【文章內(nèi)容簡介】 割位置定位；玻璃制品行業(yè)中的產(chǎn)品檢測，如產(chǎn)品外形檢測（高度、直徑、不規(guī)則程度等）、內(nèi)部缺陷檢測（裂紋、氣泡等）；機械零件的自動識別及幾何尺寸測量、表面粗糙度和表面缺陷檢測；在現(xiàn)代制藥工業(yè)中，對藥品包裝的檢測及對藥片顏色、尺寸、形狀等的檢測；對磁磚等建筑裝飾材料的表面質(zhì)量及顏色的檢測；用計算機視覺系統(tǒng)自動測量圓木的體積；基于計算機視覺的織物疵點的檢測；利用視覺技術(shù)對皮革缺陷的檢測等等。 視覺測量技術(shù)是一種很有發(fā)展 前途的自動檢測技術(shù)，可以實現(xiàn)智能化、柔性、快速和低成本的檢測。隨著計算機視覺理論研究不斷深入，視覺檢測將很快在各行各業(yè)中廣泛應(yīng)用。視覺測量技術(shù)的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾點： 1). 實現(xiàn)在線實時檢測。 視覺檢測系統(tǒng)大多用在工業(yè)現(xiàn)場及工業(yè)生產(chǎn)線中，對于在線實時檢測，如何將視覺測量系統(tǒng)嵌入到生產(chǎn)線相應(yīng)的工序中，使測量速度與生產(chǎn)線節(jié)拍相一致，是視覺測量走上實際應(yīng)用的關(guān)鍵一步。視覺檢測執(zhí)行時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，使用專用硬件實現(xiàn)獨立于環(huán)境的處理算法，可大大提高圖 像處理速度。 2). 實現(xiàn)智能化檢測。 從 CAD 系統(tǒng)中提取零件視覺模型與檢測信息（包括零件位置與方向、攝像機視角等），選定檢測項目、檢測點和檢測路徑，建立智能檢測規(guī)劃，并控制工業(yè)機器人抓取零件并放置到合適的位置進(jìn)行檢測。 3). 實現(xiàn)高精度檢測。 與視覺系統(tǒng)相比，坐標(biāo)測量機（ Coordinate Measurement Machine， CMM ） 在檢測精度和測量空間范圍上占有很大優(yōu)勢，因此，基于 CMM 的視覺檢測系統(tǒng)已經(jīng)成為視覺檢測技術(shù)的一種新趨勢。集成化的 CMM 和視覺檢測系統(tǒng)可以利 用視覺系統(tǒng)迅速識別零件的形狀及其在測量平臺上的位置和狀態(tài)，完成機器坐標(biāo)系、零件坐標(biāo)系、攝像機坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，幫助 CMM 實現(xiàn)檢測路徑自動形成與測量結(jié)果判斷。同時深入研究亞像素定位技術(shù)，使之應(yīng)用到實際的檢測系統(tǒng)中，以提高檢測精度和降低系統(tǒng)成本。 4). 計算機視覺柔性檢測技術(shù)。 目前幾乎所有的計算機視覺檢測系統(tǒng)都只適用于解決特定的檢測任務(wù)，建立一種較為通用的視覺檢測系統(tǒng)，以適用于不同條件下的檢測任務(wù)，進(jìn)而實現(xiàn)對目標(biāo)進(jìn)行 。 完全檢測 。 ，是目前和將來視覺檢測系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。 5). 研究開發(fā)彩色 圖像、灰度圖像和多譜圖像的處理算法，拓展視覺檢測的應(yīng)用。 視覺測量技術(shù)作為一種新興的檢測技術(shù)，現(xiàn)代工業(yè)為其提供了巨大的需求空間。工業(yè)檢測的復(fù)雜性和多樣性，也必然使工業(yè)圖像檢測技術(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?，隨著計算機視覺技術(shù)自身的成熟和發(fā)展，計算機視覺測量技術(shù)必將在現(xiàn)代和未來制造企業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 論文的主要研究內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu) 視覺測量技術(shù)是綜合了機器視覺、人工智能、模式識別、計算機、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，針對汽車底盤大梁的幾何尺寸采用非接觸的在線測量方法而進(jìn)行的系統(tǒng)開發(fā)研究，通過 確定汽車視覺測量的技術(shù)方案 ,分析檢測系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) ,設(shè)計運動控制系統(tǒng) ,開發(fā)相應(yīng)的運動控制軟件，逐步建立并且完善系統(tǒng)的方案設(shè)計。同時利用試驗樣機 ， 對底盤大梁試樣進(jìn)行檢測試驗研究 ,分析運動速度對檢測結(jié)果的影響關(guān)系 ,最終完成汽車底盤大梁在線視覺測量系統(tǒng) 試驗研究 。 第一章為 引言部分。主要介紹了視覺測量技術(shù)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，以及視覺測量的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用。同時闡述了本文的主要研究內(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 汽車底盤大梁 視覺 動態(tài) 測量系統(tǒng)原理及 選用的硬件和軟件結(jié)構(gòu) 。 第三章 主要是視覺測量系統(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：特征點的提取和匹配；圖像間點變換的估計；圖像融合及拼縫的消除。 第五 章 全文 工作 總結(jié) 。 第二章 視覺測量 系統(tǒng)原理 視覺 測量 基本 原理 人類的大部分信息是通過視覺系統(tǒng)來獲取的 ,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步 ,研究了利用計算機現(xiàn)代化工具來實現(xiàn)視覺功能 ,以 增加對三維世界的理解 ,由此形成了一門嶄新的學(xué)科技術(shù) ,即計算機視覺。計算機視覺測量技術(shù)是計算機視覺理論在工業(yè)生產(chǎn)中的重要應(yīng)用之一 ,視覺檢測的大量程、大視場、非接觸、高精度、無損檢測等特點 ,使其發(fā)展前景廣闊。它可用于機器人、在線檢測和在線監(jiān)控 ,更可用于大尺寸物體的尺寸檢測 ,在一些場合是其他接觸式測量方法無法比擬的 。 視覺檢測系統(tǒng)的任務(wù)是由二維圖像感知環(huán)境三維信息 ,視覺檢測系統(tǒng)應(yīng)該能從攝像機獲取的圖像信息出發(fā) ,計算三維環(huán)境物體的位置、形狀等幾何信息 ,并由此識別環(huán)境中的物體 。 圖像上每一點的亮度反映了空間物體表面某點反 射光的強度 ,而該點在圖像上的位置和空間物體表面相應(yīng)點的幾何位置有關(guān) 。 視覺測量技術(shù)按照照明方式和幾何結(jié)構(gòu)關(guān)系的不同分為主動視覺檢測和被動視覺檢測兩類。被動視覺采用非結(jié)構(gòu)光照明 ,它是根據(jù)被測空間點在不同像面上的相關(guān)匹配關(guān)系 ,來獲得空間點的三維坐標(biāo) :主動視覺是采用結(jié)構(gòu)光照明 ,通過結(jié)構(gòu)光在被測物體上的精確定位來獲取被測信息 。 在視覺測量中 ,用激光作光源可產(chǎn)生各種結(jié)構(gòu)光 :點結(jié)構(gòu)光、線結(jié)構(gòu)光、及多線結(jié)構(gòu)光 ,用一個和多個 CCD 攝像機來接收 ,通過一定算法來獲取結(jié)構(gòu)光所攜帶的被測物體的三維信息 。 把由結(jié)構(gòu)光和 CDC攝像機組成的測 量裝置稱為激光視覺傳感器。按激光產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光的形式 ,激光視覺傳感器可 分為點結(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)生的光束照射被測物體表面 ,經(jīng)表面散射 (或反射 )后 ,用面陣 CCD攝像機接收 ,光點在 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 ,投射到被測區(qū)域形成一激光帶 ,用面陣 CDC 攝像機接收散射光 ,從而獲得被測表面區(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 ,投射到被測表面上形成多條亮帶 ,用面陣 CCD 攝像機接收 , 可獲得表面的三維信息。 系統(tǒng)的原理介紹 根據(jù)測量的實際需要 ,本測量系統(tǒng) 光源 采用 LED 面 光源 。即測量時 ,移動 CCD照相機到達(dá)指點位置（通過接近開關(guān)實現(xiàn)） ,以一定的速度開始攝像 通過 數(shù)據(jù)線傳入計算機進(jìn)行 圖像處理、 分析 和 測量 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 照相機再往回移動進(jìn)行第二次測量保證精確度。 如圖所示 ,測量系統(tǒng)硬件包括 LED 光源 ,面陣 CCD 攝像機 ,標(biāo)定板 ,圖像采集卡 ,計算機等。由于要實現(xiàn)模擬動態(tài)測量的實驗研究 ,所以硬件部分還包括傳動裝置。 現(xiàn)場實際狀況如圖所示。 底盤大梁尺寸和孔徑 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 各部分硬件功能簡介 有測量系統(tǒng)硬件的選擇 ,主要針對從前端的圖像信息傳感組成到末端的計算機。由于計算機的通用性 ,這里不再說明 ,重點在于圖像信息的形成、采集部分 ,對于動態(tài)測量模擬實驗所需儀器也做一簡單介紹。 硬件組成 通常情況下，汽車縱梁尺寸機器視覺在線自動檢測系統(tǒng)的硬件部分指的數(shù)字圖像采集部分，主要由光源、光強傳感器、接近開關(guān)傳感器、工業(yè) CCD、 計算機、圖像采集卡、圖像儲存單元等設(shè)備出口組成。其硬件設(shè)計如下圖 2_4所示 ： 本檢測系統(tǒng)為了提高檢測準(zhǔn)確率和檢測速度，采用了圖像拼接技術(shù)；且對體積較大的縱梁進(jìn)行在線檢測。所以一方面為了減少拼接時的運算量，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，為了實現(xiàn)本檢測系統(tǒng)對縱梁工件的實時自動檢測，需要獲得連續(xù)檢測圖像。結(jié)合這種實際的應(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)計了汽車縱梁裝配工藝孔機器視覺在線自動檢測系統(tǒng)，其主要的功能是通過輸入設(shè)備 (光學(xué)子系統(tǒng)、 CCD攝像頭、圖像采集 卡 )對監(jiān)控的對像進(jìn)行圖像采集，然后由主計算機控制存儲到存儲設(shè)備中，并且經(jīng)過計算機軟件處理系統(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 光源是影響機器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，因為它直接影響輸入數(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特征部分的對比度，克服現(xiàn)場經(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，會引起許多問題如花點和過度曝光會隱藏許多重要信息，陰影會引起邊緣的誤檢，信噪比的降低以及不均勻會導(dǎo)致圖像閥值選擇的困難。沒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)計的關(guān)鍵步驟之一。 許多工業(yè)用的機器視覺檢測系統(tǒng)用可見光作為光源，這主要是因為可見光容易獲得，價格低，并且便于操作。但是，這些光源的一個最大缺點是光能不能保持穩(wěn)定。對于汽車裝配工藝孔在線檢測系統(tǒng)來說，因為光源以常亮照明方式連續(xù)工作，它必須具有很長的壽命，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。本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)約能源等多種優(yōu)點。與傳統(tǒng)的燈具相比，具有節(jié)能：省電 55%；環(huán)保：光源無有害物質(zhì)，且能回收；使用壽命長：達(dá) 5萬小時。 與目前用點光源做成的 LED燈具相比，具有散熱效果好，光衰低，真正達(dá)到5萬小時以上的長壽；面光源做成的燈具，在二次配光時，能隨意控制光照射的角度，避免光的浪費和污染；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部分或特征清楚的周圍的背景區(qū)分開來。例如，使兩者的灰度值的差別盡可能 地大，盡量增強被測部分或特征的邊緣的對比度等，如果可以把欲檢測的物體和背景清楚的分開，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算時間，也可以減少軟件開發(fā)的時間和難度。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。在實驗室中周圍環(huán)境光線是基本恒定的，而在工業(yè)現(xiàn)場則是時變的噪聲，例如，在白天和晚上環(huán)境光線就會發(fā)生很大的變化。采用封閉的照明方案或者增強光照強度就可以屏蔽周圍環(huán)境光線的影響。 本 機器視覺檢測對系統(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，那么就犯了一個十分嚴(yán)重的錯誤，其代價也是非常大的。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，以致影響最后的測量結(jié)果。光源的光強、光照穩(wěn)定性及均勻性等都會對系統(tǒng)的精度和重復(fù)性帶來很大的 影響，有可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)的設(shè)計失敗。在此基礎(chǔ)上，本檢測系統(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 ,又具有信號電荷的存儲 !轉(zhuǎn)移和讀出功能。 CCD器件本身具有很多優(yōu)點 : (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； (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 。在計算機視覺測量技術(shù)中 ,CCD 幾乎是不可缺少的圖像傳感器 。 被測對象的光信息通過光學(xué)成像系統(tǒng)成像于 CCD 的光敏表面 ,CCD 的光敏象元將光強度轉(zhuǎn)換成電荷量 ,CCD在一定頻率的時鐘脈沖的驅(qū)動下 ,在其輸出端可以獲得被測對象的視頻信號。 而在本測量系統(tǒng)中 ,應(yīng)用兩個 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 攝像機為臺灣敏通公司生產(chǎn)的 MTV 一 188lEX 攝像機。該 攝 像 機 CCD 像 素 為 795(H)x596(V)(CCIR), 照度 ), 自 動 快 門1/25~l/10,000se。 (CCIR)。 該攝像機使用的是 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光譜光視效率峰值比較接近。 圖像采集卡 圖像采集是機器視覺系統(tǒng)最前端環(huán)節(jié)，這個環(huán)節(jié)的任務(wù)主要是計算機從圖像采集硬件設(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)備的選擇是機器視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。圖像采