巨孔亮，張 鵬，劉新穎

（西安工程大學(xué)，陜西 西安 710048）

0 引 言

面曝光快速成型技術(shù)是新型光固化快速成型技術(shù)，具有成型快、成本低等優(yōu)點(diǎn)。面曝光成型制件的尺寸精度受工藝參數(shù)的影響，傳統(tǒng)的卡尺測(cè)量、工具顯微鏡測(cè)量由于存在人為誤差，不能客觀反映制件的測(cè)量結(jié)果，且效率低。隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的快速發(fā)展，在各領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[6]對(duì)工件的熔融沉積成型過(guò)程進(jìn)行圖像采集，提取工件輪廓圖像，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熔融沉積成型工件的幾何尺寸測(cè)量。文獻(xiàn)[7]提出一種利用機(jī)器視覺(jué)分類測(cè)量孔組幾何參數(shù)的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉚接薄板孔組的幾何參數(shù)測(cè)量。文獻(xiàn)[8]利用Canny算子融合雙線性插值方法對(duì)閥芯提取其亞像素邊緣特征，采用最小二乘法擬合閥芯邊緣，計(jì)算閥芯尺寸。文獻(xiàn)[9]利用最大類間方差法分割柴油機(jī)缸套，Canny算子提取柴油機(jī)缸套邊緣像素坐標(biāo)，雙線性插值算法進(jìn)一步提取亞像素級(jí)坐標(biāo)，通過(guò)隨機(jī)抽樣一致性的擬合算法去除偽邊緣坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)缸套的內(nèi)外徑尺寸測(cè)量。文獻(xiàn)[10]采用Matlab軟件開(kāi)發(fā)軸類零件定位算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軸類零件的尺寸測(cè)量。文獻(xiàn)[11]通過(guò)建立基于機(jī)器視覺(jué)的回轉(zhuǎn)類零件軸截面圖像測(cè)量系統(tǒng)，使用Zernike矩與大津算法相結(jié)合，提高亞像素邊緣點(diǎn)的定位精度，實(shí)現(xiàn)了回轉(zhuǎn)類零件直徑與圓度的測(cè)量。文獻(xiàn)[12]通過(guò)Ramer算法對(duì)機(jī)油泵轉(zhuǎn)子輪廓的亞像素邊界進(jìn)行幾何分段，以最小二乘法擬合出零件輪廓，完成對(duì)轉(zhuǎn)子中心距和圓度的測(cè)量。文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)的ROI提取算法，提取直線與半圓弧相切的幾何特征，利用最小二乘法和最小平方中值法對(duì)輪廓進(jìn)行擬合，實(shí)現(xiàn)對(duì)沖壓件的尺寸測(cè)量。

為了客觀測(cè)量面曝光快速成型制件的幾何尺寸，本文提出基于機(jī)器視覺(jué)的幾何尺寸測(cè)量方法，構(gòu)建背光成像測(cè)量系統(tǒng)獲取制件圖像信息，通過(guò)圖像分割算法提取制件中被測(cè)輪廓區(qū)域特征，在圖像域中建立圓孔和非圓孔的幾何尺寸的數(shù)學(xué)模型，利用標(biāo)定系數(shù)實(shí)現(xiàn)制件幾何尺寸的客觀測(cè)量。

1 面曝光快速成型制件的視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)

1.1 面曝光快速成型制件

面曝光快速成型技術(shù)將待成型制件的CAD模型經(jīng)切層軟件分層處理后，生成制件二維截面輪廓信息，驅(qū)動(dòng)視圖發(fā)生器，逐層固化光敏樹脂形成截面輪廓薄片，堆積成三維坯件后進(jìn)行固化處理，得到三維實(shí)體制件如圖1所示。制件中包括圓孔和非圓孔等不同形狀的結(jié)構(gòu)，孔的幾何尺寸可通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)提高其精度。

圖1 面曝光快速成型制件

1.2 基于機(jī)器視覺(jué)的制件幾何尺寸測(cè)量系統(tǒng)

由圖1可知，制件材料為aidi-UV2230型光敏樹脂，多孔結(jié)構(gòu)，表面光滑且紋理較多。為了獲取制件上各孔的幾何尺寸，本文構(gòu)建了如圖2所示的基于機(jī)器視覺(jué)的測(cè)量系統(tǒng)。JHSM300f的CCD相機(jī)的分辨率為2 048×1 536，配有16 mm光學(xué)鏡頭，光源為L(zhǎng)ED白色陣列面光源，光源照度為40 000 Lux，以背光成像方式有效獲取制件圖像信息，減少表面紋理的影響。

圖2 視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)

2 制件的輪廓特征提取

2.1 制件的圖像分割

在制件成像過(guò)程中受到光源照度、噪聲等的干擾，獲取的制件圖像存在對(duì)比度低、噪聲等問(wèn)題影響成像質(zhì)量，本文采用高斯濾波器進(jìn)行降噪處理，以光照歸一化算法消除光照不均，提高圖像的對(duì)比度。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)制件圖像灰度直方圖特征，采用最大類間方差法對(duì)制件圖像進(jìn)行分割，如圖3a）所示。由圖3a）可知，分割后制件實(shí)體部分還存在一些細(xì)小的孔洞，且制件的圓孔和非圓孔的邊緣輪廓不光滑。針對(duì)此問(wèn)題，本文基于形態(tài)學(xué)構(gòu)建了圓形結(jié)構(gòu)元素和線性結(jié)構(gòu)元素對(duì)圖3a）的二值圖像進(jìn)行填充及平滑等形態(tài)學(xué)運(yùn)算，處理后的制件圖像如圖3b）所示。

圖3 圖像分割

2.2 制件各孔區(qū)域及質(zhì)心的提取

由圖3可知，各孔區(qū)域均為獨(dú)立存在，互不影響，因此，本文通過(guò)在制件圖像中尋找連通域，并對(duì)每個(gè)連通域賦予唯一的標(biāo)識(shí)，進(jìn)而提取各孔區(qū)域，采用式（1）提取各區(qū)域的質(zhì)心坐標(biāo)(,)，結(jié)果如圖4a）所示（“O”形為質(zhì)心點(diǎn)）。

圖4 輪廓區(qū)域提取

3 孔形識(shí)別與幾何尺寸的計(jì)算

3.1 孔形識(shí)別

制件中的圓孔和非圓孔的幾何尺寸是衡量面曝光快速成型制件的主要參數(shù)，為了計(jì)算制件中各孔的幾何尺寸，本文通過(guò)每個(gè)連通區(qū)域的面積與周長(zhǎng)的比值作為判別孔形的依據(jù)，其表達(dá)式為：

該值越接近1，則連通區(qū)域越接近圓形。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)分析，本文采用閾值0.96作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)≥0.96時(shí)，該區(qū)域?yàn)閳A孔；當(dāng)＜0.96時(shí)則為非圓孔。對(duì)圖4a）識(shí)別的結(jié)果如圖4b）所示。

3.2 圓孔的直徑

在標(biāo)記為圓孔的連通區(qū)域中，基于像素信息，將圓形區(qū)域中的所有像素點(diǎn)求和，作為該區(qū)域面積，則該圓孔直徑為：

3.3 非圓孔的邊長(zhǎng)

制件的非圓孔為三角形或四邊形等多邊形，其幾何尺寸是多邊形的邊長(zhǎng)，在Hough變換檢測(cè)多邊形邊長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合每個(gè)多邊形的形狀特點(diǎn)，采用最小二乘擬合算法對(duì)多邊形的各邊進(jìn)行擬合，則擬合后的邊長(zhǎng)直線方程為：

式中：為多邊形的邊數(shù)（≥3）；，為直線方程的系數(shù)。

式中：為采樣點(diǎn)數(shù)；x為采樣點(diǎn)軸坐標(biāo)；y為采樣點(diǎn)軸坐標(biāo)。

制件的多邊形通過(guò)成像投影在同一個(gè)平面上，同一個(gè)連通區(qū)域的多邊形相鄰兩條邊必然相交于一點(diǎn)，如圖5可知，相鄰兩條邊的直線方程為：

圖5 直線的交點(diǎn)

則兩條邊的交點(diǎn)坐標(biāo)(x ,y )為：

以此類推得到其他各交點(diǎn)的坐標(biāo)，將，兩交點(diǎn)坐標(biāo)代入式（8）得到之間的長(zhǎng)度為：

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定

面曝光快速成型制件上的圓孔和非圓孔的幾何尺寸為世界坐標(biāo)系的二維信息（單位為mm），制件圖像在圖像算法處理后的幾何尺寸為像素坐標(biāo)系的像素點(diǎn)的信息（單位為pixel）。為了得到制件像素坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的關(guān)系，本文以多組不同尺寸的1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)量塊為標(biāo)定物，得到像素坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為=0.036 mm/pixel。

4.2 制件的設(shè)計(jì)尺寸

本文測(cè)量的制件為西安工程大學(xué)自主開(kāi)發(fā)的面曝光快速成型系統(tǒng)，通過(guò)視圖發(fā)生器、光學(xué)系統(tǒng)、升降工作臺(tái)及控制系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計(jì)制件圖形，選擇性地固化一層層的光敏樹脂形成截面輪廓，逐層堆積成三維制件。本文設(shè)計(jì)的制件如圖6所示。

圖6 制件設(shè)計(jì)圖

圖中：1～4為邊長(zhǎng)相同的方孔；5～12為形狀相同的等腰三角形孔；13，14為直徑相同的圓孔；15，16為直徑相同的圓孔。

設(shè)計(jì)精度如表1所示。

表1 制件的設(shè)計(jì)精度

4.3 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)時(shí)采用本文視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，在相同參數(shù)設(shè)置和實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件下，對(duì)同一制件進(jìn)行10次測(cè)量，計(jì)算各幾何尺寸的標(biāo)準(zhǔn)差。表2為1～4正方形邊長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)差，其標(biāo)準(zhǔn)差最大值小于0.015 mm；表3中，5～12的三角形底邊長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)差最大值小于0.02 mm，三角形腰長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)差最大值小于0.025 mm；表4為13～16圓的直徑的標(biāo)準(zhǔn)差，其標(biāo)準(zhǔn)差最大值小于0.017 mm。

表2 正方形邊長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)差 mm

表3 三角形尺寸標(biāo)準(zhǔn)差 mm

表4 圓直徑標(biāo)準(zhǔn)差 mm

由各尺寸的標(biāo)準(zhǔn)差可知，本文測(cè)量系統(tǒng)能夠滿足對(duì)尺寸測(cè)量的要求。

視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)得到的幾何尺寸的重復(fù)精度如圖7所示。

圖7 幾何尺寸的分布

正方形1～4的邊長(zhǎng)最大變動(dòng)量為0.38 mm，小于設(shè)計(jì)公差0.4 mm；三角形5～16的底邊長(zhǎng)最大變動(dòng)量為0.45 mm，小于設(shè)計(jì)公差0.5 mm；三角形5～16的腰邊長(zhǎng)最大變動(dòng)量為0.37 mm，小于設(shè)計(jì)公差0.4 mm；圓形13～16的直徑最大變動(dòng)量0.29 mm，小于設(shè)計(jì)公差0.3 mm。視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的多次重復(fù)精度測(cè)量中，幾何尺寸的實(shí)際值均小于設(shè)計(jì)公差，表明本文方法具有較好的重復(fù)精度。

但是由圖7可知，實(shí)際尺寸在公差范圍內(nèi)有一定的變動(dòng)量，存在測(cè)量誤差，誤差的來(lái)源主要由于視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)受到外界光照的干擾導(dǎo)致成像的灰度誤差，此外系統(tǒng)標(biāo)定中存在誤差，可通過(guò)穩(wěn)定光源照度，同時(shí)通過(guò)多次標(biāo)定測(cè)量系統(tǒng)取其均值來(lái)降低誤差。

5 結(jié) 論

本文采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)建立面曝光快速成型制件的幾何尺寸視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，背光成像方式消除了表面紋理的影響，以標(biāo)準(zhǔn)量塊作為標(biāo)定物得到了視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的圖像坐標(biāo)與世界坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換系數(shù)，通過(guò)圖像處理方法獲取制件各孔的幾何尺寸，標(biāo)準(zhǔn)差小于0.025 mm，測(cè)量尺寸小于設(shè)計(jì)公差，滿足設(shè)計(jì)要求。

采用最大類間方差法分割面曝光快速成型制件圖像，對(duì)連通區(qū)域中不同形狀的孔，以面積周長(zhǎng)比在閾值0.96時(shí)有效識(shí)別圓孔與非圓孔，建立基于區(qū)域像素點(diǎn)的圓形直徑測(cè)量模型。

制件中三角形或四邊形等多邊形構(gòu)成的非圓孔的邊長(zhǎng)，采用Hough變換提取邊長(zhǎng)信息，以最小二乘擬合算法得到多邊形各邊的直線方程，通過(guò)相鄰邊交點(diǎn)建立非圓孔邊長(zhǎng)的測(cè)量模型，得到各邊尺寸。