基于分布式图像处理技术钢卷尺检定系统的研制*

霍 磊 葛广乾 赵洪涛

（濮阳市质量技术监督检验测试中心 河南濮阳457000）

钢卷尺是一种应用非常广泛的长度计量器具，它的准确性会直接影响测量精度，并且用于贸易结算的钢卷尺属强制检定计量器具，因此钢卷尺在使用期间必须进行检定。目前计量检定机构大多采用传统钢卷尺检定装置，依据JJG4-2015钢卷尺检定规程对钢卷尺进行检定，钢卷尺检定装置由钢卷尺检定台、读数显微镜与标准钢卷尺组成，采用钢卷尺检定装置需手工操作完成对钢卷尺的检测，在钢卷尺检定台上用显微镜对比被测钢卷尺和标准钢卷尺的误差。在检定过程中每次都需人眼仔细瞄准与估读，手写记录数据，工作量较大，人眼容易疲劳及出现计算错误。

针对目前传统钢卷尺检定装置中所存在问题，研制了一套分布式图像钢卷尺检定系统，实现了钢卷尺整米线纹的同时快速、自动检定。

1 分布式图像钢卷尺检定系统结构设计

本系统在传统钢卷尺检定台上的标准钢卷尺整米位置加装5个四维机械调整机构（工业相机安装支架），用于安装工业相机，依据钢卷尺刻线成像放大要求选择相应光学镜头及工业相机，在工业相机安装后分别由调整机构使钢卷尺刻线成像清晰。由工业相机将采集的标准钢卷尺和被检钢卷尺各整米处的图像传输到上位机，由上位机中的图像处理软件对各整米位置图片进行处理，并对相机采集到的钢卷尺刻线图像进行实时分析并获取刻线位置，同时自动计算偏差及输出数据报告，实现了钢卷尺整米线纹的同步快速自动检定，检定系统结构原理如图1所示。

图1 检定系统结构原理图

2 四维机械调整机构设计

四维机械调整机构主要用于安装工业相机，设计了燕尾槽滑动导轨，实现机构的前后、左右移动，以保证工业相机可以正确对准标准钢卷尺和被检钢卷尺的整米位置。采用齿轮齿条机构实现工业相机的升降，进而带动工业相机进行正确调焦，保证工业相机和钢卷尺之间的适当距离。将工业相机镜头固定在Φ28 mm孔径的夹持件内，可以实现图像传感器的转动，以保证工业相机处于获取标准钢卷尺和被检钢卷尺的各整米处图像的最佳位置，其结构如图2所示。

图2 四维机械调整升降机结构图

3 钢卷尺图像采集部分设计

根据实际工作需要和减少测量误差，考虑测量操作便捷性和系统通用性，进行工业相机、镜头及照明光源的选择[1]。系统所用的5台工业相机都选用以 CMOS芯片作为图像传感器的 MV-UB130M的130万黑白USB2.0工业相机，用于获取标准钢卷尺和被检钢卷尺的图像。镜头选用焦距为16 mm的 X16-3MP定焦镜头，经过选择不同像距，实现线纹成像放大倍数约0.2倍，则CMOS图像传感器上一个象元尺寸代表线纹长度为：

即选用的工业相机图像处理装置分辨率为 0.026 mm，接近检定钢直尺的分辨率，确保系统的准确度符合钢卷尺检定要求。照明光源选用HX7040白光 LED光源，光源类型为环型光源/圆形光源，发光区面积为：

外环直径×内环直径=Φ70 mm×Φ40 mm可以满足钢卷尺图像的采集要求。

4 钢卷尺图像处理软件设计

该系统图像处理软件是由 MATLAB语言进行开发，其主要有功能模块选择、手动和自动测量模式选择、图像实时显示、参数设置、检测结果显示、数据处理及自动存储数据、自动生成Word原始记录等功能，软件界面如图3所示。

图3 钢卷尺图像处理软件界面

该系统是利用工业相机拍摄钢卷尺整米区域，将所采集图像传输到计算机并进行图像识别和图像处理的过程，在进行系统开发时，主要考虑以下几个方面。

4.1 图像预处理

由于图像是由光反射形成的，常出现光源在景物上照射不均匀现象，致使光照强的部分较亮，光照弱的部分较暗，这对后续边缘检测、模式识别等工作造成较大影响[2]。实际检定钢卷尺工作中，有些钢卷尺表面污损，导致图像成像不清图像自动识别困难。故软件设计需可以目视手动测量和自动测量线纹偏差功能，首先对图像预处理图像预处理，为了提高检测精度，尽可能地利用原图像的信息,这里采用维纳滤波，使得原来处于亮度较高部分的刻线更加清晰了。

4.2 图像二值化处理

采用最优阈值变换算法二值化处理，将原始灰度图转化为黑白二值图像。阈值变换是图像处理中非常重要的一种手段,通过选择一个阈值(0～1)， 能把工业相机采集进来的灰度图变成黑白二值图,方便随后的图像处理和识别。 对于阈值的选取经多次实验取值为0.4。具体来说可采用matlab语言：

线纹中心点则为通过灰度极小值获取后采用附近点最小二乘拟合求取获得，同时刻度线位置可预先确定。该部分同时设置了目视手动屏幕取点功能，对于钢卷尺磨损或结构设置使得线纹图像模糊，难以实现计算机自动处理的情况可以直接在屏幕上鼠标采点确定线纹尺寸偏差位置[3]。

4.3 原始记录Word文档输出设计

钢卷尺检定工作，数据量大且需累计计算，故图像处理软件中设计了采集数据自动存储与 Word输出功能。

5 结语

基于数字图像处理技术的分布式钢卷尺检定系统使钢卷尺刻线的瞄准准确度由 0.1 mm提升到0.05 mm，实现了钢卷尺图像自动读取和自动处理，很好地解决了目前钢卷尺检定中所存在的需人眼仔细瞄准与估读、手写记录数据和工作量较大等问题，实现了钢卷尺的快速、自动化检定，大大提高钢卷尺的检定效率。

[1]谢小光,计时鸣,张利,等.数字识别技术在钢卷尺自动检定系统中的应用[J].机电工程,2008,25(9):62-64.

[2]赵保亚，魏彩乔.基于边缘检测的钢卷尺图像二值化方法[J].现代制造工程,2012(12):101-104.

[3]魏彩乔,王晓光,康会峰.基于图像处理的钢卷尺自动检定系统[J].仪表技术与传感器,2012(6):88-90.