非接觸、實時性好、精度高等特點。

1 機器視覺測量

1.1 機器視覺測量特點

機器視覺是用計算機來模擬生物視覺功能，用圖像創(chuàng)建現(xiàn)實世界模型、認(rèn)識現(xiàn)實世界的一門科學(xué)和技術(shù)。與傳統(tǒng)測量方法相比，機器視覺具有測量精度高、靈活性強、連續(xù)性好、效率高等優(yōu)點[3]。實際工作中，人往往會因疲勞、個體差異等產(chǎn)生誤差或錯誤，機器視覺卻能一直不知疲倦、穩(wěn)定地工作，而且識別速度快、分辨精度高。這些優(yōu)點使得機器視覺應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，在測量方面發(fā)展前景大好。

1.2 機器視覺系統(tǒng)工作原理

簡單地說，機器視覺就是為了使機器具有類似于人類視覺的功能，給它加上視覺裝置，從而提高機器的自動化和智能程度，其研究內(nèi)容包括視覺系統(tǒng)的組成和視覺處理算法。圖1是機器視覺系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，其工作原理可以闡述為：首先，在一定的光照條件下，采用成像單元(攝像機、圖像采集板等)把現(xiàn)實場景的圖像采集到主控計算機內(nèi)，形成強度的二維陣列，即原始圖像；其次，運用圖像處理及分析單元對原始圖像二維陣列進(jìn)行預(yù)處理，改善圖像信息；再者，運用機器視覺技術(shù)從圖像中提取目標(biāo)特征描述圖像；然后，運用模式識別技術(shù)歸類整理提取到的特征；最后，運用人工智能進(jìn)一步描述目標(biāo)特征[5]。

圖1 機器視覺基本結(jié)構(gòu)

2 零件輪廓尺寸精密測量系統(tǒng)設(shè)計

2.1 測量系統(tǒng)總體設(shè)計

測量系統(tǒng)的硬件包括主控計算機、雙遠(yuǎn)心鏡頭、光源、CMOS圖像傳感器、載物臺等，軟件由LabVIEW及其視覺開發(fā)模塊NI Vision組成，測量平臺結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖2所示[6]。

圖2 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

該測量系統(tǒng)的工作過程是將待測零件放到載物臺上，光源從零件的背面向上照射，人工觸發(fā)采集按鈕后，成像單元采集圖像信號并送入計算機，計算機利用圖像處理程序?qū)?shù)字圖像進(jìn)行處理，得到相關(guān)檢測信息后計算出目標(biāo)位置的尺寸，最終將測量結(jié)果以文本的形式傳輸?shù)接嬎銠C中。

2.2 測量系統(tǒng)硬件組成

機器視覺系統(tǒng)一般以計算機為控制中心，主要由光源、光學(xué)鏡頭、攝像機以及圖像處理軟件等組成[7]。機器視覺系統(tǒng)的核心是圖像采集和處理，而光源則是影響機器視覺系統(tǒng)圖像水平的重要因素。在機器視覺測量系統(tǒng)中，光源可以照亮目標(biāo)，形成最有利于圖像處理的成像效果。計算機及圖像分析處理軟件能夠給出零件尺寸測量結(jié)果，并輸出控制信號。組成測量系統(tǒng)的每一部分都很重要，在設(shè)計中要合理選取測量系統(tǒng)的組成單元，從源頭提高測量結(jié)果的精確度。

為了獲取到效果更佳的圖像，本測量系統(tǒng)采用BT2364型雙遠(yuǎn)心鏡頭，它比普通鏡頭具有更大的光通量，具體有以下特點：遠(yuǎn)心度小，分辨率高，低于0.1%的畸變；比普通鏡頭有更大的景深，在景深范圍內(nèi)，沒有放大倍率的變化；物方和像方雙遠(yuǎn)心設(shè)計，光透射率高。光源及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的成敗是決定系統(tǒng)成敗的首要因素，通過適當(dāng)?shù)墓庠凑彰髟O(shè)計，使圖像中的目標(biāo)信息與背景信息得到最佳分離，可以大大降低圖像處理算法分割、識別的難度，同時提高系統(tǒng)的定位、測量精度，使系統(tǒng)的可靠性和綜合性能得到提高[8]。由于本系統(tǒng)的目標(biāo)是測量零件尺寸，不需要對零件外觀進(jìn)行研究，綜合考慮成本和效果，選擇LED光源背光式照明。

2.3 測量系統(tǒng)軟件組成

為保證零件輪廓尺寸精密測量系統(tǒng)能夠高效、準(zhǔn)確地工作，除了要具備良好的硬件系統(tǒng)外，還依賴于功能強大的軟件系統(tǒng)。本文中的精密測量系統(tǒng)采用具有模塊化特性的LabVIEW開發(fā)，使用圖形化編輯語言G編寫程序，系統(tǒng)軟件組成功能圖如圖3所示[9]。

圖3 測量系統(tǒng)軟件組成功能圖

測量系統(tǒng)的最終目標(biāo)是當(dāng)零件任意擺放時測量輪廓尺寸。根據(jù)設(shè)計要求，確定軟件系統(tǒng)的基本思路：首先，通過模板匹配初步確定零件在視野范圍內(nèi)的位置；然后，在特定區(qū)域通過邊緣檢測進(jìn)一步確定零件的位置，并建立相應(yīng)的坐標(biāo)系；最后，把所需測量的區(qū)域與建立的坐標(biāo)系相關(guān)聯(lián)，則區(qū)域坐標(biāo)就會隨著坐標(biāo)系的改變而改變，確保始終能正確表達(dá)待測量區(qū)域的坐標(biāo)。在上述處理過程中，適當(dāng)應(yīng)用一些其他的圖像處理技術(shù)，確保能更好地滿足系統(tǒng)的要求。

基于以上設(shè)計思路，精密測量系統(tǒng)被劃分為任務(wù)不同的各個功能模塊子程序，如獲取圖像子程序、邊緣檢測子程序等。主程序的前面板是呈現(xiàn)給用戶的操作界面，同時需要將各個功能模塊集成在一起。每個功能模塊由更低一級的功能模塊組成，根據(jù)需求可由上一級程序調(diào)用。

3 精密測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 邊緣檢測算法

邊緣指周圍像素灰度有階躍變化或屋頂變化的像素的結(jié)合，是圖像最基本的特征，因而邊緣檢測是圖像處理中的重要內(nèi)容。基于機器視覺的精密測量系統(tǒng)中，邊緣檢測方法包含兩個步驟： 首先使用 Canny 算法獲取只有1個像素精度的 Canny 邊緣；然后在 Canny 邊緣的梯度圖像上進(jìn)行二次曲面擬合，并進(jìn)一步提取邊緣信息[10]。

為提高邊緣檢測的精確度，本設(shè)計系統(tǒng)對傳統(tǒng)Canny算法進(jìn)行改進(jìn)。用改進(jìn)的Canny算法檢測圖像邊緣具體步驟為：首先，選擇高斯函數(shù)T對圖像進(jìn)行平滑處理，抑制圖像噪聲后計算圖像梯度；然后，采用“非極大值抑制”銳化圖像，細(xì)化邊緣；最后，通過雙閾值遞歸法實現(xiàn)邊緣提取。高斯函數(shù)表示為[11]：

式中，σ控制著濾波器的頻帶，利用改進(jìn)的Canny算法在攝像機標(biāo)定過程中提取圖像邊緣，具有較強的抑制噪聲能力。該算法計算后得到的標(biāo)定數(shù)據(jù)精度較高，能夠滿足測量精度要求。

3.2 基于LabVIEW的坐標(biāo)系設(shè)置

圖4 坐標(biāo)系軸方向示意圖

利用LabVIEW測量時，必須在校準(zhǔn)模板上定義一個坐標(biāo)系，包括定義坐標(biāo)系的原點、角度和軸方向。設(shè)定以像素為單位的原點作為坐標(biāo)系的中心，角度定義坐標(biāo)系的方向，角度指在網(wǎng)格點圖像中與最頂端一行圓點所構(gòu)成的角度。標(biāo)定程序自動定義實際的水平軸方向，豎直軸的方向定義向下或者向上皆可，如圖4所示。

在LabVIEW的標(biāo)定中一般要經(jīng)過以下三個步驟來標(biāo)定已有的視覺測量系統(tǒng)：定義一個校準(zhǔn)模板；定義一個參考坐標(biāo)系；學(xué)習(xí)校準(zhǔn)信息。通過以上步驟，程序可以把校準(zhǔn)信息保存下來，在測量系統(tǒng)保持當(dāng)前狀態(tài)下進(jìn)行尺寸測量時，把校準(zhǔn)信息附加到采集到的圖像上，從而達(dá)到標(biāo)定的目的。

3.3 攝像機標(biāo)定

由于攝像機系統(tǒng)存在較大的成像誤差，使用前要進(jìn)行內(nèi)參數(shù)標(biāo)定，以提高成像精度。確定攝像機內(nèi)參數(shù)的過程稱之為攝像機標(biāo)定，標(biāo)定精度直接影響機器視覺的精度。在攝像機模型中用到三種坐標(biāo)系，分別為世界坐標(biāo)系XOY、攝像機坐標(biāo)系x′o′y′以及像平面坐標(biāo)系xoy，圖5是測量系統(tǒng)中任意一點P(x,y,1)在像平面坐標(biāo)和世界坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[12]。

圖5 坐標(biāo)系xoy與XOY轉(zhuǎn)換關(guān)系

像平面坐標(biāo)系xoy與世界坐標(biāo)系XOY之間的轉(zhuǎn)化矩陣表示如下：

Op=Oo+op=Oo′+o′p

傳統(tǒng)標(biāo)定方法難度較大，本文所提出的測量系統(tǒng)采用雙遠(yuǎn)心光學(xué)鏡頭，攝像機成像模型可以看做針孔模型[13]。針孔模型主要由光心、成像面和光軸組成，光線穿過針孔在焦距處上成像，世界坐標(biāo)系原點就是攝像頭針孔模型的針孔。在針孔模型中，焦距等于光心到像面的距離，物距等于光心到物面的距離，物距、像距和焦距滿足高斯成像公式：

1/f=1/u+1/v

其中，f為焦距，u為物距，v為像距。在針孔成像中，焦距等于像距，像點是物點與光心的連線與圖像平面的交點。

結(jié) 語

[1] 廖強,周憶,米林,等.機器視覺在精密測量中的應(yīng)用[J].重慶大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2002,25(6):1-4.

[2] He B.High-precision automatic measurement of two-dimensional geometric features based on machine vision[J].Journal of Southeast University:English Edition,2012,28(4):428-433.

[3] 廖強,米林,周憶,等.微尺寸視覺精密檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].重慶大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2002,25(12):21-23.

[4] Zhao D,Feng W,Sun G,et al.High Precision Measurement System of Micro-electronic Connector based on Machine Vision[J].Journal of Applied Sciences,2013,13(22):5363-5369.

[5] 廖強,劉兆東,郭靜,等.主動視覺技術(shù)在精密測量中的應(yīng)用研究[J].計算機工程與應(yīng)用,2009,45(10):218-220.

PartsContourSizeMeasurementSystemBasedonMachineVision

WanZiping1.2,MaLisha3,ChenMing1，LiuJianxiao1

(1.Hunan Vanguard Group Co.,Ltd.,Changsha 410100,China;2.National University of Defense Technology; 3.Shanghai University of Engineering Science)

In the paper,a new machine vision based on precision measurement system for parts contour size is proposed.The hardware and software of the system are designed,and the key technologies of the measurement system are introduced.The LabVIEW is used as a platform to develop system software,and the improved Canny algorithm is used to recognize the edges of the image,so that the measurement speed is faster and the extraction efficiency of the contour information of the parts is higher.

machine vision;Canny algorithm;image processing;LabVIEW

國際級-面向裝配規(guī)劃的復(fù)雜產(chǎn)品公差建模與設(shè)計方法研究(51175322)。

TP391.4

A