劉來魁　李　華　蔣　鑫

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攝影測量技術(shù)在核電蒸發(fā)器生產(chǎn)中的應(yīng)用

劉來魁1李華2蔣鑫2

1.上海電氣核電設(shè)備有限公司；2.中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所

劉來魁（1980-）男，工程師，主要研究方向?yàn)楹穗娪嬃繖z測技術(shù)。

基金支持：國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2010ZX06001-012）

行業(yè)曲線

關(guān)于攝影測量技術(shù)在核電蒸發(fā)器生產(chǎn)中的應(yīng)用文章的價值點(diǎn)評：

本文針對核電關(guān)鍵設(shè)備的生產(chǎn)問題，提出基于顯微攝影測量技術(shù)的支撐板板孔參數(shù)測量方法。在核電生產(chǎn)行業(yè)起到關(guān)鍵作用，現(xiàn)已投入正式應(yīng)用。

點(diǎn)評人：常何民，工作于中科院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，高級工程師。

為滿足蒸汽發(fā)生器支撐板板孔的高效、精密、可靠的測量要求，提出基于顯微攝影測量技術(shù)的支撐板板孔參數(shù)測量方法。該方法采用CCD推掃方式和物方遠(yuǎn)心光路采集板孔完整圖像，對數(shù)字圖像利用形態(tài)學(xué)濾波、圖像分割、邊緣提取等方法將圖像轉(zhuǎn)為易于分析的二維坐標(biāo)離散點(diǎn)。然后通過三次樣條插值和最小二乘擬合等方法對異型孔的主要參數(shù)進(jìn)行測量。最后對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了誤差分析，測量精度滿足公差要求?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)表明，該測量系統(tǒng)具有高精度、高效率、抗外界干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計要求。

蒸汽發(fā)生器是核電站的心臟“核島”三個主要關(guān)鍵部件之一，其內(nèi)部支撐板的加工是設(shè)備制造過程中的關(guān)鍵之一，支撐板直徑約φ3880mm，其上分布有19986個異型孔。在加工過程中由于環(huán)境、機(jī)械等因素影響，不可避免地會出現(xiàn)異型孔的孔位參數(shù)與設(shè)計值不符的現(xiàn)象。目前對異型孔的檢測方法為人工采用尺規(guī)等工具進(jìn)行判斷，該方法存在工作量大、效率低、可靠性差，且有對關(guān)鍵參數(shù)無法測量的缺點(diǎn)。此外，由于待測對象具有大尺寸、不可移動等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的檢測手段如三坐標(biāo)測量儀只能對工件的一些關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行測量，因此迫切需要有新技術(shù)、新設(shè)備出現(xiàn)。

現(xiàn)提出一種新型的近景攝影測量技術(shù)——基于CCD推掃的異型孔形位參數(shù)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有非接觸、高精度、高效率的優(yōu)點(diǎn)，可以有效地完成支撐板異型孔位參數(shù)的測量工作，目前已成功應(yīng)用。

測量系統(tǒng)的工作原理

攝影測量是通過成像系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行拍攝，對獲取的圖像進(jìn)行分析計算，再通過物與象的投影關(guān)系得到圖像待測參數(shù)的一種測量手段。本系統(tǒng)的基本工作原理是，通過面陣CCD相機(jī)獲取異型孔的目標(biāo)圖像，再采用數(shù)字圖像處理技術(shù)將異型孔的邊緣特征轉(zhuǎn)化為二維坐標(biāo)離散點(diǎn)，最后通過擬合、插值等算法實(shí)現(xiàn)待測目標(biāo)參數(shù)的計算，其工作原理框圖如圖1所示。

測量系統(tǒng)組成

整個系統(tǒng)由高分辨率CCD面陣相機(jī)、高均勻度低角度散射光源、測量軟件、遠(yuǎn)心鏡頭、高精度精密支撐架、電控箱、若干標(biāo)準(zhǔn)靶標(biāo)等組成。

高分辨率面陣CCD相機(jī)：用于獲取異型孔的圖像；

高均勻度低角度散射光源：突出異型孔的邊緣，使所成圖像穩(wěn)定、清晰，保證測量結(jié)果準(zhǔn)確、可靠；

測量軟件：采用數(shù)字圖像處理技術(shù)和攝影測量技術(shù)對異型孔的形位參數(shù)進(jìn)行針對性測量，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、管理以及分析等操作；

物方遠(yuǎn)心鏡頭：避免測量過程中工作距離的輕微改變導(dǎo)致系統(tǒng)放大倍率的變化，保證系統(tǒng)的測量精度；

高精度精密支撐架：可承載、微調(diào)光電攝影測量儀，保證CCD所成圖像方向與拉床運(yùn)行方向平行；

電控箱：為相機(jī)、光源提供穩(wěn)定可靠的電源；

標(biāo)準(zhǔn)靶標(biāo)：用于標(biāo)定成像系統(tǒng)放大率。

硬件設(shè)計

圖1　系統(tǒng)原理框圖

在硬件設(shè)計中，系統(tǒng)主要分為通信傳輸模塊和圖像采集模塊。系統(tǒng)以龍門拉床為基礎(chǔ)平臺，利用高精度精密支撐架將測量系統(tǒng)與拉床固定，并預(yù)設(shè)一系列的觸發(fā)空間坐標(biāo)，當(dāng)測量系統(tǒng)經(jīng)過觸發(fā)坐標(biāo)時，計算機(jī)向相機(jī)發(fā)送觸發(fā)信號，這樣可使圖像的獲取與拉床的運(yùn)動協(xié)同進(jìn)行。圖像采集時，低角度散射光照射后的異型孔在面陣CCD成像，通過千兆網(wǎng)線傳入計算機(jī)，在對圖像進(jìn)行處理后得到目標(biāo)孔參數(shù)并加以顯示。

推掃模塊

本系統(tǒng)采用間歇式觸發(fā)測量方式，其中拉床、計算機(jī)和相機(jī)間的通信傳輸是關(guān)鍵技術(shù)。拉床是系統(tǒng)的移動平臺，相機(jī)通過精密支撐架隨拉床平移，機(jī)床實(shí)時讀取機(jī)床光纖尺的數(shù)據(jù)，當(dāng)機(jī)床移動至預(yù)設(shè)坐標(biāo)便會通過RS232接口向計算機(jī)發(fā)送坐標(biāo)信號，計算機(jī)將接收到的信號轉(zhuǎn)換為相機(jī)的觸發(fā)脈沖信號，相機(jī)接到信號后采集圖像，并將圖像數(shù)據(jù)傳入計算機(jī)。計算機(jī)與CCD相機(jī)之間通過采用GigE接口技術(shù)的千兆網(wǎng)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以保證大量圖像數(shù)據(jù)能夠無噪聲地累計傳輸。

圖像采集模塊

圖像采集模塊主要由照明光源、高分辨率CCD相機(jī)、遠(yuǎn)心光路系統(tǒng)組成，其主要作用是獲取穩(wěn)定、清晰的異型孔圖像。

光源是影響成像質(zhì)量的重要因素，合適的光源照明設(shè)計能夠增強(qiáng)圖像的邊緣特征，可以很大程度降低圖像處理算法的難度。針對支撐板的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用低角度前照式散射光源進(jìn)行照明，該照明方式可以突出目標(biāo)孔的邊緣信息，提高系統(tǒng)的定位和識別精度，保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

CCD相機(jī)的主要參數(shù)有分辨率、像素尺寸、幀頻和快門時間等，本測量系統(tǒng)采用的CCD相機(jī)參數(shù)如下：分辨率為五百萬像素，最小曝光時間為30μs，像元大小3.45μm，最大幀速為8FPS。該相機(jī)可保證系統(tǒng)具有較高的測量精度和較強(qiáng)的抗噪聲能力。

本系統(tǒng)采用了物方遠(yuǎn)心光路技術(shù)，如圖2所示，該技術(shù)在精密測量系統(tǒng)中應(yīng)用得十分廣泛。物方遠(yuǎn)心光路可以消除物距在景深范圍內(nèi)的變化引起的系統(tǒng)放大倍率的變化，以及光軸與物面的輕微不垂直所引起的誤差，這可以降低系統(tǒng)對環(huán)境和安裝精度的要求，提高系統(tǒng)的可靠性。此外，通過這種光路得到的圖像不存在透視變形，圖像中的畸變會大大減少，進(jìn)而減小系統(tǒng)的測量誤差。

軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件部分包括對圖像處理、圖像特征識別、數(shù)據(jù)保存與顯示等。本系統(tǒng)首先采用一系列圖像處理算法提取出圖像特征，再通過數(shù)值運(yùn)算得到目標(biāo)孔的參數(shù)值，與標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行對比評定后輸出檢測結(jié)果，并將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中。

圖像處理

圖像處理是指通過圖像處理算法增強(qiáng)圖像的目標(biāo)信息后，將圖像的目標(biāo)特征提取出來，為目標(biāo)特征的檢測和測量奠定基礎(chǔ)。為了獲取準(zhǔn)確的異型孔參數(shù)，本系統(tǒng)對原始圖像采用了平滑去噪、圖像增強(qiáng)、圖像分割和邊緣提取等圖像處理算法。

圖2　物方遠(yuǎn)心光路圖

圖像形態(tài)學(xué)濾波

在相機(jī)采集圖像的過程中，由于外界光照不均、CCD光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的噪聲、電子隨機(jī)噪聲等因素，CCD所成圖像中會引入一定的噪聲，這會對圖像特征的識別造成影響，從而影響結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在本系統(tǒng)中，異型孔邊緣對檢測結(jié)果的影響最直接，這里采用了形態(tài)學(xué)濾波器對圖像進(jìn)行濾波處理。形態(tài)學(xué)濾波器不同于傳統(tǒng)濾波方法，它是通過“結(jié)構(gòu)元素”與圖像卷積運(yùn)算進(jìn)行處理，基本運(yùn)算是膨脹和腐蝕運(yùn)算，其數(shù)學(xué)表達(dá)式分別是：

其中，式（1）為膨脹運(yùn)算，式（2）為腐蝕運(yùn)算，Db和Df分別表示輸入圖像f（x，y）和結(jié)構(gòu)元素b（x，y）的定義域。

將形態(tài)學(xué)膨脹和腐蝕運(yùn)算以不同順序結(jié)合起來便可以構(gòu)成形態(tài)學(xué)開、閉運(yùn)算，其運(yùn)算表達(dá)式分別為：

形態(tài)學(xué)開運(yùn)算可以消除圖像“尖峰”噪聲，形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算可以消除“凹谷”噪聲，將兩者以不同順序組合可以得到形態(tài)學(xué)濾波器，本系統(tǒng)采用的是形態(tài)學(xué)開—閉濾波器：

由于形態(tài)學(xué)濾波是一種非線性濾波，它通過結(jié)構(gòu)元素對圖像進(jìn)行幾何形態(tài)變換得到輸出圖像，因此它能夠在有效濾除噪聲的同時最大程度地保留原始圖像的幾何特征，以便于進(jìn)一步分析圖像。

圖像分割

為了檢測圖像特征需要將目標(biāo)與背景分離，圖像分割時必不可少的一步，而分割時閾值的選取是處理時的難點(diǎn)和重點(diǎn)。目前，常用的閾值選取方法有波谷法、雙峰法、最大類間方差法和最大熵法等。在本系統(tǒng)中，由于目標(biāo)孔與背景的灰度級有較明顯的差別，而且經(jīng)過濾波和圖像增強(qiáng)后噪聲已很小，十分適合采用最大類間方差法。

最大類間方差法以類間方差作為閾值判定標(biāo)準(zhǔn)，其基本原理是選擇最佳閾值將圖像直方圖分為兩類，使兩類的方差達(dá)到最大值。設(shè)I是一幅具有L級灰度的圖像，灰度值為i的像素數(shù)為Ni，圖像總的像素個數(shù)為，第i級像素出現(xiàn)的概率為，圖像的平均灰度為。設(shè)閾值k將所有像素分為兩類：C0和C1。C0的平均灰度為，C1的平均灰度為兩類產(chǎn)生的概率分別為：。

邊緣提取

圖像中的邊緣是目標(biāo)孔與背景之間的灰度變化產(chǎn)生，即反映的是目標(biāo)孔的輪廓信息，因此異型孔參數(shù)的測量精度取決于提取出的邊緣精度。目前像素級的邊緣提取方法已經(jīng)相當(dāng)成熟，常用的有Roberts算子、Sobel算子、Log算子、Canny算子以及形態(tài)學(xué)邊緣提取等方法。上述算法只能將目標(biāo)邊緣定位在像素級精度，為了在不提升硬件成本的基礎(chǔ)上獲取更高的測量精度，需要進(jìn)行亞像素邊緣提取算法對圖像進(jìn)行處理。亞像素邊緣提取的實(shí)現(xiàn)通常分為兩個步驟：粗定位和精定位，即先利用先前所述的邊緣提取方法獲取像素級邊緣，再利用亞像素邊緣提取方法得到亞像素邊緣。

在本測量系統(tǒng)中，首先對分割后的圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)邊緣提取，再利用基于鏈碼的輪廓跟蹤技術(shù)得到目標(biāo)孔的像素級邊緣信息，最后根據(jù)目標(biāo)孔與背景灰度差較大的特點(diǎn)，利用空間矩來得到輪廓的亞像素邊緣?？臻g矩法是根據(jù)目標(biāo)在成像前后的矩不變性建立理想模型從而獲得亞像素邊緣的，其基本思路是選擇單位圓為采樣模板，邊緣將圓區(qū)域分為兩部分，其中一部分灰度值為h，另一部分為h+k，則二維連續(xù)圖像p，q階空間矩為：

其中，p，q為大于零的整數(shù)。

結(jié)合旋轉(zhuǎn)后垂直于邊緣的矩與邊緣參數(shù)的關(guān)系，便可得到邊緣的亞像素位置：

圖像特征識別

圖像特征識別是一個從圖像到數(shù)據(jù)的過程：對圖像中的特征信息進(jìn)行檢測和測量，獲得其客觀信息從而建立對圖像的描述。圖像特征識別的基本過程是先對檢測出的亞像素邊緣點(diǎn)進(jìn)行去臟點(diǎn)處理，然后通過數(shù)值運(yùn)算計算得到目標(biāo)特征的參數(shù)。在本測量系統(tǒng)中，由于異型孔輪廓絕大部分是由圓弧和直線構(gòu)成，因此需要對獲取的邊緣點(diǎn)進(jìn)行曲線插值或擬合的方法進(jìn)行計算。

三次樣條插值

在對邊緣進(jìn)行擬合前，為了減小邊緣提取結(jié)果中隨機(jī)誤差對精度的影響，需要采取插值的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本系統(tǒng)采用的三次樣條插值法是逼近函數(shù)的一種方法，它具有良好的收斂性和穩(wěn)定性，這里分別對輪廓邊緣點(diǎn)x，y方向上的坐標(biāo)進(jìn)行三次樣條插值。

這里以x坐標(biāo)為例，對坐標(biāo)數(shù)組｛xi｝用三次多項(xiàng)式去擬合相鄰xi之間的曲線，三次樣條插值函數(shù)S（x）為：

參數(shù)擬合

在本系統(tǒng)中，異型孔輪廓絕大部分是由圓弧和直線構(gòu)成，因此在參數(shù)計算過程中，大量采用了直線擬合和圓擬合，這里采用基于最小二乘法對邊緣點(diǎn)進(jìn)行擬合。

對于直線擬合，設(shè)n個點(diǎn)到擬合直線垂直距離的平方和為：

實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以西門子SINUMERIK840D系統(tǒng)控制下的沈陽機(jī)床型龍門拉床為平臺，通過精密支撐架將測量系統(tǒng)與拉床刀頭夾具固定，在實(shí)際現(xiàn)場對支撐板底孔參數(shù)進(jìn)行測量。系統(tǒng)以VS2008開發(fā)平臺開發(fā)軟件系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)步驟及相關(guān)數(shù)據(jù)如下：

利用制作的標(biāo)準(zhǔn)園工件獲得標(biāo)定系數(shù)，標(biāo)定后的像素當(dāng)量為15.6818μm/pixel。

選定五個任意孔按固定順序進(jìn)行七輪測量，限于篇幅，下面列出部分參數(shù)測量數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1　底孔半徑測量結(jié)果

根據(jù)測量誤差理論，系統(tǒng)的容許誤差取最大標(biāo)準(zhǔn)差的3倍，即0.0126mm，精度滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。

誤差分析

測量系統(tǒng)誤差的主要來源有成像系統(tǒng)畸變、標(biāo)定誤差、CCD固定噪聲和算法誤差。成像系統(tǒng)畸變主要由鏡頭畸變引起，本系統(tǒng)采用的物方遠(yuǎn)心鏡頭視場畸變只有0.02%，所引起的誤差極小。對標(biāo)定誤差，利用標(biāo)準(zhǔn)件在視場不同區(qū)域多次測量的平均效用來提高像素當(dāng)量的標(biāo)定精度。算法誤差主要是由邊緣提取精度引起，邊緣定位精度為0.2pixel，測量誤差為0.003mm。因此，對鏡頭進(jìn)行畸變校正、采用抗噪聲能力更強(qiáng)的邊緣提取算法可進(jìn)一步提高測量精度。

結(jié)語

本系統(tǒng)以近景攝影測量技術(shù)為基礎(chǔ)，采用高分辨率CCD相機(jī)和物方遠(yuǎn)心光路獲取圖像，結(jié)合數(shù)字圖像處理算法，實(shí)現(xiàn)了支撐板異型孔參數(shù)的非接觸、高精度、快速測量。系統(tǒng)檢測單孔時間約200ms，測量精度為0. 0126mm，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了人工檢測向高精度自動檢測的轉(zhuǎn)變，提高了核電關(guān)鍵設(shè)備的生產(chǎn)效率和制造水平。

DOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.13.040