苗建偉，譚慶昌，李蓮芝

（1.吉林工程技術(shù)師范學(xué)院?汽車工程學(xué)院，吉林?長春?130052；?2.吉林大學(xué)?機械與航空航天工程學(xué)院，吉林?長春?130022）

隨著汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車零部件行業(yè)也受到越來越多的重視。因為汽車階梯軸是汽車零部件的重要組成部分，所以快速、準確、有效的汽車階梯軸軸段長度測量對汽車零部件乃至整車行業(yè)的發(fā)展均具有重要的意義。近年來，長度測量技術(shù)作為一種重要的測量技術(shù)得到了廣泛地研究和應(yīng)用。文獻[1]采用在機測量技術(shù)，應(yīng)用在機測量儀器完成了對角接觸球軸承軸向游動間隙的測量；文獻[2]設(shè)計了一種刀具尺寸測量系統(tǒng)，主要采用CCD線陣圖像傳感器采集被測刀具的圖像，然后通過對圖像信號進行去噪處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用直線擬合測量出刀具的尺寸；文獻[3]先使用AVR單片機完成數(shù)據(jù)采集，然后依據(jù)平面幾何的原理，利用激光測距儀和角度測量塊，設(shè)計了一種線段的非接觸測量系統(tǒng)。

雖然這些研究使長度測量技術(shù)得到了很大程度的發(fā)展，但在這些長度測量的研究中，有些采用的是傳統(tǒng)的接觸式測量法來進行測量，測量過程較為繁瑣，難以實現(xiàn)自動化測量，也有些雖可以實現(xiàn)非接觸測量，但測量系統(tǒng)較為復(fù)雜，不易實現(xiàn)快速測量。為此，本文提出了一種基于機器視覺的測量軸段長度方法，實現(xiàn)對汽車階梯軸軸段長度的非接觸快速測量。該測量方法首先進行攝像機的標定，然后采集一幅階梯軸被測軸段的圖像，利用圖像灰度化方法、邊緣輪廓的檢測技術(shù)、邊緣擬合技術(shù)等對拍攝的圖像進行處理，再通過對圖像的分析求出被測軸段角點的像素坐標，最后結(jié)合攝像機的標定參數(shù)，求出被測軸段的長度尺寸。

1 測量系統(tǒng)

基于機器視覺技術(shù)的汽車階梯軸軸段長度測量系統(tǒng)主要由工裝、CCD攝像機、背景光源、計算機和電源組成。工裝主要用來固定被測汽車階梯軸，可以是機床的安裝裝置，也可以是特制的工裝；CCD攝像機主要用來采集圖像，并將圖像傳輸給計算機；背景光源照射在被測件上，主要是為了獲得更好的圖像對比度；計算機主要給攝像機供電并發(fā)出控制指令，同時接收圖像并對其進行處理，進而計算測量結(jié)果；電源模塊主要為計算機和背景光源供電。測量系統(tǒng)的主要硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 圖像處理

2.1 攝像機的標定

攝像機的標定是進行機器視覺測量的基礎(chǔ)。攝像機的標定主要分為攝像機內(nèi)參、鏡頭畸變系數(shù)的標定和攝像機外參的標定。

圖1 ??測量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

攝像機內(nèi)參的標定主要利用標定板實現(xiàn)，標定板上每個黑白格子的實際距離是已知的，通過讓標定板處于不同的位姿，建立多目標優(yōu)化的模型，求出像素坐標系、物理坐標系、攝像機坐標系、理論圖像坐標系和標定坐標系之間的變換關(guān)系，繼而求出攝像機的各個內(nèi)部參數(shù)。

鏡頭畸變系數(shù)的求解主要是糾正鏡頭由制造和安裝引起的誤差，主要包括徑向畸變、偏心畸變和薄棱鏡畸變。修正鏡頭畸變的模型如（1）式所示。

攝像機外參的標定主要就是為了通過標定，得出圖像尺寸和實際尺寸之間的變換關(guān)系。先安裝一根已知尺寸的多段標準軸并拍攝圖像，然后保持攝像機和工裝頂尖連線的位置不變，通過利用多段軸的圖像進行標定和優(yōu)化分析，得出物體實際尺寸和圖像像素尺寸之間的比例關(guān)系。

2.2 圖像灰度化處理

將獲得的彩色圖像進行灰度化處理，是為了更好地對圖片進行數(shù)字化處理。灰度化的處理方式一般有最大值法、平均值法、分量法等。測量系統(tǒng)采用平均值法對彩色圖像進行灰度化處理，平均值法主要是將表示圖像色彩的三個值平均化處理，如式（2）所示，將得到的結(jié)果作為灰度值，輸出灰度圖像。

2.3 圖像邊緣檢測

圖像邊緣檢測的目的是更好地分離出被測物體圖像的邊緣，從而測量被測物的尺寸。常見的邊緣檢測算法有Robert算子法、Sobel算子法、Prewitt算子法、Canny算子法等[4]。Sobel算子法計算簡潔、速度快、抗噪性較好，對灰度漸變具有良好的處理效果，所以采用Sobel算子法檢測圖像的邊緣。其主要原理是對圖像的像素灰度值進行卷積處理，設(shè)在圖像的橫、縱坐標軸方向的卷積分別為Dx和Dy，g為原圖像的像素灰度，則兩個方向的卷積公式如式（3）所示。

為了提高計算效率，將式（4）轉(zhuǎn)化為：

通過設(shè)定灰度閾值，將式（5）與其對比，即可判斷像素點是否為邊緣點。

2.4 軸端角點檢測

根據(jù)檢測的被測汽車階梯軸圖像的邊緣點，在理論圖像平面擬合軸端角點處兩條直線的方程，則兩條直線的交點坐標就是軸端角點的坐標，軸端點處的直線采用最小二乘法進行擬合，設(shè)在理論圖像平面檢測點的坐標為 ，直線方程為：

利用軸兩端角點的理論圖像坐標，結(jié)合攝像機標定的像素比例，求出被測軸段的長度。測量系統(tǒng)的流程圖如圖2所示。

圖2 ??測試系統(tǒng)流程圖

3 測試與分析

測試系統(tǒng)的主要設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 ??測試系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)

攝像機標定用標定板如圖3所示。

圖 3??標定板示意圖

標定CCD攝像機的內(nèi)外部參數(shù)和鏡頭畸變系數(shù)后，對灰度化的圖像進行邊緣檢測，根據(jù)檢測的邊緣點擬合軸端的兩條邊緣直線，然后確定軸端的角點坐標，最后計算軸段長度。測試時，取5個不同長度的軸段，利用本系統(tǒng)測量所有軸段的長度，得到的計算結(jié)果如表2所示。

表2 ??軸長度測量結(jié)果（mm）

從表2可知，利用測量系統(tǒng)測試5段軸長，其誤差的最大值為0.95 mm，最小值為0.24 mm，誤差率均在±3%之內(nèi)，滿足工程要求。

4 結(jié)????語

汽車階梯軸是汽車的重要組成部分之一，為了快速有效地測量其軸段長度，本文設(shè)計了一種基于機器視覺的汽車階梯軸軸段長度測量系統(tǒng)。首先用標定板標定CCD攝像機的內(nèi)外參數(shù)和鏡頭畸變系數(shù)，其次通過對圖像處理求出軸端點的理論圖像坐標，最后計算被測軸的長度。仿真和試驗結(jié)果表明，該測試系統(tǒng)可以快速有效地測量汽車階梯軸的軸段長度，且測量誤差在±3%之內(nèi)，滿足工程要求，這對實現(xiàn)汽車零部件的自動化檢測具有重要的指導(dǎo)意義。