【正文】 譯文、譯文原文（復(fù)印件）。有權(quán)將論文（設(shè)計(jì)）用于非贏利目的的少量復(fù)制并允許論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)入學(xué)校圖書(shū)館被查閱。I 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于圖像的零件 長(zhǎng)度 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) II 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）原創(chuàng)性聲明 本人所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。 作者簽名： 日期： 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）授權(quán)使用說(shuō)明 本論文（設(shè)計(jì)）作者完全了解 **學(xué)院有關(guān)保留、使用畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的規(guī)定，學(xué)校有權(quán)保留論文（設(shè)計(jì)）并向相關(guān)部門送交論文（設(shè)計(jì)）的電子版和紙質(zhì)版。 作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 日期： III 注 意 事 項(xiàng) （論文）的內(nèi)容包括： 1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作） 2）原創(chuàng)性聲明 3）中文摘要（ 300 字左右）、關(guān)鍵詞 4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁(yè)（附件不統(tǒng)一編入） 6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論 7）參考文獻(xiàn) 8）致謝 9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)） ：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于 1 萬(wàn)字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于 萬(wàn)字。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，傳統(tǒng)的檢測(cè)手段已不能完全滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)對(duì)機(jī)械零件測(cè)量精度和速度的高要求。 主要研究?jī)?nèi)容如下： (1)根據(jù)測(cè)試對(duì)象特點(diǎn)搭建圖像處理系統(tǒng)。 (3)利用 LabVIEW 視覺(jué)工具實(shí)現(xiàn)大部分功能，在生成 LabVIEW 初始代碼，再在其基礎(chǔ) 上完成系統(tǒng)各項(xiàng)功能。 本文首先介紹了基于圖像的零件長(zhǎng)度測(cè)量技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，然后提出自己的系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方案，以 及研究對(duì)零件圖像的處理方法得到長(zhǎng)度信息，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的功能完整性、可靠性以及穩(wěn)定性。機(jī)械零件尺寸的檢測(cè)主要包括：機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)尺寸以及機(jī)械零件的位置公差等。 20 世紀(jì) 60 年代開(kāi)始，以圖像處理技術(shù)以及機(jī)器視覺(jué)為核心的圖像測(cè)量技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于測(cè)量領(lǐng)域。特別是在機(jī)械零件幾何形狀和尺寸檢測(cè)中，對(duì)于微小機(jī)械的尺寸、大型機(jī)械的尺寸、復(fù)雜機(jī)械的結(jié)構(gòu)尺寸和異型機(jī)械曲面的尺寸檢測(cè)中具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，具體如下： (1)隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，微小機(jī)械的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)于微小機(jī)械尺寸測(cè)量的要求也越來(lái) 越多。圖像檢測(cè)技術(shù)可以通過(guò)對(duì)大型機(jī)械零件的不同部位進(jìn)行拍攝，得到機(jī)械各部位的多幅并且有重疊的局部圖像，利用圖像之間的信息冗余進(jìn)行圖像拼接，獲得到 機(jī)械武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 零件完整的結(jié)構(gòu)圖像 ?3?，然后通過(guò)圖像分析處理從而得到零件的完整結(jié)構(gòu)尺寸，這種方法不僅簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，而且更重要的是可以保證檢測(cè)結(jié)果的精確性。應(yīng)用圖像處理技術(shù)對(duì)異型曲面進(jìn)行檢測(cè)，通常是將一定類型的結(jié)構(gòu)光 (光點(diǎn)、光條或光面 )投射到被測(cè)的異型曲面上，通過(guò)拍攝結(jié)構(gòu)光的圖像，分析結(jié)構(gòu)光在圖像中的位置從而得到異型曲面的輪廓信息 ?4?，從而求出異型曲面的待測(cè)參數(shù)。根據(jù)圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域的不同，對(duì)圖像處理檢測(cè)的研究可以分為不同的種類，然而不同的學(xué)者對(duì)分類也有不同的見(jiàn)解。圖 像處理技術(shù)應(yīng)用于尺寸測(cè)量工程中時(shí)，從視覺(jué)系統(tǒng)的硬件 (光源、圖像傳感器等 )的選用到軟件算法的設(shè)計(jì)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)最終的性能產(chǎn)生影響。 文獻(xiàn) ?7?基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的活塞環(huán)閉間隙測(cè)量系統(tǒng)。 文獻(xiàn) ?8?研究的圖像處理在線測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的范圍是從十幾絲到 30 毫米工件的外輪廓，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，在同一狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量同一工件誤差只有177。 虛擬儀器技術(shù) 虛擬儀器 (virtual Instrument)技術(shù)是日益發(fā)展的計(jì)算機(jī)硬、軟件和總線技術(shù)在向其它相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域密集滲透的過(guò)程中，通過(guò)儀器儀表技術(shù)、測(cè)試技術(shù)密切結(jié)合共同出的一項(xiàng)全新的成果 ????。它可通同時(shí)建立中英文界面的虛擬儀器面板，完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示，它深刻的改變了傳統(tǒng)儀器的使用方式，使儀器的使用功能和使用效率明顯提高，大幅度降低了儀器的價(jià)格，使用戶可以根據(jù)自己需要定義儀器的新功能。虛擬儀器可由用戶自己定義，這就意味著用戶可以自由地組合計(jì)算機(jī)平臺(tái)、系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)軟件以及各種完成應(yīng)用設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需要的附件，而這種靈活性在由供應(yīng)商定義、功能固定的傳統(tǒng)儀器中是無(wú)法做到的。圖像處理檢測(cè)則可以高速、可靠和不間斷地對(duì)工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行準(zhǔn)確的檢 測(cè)，所以能取代以往費(fèi)時(shí)費(fèi)神但又無(wú)法保證檢測(cè)質(zhì)量的人工檢測(cè)方法。 鑒于現(xiàn)在圖像處理在產(chǎn)品 測(cè)量中應(yīng)用的現(xiàn)狀，本課題針對(duì)圖像處理在機(jī)械加工中零件尺寸檢測(cè)的應(yīng)用進(jìn)行研究。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 論文的主要內(nèi)容 本文在查閱大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于虛擬儀器和 圖像處理 技術(shù)的零件 長(zhǎng)度測(cè)量 系統(tǒng)。通過(guò)試驗(yàn)比較它們對(duì)機(jī)械加工零件圖像的處理效果，找到適合零件圖像的預(yù)處 理方法 以及長(zhǎng)度檢測(cè)算法方案 。利用本文的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)零件進(jìn)行測(cè)量，對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。 零件長(zhǎng)度 檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案 通常， 傳統(tǒng) 的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)由以下 幾 個(gè)部分 —— 光源、相機(jī)、圖像采集卡和圖像處理軟件組成，如圖 所示。 本文通過(guò)對(duì)一系列硬件資料 的分析總結(jié)后，根據(jù) 各個(gè) 硬件的參數(shù)及其選用原則選擇了一套適合本文研究需要 的硬件，其功能以及達(dá)到測(cè)量需要，包括相機(jī)、光源、鏡頭、圖像采集卡， 并使用 這 些硬件搭建了機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng) 。 按照明方式的不同，光源可以分為： （ 1）直接照明光源 （ 2）射照明光源 （ 3）背光照明光源 （ 4） 同 軸照明光源 （ 5） 特殊照明光源。像素把光線的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓輸出。 目前市面上工業(yè)相機(jī)大多是基于 CCD （ Charge Coupled Device ）或 CMOS（ Complementary Metal Oxide Semiconductor）芯片的相機(jī)。 相機(jī)的選擇要 根據(jù)系統(tǒng)的要求綜合考慮鏡頭和圖像采集卡的情況來(lái)選擇相機(jī)的參數(shù)。攝像頭為羅技 C170 網(wǎng)絡(luò)攝像頭。 （ 2）工作距離：工作距離就是物距，即：物體到鏡頭的距離。為了能夠調(diào)節(jié)透過(guò)的光強(qiáng)度，般鏡頭中都設(shè)置了光嘲，也就是一個(gè)多葉片的機(jī)械裝置組成的直徑可變的圓孔，調(diào)整時(shí)這個(gè)孔的直徑可以連續(xù)變化，從而改變鏡頭的有效 7L 徑。有效孔徑越大，能收集到和通過(guò)的光線越多，而焦距越短，這些光線能到達(dá)像面的可能性越大。在實(shí)際使用中， PCI 接口的平均傳輸速率為 50～ 90MB／ S，有可能在傳輸瞬間不能滿足高傳輸率的要求。一些圖像采集卡還提供數(shù)字I／ O 的功能?；叶葓D像在通常情況下，圖像灰度等級(jí)可分為 256 級(jí)，即以 8 位表示。 （ 4）采樣頻率：反映采集卡處理圖像的速度和能力的參數(shù)。采集被測(cè)工件時(shí)要使工件處于良好的采集狀態(tài)：被測(cè)表面與相機(jī)光軸嚴(yán)格垂直。 零件圖像采集流程 本系統(tǒng)采用一個(gè)由交流電驅(qū)動(dòng)的背照式光源作為載物臺(tái)以及光源，由一個(gè) USB 攝像頭作為采集裝置采集零件圖像，方便后續(xù)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)性能及可靠性，采集流程如圖 。 LabVIEW 具有以下特點(diǎn) ： 圖 形化和 圖形驅(qū)動(dòng)式開(kāi)發(fā)環(huán) 境 靈活的程序調(diào)試手段和編程效率 功能強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù) 支持多種系統(tǒng)平臺(tái) 開(kāi)放式的開(kāi)發(fā)平臺(tái) （ 2） IMAQ 視覺(jué)模塊 IMAQ Vision 是 LabVIEW 內(nèi)置的視覺(jué)開(kāi)發(fā)工具包，其中包括 IMAQ Vision 和 Vision Builder 兩個(gè)組件。 NI 的 IMAQ Vision 軟件包 為圖像處理提供了完整的功能。 （ 3） VBAI 概述 VBAI 全稱叫 Vision Builder for Automated Inspection，是 NI 推出的一款視覺(jué)檢查軟件產(chǎn)品， NI 稱其為用于自動(dòng)檢測(cè)的視覺(jué)生成 工具 。 本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案為如圖 所示： 圖 軟件設(shè)計(jì)方案 本章小結(jié) 本章給出了 零件長(zhǎng)度 檢測(cè)系統(tǒng)的 總體方案設(shè)計(jì)，分別介紹了圖像采集的硬件總體方案設(shè)計(jì)，圖像采集流程，以及軟件編寫(xiě)流程和系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)。 零件圖像采集方法 由第二章可知，通過(guò)背光光源照射后使被測(cè)物體特征明顯，在經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)與控制裝置使被測(cè)物體完全進(jìn)入相機(jī)視野，拍攝照片，然后通過(guò)圖像采集卡將采集到的圖片傳到軟件平臺(tái)中處理，得到被測(cè)物體的長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 圖 枚舉 USB 攝像頭 VI 通過(guò)枚舉獲得當(dāng)前計(jì)算機(jī)中可用的 USB 攝像頭，從而選擇要調(diào)用的攝像頭。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 圖 初始化 Grab VI （ 4） 調(diào)用 IMAQ 創(chuàng)建圖像數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，如圖 。 （ 6） 調(diào)用 IMAQ USB ，釋放占有的 USB 攝像頭，如圖 。 通過(guò)以上步驟可以編寫(xiě)一個(gè)完整的圖像采集程序，可以連續(xù)獲得零件圖像，高效的完成圖像采集工作，整體圖像采集程序以及采集到的零件圖如圖 、 。 LabVIEW 實(shí)現(xiàn)灰度圖像轉(zhuǎn)化依靠抽取顏色平面函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體操作步驟如 圖 。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 在現(xiàn)實(shí)的檢測(cè)過(guò)程中無(wú)論是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)還是實(shí)驗(yàn)室仿真環(huán)境，都不可能存在沒(méi)有任何干擾的理想檢測(cè)環(huán)境，因而檢測(cè)過(guò)程中采集的圖像不可避免地會(huì)帶有噪聲，采集到的圖像在傳輸和存儲(chǔ)過(guò)程也會(huì)受到各種噪聲的影響和干擾。也是圖像預(yù)處理的最 關(guān)鍵的步驟之一。有許多不同的算法可用于平滑?？梢匀コS多噪聲，邊緣變得更平滑。通俗的講，高斯濾波就是對(duì)整幅圖像進(jìn)行加權(quán)平均的過(guò)程，每一個(gè)像素點(diǎn)的值，都由其本身和鄰域內(nèi)的其他 像素值 經(jīng)過(guò)加權(quán)平均后得到。 （ a）原圖 （ b） 7*7 卷積運(yùn)算 圖 卷積運(yùn)算后的圖像 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 零件 圖像標(biāo)定和矯正方法 利用圖像測(cè)量技術(shù)測(cè)量物體幾何尺寸時(shí)，由于光學(xué)鏡頭固有的缺陷，會(huì)使采集的圖像存在非線性的幾何畸變 ， 對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生很大的影響。 標(biāo)定模版 為校正畸變對(duì)圖像造成的影響 ，在 LabVIEW 平臺(tái)下的標(biāo)定過(guò)程中采用具有明顯特征及對(duì)應(yīng)關(guān)系的點(diǎn)陣標(biāo)定板，標(biāo)定板如下圖所示 ， 其中每個(gè)黑色圓點(diǎn)的半徑以及相鄰圓點(diǎn)圓心間的距離都是恒定的。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 圖 載入標(biāo)定圖像 （ 2） 采用 RGB、 HSL 等的 一種方法 ，通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行閾值分割，使黑色圓點(diǎn)從背景中顯現(xiàn)出來(lái)。 圖 學(xué)習(xí)模板 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 （ 5）為標(biāo)定圖像設(shè)定坐標(biāo)系 ，以便在后續(xù)測(cè)量中得出點(diǎn)的精確坐標(biāo)值 （ 6）最后將標(biāo)定好的結(jié)果保存為 png 格式文件 ，在測(cè)量時(shí)進(jìn)行調(diào)用 結(jié)果 本實(shí)驗(yàn)中相機(jī)使用的鏡頭為廣角鏡頭 ，畸變率較大。 采用 LabVIEW 的視覺(jué)工具 的標(biāo)定方法可以 十分有效地 消除圖像中線性 、 非線性的畸變， 不但使用方便、 測(cè)量精度高， 而 且能夠與 LabVIEW 機(jī)器視覺(jué)組件的圖像處理 、 圖像測(cè)量功能形成完美的結(jié)合 ， 是傳統(tǒng)方法無(wú)法相比的 ， 在實(shí)際應(yīng)用中很有實(shí)用價(jià)值 。后面幾個(gè)選卡在新建模板時(shí)已經(jīng)設(shè)置好，可以不用重新設(shè)置，如圖 。因此首先要檢測(cè)刀片的邊緣是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。所以一般來(lái)講，使用點(diǎn)到直線間的距離，再求平均值要理想許多。再在上面的邊上取兩點(diǎn)，重復(fù)上面的操作，如圖 、 。 （ 3）在 Setting 選卡中根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置各個(gè)參數(shù)如圖 。 圖 夾鉗函數(shù)測(cè)量結(jié)果 零件長(zhǎng)度檢測(cè)方式選擇 用 點(diǎn)到直線的距離， 測(cè)量步驟較多，用時(shí)比較長(zhǎng)，但是優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠，使用夾鉗函數(shù)一步測(cè)得結(jié)果，步驟簡(jiǎn)單但是 對(duì)于毛刺干擾很敏感，如果邊緣有毛刺，則會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成很大的影響 ，適用于零件邊緣光滑無(wú)毛刺，要求測(cè)量速度較高的場(chǎng)合。 本系統(tǒng)誤差主要有以下幾個(gè)方面： （ 1）圖像采集誤差 相 機(jī)作為檢測(cè)系統(tǒng)的圖像采集設(shè)備，其辨率的大小將直接影響圖像的質(zhì)量， 本系統(tǒng)采用 普通 USB 攝像頭，分辨率由軟件插值達(dá)到 500 萬(wàn)，因此采集的圖像不能真實(shí)的反映實(shí)際被測(cè)零件的圖像信息，誤差較大，因此在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中要用專業(yè)的工業(yè)相機(jī)來(lái)采集圖像。無(wú)振動(dòng)干擾的環(huán)境僅僅是理想中的環(huán)境，振動(dòng)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)影響是不可避免的，只能盡量減小可避免的外界振。 （ 5）軟 件算法誤差 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 37 本文在圖像預(yù)處理過(guò)程中進(jìn)行了圖像濾波操作，通過(guò)濾波可以降低圖像的噪聲，但是也使得圖像中的邊界產(chǎn)生了誤差影響后續(xù)處理中邊界位置誤差。所以本文測(cè)得的數(shù)據(jù)包含隨機(jī)誤差。 隨機(jī)誤差處理 本文測(cè)量結(jié)果按以