【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 割位置定位；玻璃制品行業(yè)中的產(chǎn)品檢測(cè)，如產(chǎn)品外形檢測(cè)（高度、直徑、不規(guī)則程度等）、內(nèi)部缺陷檢測(cè)（裂紋、氣泡等）；機(jī)械零件的自動(dòng)識(shí)別及幾何尺寸測(cè)量、表面粗糙度和表面缺陷檢測(cè)；在現(xiàn)代制藥工業(yè)中，對(duì)藥品包裝的檢測(cè)及對(duì)藥片顏色、尺寸、形狀等的檢測(cè)；對(duì)磁磚等建筑裝飾材料的表面質(zhì)量及顏色的檢測(cè)；用計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量圓木的體積；基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的織物疵點(diǎn)的檢測(cè)；利用視覺(jué)技術(shù)對(duì)皮革缺陷的檢測(cè)等等。 視覺(jué)測(cè)量技術(shù)是一種很有發(fā)展 前途的自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)智能化、柔性、快速和低成本的檢測(cè)。隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論研究不斷深入，視覺(jué)檢測(cè)將很快在各行各業(yè)中廣泛應(yīng)用。視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)： 1). 實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)。 視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)大多用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)及工業(yè)生產(chǎn)線中，對(duì)于在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，如何將視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)嵌入到生產(chǎn)線相應(yīng)的工序中，使測(cè)量速度與生產(chǎn)線節(jié)拍相一致，是視覺(jué)測(cè)量走上實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵一步。視覺(jué)檢測(cè)執(zhí)行時(shí)間在很大程度上取決于底層圖像處理（圖像平滑、濾波、分割等）速度。因此，使用專用硬件實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于環(huán)境的處理算法，可大大提高圖 像處理速度。 2). 實(shí)現(xiàn)智能化檢測(cè)。 從 CAD 系統(tǒng)中提取零件視覺(jué)模型與檢測(cè)信息（包括零件位置與方向、攝像機(jī)視角等），選定檢測(cè)項(xiàng)目、檢測(cè)點(diǎn)和檢測(cè)路徑，建立智能檢測(cè)規(guī)劃，并控制工業(yè)機(jī)器人抓取零件并放置到合適的位置進(jìn)行檢測(cè)。 3). 實(shí)現(xiàn)高精度檢測(cè)。 與視覺(jué)系統(tǒng)相比，坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（ Coordinate Measurement Machine， CMM ） 在檢測(cè)精度和測(cè)量空間范圍上占有很大優(yōu)勢(shì)，因此，基于 CMM 的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成為視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的一種新趨勢(shì)。集成化的 CMM 和視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)可以利 用視覺(jué)系統(tǒng)迅速識(shí)別零件的形狀及其在測(cè)量平臺(tái)上的位置和狀態(tài)，完成機(jī)器坐標(biāo)系、零件坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，幫助 CMM 實(shí)現(xiàn)檢測(cè)路徑自動(dòng)形成與測(cè)量結(jié)果判斷。同時(shí)深入研究亞像素定位技術(shù)，使之應(yīng)用到實(shí)際的檢測(cè)系統(tǒng)中，以提高檢測(cè)精度和降低系統(tǒng)成本。 4). 計(jì)算機(jī)視覺(jué)柔性檢測(cè)技術(shù)。 目前幾乎所有的計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)都只適用于解決特定的檢測(cè)任務(wù)，建立一種較為通用的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，以適用于不同條件下的檢測(cè)任務(wù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行 。 完全檢測(cè) 。 ，是目前和將來(lái)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向。 5). 研究開(kāi)發(fā)彩色 圖像、灰度圖像和多譜圖像的處理算法，拓展視覺(jué)檢測(cè)的應(yīng)用。 視覺(jué)測(cè)量技術(shù)作為一種新興的檢測(cè)技術(shù)，現(xiàn)代工業(yè)為其提供了巨大的需求空間。工業(yè)檢測(cè)的復(fù)雜性和多樣性，也必然使工業(yè)圖像檢測(cè)技術(shù)呈現(xiàn)出復(fù)雜性和多樣性，這種復(fù)雜性和多樣性為我們提供了廣闊的研究領(lǐng)域?？傊S著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)自身的成熟和發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)必將在現(xiàn)代和未來(lái)制造企業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 論文的主要研究?jī)?nèi)容及組織結(jié)構(gòu) 視覺(jué)測(cè)量技術(shù)是綜合了機(jī)器視覺(jué)、人工智能、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)、控制論、電子電路等多學(xué)科的交叉而形成的高新技術(shù)，本文 結(jié)合課題已有的理論知識(shí)，針對(duì)汽車底盤(pán)大梁的幾何尺寸采用非接觸的在線測(cè)量方法而進(jìn)行的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究，通過(guò) 確定汽車視覺(jué)測(cè)量的技術(shù)方案 ,分析檢測(cè)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) ,設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) ,開(kāi)發(fā)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制軟件，逐步建立并且完善系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。同時(shí)利用試驗(yàn)樣機(jī) ， 對(duì)底盤(pán)大梁試樣進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)研究 ,分析運(yùn)動(dòng)速度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響關(guān)系 ,最終完成汽車底盤(pán)大梁在線視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng) 試驗(yàn)研究 。 第一章為 引言部分。主要介紹了視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，以及視覺(jué)測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用。同時(shí)闡述了本文的主要研究?jī)?nèi)容和本文的文章結(jié)構(gòu) 。 第二章 主要具體 介紹本文采用的 汽車底盤(pán)大梁 視覺(jué) 動(dòng)態(tài) 測(cè)量系統(tǒng)原理及 選用的硬件和軟件結(jié)構(gòu) 。 第三章 主要是視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng) 采集得到圖像后的 圖像處理。主要詳細(xì)介紹了圖像數(shù)字模型，圖像的去噪，圖像邊緣檢測(cè)的幾種算法及圖像復(fù)原的方法。 第四章 主要是圖像拼接技術(shù)， 分為三部分：特征點(diǎn)的提取和匹配；圖像間點(diǎn)變換的估計(jì)；圖像融合及拼縫的消除。 第五 章 全文 工作 總結(jié) 。 第二章 視覺(jué)測(cè)量 系統(tǒng)原理 視覺(jué) 測(cè)量 基本 原理 人類的大部分信息是通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)獲取的 ,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步 ,研究了利用計(jì)算機(jī)現(xiàn)代化工具來(lái)實(shí)現(xiàn)視覺(jué)功能 ,以 增加對(duì)三維世界的理解 ,由此形成了一門嶄新的學(xué)科技術(shù) ,即計(jì)算機(jī)視覺(jué)。計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)是計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論在工業(yè)生產(chǎn)中的重要應(yīng)用之一 ,視覺(jué)檢測(cè)的大量程、大視場(chǎng)、非接觸、高精度、無(wú)損檢測(cè)等特點(diǎn) ,使其發(fā)展前景廣闊。它可用于機(jī)器人、在線檢測(cè)和在線監(jiān)控 ,更可用于大尺寸物體的尺寸檢測(cè) ,在一些場(chǎng)合是其他接觸式測(cè)量方法無(wú)法比擬的 。 視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的任務(wù)是由二維圖像感知環(huán)境三維信息 ,視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該能從攝像機(jī)獲取的圖像信息出發(fā) ,計(jì)算三維環(huán)境物體的位置、形狀等幾何信息 ,并由此識(shí)別環(huán)境中的物體 。 圖像上每一點(diǎn)的亮度反映了空間物體表面某點(diǎn)反 射光的強(qiáng)度 ,而該點(diǎn)在圖像上的位置和空間物體表面相應(yīng)點(diǎn)的幾何位置有關(guān) 。 視覺(jué)測(cè)量技術(shù)按照照明方式和幾何結(jié)構(gòu)關(guān)系的不同分為主動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)和被動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)兩類。被動(dòng)視覺(jué)采用非結(jié)構(gòu)光照明 ,它是根據(jù)被測(cè)空間點(diǎn)在不同像面上的相關(guān)匹配關(guān)系 ,來(lái)獲得空間點(diǎn)的三維坐標(biāo) :主動(dòng)視覺(jué)是采用結(jié)構(gòu)光照明 ,通過(guò)結(jié)構(gòu)光在被測(cè)物體上的精確定位來(lái)獲取被測(cè)信息 。 在視覺(jué)測(cè)量中 ,用激光作光源可產(chǎn)生各種結(jié)構(gòu)光 :點(diǎn)結(jié)構(gòu)光、線結(jié)構(gòu)光、及多線結(jié)構(gòu)光 ,用一個(gè)和多個(gè) CCD 攝像機(jī)來(lái)接收 ,通過(guò)一定算法來(lái)獲取結(jié)構(gòu)光所攜帶的被測(cè)物體的三維信息 。 把由結(jié)構(gòu)光和 CDC攝像機(jī)組成的測(cè) 量裝置稱為激光視覺(jué)傳感器。按激光產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光的形式 ,激光視覺(jué)傳感器可 分為點(diǎn)結(jié)構(gòu)光傳感器、線結(jié)構(gòu)光傳感器、及多線結(jié)構(gòu)光傳感器。 (1)點(diǎn)結(jié)構(gòu)光傳感器 :以半導(dǎo)體激光器作為光源 ,其產(chǎn)生的光束照射被測(cè)物體表面 ,經(jīng)表面散射 (或反射 )后 ,用面陣 CCD攝像機(jī)接收 ,光點(diǎn)在 CCD敏感面上的位置將反映出表面在法線方向上的變化。 (2)線結(jié)構(gòu)光傳感器 :半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)柱面鏡變成線結(jié)構(gòu)光 ,投射到被測(cè)區(qū)域形成一激光帶 ,用面陣 CDC 攝像機(jī)接收散射光 ,從而獲得被測(cè)表面區(qū)域的截面形狀或輪廓。 (3)多線結(jié)構(gòu)光傳感器 ::半導(dǎo)體激光器產(chǎn) 生的激光擴(kuò)束后照射到光柵上 ,便產(chǎn)生多條線結(jié)構(gòu)光 ,投射到被測(cè)表面上形成多條亮帶 ,用面陣 CCD 攝像機(jī)接收 , 可獲得表面的三維信息。 系統(tǒng)的原理介紹 根據(jù)測(cè)量的實(shí)際需要 ,本測(cè)量系統(tǒng) 光源 采用 LED 面 光源 。即測(cè)量時(shí) ,移動(dòng) CCD照相機(jī)到達(dá)指點(diǎn)位置（通過(guò)接近開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)） ,以一定的速度開(kāi)始攝像 通過(guò) 數(shù)據(jù)線傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行 圖像處理、 分析 和 測(cè)量 等 ,最終獲得 大梁 中孔 的幾何參數(shù)。 到達(dá)結(jié)束位置后， CCD 照相機(jī)再往回移動(dòng)進(jìn)行第二次測(cè)量保證精確度。 如圖所示 ,測(cè)量系統(tǒng)硬件包括 LED 光源 ,面陣 CCD 攝像機(jī) ,標(biāo)定板 ,圖像采集卡 ,計(jì)算機(jī)等。由于要實(shí)現(xiàn)模擬動(dòng)態(tài)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)研究 ,所以硬件部分還包括傳動(dòng)裝置。 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況如圖所示。 底盤(pán)大梁尺寸和孔徑 CCD 采集圖像 圖像預(yù)處理 圖像去噪，還原，拼接等一系列操作 數(shù)據(jù) 采集卡圖像傳 入 PC 大梁 孔徑 提取 數(shù)據(jù)處理 參數(shù)顯示 各部分硬件功能簡(jiǎn)介 有測(cè)量系統(tǒng)硬件的選擇 ,主要針對(duì)從前端的圖像信息傳感組成到末端的計(jì)算機(jī)。由于計(jì)算機(jī)的通用性 ,這里不再說(shuō)明 ,重點(diǎn)在于圖像信息的形成、采集部分 ,對(duì)于動(dòng)態(tài)測(cè)量模擬實(shí)驗(yàn)所需儀器也做一簡(jiǎn)單介紹。 硬件組成 通常情況下，汽車縱梁尺寸機(jī)器視覺(jué)在線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件部分指的數(shù)字圖像采集部分，主要由光源、光強(qiáng)傳感器、接近開(kāi)關(guān)傳感器、工業(yè) CCD、 計(jì)算機(jī)、圖像采集卡、圖像儲(chǔ)存單元等設(shè)備出口組成。其硬件設(shè)計(jì)如下圖 2_4所示 ： 本檢測(cè)系統(tǒng)為了提高檢測(cè)準(zhǔn)確率和檢測(cè)速度，采用了圖像拼接技術(shù)；且對(duì)體積較大的縱梁進(jìn)行在線檢測(cè)。所以一方面為了減少拼接時(shí)的運(yùn)算量，提高拼接速度，確保前后兩幅圖像序列有一定的重疊區(qū)域。另一方面，為了實(shí)現(xiàn)本檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)縱梁工件的實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)，需要獲得連續(xù)檢測(cè)圖像。結(jié)合這種實(shí)際的應(yīng)用需求和當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，在前人工作的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了汽車縱梁裝配工藝孔機(jī)器視覺(jué)在線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，其主要的功能是通過(guò)輸入設(shè)備 (光學(xué)子系統(tǒng)、 CCD攝像頭、圖像采集 卡 )對(duì)監(jiān)控的對(duì)像進(jìn)行圖像采集，然后由主計(jì)算機(jī)控制存儲(chǔ)到存儲(chǔ)設(shè)備中，并且經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)軟件處理系統(tǒng)的分析、處理之后，輸出相應(yīng)的信息到輸出設(shè)備。 照明 光源 光源是影響機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)輸入的重要因素，因?yàn)樗苯佑绊戄斎霐?shù)據(jù)的質(zhì)量和至少 30％的應(yīng)用效果，合適的照明能夠突出被測(cè)特征部分的對(duì)比度，克服現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常出現(xiàn)的各種不定因素，提供高質(zhì)量、高解析度的圖像；不合適的照明，會(huì)引起許多問(wèn)題如花點(diǎn)和過(guò)度曝光會(huì)隱藏許多重要信息，陰影會(huì)引起邊緣的誤檢，信噪比的降低以及不均勻會(huì)導(dǎo)致圖像閥值選擇的困難。沒(méi)有一種通用照明系統(tǒng)能夠適用 于任何類型的工作模式，因此為了在有限條件下達(dá)到最大的穩(wěn)定性，從現(xiàn)有的各種照明系統(tǒng)中，選擇適合應(yīng)用目的的最佳照明光源是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟之一。 許多工業(yè)用的機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)用可見(jiàn)光作為光源，這主要是因?yàn)榭梢?jiàn)光容易獲得，價(jià)格低，并且便于操作。但是，這些光源的一個(gè)最大缺點(diǎn)是光能不能保持穩(wěn)定。對(duì)于汽車裝配工藝孔在線檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，因?yàn)楣庠匆猿Ａ琳彰鞣绞竭B續(xù)工作，它必須具有很長(zhǎng)的壽命，且發(fā)光穩(wěn)定，功耗較低，因此需要選擇 LED(Light Emitting Diode)光源。 照明方式選擇 在所述長(zhǎng)槽內(nèi)位于該導(dǎo)光板外側(cè)位 置還卡設(shè)有用以發(fā)散經(jīng)導(dǎo)光板傳出的光線擴(kuò)散片。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)約能源等多種優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的燈具相比，具有節(jié)能：省電 55%；環(huán)保：光源無(wú)有害物質(zhì)，且能回收；使用壽命長(zhǎng)：達(dá) 5萬(wàn)小時(shí)。 與目前用點(diǎn)光源做成的 LED燈具相比，具有散熱效果好，光衰低，真正達(dá)到5萬(wàn)小時(shí)以上的長(zhǎng)壽；面光源做成的燈具，在二次配光時(shí)，能隨意控制光照射的角度，避免光的浪費(fèi)和污染；由于體積小，面光源能做成造型更美觀的燈具。 本檢測(cè)系統(tǒng)中照明系統(tǒng)的選擇應(yīng)遵循的原則首先要使被測(cè)部分或特征清楚的周圍的背景區(qū)分開(kāi)來(lái)。例如，使兩者的灰度值的差別盡可能 地大，盡量增強(qiáng)被測(cè)部分或特征的邊緣的對(duì)比度等，如果可以把欲檢測(cè)的物體和背景清楚的分開(kāi)，那么就可以大大減少圖像處理算法的復(fù)雜性，從而減少圖像處理的運(yùn)算時(shí)間，也可以減少軟件開(kāi)發(fā)的時(shí)間和難度。再者要減少反射，這樣可以減少由于光照而給圖像帶來(lái)的額外的噪聲，使汽車縱梁盡量以不失真的面貌成像，減少圖像處理算法的步驟，并要盡量屏蔽環(huán)境光線的影響。在實(shí)驗(yàn)室中周圍環(huán)境光線是基本恒定的，而在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)則是時(shí)變的噪聲，例如，在白天和晚上環(huán)境光線就會(huì)發(fā)生很大的變化。采用封閉的照明方案或者增強(qiáng)光照強(qiáng)度就可以屏蔽周圍環(huán)境光線的影響。 本 機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求很高，即要求每次拍攝的圖像質(zhì)量應(yīng)該是保證的，只有這樣，才能確保以后處理工作的有效性。如果認(rèn)為不適當(dāng)?shù)膱D像 采設(shè)備、照明系統(tǒng)可以被后續(xù)的圖像處理算法輕易的消除，那么就犯了一個(gè)十分嚴(yán)重的錯(cuò)誤，其代價(jià)也是非常大的。因此照明光源的好壞直接影響著圖像的成像質(zhì)量、邊緣提取及圖像拼接的效果，以致影響最后的測(cè)量結(jié)果。光源的光強(qiáng)、光照穩(wěn)定性及均勻性等都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的精度和重復(fù)性帶來(lái)很大的 影響，有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)失敗。在此基礎(chǔ)上，本檢測(cè)系統(tǒng)選用 LED面 光源。 如圖所示： 面陣 CCD CCD(ChargeCoupledDeviee)即電荷藕合器件 ,是一種新型的固體成像器件 ,它是在大規(guī)模硅集成電路工藝基礎(chǔ)上研制而成的模擬集成電子芯片 ,它既具有光電轉(zhuǎn)換功能 ,又具有信號(hào)電荷的存儲(chǔ) !轉(zhuǎn)移和讀出功能。 CCD器件本身具有很多優(yōu)點(diǎn) : (1)CCD 器件是一種固體化的器件 ,體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、壽命長(zhǎng)； (2)圖像畸變小 ,尺寸重現(xiàn)性好； (3)具有較高的空間分辨率 ,光敏元間距的幾何尺寸精度高； (4)具有較高的光電靈敏度和較大的動(dòng)態(tài)范圍。 根據(jù)光敏像素的排列方式 ,CDC 攝像器件可分為面陣 CCD 和線陣 CCD 兩大類 。在計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)中 ,CCD 幾乎是不可缺少的圖像傳感器 。 被測(cè)對(duì)象的光信息通過(guò)光學(xué)成像系統(tǒng)成像于 CCD 的光敏表面 ,CCD 的光敏象元將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電荷量 ,CCD在一定頻率的時(shí)鐘脈沖的驅(qū)動(dòng)下 ,在其輸出端可以獲得被測(cè)對(duì)象的視頻信號(hào)。 而在本測(cè)量系統(tǒng)中 ,應(yīng)用兩個(gè) CCD 進(jìn)行采集 ,是為了拍攝到完整的 大梁 輪廓曲線。系統(tǒng)中所用的 CCD 攝像機(jī)為臺(tái)灣敏通公司生產(chǎn)的 MTV 一 188lEX 攝像機(jī)。該 攝 像 機(jī) CCD 像 素 為 795(H)x596(V)(CCIR), 照度 ), 自 動(dòng) 快 門1/25~l/10,000se。 (CCIR)。 該攝像機(jī)使用的是 SONY 面陣 CCD,ICX039DLA,它的光敏響應(yīng)靈敏度曲線 (如圖 ),面陣 CCD 的光譜響應(yīng)靈敏度的峰值約位于入二51snm 處 ,與正常人眼的明視覺(jué)光譜光視效率峰值比較接近。 圖像采集卡 圖像采集是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)最前端環(huán)節(jié)，這個(gè)環(huán)節(jié)的任務(wù)主要是計(jì)算機(jī)從圖像采集硬件設(shè)各中得到圖像。圖像采集設(shè)備的分辨率決定了成像系統(tǒng)的分辨率。因此圖像采集設(shè)備的選擇是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。圖像采