王曉飛 裘祖榮 楊 聰 錢征宇 陳慧靈

（1.天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300072；2.江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院科技發(fā)展部，南京，210007；3.蘇州天準(zhǔn)精密技術(shù)有限公司，蘇州，215009）

引 言

試驗(yàn)篩是用于對(duì)顆粒物料做篩分粒度分析的篩具，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、冶金、化工、醫(yī)藥、自來(lái)水等行業(yè)。GB／T 6003.1－1997《金屬絲編織網(wǎng)試驗(yàn)篩》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、GB／T 6003.2－1997《金屬穿孔板試驗(yàn)篩》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及《JJF1175－2007試驗(yàn)篩》國(guó)家校準(zhǔn)規(guī)范對(duì)試驗(yàn)篩的校準(zhǔn)檢測(cè)進(jìn)行了規(guī)范。對(duì)于不多于20個(gè)網(wǎng)孔的試驗(yàn)篩，采用萬(wàn)能工具顯微鏡或投影儀，應(yīng)檢查所有的網(wǎng)孔［1－2］，以其數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)判試驗(yàn)篩是否合格。對(duì)于超過(guò)20個(gè)網(wǎng)孔的試驗(yàn)篩，抽檢的40個(gè)網(wǎng)孔不具備代表性，校準(zhǔn)結(jié)果的隨機(jī)性非常大。由于常規(guī)的測(cè)量?jī)x器通常是萬(wàn)能工具顯微鏡或投影儀，以手工操作方式完成，即使是檢測(cè)40個(gè)篩孔的數(shù)據(jù)，也存在工作量繁重、效率低下、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)客觀性差等問(wèn)題，給各級(jí)計(jì)量檢定部門帶來(lái)了很大的困難。

在使用工具顯微鏡或投影儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，通常是將米字線中心壓在被測(cè)網(wǎng)孔經(jīng)線或緯線的網(wǎng)孔邊緣中心部位進(jìn)行測(cè)量［3］。由于儀器視場(chǎng)有限，只能觀察到很小一部分的篩面，很難精確地找到整個(gè)大尺寸篩面部位，所以不能克服校準(zhǔn)工作中的主觀性和隨意性，而且這種檢測(cè)方法需要人工一一對(duì)線，耗時(shí)耗力，效率比較低下。

近年來(lái)也出現(xiàn)了新的測(cè)量方式來(lái)對(duì)試驗(yàn)篩自動(dòng)測(cè)量，蘇翼雄等人［4］提出的以機(jī)器視覺(jué)方式自動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)篩為自動(dòng)化試驗(yàn)篩校準(zhǔn)提供了很好的思路。影像測(cè)量?jī)x作為一種新興的精密幾何量測(cè)量?jī)x器，它以光學(xué)鏡頭和CCD捕獲工件圖像，通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)提取各種復(fù)雜形狀表面的坐標(biāo)點(diǎn)［5］，計(jì)算工件幾何尺寸和形位公差等參數(shù)，具備非接觸、放大倍率高、測(cè)量可編程、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。作為一種通用測(cè)量?jī)x器，影像測(cè)量?jī)x的應(yīng)用面越來(lái)越廣，市場(chǎng)保有率越來(lái)越高。

在將影像測(cè)量?jī)x應(yīng)用于試驗(yàn)篩測(cè)量時(shí)，使用其線段提取、距離計(jì)算等通用測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于不在一個(gè)視野范圍的網(wǎng)孔，也能完整提取網(wǎng)孔邊緣，避免出現(xiàn)測(cè)量位置隨意的現(xiàn)象。但是，使用這種測(cè)量方式還是需要操作者對(duì)每個(gè)網(wǎng)孔邊緣進(jìn)行手工檢測(cè)，工作量依然較大。由于自動(dòng)影像測(cè)量?jī)x具有計(jì)算機(jī)數(shù)控（Computer numerical control，CNC）控制平臺(tái)，可編程實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的自動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并且試驗(yàn)篩校準(zhǔn)的網(wǎng)孔排列具有很強(qiáng)的規(guī)律性，若在自動(dòng)影像測(cè)量?jī)x上研發(fā)一種專用的試驗(yàn)篩測(cè)量方法，則可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的試驗(yàn)篩校準(zhǔn)，那將具有非常高的實(shí)用價(jià)值。

本文在江蘇省計(jì)量院的天準(zhǔn)VMU322自動(dòng)影像測(cè)量?jī)x的平臺(tái)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，研究出一種在影像測(cè)量?jī)x上的試驗(yàn)篩測(cè)量方法，以此為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了專用的試驗(yàn)篩測(cè)量軟件，可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)篩的自動(dòng)測(cè)量。

1 影像測(cè)量?jī)x測(cè)量試驗(yàn)篩方法

試驗(yàn)篩網(wǎng)孔的自動(dòng)測(cè)量包括：自動(dòng)提取網(wǎng)孔的四周邊緣點(diǎn)、由四周邊緣點(diǎn)集擬合出四周邊緣線段、計(jì)算對(duì)邊線段之間的間距作為網(wǎng)孔的經(jīng)向網(wǎng)孔尺寸或者緯向網(wǎng)孔尺寸。試驗(yàn)篩的網(wǎng)孔分為方孔和圓孔，為了說(shuō)明方便，本文以方形網(wǎng)孔為對(duì)象進(jìn)行說(shuō)明。

1.1 邊緣點(diǎn)提取方法

使用圖像采集卡獲取的圖像數(shù)據(jù)，會(huì)受到成像設(shè)備和環(huán)境所造成的噪聲的影響，這些噪聲會(huì)直接影響到測(cè)量結(jié)果，因此在下一步檢測(cè)之前，通常都會(huì)進(jìn)行圖像濾波。這些噪聲通常都是隨機(jī)產(chǎn)生的高斯噪聲，采用高斯濾波器（Gaussian filter，GF）可以很好地濾除。高斯濾波器是一種時(shí)頻寬積最小的理想濾波器，是圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等眾多領(lǐng)域的基本理論之一，應(yīng)用非常廣泛，其方程為通?？梢允褂萌缦碌?×3卷積模板來(lái)簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)二維的高斯濾波

在完成圖像濾波后，可使用邊緣檢測(cè)算子計(jì)算圖像中的邊緣點(diǎn)。Sobel梯度算子是一種有效的邊緣檢測(cè)算子

式中：Gx算子為算子為

采用Sobel梯度算子，可以得到邊緣點(diǎn)的強(qiáng)度信息和方向信息。通過(guò)設(shè)定邊緣強(qiáng)度閾值可剔除噪聲或弱邊緣的影響，使檢測(cè)結(jié)果更為可靠。采用Sobel梯度算子計(jì)算得到的圖像邊緣通常都有一定的寬度，而非單像素邊緣，可采用沿法向方向的非最大化抑制，將邊緣變?yōu)閱蜗袼剡吘?。由此得到的邊緣為整像素?jí)的邊緣位置。在測(cè)量中，若采用整像素級(jí)的邊緣，則計(jì)算的誤差會(huì)非常大，為此可采用雙線性插值來(lái)計(jì)算子像素精度的邊緣，以保證測(cè)量的精度。

1.2 網(wǎng)孔邊緣擬合方法

由邊緣檢測(cè)算子直接輸出的邊緣數(shù)據(jù)，通常包括了整幅圖像里的所有邊緣信息，即還包括了網(wǎng)孔外側(cè)邊緣、網(wǎng)孔內(nèi)雜點(diǎn)邊緣、污漬邊緣等，這些數(shù)據(jù)無(wú)法直接用于計(jì)算所需的網(wǎng)孔內(nèi)側(cè)邊緣。

可對(duì)邊緣圖中的邊緣數(shù)據(jù)進(jìn)行連通區(qū)檢測(cè)，檢測(cè)出所有的連通區(qū)域：采用八領(lǐng)域連通區(qū)技術(shù)，從起始點(diǎn)開(kāi)始，沿著順時(shí)針的方向搜索相鄰的下一個(gè)邊緣點(diǎn)，然后再以下一邊緣點(diǎn)為起始，繼續(xù)搜索，直到遇到起始點(diǎn)或不再有別的邊緣點(diǎn)。

在所有連通區(qū)中搜索封閉的連通區(qū)，找出包含檢測(cè)初始操作者輸入種子點(diǎn)的連通區(qū)，將此連通區(qū)包含的邊緣作為網(wǎng)孔內(nèi)側(cè)四邊的邊緣點(diǎn)。

再根據(jù)邊緣點(diǎn)的方向信息，將方向基本一致的點(diǎn)劃分到一起，形成4個(gè)分組。對(duì)每個(gè)分組內(nèi)的點(diǎn)采用最小二乘法擬合出邊緣線段，由此得到被檢測(cè)網(wǎng)孔四邊邊緣的幾何表示。

由此得到的邊緣線段不受鏡頭視野大小的影響：當(dāng)網(wǎng)孔尺寸大于視野范圍時(shí)，軟件可驅(qū)動(dòng)機(jī)臺(tái)按照邊緣的方向自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)位置繼續(xù)搜索，直到完成網(wǎng)孔4個(gè)邊緣的完整搜索，確保網(wǎng)孔的每個(gè)邊緣都被完整搜索并擬合成線段。

1.3 網(wǎng)孔孔徑計(jì)算方法

按照J(rèn)JF1175－2007的規(guī)定，試驗(yàn)篩校準(zhǔn)需要計(jì)算3種距離：計(jì)算網(wǎng)孔內(nèi)上下兩條對(duì)邊的距離作為經(jīng)向網(wǎng)孔尺寸；計(jì)算網(wǎng)孔內(nèi)左右兩條對(duì)邊的距離作為緯向網(wǎng)孔尺寸；計(jì)算相鄰網(wǎng)孔間相鄰邊緣的距離作為絲徑。在計(jì)算得到網(wǎng)孔四邊邊緣4條線段的幾何表示后，以上3種距離都?xì)w結(jié)為計(jì)算兩條線段之間的距離。

理論上，兩條平行直線間距離是一條直線上任何一點(diǎn)到另外一條直線垂足的距離。但是，在設(shè)計(jì)時(shí)平行的兩條線段，由于加工誤差、測(cè)量邊緣點(diǎn)誤差、線段擬合誤差等因素的影響，計(jì)算得到兩線段在幾何表達(dá)式上平行的概率非常??；另一方面，試驗(yàn)篩的網(wǎng)孔由于使用過(guò)程中受力變形的影響，網(wǎng)孔的對(duì)邊也幾乎不可能是平行的。實(shí)際使用中還會(huì)出現(xiàn)兩對(duì)邊長(zhǎng)度不等、兩對(duì)邊沒(méi)有完全正對(duì)的情況。

圖1給出了兩線段位置關(guān)系的常見(jiàn)情況，其中圖1（a）為理想狀態(tài)，對(duì)邊平行、長(zhǎng)度相同、位置平齊；圖1（b）表示了對(duì)邊平行、長(zhǎng)度不同、位置不平齊的情況；圖1（c）表示了對(duì)邊不平行、長(zhǎng)度相同、位置平齊的情況，即梯形的兩個(gè)斜邊；圖1（d）給出了最一般的情況，對(duì)邊不平行、長(zhǎng)度不一致、位置不平齊。常見(jiàn)的兩線之間計(jì)算距離有中點(diǎn)距離、垂直距離、垂直距離平均等方式。圖2是最一般位置關(guān)系圖1（d）情況下的距離計(jì)算示意圖，可以看到幾種方式都不能如實(shí)地反應(yīng)兩線之間的實(shí)際距離關(guān)系。

通?？梢赃M(jìn)行間距測(cè)量的兩條線段，它們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)的理想狀態(tài)下一定是平行的，否則就沒(méi)有測(cè)量的意義了。在實(shí)際工件中，由于加工誤差、測(cè)量誤差等因素的存在，才導(dǎo)致了測(cè)量得到的兩條線段不平行。平行狀態(tài)下，兩線距離是其所在平面內(nèi)沿著平行線垂直方向計(jì)算的距離，那么在非平行狀態(tài)下，則需要以合適的手段得到一條線段來(lái)作為兩線段的理論方向，再沿著其垂直方向計(jì)算間距，就可獲得理論上最佳的兩線段間距。

圖1 兩線段位置關(guān)系

圖2 兩線段間距離的形式

在影像測(cè)量?jī)x中，測(cè)量線段通常是在線段的整個(gè)范圍內(nèi)采集大量邊緣點(diǎn)，再對(duì)這些點(diǎn)使用最小二乘法擬合線段。兩條線段上采集的點(diǎn)分布為相距一定距離的兩組，無(wú)法直接擬合一條線段?？尚械姆椒ㄊ欠謩e對(duì)兩線段取點(diǎn)擬合，再以兩擬合線段的角平分線作為兩線段的理論方向，然后分別計(jì)算兩條測(cè)量線段的中點(diǎn)到該理論方向直線的距離，將兩距離之和作為兩線間距。圖3給出了圖1的幾種情況在使用本計(jì)算方法時(shí)兩線間距的示意圖。

圖3 兩線間距示意圖

1.4 網(wǎng)孔自動(dòng)搜索方法

在試驗(yàn)篩放置到影像測(cè)量?jī)x機(jī)臺(tái)上時(shí)，不可能做到完全按橫平豎直的沿編織絲方向擺放，在完成一個(gè)網(wǎng)孔的測(cè)量后，下一個(gè)網(wǎng)孔的位置就可能在當(dāng)前網(wǎng)孔的斜向方向。因此，可增加專門的網(wǎng)孔搜索功能，以避免對(duì)試驗(yàn)篩進(jìn)行手工找正，從而提高校準(zhǔn)效率。

本文采用方向預(yù)估的方法進(jìn)行方向搜索：根據(jù)上一步得到的網(wǎng)孔邊緣方向，以及網(wǎng)孔邊緣的長(zhǎng)度，并結(jié)合被檢試驗(yàn)篩的輸入邊緣長(zhǎng)度，將當(dāng)前網(wǎng)孔的中心點(diǎn)，沿著計(jì)算得到的網(wǎng)孔豎向或橫向方向移動(dòng)網(wǎng)孔邊緣長(zhǎng)度，即可得到下一網(wǎng)孔的檢測(cè)起始位置。

1.5 校準(zhǔn)流程

按照J(rèn)JF1175－2007的要求，校準(zhǔn)開(kāi)始時(shí)，需要首先由操作者指定兩個(gè)起始檢測(cè)網(wǎng)孔，然后按照1.3節(jié)和1.4節(jié)所述的程序循環(huán)運(yùn)行，由每個(gè)起始檢測(cè)網(wǎng)孔開(kāi)始，分別沿著經(jīng)向和緯向方向各連續(xù)搜索10個(gè)網(wǎng)孔，計(jì)算出40個(gè)網(wǎng)孔的經(jīng)向網(wǎng)孔尺寸、緯向網(wǎng)孔尺寸、絲徑以及這些數(shù)據(jù)的平均值。

完成檢測(cè)后，將得到的經(jīng)向網(wǎng)孔尺寸、緯向網(wǎng)孔尺寸、絲徑與被檢試驗(yàn)篩的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)孔尺寸以及最大允許尺寸偏差進(jìn)行對(duì)比，判定試驗(yàn)篩是否合格，并自動(dòng)生成校準(zhǔn)報(bào)告。

2 試驗(yàn)篩自動(dòng)測(cè)量軟件驗(yàn)證

按照上述測(cè)量方法，作者在天準(zhǔn)VMU322影像測(cè)量?jī)x上進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)了一個(gè)專用的試驗(yàn)篩測(cè)量軟件，以驗(yàn)證本文提出方法的有效性。通過(guò)該測(cè)量軟件，操作人員只需將試驗(yàn)篩在機(jī)臺(tái)上大致放平，然后選取兩個(gè)檢測(cè)起始網(wǎng)孔，再設(shè)定少量的檢測(cè)參數(shù)，該軟件就可驅(qū)動(dòng)VMU322影像測(cè)量?jī)x自動(dòng)完成試驗(yàn)篩校準(zhǔn)，并生成校準(zhǔn)報(bào)告。

表1給出了對(duì)于一個(gè)20目的試驗(yàn)篩，幾種常見(jiàn)測(cè)量方式的測(cè)量用時(shí)對(duì)比。采用影像測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，網(wǎng)孔邊緣的檢測(cè)以整個(gè)邊緣點(diǎn)集進(jìn)行擬合，避免了人為選擇邊緣的隨意性，測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，在同等儀器精度的情況下，影像測(cè)量?jī)x的測(cè)量數(shù)據(jù)精度會(huì)明顯好于萬(wàn)能工具顯微鏡。

表1 測(cè)量時(shí)間比較

可以看到，使用影像測(cè)量?jī)x專用測(cè)量軟件，不但檢測(cè)效率高、測(cè)量速度快，并且在測(cè)量過(guò)程中無(wú)需人工參與，極大地降低了校準(zhǔn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。由于不受操作人員人為因素的影響，數(shù)據(jù)更加真實(shí)可靠。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于影像測(cè)量?jī)x的試驗(yàn)篩自動(dòng)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行研究，解決了測(cè)量中的4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：邊緣點(diǎn)提取方法、網(wǎng)孔邊緣擬合方法、網(wǎng)孔孔徑計(jì)算方法、網(wǎng)孔自動(dòng)搜索方法。這些技術(shù)有效地解決了邊緣自動(dòng)提取、尺寸自動(dòng)計(jì)算、目標(biāo)自動(dòng)搜索等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了基本影像測(cè)量?jī)x的試驗(yàn)篩自動(dòng)測(cè)量，可顯著提高檢測(cè)效率，極大降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

由于JJF1175－2007的制定受限于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，只規(guī)定了檢測(cè)40個(gè)網(wǎng)孔。對(duì)于目數(shù)較大的試驗(yàn)篩來(lái)說(shuō)，40個(gè)網(wǎng)孔又遠(yuǎn)不能代表整個(gè)試驗(yàn)篩的實(shí)際狀況。基于影像測(cè)量?jī)x的試驗(yàn)篩自動(dòng)測(cè)量方法的研制成功，使所有篩孔全檢成為了可能。通過(guò)改進(jìn)試驗(yàn)篩測(cè)量軟件的工作流程，完成對(duì)所有網(wǎng)孔的自動(dòng)搜索與掃描，獲取每個(gè)網(wǎng)孔的尺寸數(shù)據(jù)，可更加客觀地判定一個(gè)試驗(yàn)篩是否合格。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有影像測(cè)量?jī)x軟件的二次開(kāi)發(fā)，不斷完善方案，提升測(cè)量速度和可靠性，繼續(xù)對(duì)試驗(yàn)篩所有篩孔的全檢進(jìn)行研究，待方案成熟以后，可以為未來(lái)試驗(yàn)篩校準(zhǔn)規(guī)范的修訂打下技術(shù)基礎(chǔ)，也將推動(dòng)試驗(yàn)篩行業(yè)檢測(cè)水平，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

［1］國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局全國(guó)篩網(wǎng)篩分標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB／T 6003.1－1997，金屬絲編織網(wǎng)試驗(yàn)篩［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.GB／T 6003.1－1997.Test sieves of metal wire cloth［S］.Beijing，China：China Standard Press，1997.

［2］國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局全國(guó)篩網(wǎng)篩分標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB／T 6003.2－1997，金屬穿孔板試驗(yàn)篩［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.GB／T 6003.2－1997.Test sieves of perforated metal plate［S］.Beijing，China：China Standard Press，1997.

［3］國(guó)家質(zhì)檢總局全國(guó)幾何量工程參量計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJF 1175－2007，試驗(yàn)篩校準(zhǔn)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2007.JJF 1175－2007.Calibration specification for test sieves［S］.Beijing，China：China Metrology Press，2007.

［4］蘇翼雄，廖文軍，周波，等.基于機(jī)器視覺(jué)的試驗(yàn)篩自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)［J］.中國(guó)計(jì)量，2009，162（5）：75－76.Su Yixiong，Liao Wenjun，Zhou Bo，et al.Automatic measuring system of test sieves based on machine image［J］.China Metrology，2009，162（5）：75－76.

［5］王為農(nóng)，徐一華.影像測(cè)量?jī)x技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：中國(guó)商業(yè)出版社，2010：1－2.Wang Weinong，Xu Yihua.Video measuring machine technology［M］.Beijing：China Commerce Press，2010：1－2.