【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 影響。需要根據(jù)具體項(xiàng)目的特點(diǎn)選擇合適的采集系統(tǒng)以及軟件平臺(tái)。 文獻(xiàn) ?6?研究電盤尺寸的測(cè)量，采用兩個(gè) 75681 象素的 CCD 傳感器分別采集電盤兩個(gè)側(cè)面的圖像，通過(guò)輪廓跟蹤、直線分割、和亞象素定位獲得工件的尺寸。在系統(tǒng)精度達(dá)到正負(fù) 毫米的同時(shí)，每個(gè)工件檢測(cè)只需花費(fèi)的時(shí)間約 。 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)。同樣采用 795*595 象素?cái)?shù)的 CCD傳感器，根 據(jù)活塞環(huán)本身幾何參數(shù)的特點(diǎn)推導(dǎo)出了活塞環(huán)各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系。整個(gè)系統(tǒng)武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 使用了對(duì)圖像邊緣的亞像素定位技術(shù)對(duì) 300 微米的開(kāi)口進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度到達(dá)177。 47 微米。 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。 3 微米。 總而言之，在高精度的尺寸測(cè)量領(lǐng)域中圖像處理技術(shù)有著很大的應(yīng)用前景。隨著機(jī)器視覺(jué)硬件制造技術(shù)的不斷發(fā)展和硬件成本的逐步降低，圖像處理技術(shù)在現(xiàn)代化生產(chǎn)中的應(yīng)用的將越來(lái)越廣泛，其測(cè)量精度也將逐漸提高 ?9?。 虛擬儀器技術(shù) 虛擬儀器 (virtualInstrument)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 ????。輸出結(jié)果以多種形式展示，而后利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理，從而完成各種測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器技術(shù)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)在更深層次結(jié)合的產(chǎn)物，也是計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試 (CAT)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。 虛擬儀器技術(shù)可利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，構(gòu)成既有 普通儀器的基本功能又有一般儀器所沒(méi)有的特殊功能的既高檔又廉價(jià)的新型儀器。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。在虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，硬件系統(tǒng)僅僅是為了解決信號(hào)的輸入輸出，軟件系統(tǒng)才是整個(gè)儀器的關(guān)鍵，基于軟件系統(tǒng)體系的結(jié)構(gòu)可以大大節(jié)省開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用。虛擬儀器的品種多、功能強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、具有良好的人機(jī)界面，但它與傳統(tǒng)儀器的功能是相同的：采集 數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)分析處理以及對(duì)數(shù)據(jù)的結(jié)果處理。它們之間重要區(qū)別之一就是靈活性方面。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。因此，虛擬儀器是儀器發(fā)展史上的一場(chǎng)重要革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向，并且是信息技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域，對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展將產(chǎn)生巨大的作用，也必將成為儀器發(fā)展的方向和趨勢(shì)。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 課題的背景和意義 伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)和工業(yè)產(chǎn)品精 密程度的提高，以及對(duì)產(chǎn)品數(shù)量和產(chǎn)片質(zhì)量要求的提高，傳統(tǒng)的尺寸測(cè)量手段己經(jīng)不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的需要。 卡尺、量規(guī)等檢測(cè)手段雖然簡(jiǎn)便、快捷，但測(cè)量數(shù)據(jù)較少、精度很低；萬(wàn)能工具顯微鏡、輪廓儀等檢測(cè)手段雖然有較高的檢測(cè)精度，但要求在特定的設(shè)備以及特定的環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)，不但勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率極低，而且最大的不足是檢測(cè)過(guò)程同生產(chǎn)過(guò)程是分離的，這與現(xiàn)代工業(yè)所要求的在線檢測(cè)、實(shí)時(shí)控制的要求不符。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。 基于虛擬儀器的視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)融合了最新的傳感器、電子測(cè)量和計(jì)算機(jī)等技術(shù)，使得視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備具有前所未有的速度、靈活性、測(cè)量精度和資源的可重用性。 CCD 攝像設(shè)備的分辨率和成像速度等技術(shù)性能的不斷提高，數(shù)字圖像處理技術(shù)的逐步完善，以及計(jì)算機(jī)的性能和性價(jià)比的迅速提高，為這一領(lǐng)域的研究提供了相當(dāng)有利的條件。此外，采用先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)還可以大大縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可獲得的豐富信息亦有助于我們解決各種各樣的技術(shù)問(wèn)題。 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。課題的目標(biāo)是利用圖像處理在工業(yè)檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)對(duì)工業(yè)產(chǎn)品中基本的直線和圓形特征進(jìn)行檢測(cè)。本課題的目標(biāo)是研究開(kāi)發(fā)基于圖像處理的柔性好、效率高的工件長(zhǎng)度檢測(cè)系統(tǒng)。 本文的研究有助于提高我國(guó)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用水平，提高工業(yè)檢測(cè)的質(zhì)量和效率以及對(duì)突破國(guó)外公司對(duì)我國(guó)機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)的技術(shù)壟斷都具有現(xiàn)實(shí)意義，并且所研究的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 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)。從理論上對(duì) 圖像處理 尺寸檢測(cè)進(jìn)行研究，設(shè) 計(jì)適合課題要求、與硬件設(shè)備配套使用的視覺(jué)檢測(cè)程序。本課題具體的工作內(nèi)容包括： （ 1） 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的總體構(gòu)建與實(shí)施方案設(shè)計(jì)，按照機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)，分析系統(tǒng)的組成和硬件的參數(shù)以及性能，這些硬件包括：鏡頭、 光源、相機(jī)、圖像采集卡，選擇各軟件模塊，搭建一套基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的機(jī)器視覺(jué)測(cè)量平臺(tái)，完成整個(gè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。 （ 2） 對(duì)圖像處理方法進(jìn)行研究，對(duì)常用的圖像濾波和邊緣檢算法進(jìn)行研究。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 。 （ 3） 研究 基于 LabVIEW 的 標(biāo)定方法 ， 可以很有效的消除圖像中線性與非線性的畸變，操作簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高， 利用標(biāo)定獲得的內(nèi)參數(shù)校正采集到的圖像的畸變，提高測(cè)量效果。 （ 4） 編制軟件程序?qū)崿F(xiàn)圖像的采集、圖像處理、特征提取和參數(shù)計(jì)算 以及數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)寫入 Access 數(shù)據(jù)庫(kù) 等功能。 （ 5） 基于搭建的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。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。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第 2 章 基于圖像的 零件長(zhǎng)度 檢測(cè) 系統(tǒng) 總體 設(shè)計(jì) 零件長(zhǎng) 度 檢測(cè)系統(tǒng) 設(shè)計(jì)要求 在現(xiàn)代化生產(chǎn) 過(guò)程中測(cè)量零件的尺寸，要求測(cè)量系統(tǒng)必須要具備 高速、 高精度、 穩(wěn) 定、安全、可移植等特點(diǎn) ，應(yīng)能滿足現(xiàn)代工業(yè)快速測(cè)量需求。 本系統(tǒng) 采用 工業(yè)相機(jī)、背照式光源 、圖像采集卡 為零件圖像 采集 裝置 ，將采集 到的圖像傳送到以 LabVIEW 為 軟件處理平臺(tái)的上位機(jī)上， 經(jīng)過(guò)一系列的圖像處理算法，得到零件長(zhǎng)度數(shù)據(jù) 。以 Access 數(shù)據(jù)庫(kù)為存儲(chǔ)方式，將 零件的長(zhǎng)度數(shù)據(jù)保存，方 便后期查詢。 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。 圖 典型的機(jī)器視覺(jué)系 統(tǒng) 基于 PC 機(jī)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)一般由圖像采集、圖像分 析處理、結(jié)果輸出與執(zhí)行幾個(gè)部分組成。其中，圖像采集部分的硬件主要包括：光源、鏡頭、相機(jī)、圖像采集卡。圖像采集部分的任務(wù)是將目標(biāo)物體的特征信息進(jìn)行光學(xué)成像，然后通過(guò)圖像傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)的圖像數(shù)據(jù)采集卡。 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) 。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 光源選擇 光源是成像系統(tǒng)生成圖像的關(guān)鍵模塊，光源的質(zhì)量會(huì)直接關(guān)系到拍攝圖 像的畫質(zhì)和清晰度，一個(gè)好的光源采集的圖像能夠使測(cè)量精度更加精確，并且很有可能簡(jiǎn)化系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)，提高圖像檢測(cè)精度 。 以獲取高品質(zhì)、高對(duì)比度的圖像。 選擇光源的目標(biāo)就是： （ 1） 增強(qiáng)待處理的物體特征 （ 2） 減弱不需要關(guān)注的物體和噪聲的干擾 （ 3） 不會(huì)引入額外的干擾。 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。 本系統(tǒng)采用背光照明光源，光源均勻的從被檢測(cè)物體的背面，可以獲得高 清晰的輪廓，突出 物體外形檢測(cè)、尺寸檢測(cè)等等，如圖 所示。 圖 背光照明方式及其成像實(shí)例 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 相機(jī) 選擇 工業(yè)相機(jī)（亦稱作機(jī)器視覺(jué)相機(jī)）由兩大基本部件組成：圖像感光芯片和數(shù)字化的數(shù)據(jù)接口 。 圖像感光芯片由數(shù)十萬(wàn)至數(shù)百萬(wàn)個(gè)像素組成。像素把光線的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓輸出。 這些像素的電壓被以灰度值的形式輸出，所有像素放在一起就形成了圖 像， 發(fā)送給計(jì)算機(jī)。 數(shù)據(jù)接口主要有 USB 、和千兆以太網(wǎng)三種 。 工業(yè)相機(jī)也不例外，按照芯片類型可以分為 ； （ 1） CCD 相機(jī)、 CMOS 相機(jī)； （ 2） 按照傳感器的結(jié)構(gòu)特 性可以分為線陣相機(jī)、面陣相機(jī)； （ 3） 按照掃描方式可以分為隔行掃描相機(jī)、逐行掃描相機(jī)； （ 4） 按照分辨率大小可以分為普通分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)； （ 5） 按照輸出信號(hào)方式可以分為模擬相機(jī)、數(shù)字相機(jī)； （ 6） 按照輸出色彩可以分為單色（黑白）相機(jī)、彩色相機(jī)； （ 7） 按照輸出信號(hào)速度可以分為普通速度相機(jī)、高速相機(jī)； （ 8） 按照響應(yīng)頻率范圍可以分為可見(jiàn)光（普通）相機(jī)、紅外相機(jī)、紫外相機(jī)等。 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)。 典型的 CCD/相機(jī)由光學(xué)鏡頭、時(shí)序及同步信號(hào)發(fā)生器、垂直驅(qū)動(dòng)器、模擬數(shù)字信號(hào)處理電路組成。 CCD 作為一種功能器件，與真空管相比，具有無(wú)灼傷、無(wú)滯后、低電壓工作、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)線在線檢測(cè)、智能交通，機(jī)器視覺(jué)，科研，軍事科學(xué)，航天航空等眾多領(lǐng)域，比 CMOS 數(shù)字相機(jī)，無(wú)論是靜態(tài)采集還是動(dòng)態(tài)采集，均可以得到無(wú)變形的高質(zhì)圖像。 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)。 在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中， 通常采用 CCD 攝像機(jī)作為的圖像傳感器。 本文是檢測(cè) 零件長(zhǎng)度信息，所以選用黑白面陣 CCD 數(shù)字相機(jī)。 本系統(tǒng)在驚醒實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用普通的 USB 攝像頭。攝像頭為羅技 C170 網(wǎng)絡(luò)攝像頭。 鏡頭選擇 鏡頭選擇要根據(jù)相機(jī)的傳感器尺寸、支座接口形式以及被測(cè)量的零件尺寸等進(jìn)行綜合考慮。鏡頭的成豫應(yīng)能夠完全覆蓋鏡頭的傳感器表面；鏡頭和相機(jī)的聯(lián)接接口形式應(yīng)該盡量相同；鏡頭的視場(chǎng)和景深應(yīng)該滿足被測(cè)量的零件的尺寸要求。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 下面是鏡頭幾個(gè)主要參數(shù)的解釋； （ 1）場(chǎng)就是整個(gè)系統(tǒng)能夠觀察物體的尺寸范圍，也就是與圖像傳感上所成圖像對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景的大小。 （ 2）工作距離：工作距離就 是物距，即：物體到鏡頭的距離。 （ 3）分辨率：分辨率描述的是光學(xué)系統(tǒng)能夠分辨的最小物體的距離一般用成對(duì)的黑白相叫線來(lái)標(biāo)定鏡頭的分辨率，即：每毫米多少線對(duì) (1plmm)。 （ 4）景深：沿光軸方向上物體的尺、 J 或運(yùn)動(dòng)在一定范圍內(nèi)所成的圖像是清晰的，這個(gè)范圍稱為景深。 （ 5）光圈：光學(xué)系統(tǒng)中光線經(jīng)過(guò)折射、反射等最后到達(dá)像而．在這個(gè)傳輸過(guò)程中，并不是所有進(jìn)入系統(tǒng)的光線最后都能通過(guò)，而是有一部分被阻擋。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。鏡頭光圈的大小一般用 F 數(shù)來(lái)表示。 （ 6） F 數(shù)：假定光學(xué)系統(tǒng)的有效孔徑是 d，焦距是 f 那么， Ff／ d。這個(gè)參數(shù)描述了光學(xué)系統(tǒng)的采光能力。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)際工業(yè)應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)相機(jī)的選擇，整體系統(tǒng)方案來(lái)選擇合適的工業(yè)鏡頭。 圖像采集卡選擇 圖像信號(hào)的傳輸是大數(shù)據(jù)量快速傳輸。當(dāng)圖像采集卡的信號(hào)輸入速率較高時(shí)，如果使用個(gè)人計(jì)算機(jī)，圖像采集卡通常采用的 PCI 接口的理論帶寬峰值為 132MB／ S。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。因此，這一任務(wù)通常使用圖像采集卡來(lái)完成。 圖像采集卡是一塊可插入計(jì)算機(jī)或脫離計(jì)算機(jī)獨(dú)立使用的板卡，圖像采集卡將數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)處理送入計(jì)算機(jī)，是圖像采集部分和圖像處理部分的接口。為了避免與其他 PCI 設(shè)備產(chǎn)生沖突時(shí)丟失數(shù)據(jù)，一般在圖像采集卡上應(yīng)有數(shù)據(jù)緩存。一些圖像采集卡還提供數(shù)字I／ O 的功能。 圖像采集卡的技術(shù)參數(shù)主要有以下幾個(gè)： （ 1）圖像傳輸格式：圖像采集卡需要支持系統(tǒng)中相機(jī)所采用的輸出信號(hào)格式。其中 ，LVDS、 CameraLink 和千兆以太網(wǎng)等幾種圖像傳輸形式在機(jī)器視覺(jué)工程中應(yīng)用較為廣泛。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 （ 2）圖像格式：圖像格式也被稱為像素格式，分為灰度和彩