基于CCD的起重机吊钩检测系统改进方法的研究

刘延川 于静

摘 要：本文针对国家质检总局科技项目基于CCD的起重机吊钩检测系统中存在的（1）吊钩钩身扭转变形度无法测量问题；（2）三个危险断面中垂直断面磨损量测量误差值过大问题；（3）阴影对吊钩边缘测量结果的影响问题，提出了相应的解决方案，为后续软件程序的编写提供了重要的理论基础。

关键词：CCD；吊钩；危险断面；亚像素算法

0 引言

针对起重机械定期检验过程中，吊钩各部分磨损量需要进行测量，以判别是否达到报废标准。需要测量的尺寸包括：（1）开口度变形尺寸，（2）吊钩钩身的扭转变形度，（3）吊钩危险断面的磨损量，（4）吊钩钩柄腐蚀后的尺寸。对于传统的检验方法测量精度不高，效率低，可靠性差。在国家质检总局科技项目中，提出了一种基于面阵CCD的起重机吊钩测量系统，它是利用光学原理测量吊钩的图像，再把图像经过一定的处理让边缘清晰可见，提高可测量性。再将检测到的各部分尺寸传输到计算机中，计算机从数据库中提取出所测零件的原始尺寸，再与所测量的尺寸进行比对，通过比对结果，输出吊钩各部位的磨损量。该测量方法具有高速度、非接触、动态范围大、信息量丰富、测量结果具有可追溯性等优点，非常适合传统方法难以测量的场合。

1 存在问题

在实际的应用中系统存在如下问题：

（1）原系统未涉及到吊钩扭转变形度的测量。原因是扭转变形是一个空间量，一个相机、一个视图无法检测出扭转变形的度数，只有通过至少两个方向上的视图才能够准确的测量出吊钩钩身的扭转变形度。

（2）三个危险断面中垂直断面磨损量测量误差值过大。系统采用Matlab软件对危险断面的磨损量进行测量。

采用的方法为：首先测量吊钩钩柄直径，然后根据钩柄直径确定中心线，以该中心线为基准，测量垂直断面的磨损量。采用这种方法测量出的结果为垂直断面中的一条垂直线。而磨损量是由无数条这样的垂直线组成。显然用一条线来估算磨损量是不够准确的。

（3）阴影对吊钩边缘测量结果的影响。本系统采取的边缘像素定位方法是阈值法，它的特点是：首先设定一个合理的阈值，将各像素点的灰度值与之进行比较，小于阈值的设为白的，大于阈值的设为黑点，经过此种变换，生成相对应的二值图像，通过此二值图像便可得到物体边缘的清晰的轮廓。由于该系统图像中只含有吊钩一个测量对象，且图像形状不复杂，测量过程侧重物体边缘轮廓的定位，只要不产生伪边缘，且不漏检真边缘，就可满足要求。然而由于检测过程中吊钩阴影的存在，系统误将阴影当做吊钩的一部分，使得检测结果不准确。虽然采用平行光照射吊钩，弱化吊钩阴影区，但是在光线不足的情况下，仅通过外光源的照射，很难完全消除阴影，这就对测量结果造成一定的影响。

2 解决方法

（1）针对吊钩钩身扭转变形度的测量问题，本文采用的方法为：一个相机拍照，相机不动，将所测吊钩旋转90°的方法测量。首先通过主视图进行测量，然后将吊钩旋转90°，得到侧视图，在侧视图中前钩身中心线OA与后钩身中心线OB之间的夹角α就是所需测量的吊钩钩身的扭转变形度。

（2）针对三个危险断面中垂直断面磨损量测量误差值过大的问题，本文采用定积分的方法计算求得。如果一个物体不是旋转体，但却知道该物体上垂直于一定轴的各个截面的面积，那么，这个物体的体积就可以用定积分来计算。

取上述定轴为x轴，并设该吊钩在过点x=-6.5、x=6.5（五吨吊钩所选钢丝绳直径为13mm）且垂直于x轴的两个平面之间。以A（x）表示过点x且垂直于x轴的截面面积。A（x）为x的已知的连续函数。这时取x为积分变量，它的变化区间为【-6.5，6.5】；物体中相应于【-6.5，6.5】上任一小区间[x，x+dx]的一薄片体积，近似于底面积为A（x）、高为dx的扁柱体的体积，即体积元素dV=A（x）dx

以A（x）dx为被积表达式，在闭区间【-6.5，6.5】上作定积分，变得所求物体的体积，该计算结果便为吊钩垂直断面磨损量。

A（x）的面积计算：A（x）为长方形截面的面积，其中长为宽为吊钩的宽度，查表为40mm，所以

（3）针对系统中存在的阴影对吊钩边缘测量结果的影响问题，本文引入亚像素算法。它是通过经典边缘检测算法作为基础，再通过周围图像像素的灰度值作为判断的补充条件，使图像边缘定位在更加精确、清晰的位置。最早应用的亚像素算法是重心法，后来又提出了空间矩法、插值法等，这里采用的是最小二乘法。

首先，给定一点列（xi，yi），用最小二乘法拟合函数f（x），就是该曲线到给定点的均方误差达到最小。如对二次抛物曲线，设给定点的数目为m，未知系数为n，并且m>n，则可得到矩形式的超定方程BG=Y，其中

则各数据点的误差列向量可以写作：

E=Y-BC （1）

用豪斯荷尔德变换将矩阵B进行QR分解，即

B=QR

其中：Q为m×n正交矩阵，R为m×n的上三角阵。

用QT乘以式（1）的两边得：

QTE=QTY-QTBC=QTY-RC。

若令其中：F为n维列向量，G为m-n维列向量，R1为n×n上三角矩阵，则可得。

显然当F=R1C时，上式最小。这样只需求解线性方程R1C=F来得到各系数值。

3 结束语

本文在前期研究的基础上，针对系统中存在的（1）无法测量吊钩钩身扭转变形度的问题；（2）三个危险断面中垂直断面磨损量测量误差值过大问题；（3）阴影对吊钩边缘测量结果的影响问题，提出了相应的解决方案，为后续软件程序的编写提供了理论基础。

参考文献

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