張娓娓 陳樂瑞

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基于圖像的尺寸測量應(yīng)用研究

張娓娓1陳樂瑞2

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南南陽 473000；2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鄭州 450001）

零件尺寸測量是生產(chǎn)中一個十分常見而重要的項目。利用攝像機等硬件和圖像處理算法等程序共同構(gòu)成圖像尺寸測量系統(tǒng)，在這個平臺上完成尺寸測量工作。通過標(biāo)定試驗，得到像素當(dāng)量為0.119 8 mm/pixel，測量范圍為0.119 8～42.169 mm。通過試驗數(shù)據(jù)分析，測量精確度達到±0.09 mm。儀器在試驗室環(huán)境下工作正常，達到設(shè)計要求。

組合濾波 大津閾值分割 系統(tǒng)標(biāo)定 尺寸測量

尺寸測量必須由測量工具來完成，測量工具先后經(jīng)歷了機械式、光學(xué)式和電感式等幾個階段。尺寸測量工具進入計算機輔助階段后，借助計算機視覺和數(shù)字圖像信息處理技術(shù)，融合機械、激光和自動控制等科學(xué)技術(shù)，形成了集光、電、機為一體的圖像尺寸測量技術(shù)[1]，智能化和自動化水平迅速提高。

對于小尺寸，傳統(tǒng)的接觸式測量容易破壞工件表面和改變其相對位置，從而影響測量的精度；對于曲面輪廓，測量的速度跟不上；對于大批量生產(chǎn)只能采用抽樣檢測，在抽樣檢測中，用樣品的質(zhì)量來估計整批產(chǎn)品的質(zhì)量，這樣往往會存在漏檢。同時，長時間的工作會造成人眼和身體的疲勞，這又帶來測量穩(wěn)定性的問題，而惡劣的工作環(huán)境還會影響操作人員的身體健康和情緒波動。由此可見，在測量的速度、精度、自動化程度和安全性方面，傳統(tǒng)的測量方法無法滿足現(xiàn)代制造業(yè)實時在線、非接觸測量、高速度高精度的發(fā)展需求[2]。

圖像尺寸測量技術(shù)具有實時在線監(jiān)測的優(yōu)點，提供了一條質(zhì)量控制的可實現(xiàn)途徑[3]。目前，如何提高零件尺寸的測量精度，依然是機械加工及安裝的重要課題，圖像測量技術(shù)在現(xiàn)代生產(chǎn)中的質(zhì)量保證以及成本控制等方面都具有很大的研究和應(yīng)用價值。

1 組合濾波

圖像在采集和傳輸過程中，由于受到溫度、光照以及系統(tǒng)自身等各種因素[4]的影響，不可避免地受到外界噪聲的污染。圖像中的噪聲往往不是單一噪聲，而是多種噪聲混合的結(jié)果，因此有必要采用兩種及其兩種以上的濾波方法[5]組合起來共同濾除噪聲。先用中值濾波除去大的噪聲點，再利用均值濾波平滑圖像，可以有效地抑制大部分的噪聲，獲得信噪比較高和視覺效果較好的圖像。組合濾波前后對比圖像如圖1(a)～(c)所示。

(a) 原圖像

(b) 含有高斯和椒鹽噪聲的圖像

(c) 組合濾波后的圖像

2 大津閾值分割

大津閾值分割是一種自適應(yīng)的閾值確定方法[6]。這種方法用一個灰度閾值把圖像灰度級分成兩部分，兩類灰度級之間存在一個方差，可以反映兩類灰度級的差異程度，也反映了一幅圖像背景和目標(biāo)差別的程度。方差越大，說明背景和目標(biāo)分割的越接近實際情況，因此使這個方差最大的分割閾值，理論上便是最好的閾值。此方法不管圖像的直方圖有無明顯的雙峰，都能得到較好的分割結(jié)果，這種方法是優(yōu)化的全局閾值自動選擇方法。大津閾值分割前后對比圖像如圖2(a)、(b)所示。

(a) 原圖像 (b) 大津閾值分割后圖像

3 圓的擬合

作為一種數(shù)學(xué)優(yōu)化方法，最小二乘法常用于曲線擬合[7]。當(dāng)誤差的平方和最小時，便認為這組數(shù)據(jù)找到了最佳函數(shù)匹配。下面分析圓的擬合推導(dǎo)過程。

像素定位后得到的點坐標(biāo)為(i,i)，i=1,2……N，對于圓及圓弧的擬合，采用定位點到最小二乘半徑的平方的殘差平方和最小的策略。

圓零件邊緣坐標(biāo)點的擬合結(jié)果如圖3(a)、(b)所示。

(a) 原圖像 (b) 邊緣擬合輪廓

4 系統(tǒng)標(biāo)定

將以像素為單位的尺寸轉(zhuǎn)換為空間中的物理尺寸，這一過程由系統(tǒng)標(biāo)定來完成[8]。具體步驟如下：

(1)選取一個尺寸已知的標(biāo)準(zhǔn)件，尺寸大小為S；

(2)當(dāng)測量系統(tǒng)正常工作和測量環(huán)境穩(wěn)定不變時，利用測量系統(tǒng)對此標(biāo)準(zhǔn)件進行測量，獲得以像素為單位的尺寸：p；

(3)由公式=/p計算標(biāo)定系數(shù)。表達了測量系統(tǒng)中像素尺寸和實際物理尺寸之間的變換關(guān)系。

在本試驗標(biāo)定環(huán)境下，=0.119 8 mm/pixel，用于測量圓直徑時的像素當(dāng)量。由于CCD攝像機采集的圖像尺寸為：寬352像素，高288像素。由此也可以算出標(biāo)定系數(shù)下的系統(tǒng)量程上限為：寬42.169 mm，高34.502 mm。

5 試驗結(jié)果及分析

試驗環(huán)境所需圖像由CCD攝像機和PCI視頻卡獲得，基于VC++編寫圖像測量界面和圖像測量(濾波、圖像分割、圓的擬合等)算法。CCD攝像機和PCI視頻卡如圖4所示。

圖4 CCD攝像機和PCI視頻卡

圖像測量界面包含拍照、讀圖、組合濾波和大津閾值分割4個按鈕以及系統(tǒng)標(biāo)定和尺寸測量2個模塊。拍照是利用CCD攝像機獲得圓零件的圖像，讀圖是把采集到的圖像讀到內(nèi)存中以進行圖像數(shù)據(jù)的處理。圖像測量界面如圖5所示。

圖5 圖像測量界面

對圓形零件直徑進行了10組測量。測量結(jié)果及數(shù)據(jù)分析如表1所示。由表1可以看出，圓形零件直徑測量[9]的相對誤差最大值0.722 7%，最小值為0.087 3%，可以算出相對誤差的平均值為0.31%，標(biāo)準(zhǔn)偏差小于 0.09 mm。也就是說系統(tǒng)在圓形零件直徑測量上準(zhǔn)確度較高[10]，受系統(tǒng)誤差的影響比較小，精確度在±0.09 mm范圍內(nèi)。

表1 圓形零件直徑測量結(jié)果及數(shù)據(jù)分析 mm

6 結(jié)語

利用CCD攝像機、PCI視頻卡和PC機構(gòu)建圖像尺寸測量系統(tǒng)，基于VC6.0集成開發(fā)環(huán)境，設(shè)計測量界面和編寫圖像處理算法程序，在系統(tǒng)標(biāo)定的基礎(chǔ)上，對圓零件進行了直徑的測量，精確度在±0.09 mm范圍內(nèi)。采用圖像尺寸測量技術(shù)可以極大地提高圓零件尺寸測量的精度和速度，最大程度避免人為誤差，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。圖像測量技術(shù)具有實時在線監(jiān)測的優(yōu)點，滿足非接觸無損自動測量的要求，使制造業(yè)中圓零件的加工、檢測和控制融為一體成為可能。

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