机器视觉的零件轮廓尺寸测量系统设计*

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(1.湖南云箭集团有限公司,长沙 410100；2.国防科学技术大学；3.上海工程技术大学)

机器视觉的零件轮廓尺寸测量系统设计*

万子平1，2，马丽莎3，陈明1,刘剑霄1

(1.湖南云箭集团有限公司,长沙 410100；2.国防科学技术大学；3.上海工程技术大学)

提出了一种新的基于机器视觉的零件轮廓尺寸精密测量系统，设计了系统的硬件和软件部分，并介绍了测量系统的关键技术。利用LabVIEW为平台开发系统软件，采用改进的Canny算法识别图像边缘，使得测量速度更快，零件轮廓信息提取效率更高。

机器视觉；Canny算法；图像处理；LabVIEW

引 言

当前，制造业的自动化程度越来越高，测量作业作为制造业中至关重要的环节也在不断发展，如何提高测量的效率和精度一度成为制造业发展的重点问题。在计算机、微电子等先进技术的推动以及现代化工农业生产和国防技术的需求下，测量技术不断进步。近年来，国内外出现了大量的精密测量技术，其中以计算机图像处理为基础的机器视觉技术便是其中之一[1]。

随着机械行业的发展，对零件测量精度的要求越来越高，测量结果不仅会影响产品的质量，同时也会影响产品的生产效率[2]。传统的零件轮廓尺寸测量方法效率低、误差大，往往要求具备特定的测量设备，这不符合现代工业的要求。针对传统检测方法的不足，本文设计了一种基于机器视觉的机械零件轮廓尺寸测量方法，具有非接触、实时性好、精度高等特点。

1 机器视觉测量

1.1 机器视觉测量特点

机器视觉是用计算机来模拟生物视觉功能，用图像创建现实世界模型、认识现实世界的一门科学和技术。与传统测量方法相比，机器视觉具有测量精度高、灵活性强、连续性好、效率高等优点[3]。实际工作中，人往往会因疲劳、个体差异等产生误差或错误，机器视觉却能一直不知疲倦、稳定地工作，而且识别速度快、分辨精度高。这些优点使得机器视觉应用领域十分广泛，在测量方面发展前景大好。

1.2 机器视觉系统工作原理

简单地说，机器视觉就是为了使机器具有类似于人类视觉的功能，给它加上视觉装置，从而提高机器的自动化和智能程度，其研究内容包括视觉系统的组成和视觉处理算法。图1是机器视觉系统的基本结构，其工作原理可以阐述为：首先，在一定的光照条件下，采用成像单元(摄像机、图像采集板等)把现实场景的图像采集到主控计算机内，形成强度的二维阵列，即原始图像；其次，运用图像处理及分析单元对原始图像二维阵列进行预处理，改善图像信息；再者，运用机器视觉技术从图像中提取目标特征描述图像；然后，运用模式识别技术归类整理提取到的特征；最后，运用人工智能进一步描述目标特征[5]。

图1 机器视觉基本结构

2 零件轮廓尺寸精密测量系统设计

2.1 测量系统总体设计

测量系统的硬件包括主控计算机、双远心镜头、光源、CMOS图像传感器、载物台等，软件由LabVIEW及其视觉开发模块NI Vision组成，测量平台结构组成示意图如图2所示[6]。

图2 测量系统结构设计示意图

该测量系统的工作过程是将待测零件放到载物台上，光源从零件的背面向上照射，人工触发采集按钮后，成像单元采集图像信号并送入计算机，计算机利用图像处理程序对数字图像进行处理，得到相关检测信息后计算出目标位置的尺寸，最终将测量结果以文本的形式传输到计算机中。

2.2 测量系统硬件组成

机器视觉系统一般以计算机为控制中心，主要由光源、光学镜头、摄像机以及图像处理软件等组成[7]。机器视觉系统的核心是图像采集和处理，而光源则是影响机器视觉系统图像水平的重要因素。在机器视觉测量系统中，光源可以照亮目标，形成最有利于图像处理的成像效果。计算机及图像分析处理软件能够给出零件尺寸测量结果，并输出控制信号。组成测量系统的每一部分都很重要，在设计中要合理选取测量系统的组成单元，从源头提高测量结果的精确度。

为了获取到效果更佳的图像，本测量系统采用BT2364型双远心镜头，它比普通镜头具有更大的光通量，具体有以下特点：远心度小，分辨率高，低于0.1%的畸变；比普通镜头有更大的景深，在景深范围内，没有放大倍率的变化；物方和像方双远心设计，光透射率高。光源及光学系统设计的成败是决定系统成败的首要因素，通过适当的光源照明设计，使图像中的目标信息与背景信息得到最佳分离，可以大大降低图像处理算法分割、识别的难度，同时提高系统的定位、测量精度，使系统的可靠性和综合性能得到提高[8]。由于本系统的目标是测量零件尺寸，不需要对零件外观进行研究，综合考虑成本和效果，选择LED光源背光式照明。

2.3 测量系统软件组成

为保证零件轮廓尺寸精密测量系统能够高效、准确地工作，除了要具备良好的硬件系统外，还依赖于功能强大的软件系统。本文中的精密测量系统采用具有模块化特性的LabVIEW开发，使用图形化编辑语言G编写程序，系统软件组成功能图如图3所示[9]。

图3 测量系统软件组成功能图

测量系统的最终目标是当零件任意摆放时测量轮廓尺寸。根据设计要求，确定软件系统的基本思路：首先，通过模板匹配初步确定零件在视野范围内的位置；然后，在特定区域通过边缘检测进一步确定零件的位置，并建立相应的坐标系；最后，把所需测量的区域与建立的坐标系相关联，则区域坐标就会随着坐标系的改变而改变，确保始终能正确表达待测量区域的坐标。在上述处理过程中，适当应用一些其他的图像处理技术，确保能更好地满足系统的要求。

基于以上设计思路，精密测量系统被划分为任务不同的各个功能模块子程序，如获取图像子程序、边缘检测子程序等。主程序的前面板是呈现给用户的操作界面，同时需要将各个功能模块集成在一起。每个功能模块由更低一级的功能模块组成，根据需求可由上一级程序调用。

3 精密测量系统关键技术

3.1 边缘检测算法

边缘指周围像素灰度有阶跃变化或屋顶变化的像素的结合，是图像最基本的特征，因而边缘检测是图像处理中的重要内容。基于机器视觉的精密测量系统中，边缘检测方法包含两个步骤： 首先使用 Canny 算法获取只有1个像素精度的 Canny 边缘；然后在 Canny 边缘的梯度图像上进行二次曲面拟合，并进一步提取边缘信息[10]。

为提高边缘检测的精确度，本设计系统对传统Canny算法进行改进。用改进的Canny算法检测图像边缘具体步骤为：首先，选择高斯函数T对图像进行平滑处理，抑制图像噪声后计算图像梯度；然后，采用“非极大值抑制”锐化图像，细化边缘；最后，通过双阈值递归法实现边缘提取。高斯函数表示为[11]：

式中，σ控制着滤波器的频带，利用改进的Canny算法在摄像机标定过程中提取图像边缘，具有较强的抑制噪声能力。该算法计算后得到的标定数据精度较高，能够满足测量精度要求。

3.2 基于LabVIEW的坐标系设置

图4 坐标系轴方向示意图

利用LabVIEW测量时，必须在校准模板上定义一个坐标系，包括定义坐标系的原点、角度和轴方向。设定以像素为单位的原点作为坐标系的中心，角度定义坐标系的方向，角度指在网格点图像中与最顶端一行圆点所构成的角度。标定程序自动定义实际的水平轴方向，竖直轴的方向定义向下或者向上皆可，如图4所示。

在LabVIEW的标定中一般要经过以下三个步骤来标定已有的视觉测量系统：定义一个校准模板；定义一个参考坐标系；学习校准信息。通过以上步骤，程序可以把校准信息保存下来，在测量系统保持当前状态下进行尺寸测量时，把校准信息附加到采集到的图像上，从而达到标定的目的。

3.3 摄像机标定

由于摄像机系统存在较大的成像误差，使用前要进行内参数标定，以提高成像精度。确定摄像机内参数的过程称之为摄像机标定，标定精度直接影响机器视觉的精度。在摄像机模型中用到三种坐标系，分别为世界坐标系XOY、摄像机坐标系x′o′y′以及像平面坐标系xoy，图5是测量系统中任意一点P(x,y,1)在像平面坐标和世界坐标之间的转换关系[12]。

图5 坐标系xoy与XOY转换关系

像平面坐标系xoy与世界坐标系XOY之间的转化矩阵表示如下：

Op=Oo+op=Oo′+o′p

传统标定方法难度较大，本文所提出的测量系统采用双远心光学镜头，摄像机成像模型可以看做针孔模型[13]。针孔模型主要由光心、成像面和光轴组成，光线穿过针孔在焦距处上成像，世界坐标系原点就是摄像头针孔模型的针孔。在针孔模型中，焦距等于光心到像面的距离，物距等于光心到物面的距离，物距、像距和焦距满足高斯成像公式：

1/f=1/u+1/v

其中，f为焦距，u为物距，v为像距。在针孔成像中，焦距等于像距，像点是物点与光心的连线与图像平面的交点。

结 语

[1] 廖强,周忆,米林,等.机器视觉在精密测量中的应用[J].重庆大学学报:自然科学版,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] 廖强,米林,周忆,等.微尺寸视觉精密检测系统设计[J].重庆大学学报:自然科学版,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] 廖强,刘兆东,郭静,等.主动视觉技术在精密测量中的应用研究[J].计算机工程与应用,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

国际级-面向装配规划的复杂产品公差建模与设计方法研究(51175322)。

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