謝天賜　朱強(qiáng)　胡楊琪　王正一　李凌霄

摘? 要：本文提出了一種基于線結(jié)構(gòu)光的磁石質(zhì)量新型檢測方案。這是一種主動光學(xué)監(jiān)控方法，具有非接觸、高精度的優(yōu)點(diǎn)。檢測系統(tǒng)主要利用磁石表面曲率固定來判定不良品，首先進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，然后通過CCD相機(jī)采集磁石表面激光條紋，利用最小二乘法擬合激光條紋函數(shù)。用MATLAB求出條紋函數(shù)的曲率和平均曲率，然后根據(jù)曲率判斷不良品，最后通過分離裝備分離出不良品。

關(guān)鍵詞：線結(jié)構(gòu)光;相機(jī)標(biāo)定;最小二乘法;曲率

引言

磁石在工業(yè)中是一個(gè)重要的原料，隨著我國制造業(yè)的快速發(fā)展，磁石廣泛應(yīng)用于工業(yè)和商業(yè)上，其中包括醫(yī)藥、制造業(yè)到重工業(yè)。然而，在磁石的生產(chǎn)過程中磁石表面的完整性檢測是一個(gè)重要部分，在傳統(tǒng)的磁石測量方法中大多數(shù)都為接觸式測量，其中三坐標(biāo)測量儀是接觸式測量中技術(shù)最成熟和應(yīng)用最廣泛的工具。由于三坐標(biāo)測量儀測量時(shí)必須與被測物體接觸，有可能會對磁石表面造成一定的損傷。針對傳統(tǒng)測量的弊端，本文提出一種基于線結(jié)構(gòu)光的磁石質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。

1測量基本原理

在由激光源和相機(jī)組成的結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)中，通過激光源對被測物體表面掃描，再由CCD相機(jī)同步采集經(jīng)過物體表面激光條紋圖像，通過對采集的條紋圖像的擬合函數(shù)曲率判定產(chǎn)品是否合格，再根據(jù)系統(tǒng)標(biāo)定中得到的相位和三維坐標(biāo)的關(guān)系獲得磁石的坐標(biāo)，最后通過分離設(shè)備分離出不良品。

1.1線結(jié)構(gòu)光測量的基本原理

在本文中線結(jié)構(gòu)光測量的基本原理如下圖1.1.1所示，通過線結(jié)構(gòu)光對磁石表面進(jìn)行掃描，CCD相機(jī)對圖像進(jìn)行采集。首先需要把線結(jié)構(gòu)光源位置和CCD相機(jī)位置相對固定好，然后進(jìn)行CCD相機(jī)標(biāo)定，通過線結(jié)構(gòu)光對流水線上的磁石進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，CCD相機(jī)采集磁石表面的激光條紋圖像，利用MATLAB對采集到的圖像進(jìn)行灰度處理，圖像增強(qiáng)。最后獲得激光條紋的曲率變化，由于正常表面的曲率是固定的，磁石當(dāng)磁石表面有損壞時(shí)，照射在磁石表面的結(jié)構(gòu)光條紋的曲率和平均曲率就會發(fā)生變化，當(dāng)磁石表面損壞越大曲率偏離范圍越大，本文根據(jù)磁石表面曲率變化來判斷磁石是否合格，從而達(dá)到利用線結(jié)構(gòu)光對流水線上磁石質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

1.2相機(jī)標(biāo)定

1.2.1 CCD相機(jī)標(biāo)定

在相機(jī)標(biāo)定過程中需要了解四個(gè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化，如圖1.2.1所示，世界坐標(biāo)系是在真實(shí)空間中建立的坐標(biāo)系，世界坐標(biāo)系經(jīng)過剛體變換轉(zhuǎn)化為以關(guān)心為參考點(diǎn)的相機(jī)坐標(biāo)系，相機(jī)坐標(biāo)系利用三角相似的原理轉(zhuǎn)化為成像圖面的圖像坐標(biāo)系，最后圖像坐標(biāo)系根據(jù)原點(diǎn)，單位的換算變?yōu)橛脩舻南袼刈鴺?biāo)系。

1.2.2張正友平面模板算法

相機(jī)標(biāo)定算法的好壞影響到磁石的位置坐標(biāo)，如果相機(jī)標(biāo)定不準(zhǔn)確就會導(dǎo)致磁石的位置坐標(biāo)產(chǎn)生誤差，使得磁石監(jiān)控系統(tǒng)的準(zhǔn)確率降低，所以要選擇一個(gè)精度高的相機(jī)標(biāo)定算法。張正友算法和DLT算法相比，由于DLT算法相對簡單，沒有考慮鏡頭成像過程中的畸變，導(dǎo)致標(biāo)定精度低。同時(shí)張正友標(biāo)定法比Tsai算法簡單，成本低。綜上所述，張正友標(biāo)定算法具有實(shí)現(xiàn)容易，成本低，精度高的優(yōu)點(diǎn)，所以本文相機(jī)標(biāo)定采用的是張正友平面模板算法。

本文中對相機(jī)標(biāo)定采用的軟件為MATLAB，如圖1.2.1為采用張友正標(biāo)定法標(biāo)定相機(jī)的誤差分析，平均誤差為0.5。同時(shí)得到CCD相機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)，以及畸變參數(shù)。由于每個(gè)鏡頭的畸變程度各不相同，通過相機(jī)標(biāo)定可以校正這種鏡頭畸變矯正畸變，生成矯正后的圖像。通過相機(jī)標(biāo)定能夠提高像素坐標(biāo)對應(yīng)世界坐標(biāo)的準(zhǔn)確性，使得分離設(shè)備在分離不良品時(shí)能夠更精確的分離坐標(biāo)。

2線結(jié)構(gòu)光曲率提取

本文中線結(jié)構(gòu)光的提取是結(jié)構(gòu)光測量的關(guān)鍵一步，直接影響到最終監(jiān)控結(jié)果的準(zhǔn)確性。首先，CCD相機(jī)對流水線上的磁石進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，CCD相機(jī)將采集到的照片上傳到PC端，PC端利用MATLAB對圖像進(jìn)行灰度二值化處理和圖像分割，利用最小二乘法將圖像分割得到的線結(jié)構(gòu)光圖形擬合成一個(gè)函數(shù)方程，最后利于MATLAB提取出線結(jié)構(gòu)光的曲率和平均曲率。

2.1圖像灰度二值化處理

在工業(yè)應(yīng)用中需要對流水線上采集的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)分析判斷，并且需要對不合格的產(chǎn)品進(jìn)行分揀，所以需要更高的處理速率和系統(tǒng)低延時(shí)。如圖2.1.1所示，對CCD采集到的照片進(jìn)行灰度二值化處理和圖像分割，不僅能到達(dá)減少數(shù)據(jù)量和程序運(yùn)算量的結(jié)果，到達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)低延時(shí)的作用，同時(shí)還能凸顯出目標(biāo)輪廓為下面的擬合函數(shù)做基礎(chǔ)。

2.2亞像素邊緣檢測

本文采用亞像素邊緣檢測方法，此種方法先經(jīng)過傳統(tǒng)模板算子確定邊緣的大致位置，然后用曲線擬合方法求出邊緣的精確位置，經(jīng)過粗、精兩次定位，在不犧牲速度的情況下，就可獲得亞像素級的定位精度。

圖像邊緣檢測大幅度地減少了數(shù)據(jù)量，并且剔除了可以認(rèn)為不相關(guān)的信息，保留了圖像重要的結(jié)構(gòu)屬性。在本文中通過圖像邊緣檢測能夠精確的測量和定位，意味著磁石能夠被定位和測量，包括磁石的像素坐標(biāo)和邊緣輪廓，從磁石像素的邊緣輪廓坐標(biāo)分割圖像來減少圖像處理時(shí)的信息冗余量，進(jìn)一步提高磁石檢測的速率。

2.3最小二乘法擬合激光條紋

最小二乘法是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)。它通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。利用最小二乘法可以簡便地求得未知的數(shù)據(jù)，并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小。最小二乘法還可用于曲線擬合，其他一些優(yōu)化問題也可通過最小化能量或最大化熵用最小二乘法來表達(dá)。在針對只有一些已測數(shù)據(jù)而不太清楚最小乘二擬合函數(shù)時(shí)，采取先打印出已知數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖，然后觀察散點(diǎn)圖大概分布趨向，再確定擬合函數(shù)，也可以確定多個(gè)，最后比較殘差選擇最優(yōu)最小乘二擬合函數(shù)，本文研究中通過建立坐標(biāo)系獲得激光條紋的位置坐標(biāo)，然后通過最小二乘法擬合出激光條紋的函數(shù)方程，用MATLAB計(jì)算出擬合函數(shù)的曲率和平均曲率。

3結(jié)論

由于傳統(tǒng)的接觸式測量會對磁石的表面造成損壞，本文提出了一種基于線結(jié)構(gòu)光的磁石質(zhì)量的新型檢測方案。檢測系統(tǒng)主要利用合格磁石表面曲率固定不變來判定磁石質(zhì)量是否合格，根據(jù)像素坐標(biāo)和世界坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系，來確定磁石的位置坐標(biāo)，當(dāng)判斷出不良品時(shí)，分離設(shè)備根據(jù)相應(yīng)的延時(shí)分離出不良品。

采用本文提出的新型檢測方案，對磁石測量過程中到達(dá)了零損壞的結(jié)果，這點(diǎn)是傳統(tǒng)的接觸式測量所無法實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)中線結(jié)構(gòu)光的檢測準(zhǔn)確率到達(dá)99.9%，符合工業(yè)生產(chǎn)的需求。但是，在算法分析上可以做進(jìn)一步優(yōu)化，提高算法效率，到達(dá)在一秒內(nèi)可以處理更多幀的圖像，提高工業(yè)檢測的效率。

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