劉 陽，劉 超，許寶卉

(1.重慶工程學(xué)院軟件學(xué)院，重慶 400056；2.貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽 550009；3.運(yùn)城學(xué)院機(jī)電工程系，山西運(yùn)城 044000)

0 引言

機(jī)器視覺主要用于模擬人類的視覺，通過圖像處理去除干擾、獲取有用信息，通過精確的分析理解，快速做出測(cè)量和邏輯推理，提供有利的反饋信息[1]。在缺陷檢測(cè)[2]、尺寸測(cè)量[3]、目標(biāo)識(shí)別[4]、定位引導(dǎo)[5-6]等方面廣泛應(yīng)用。為解決保持力柔性測(cè)量需求，提出一種圓孔識(shí)別定位技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品圓孔識(shí)別及中心坐標(biāo)定位，將得到的坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系中的位姿數(shù)據(jù)并由PLC控制相應(yīng)伺服模組精密動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)該系列產(chǎn)品保持力柔性測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的方法具有現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的高精度識(shí)別定位功能，完全滿足自動(dòng)化柔性測(cè)量的技術(shù)要求，具有較好的應(yīng)用前景和參考價(jià)值。

1 整體設(shè)計(jì)

本文提出的圓孔識(shí)別定位視覺系統(tǒng)是面向先進(jìn)制造領(lǐng)域產(chǎn)品精密裝配加工方向。系統(tǒng)包括PLC控制系統(tǒng)、插針?biāo)欧b置、產(chǎn)品搬運(yùn)伺服模組、圖像采集視覺系統(tǒng)、圖像處理模塊、系統(tǒng)標(biāo)定與系統(tǒng)設(shè)置模塊。系統(tǒng)標(biāo)定模塊使用eye-in-hand (EIH) 手眼系統(tǒng)模型將圖像坐標(biāo)系中圓孔中心坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為伺服機(jī)構(gòu)世界坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)，并通過PLC控制器順序控制圓孔中心運(yùn)動(dòng)到伺服插針的正下方進(jìn)行保持力的柔性自動(dòng)測(cè)量。該系統(tǒng)的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)路線

2 圖像預(yù)處理

視覺系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行處理是基于數(shù)字圖像中的信息進(jìn)行決策的，關(guān)鍵信息與特征的提取是圖像處理系統(tǒng)的核心。通常情況下，由于產(chǎn)品表面特征、照明條件、環(huán)境等因素導(dǎo)致采集的圖像存在一定干擾和噪聲，在關(guān)鍵信息與特征提取前若不經(jīng)過圖像預(yù)處理，會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和定位精度，進(jìn)而降低了視覺系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。圖像預(yù)處理的主要目的是消除圖像中的無用信息、恢復(fù)有用的真實(shí)信息、增強(qiáng)有用信息的可檢測(cè)性和最大限度的簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)。根據(jù)產(chǎn)品特性和采集圖像的特征，設(shè)計(jì)圖2所示預(yù)處理流程，以增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖2 預(yù)處理流程

2.1 閾值分割

閾值分割是一種常用的圖像去噪、簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的方法，本質(zhì)上是對(duì)圖像中具有相同特征的區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記的過程。閾值分割數(shù)學(xué)原理描述如下[7]：

(1)

式中：Bi(x,y)為閾值分割后的圖像；H(x,y)為原圖像的灰度值；H0為分割圖像設(shè)定閾值。

經(jīng)過閾值分割后的圖像數(shù)據(jù)量大為減少，且有效過濾掉背景圖像與噪聲干擾并凸顯目標(biāo)，如圖3所示。其中圖3(a)為原始圖像，圖3(b)為二值圖像。

圖3 閾值分割算法

2.2 形態(tài)學(xué)膨脹與粒子過濾

形態(tài)學(xué)操作可以對(duì)圖像目標(biāo)進(jìn)行腐蝕、膨脹等改變，用來去除二值圖像中無用信息，如噪聲、相互重疊的目標(biāo)邊界等[8]。膨脹是常用的形態(tài)學(xué)操作方法之一，主要使粒子向外擴(kuò)展以填充結(jié)構(gòu)小于結(jié)構(gòu)元素的孔洞、填充圖像凹陷、連通多個(gè)較近的粒子。假設(shè)輸入圖像為A，結(jié)構(gòu)元素為B，則圖像A被B膨脹描述如下：

(2)

由于產(chǎn)品圓孔內(nèi)存在一種特殊且反光較強(qiáng)的金屬零件，圖3(a)可見原始圖像中圓孔特征不清晰，導(dǎo)致二值圖像中圓孔特征不夠飽滿，存在多余裂縫和干擾孔洞，如圖3(b)所示。經(jīng)過膨脹處理后所得圖像如圖4(a)所示。為進(jìn)一步提取圓孔目標(biāo)，可采用Particle Analysis粒子分析算法對(duì)圖4(a)中獨(dú)立目標(biāo)進(jìn)行分析，并按粒子特征選用Particle Filter過濾算法對(duì)粒子面積進(jìn)行圓孔目標(biāo)提取，設(shè)置參數(shù)范圍為[3200，4500]，過濾結(jié)果如圖4(b)所示。經(jīng)過預(yù)處理后的圖像去除了其他干擾信息，只保留了圓孔目標(biāo)。

圖4 圖像預(yù)處理

3 圓孔識(shí)別與定位

圖像預(yù)測(cè)后得到的是無干擾或少干擾的圖像，在此基礎(chǔ)上需要進(jìn)行圖像特征提取以實(shí)現(xiàn)圓孔定位與中心坐標(biāo)計(jì)算。將獲得的坐標(biāo)信息通過相機(jī)標(biāo)定[9]，將像素坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系，即獲得產(chǎn)品圓孔實(shí)際坐標(biāo)信息。

3.1 圓孔檢測(cè)

如圖4(b)所示，由于生產(chǎn)加工、攝像環(huán)境干擾等原因，圓孔圖像不一定均是完整、規(guī)則的圓形，本文提出去除外圍點(diǎn)的最小二乘曲線擬合算法[10-11]進(jìn)行最優(yōu)圓孔邊界的擬合，曲線段擬合示意圖如圖5所示，原理描述如下。

圖5 曲線段擬合示意圖

(1)采用Canny邊緣檢測(cè)算法[12]獲取圖4(b)所示圓孔邊緣輪廓點(diǎn)。

(2)從圓孔輪廓點(diǎn)中隨機(jī)選擇至少3個(gè)點(diǎn)確定一個(gè)圓。

(3)沿著圓周兩邊“像素半徑”所劃定的有效像素范圍，剔除有效范圍外的外圍點(diǎn)，然后按式(3)計(jì)算其平均平方距離MSD。

(3)

式中：N為圓孔輪廓點(diǎn)數(shù)；dk為第k個(gè)輪廓點(diǎn)距離擬合圓邊界的距離。

MSD數(shù)值越大反映出該輪廓點(diǎn)距擬合曲線越遠(yuǎn)，達(dá)到一定閾值時(shí)，該點(diǎn)將被剔除；

(4) 余下的輪廓點(diǎn)重新進(jìn)行曲線擬合，并按式(4)計(jì)算擬合成績(jī)。

s=(1-MSD/d)×1000

(4)

式中d為像素半徑。

當(dāng)MSD越小，輪廓點(diǎn)越靠近擬合曲線，圓孔擬合效果越好。

(5) 若算法滿足終止條件，則輸出最優(yōu)擬合圓，否則跳轉(zhuǎn)步驟(2) 循環(huán)執(zhí)行上述過程。

3.2 相機(jī)標(biāo)定

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用的是雙遠(yuǎn)心鏡頭，視覺系統(tǒng)畸變較小，只需進(jìn)行像素尺寸到實(shí)際尺寸的標(biāo)定。用輔助光源對(duì)標(biāo)定板進(jìn)行打光，保證標(biāo)定板的亮度足夠且均勻，標(biāo)定板成像不能過爆，過爆會(huì)導(dǎo)致特征輪廓的提取的偏移，從而導(dǎo)致圓心提取不準(zhǔn)確。采用基于圓點(diǎn)陣二維平面靶標(biāo)確定物理尺寸和像素間的換算關(guān)系。

圖6為某型號(hào)陶瓷標(biāo)定板，不反光，精度±0.001 mm。通過相機(jī)拍攝帶有固定間距的標(biāo)定板靶面，在圖像上完成圓心坐標(biāo)提取，經(jīng)過標(biāo)定算法計(jì)算可得到圓點(diǎn)間的像素距離dp，而圓點(diǎn)間的實(shí)際間距為固定值dr，通過計(jì)算coe=dr/dp可得相機(jī)的系數(shù)coe。標(biāo)定板dr為2 mm，而圖像處理系統(tǒng)計(jì)算得到圓心間像素距離dp為265 pixels，因此標(biāo)定系數(shù)coe=2×1 000/265，即7.55 μm/pixel。

圖6 圓點(diǎn)標(biāo)定板

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試驗(yàn)證

整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)圖如圖7所示，圖7(a)由搬運(yùn)伺服模組和視覺系統(tǒng)構(gòu)成，用于產(chǎn)品成像、采集、圓孔識(shí)別與產(chǎn)品的搬運(yùn)和定位。圖7(b)為插針?biāo)欧b置，用于保持力自動(dòng)測(cè)量。其工作過程簡(jiǎn)述如下：

(1)自動(dòng)上料裝置將被測(cè)任意角度的產(chǎn)品放置在搬運(yùn)伺服模組的載臺(tái)上并控制模組運(yùn)送到拍照位置；

(2)視覺系統(tǒng)拍照并將產(chǎn)品圖像通過千兆以太網(wǎng)傳送給圖像處理系統(tǒng)；

(3)圖像處理系統(tǒng)將對(duì)圖像進(jìn)行一系列的預(yù)處理、圓孔識(shí)別與精確定位，并通過相機(jī)標(biāo)定和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)，并將坐標(biāo)上傳給PLC控制系統(tǒng)；

(4)PLC控制器根據(jù)世界坐標(biāo)將產(chǎn)品相應(yīng)孔位移動(dòng)到伺服插針的正上方；

(5)控制插針?biāo)欧謩e對(duì)產(chǎn)品每個(gè)孔位進(jìn)行保持力自動(dòng)測(cè)量。

視覺技術(shù)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行視覺系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。圖像采集系統(tǒng)通常由相機(jī)、光源、鏡頭組成，其中選用500萬像素CMOS芯片的GO-5101M型工業(yè)相機(jī)、幀率為22幀/s；根據(jù)視野大小選用0.18倍雙遠(yuǎn)心鏡頭、工作距離為110 mm；光源選用白色無影環(huán)狀LED燈，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行均勻照明以保證獲取清晰圖像。

設(shè)計(jì)開發(fā)的上位機(jī)系統(tǒng)如圖8所示，能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行產(chǎn)品圓孔識(shí)別與定位、通訊狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警信息提示等功能。該系統(tǒng)采用相機(jī)專用網(wǎng)線與PC機(jī)的千兆網(wǎng)口相連，并采用RS232串口與PLC控制器進(jìn)行通信。圖8標(biāo)記出識(shí)別的圓孔，將轉(zhuǎn)換得到的世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)發(fā)送給PLC控制器，PLC控制器進(jìn)行坐標(biāo)運(yùn)算并輸出伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖值以將產(chǎn)品移動(dòng)到測(cè)力插針的正下方，并依順序進(jìn)行保持力測(cè)量。圖8中18#圓孔為當(dāng)前正在測(cè)量圓孔。

圖8 測(cè)量結(jié)果

表1為19芯規(guī)格產(chǎn)品孔位定位結(jié)果。19個(gè)圓孔半徑最大值為35.64 pixels、最小值為35.13 pixels、均值為35.38 pixels；伺服脈沖是根據(jù)圓孔中心坐標(biāo)進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，插針?biāo)欧b置能夠?qū)θ我饨嵌鹊漠a(chǎn)品的孔位進(jìn)行準(zhǔn)確插入并進(jìn)行保持力測(cè)量。此外，將插入后的產(chǎn)品進(jìn)行電子顯微鏡下擦傷與劃痕鏡檢結(jié)果顯示所有孔位均完好無損，驗(yàn)證了視覺技術(shù)用于圓孔識(shí)別與定位的準(zhǔn)確性和有效性。

表1 19芯產(chǎn)品孔位定位結(jié)果

5 結(jié)束語

本文主要研究了一種基于視覺技術(shù)的圓孔定位識(shí)別方法，用于解決某微型產(chǎn)品生產(chǎn)過程中保持力難以快速、柔性自動(dòng)測(cè)量的現(xiàn)狀。該系統(tǒng)將采集到的產(chǎn)品圖像經(jīng)過圖像預(yù)處理算法去除干擾噪聲、凸顯圓孔目標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，采用Canny算法進(jìn)行圓孔目標(biāo)邊緣輪廓點(diǎn)的提取，并通過去除外圍點(diǎn)的最小二乘曲線擬合算法進(jìn)行圓孔目標(biāo)的曲線擬合，并得到圓孔中心坐標(biāo)。將坐標(biāo)上傳給PLC控制器，實(shí)現(xiàn)保持力的柔性測(cè)量?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明：保持力測(cè)量插針插入準(zhǔn)確率為100%，且無擦傷產(chǎn)品現(xiàn)象發(fā)生，驗(yàn)證了本文方法的有效性，為工程實(shí)踐提供了一種有效措施。