李瑾 虞波

摘要：機(jī)器視覺(jué)技術(shù)與幾何量精密測(cè)量的有效融合是強(qiáng)化穩(wěn)定性，降低人為誤差，提升測(cè)量效率的重要方面。基于此，本文就機(jī)器視覺(jué)下的幾何量精密測(cè)量系統(tǒng)展開(kāi)分析，研究了單片機(jī)控制、圖像處理、光柵信號(hào)處理等模塊的相關(guān)內(nèi)容，并以此在光學(xué)成像系統(tǒng)、毫米刻線的精準(zhǔn)定位、零件尺寸的輔助測(cè)量、縱橫向兩只光柵尺信號(hào)處理等方面進(jìn)行了分析，為幾何量精密測(cè)量的重復(fù)精度以及測(cè)量精度提供了參考意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué);幾何量;精密測(cè)量

引言：隨著智能化、自動(dòng)化技術(shù)的普及推廣，其在工業(yè)制造與生產(chǎn)方面的應(yīng)用，滿足了高精度零件的幾何量精密測(cè)量的要求，進(jìn)而摒棄了傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器中人為主觀因素大、讀書(shū)時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)量過(guò)程繁瑣等不足。其中機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的融入使幾何量精密測(cè)量技術(shù)中萬(wàn)能工具顯微鏡的運(yùn)作效率進(jìn)一步加深，使得長(zhǎng)度、圓、角等方面幾何量的精密測(cè)量被有效推進(jìn)，并且通過(guò)與AutoCAD軟件的結(jié)合，輔助測(cè)量零件尺寸得以實(shí)現(xiàn)。

1.??? 幾何量精密測(cè)量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1? 系統(tǒng)測(cè)量原理

本文測(cè)量系統(tǒng)的基本原理是利用光柵信號(hào)采集卡、圖像采集卡通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合運(yùn)算，獲取數(shù)據(jù)結(jié)果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量結(jié)果的采集。通過(guò)在萬(wàn)能工具顯微鏡X、Y向?qū)к壟c拖板間分別安裝X與Y向光柵尺，進(jìn)而利用X與Y向采集卡獲取坐標(biāo)值的整數(shù)部分。在中央顯微鏡以及X、Y向讀數(shù)目鏡上分別安裝基于工件檢測(cè)的CCD以及X、Y向檢測(cè)的CCD，并且采取工件對(duì)邊以及工件對(duì)線處理，在保證待檢目標(biāo)與作用于工件檢測(cè)的CCD視場(chǎng)中心點(diǎn)對(duì)齊后，通過(guò)萬(wàn)能顯微鏡玻璃尺上刻線的位置獲取坐標(biāo)值的小數(shù)部分。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)一定的算法，得到該點(diǎn)的坐標(biāo)，并通過(guò)同樣的方式得到另一點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)而利用兩點(diǎn)的坐標(biāo)值計(jì)算長(zhǎng)度、直徑等待測(cè)數(shù)值，再將結(jié)果導(dǎo)入AutoCAD軟件，實(shí)現(xiàn)零件的尺寸圖形以及尺寸標(biāo)注結(jié)果的獲取。在測(cè)量過(guò)程中主要應(yīng)用的萬(wàn)能工具顯微鏡是一種二維尺寸側(cè)量的代表性用具，在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，其通過(guò)縱、橫導(dǎo)板以及光學(xué)照明系統(tǒng)的綜合運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)用CCD光學(xué)成像系統(tǒng)代替人眼，形成瞄準(zhǔn)與讀數(shù)的分工協(xié)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)用自動(dòng)化的機(jī)器視覺(jué)代替人眼目視的轉(zhuǎn)換。

1.2? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的編寫(xiě)中，一般以面向?qū)ο蟮木幊淘O(shè)計(jì)模式以及思維，通過(guò)Windows系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)的多文檔主控界面，利用用戶界面與接口功能模塊、光柵數(shù)據(jù)處理、圖像處理模塊、數(shù)據(jù)記錄、處理、顯示等相關(guān)模塊的綜合運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性的測(cè)量。其操作流程是通過(guò)將初始化的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，之后利用導(dǎo)板的粗對(duì)準(zhǔn)開(kāi)始對(duì)于工件圖像進(jìn)行采集處理，若未對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行導(dǎo)板的微調(diào)，若已對(duì)準(zhǔn)則開(kāi)始讀數(shù)，之后再通過(guò)導(dǎo)板的微調(diào)實(shí)現(xiàn)下一待測(cè)點(diǎn)的測(cè)量，完成所有待測(cè)點(diǎn)的測(cè)量后，對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的處理。

2.??? 光柵信號(hào)處理模塊

2.1? 總體設(shè)計(jì)

光柵信號(hào)處理模塊作為自動(dòng)讀數(shù)環(huán)節(jié)的核心模塊，其由單片機(jī)電路、電源轉(zhuǎn)換電路、整形濾波電路、FPGA與配置電路共同組成，在依據(jù)幾何量精密測(cè)量系統(tǒng)的總體測(cè)量要求，并通過(guò)借助Protel99SE對(duì)于硬件電路原理圖繪制的基礎(chǔ)上，利用Quartus II以及Keil C51實(shí)現(xiàn)相應(yīng)軟件的設(shè)計(jì)，進(jìn)而完成對(duì)于X軸向以及Y軸向的兩只光柵尺信號(hào)的獲取與綜合處理，進(jìn)而完成整數(shù)位讀數(shù)的最終目標(biāo)[1]。

其中，F(xiàn)PGA主要用于光柵信號(hào)的精選、分類(lèi)、方向識(shí)別、計(jì)數(shù)等數(shù)據(jù)輸出，配置電路用于利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，將FPGA的內(nèi)部邏輯電路信息下載與配置芯片內(nèi)部;整形濾波電路用于非方波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)其向標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)的轉(zhuǎn)化;單片機(jī)電路可以將FPGA邏輯電路輸出的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)向位移量的轉(zhuǎn)換，并借助串口將數(shù)據(jù)發(fā)送與計(jì)算機(jī)，以做進(jìn)一步的處理;電源轉(zhuǎn)化電路的功用是為系統(tǒng)整體提供電源。

2.2? 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要有以下幾方面的內(nèi)容：（1）光柵尺的選擇，要依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，一般用于整數(shù)位的讀數(shù)，如型號(hào)WTB100與WTB200的國(guó)產(chǎn)萬(wàn)濠光柵尺，;（2）濾波整形電路，用于將光柵尺的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的TTL防波信號(hào);（3）FPGA與配置電路，可以利用可編輯邏輯器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的邏輯電路，F(xiàn)PGA利用下載電纜間代碼向配置芯片傳送，通過(guò)數(shù)字化的信號(hào)處理有效減小電路大小，并提升提升整體電路的穩(wěn)定性，配置電路可以將代碼通過(guò)JTAG接口傳送到FPGA芯片中進(jìn)行調(diào)試;（4）單片機(jī)電路，可以采用MAXIM公司的MAX3232芯片，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間的電平轉(zhuǎn)換;（5）電源轉(zhuǎn)換電路，在不借助額外直流穩(wěn)壓電源的基礎(chǔ)上，可以直接利用5V的電源適配器。

2.3? 軟件設(shè)計(jì)

借助可編程控制器，將硬件設(shè)計(jì)軟件化的FPGA集成化設(shè)計(jì)，可以自上而下的在一片F(xiàn)PGA器件中實(shí)現(xiàn)光柵信號(hào)處理的全部功能，在降低系統(tǒng)整體復(fù)雜性的基礎(chǔ)上，降低了成本，并有效提升起穩(wěn)定性，以光柵信號(hào)選擇電路、細(xì)分辨向電路、可逆計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)輸出電路作為FPGA的內(nèi)部邏輯電路，以此完成對(duì)X向與Y向光柵尺信號(hào)的處理。

3.??? 圖像處理模塊

3.1? 圖像采集

圖像的采集是整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，其中分辨率較高的圖像是實(shí)現(xiàn)正確的計(jì)算與分析的基礎(chǔ)，其中主要有：（1）CCD攝像機(jī)的選擇，可以借助CCD實(shí)現(xiàn)采集到的信號(hào)向電信化的轉(zhuǎn)化，因此要依據(jù)測(cè)量中的功用與精度進(jìn)行不同分辨率、像素、光敏尺寸的選擇;（2）圖像采集卡，可以完成系統(tǒng)中的視覺(jué)捕捉功能，將攝像機(jī)模擬的信號(hào)轉(zhuǎn)化成離散的數(shù)字量，進(jìn)而將其存入計(jì)算機(jī)。

3.2? 圖像處理

3.2.1????? 預(yù)處理

彩色圖像的數(shù)據(jù)量相比之下偏大，因此，為方便測(cè)量需要將彩色位圖進(jìn)行灰度化處理，進(jìn)而在降低處理數(shù)據(jù)量的基礎(chǔ)上，最大限度的保留圖像的信息。此外，由于圖像在采集和傳輸?shù)倪^(guò)程中存在噪聲污染，導(dǎo)致工件圖像以及毫米刻線圖像的失真。因此，需要利用VC++6.0編程完成圖像的灰度轉(zhuǎn)化，提升圖像的邊緣信息[2]。

3.2.2????? 亞像素定位

工件圖像的邊緣定位、線定位以及毫米刻線的定位等方面的精度與否，會(huì)對(duì)于幾何量精測(cè)測(cè)量系統(tǒng)整體精確度產(chǎn)生重要形象，因此，可以借助亞像素定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工件圖像的邊緣、線和毫米刻線的亞像素定位，其中亞像素算法可以采用擬合法與灰度重心法。

3.2.3????? 工件圖像的處理

其中有邊緣定位與線定位兩種，邊緣定位可以在Sobel對(duì)于邊緣檢測(cè)算子完成初步定位后，再借助最小二乘曲線擬合法實(shí)現(xiàn)亞像素的精確定位;線定位的基本原理是通過(guò)擬合形成新直線代替原有檢測(cè)目標(biāo)，進(jìn)而判斷工件待測(cè)點(diǎn)與中心線的中心點(diǎn)是否重合，一般采用灰度重心法。

3.2.4????? 小數(shù)位讀數(shù)的實(shí)現(xiàn)

毫米刻線定位，利用閾值處理分離目標(biāo)與背景，并通過(guò)尋找毫米刻線的灰度值信息，計(jì)算出毫米刻線的中心點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過(guò)擬合毫米刻線實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)字信號(hào)的處理，并通過(guò)建立數(shù)字圖像與實(shí)際值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，完成邊緣線的計(jì)算機(jī)輔助對(duì)齊與毫米刻線的精準(zhǔn)定位。

結(jié)論：綜上所述，為實(shí)現(xiàn)幾何量精密測(cè)量技術(shù)的突破性發(fā)展，需要在保證其現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、圖像處理技術(shù)等高新技術(shù)，形成集光、機(jī)、電于一體的測(cè)量系統(tǒng)。為此，技術(shù)人員需要在綜合分析機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、兩只光柵尺信號(hào)采集處理、工件圖像和玻璃刻度尺毫米刻線圖像的處理等基礎(chǔ)上，進(jìn)行幾何量精密測(cè)量系統(tǒng)軟件程序的開(kāi)發(fā)，以此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、精確化的幾何量測(cè)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]?? 胡洪磊.淺談機(jī)器視覺(jué)技術(shù)及其在機(jī)械制造自動(dòng)化中的應(yīng)用[J].通訊世界，2020，27（02）：128-129.

[2]?? 王幗媛，王海亮，蔡錚，等.淺談工業(yè)制造業(yè)中幾何量測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用[J].航空精密制造技術(shù)，2019，55（05）：43-46.