【文章內(nèi)容簡介】 出了較高的檢測要求。異型曲面的高精度 檢測技術(shù)逐漸成為了檢測技術(shù)領(lǐng)域研究的新熱點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)，將圖像檢測技術(shù)應(yīng)用于異型曲面的檢測中是該檢測領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢。應(yīng)用圖像處理技術(shù)對異型曲面進(jìn)行檢測，通常是將一定類型的結(jié)構(gòu)光 (光點(diǎn)、光條或光面 )投射到被測的異型曲面上，通過拍攝結(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參數(shù)。隨著圖像測量技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)各領(lǐng)域的應(yīng)用，運(yùn)用圖像處理技術(shù)對機(jī)械零件尺寸進(jìn)行檢測，是機(jī)械工業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)檢測的發(fā)展的必然趨勢之一。 圖像測量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 在國外圖像處理技術(shù)檢測從上 世紀(jì)八十年代初開始已經(jīng)得到了廣泛的研究，國內(nèi)的圖像處理檢測研究從上世紀(jì)九十年代才逐漸開始。當(dāng)近社會，隨著圖像處理檢測系統(tǒng)應(yīng)用的增加，對圖像處理的研究也越來越多。根據(jù)圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域的不同，對圖像處理檢測的研究可以分為不同的種類，然而不同的學(xué)者對分類也有不同的見解。文獻(xiàn)將工業(yè)中應(yīng)用的圖像處理控制系統(tǒng)分為四個類別：尺寸質(zhì)量、表面質(zhì)量、裝配結(jié)構(gòu)和操作質(zhì)量。輿水大和 ?5?將圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域分為四類：產(chǎn)品檢查、機(jī)器人、產(chǎn)品分類和其他應(yīng)用。 尺寸測量是圖像處理研究和應(yīng)用的重要領(lǐng)域，也是一個比較早開始的研究方向。圖 像處理技術(shù)應(yīng)用于尺寸測量工程中時，從視覺系統(tǒng)的硬件 (光源、圖像傳感器等 )的選用到軟件算法的設(shè)計，每一個環(huán)節(jié)都會對最終的性能產(chǎn)生影響。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。 文獻(xiàn) ?6?研究電盤尺寸的測量，采用兩個 75681 象素的 CCD 傳感器分別采集電盤兩個側(cè)面的圖像，通過輪廓跟蹤、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，每個工件檢測只需花費(fèi)的時間約 。 文獻(xiàn) ?7?基于計算機(jī)視覺的活塞環(huán)閉間隙測量系統(tǒng)。同樣采用 795*595 象素數(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)各個參數(shù)之間的關(guān)系。整個系統(tǒng)武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 使用了對圖像邊緣的亞像素定位技術(shù)對 300 微米的開口進(jìn)行測量，測量系統(tǒng)的測量精度到達(dá)177。 47 微米。 文獻(xiàn) ?8?研究的圖像處理在線測量系統(tǒng)測量的范圍是從十幾絲到 30 毫米工件的外輪廓，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)觀察，在同一狀態(tài)下長時間測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)用的將越來越廣泛，其測量精度也將逐漸提 高 ?9?。 虛擬儀器技術(shù) 虛擬儀器 (virtual Instrument)技術(shù)是日益發(fā)展的計算機(jī)硬、軟件和總線技術(shù)在向其它相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域密集滲透的過程中，通過儀器儀表技術(shù)、測試技術(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，而后利用計算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理，從而完成各種測試功能的一種計算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器技術(shù)是現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)在更深層次結(jié)合的產(chǎn)物，也是計算機(jī)輔助測試 (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有的特殊功能的既高檔又廉價的新型儀器。它可通同時建立中英文界面的虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、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)計中，硬件系統(tǒng)僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件系統(tǒng)才是整個儀器的關(guān)鍵，基于軟件系統(tǒng)體系的結(jié)構(gòu)可以大大節(jié)省開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用。虛擬儀器的品種多、功能強(qiáng)、自動化 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)，對數(shù)據(jù)分析處理以及對數(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算機(jī)平臺、系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)軟件以及各種完成應(yīng)用設(shè)計系統(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)儀器中是無法做到的。因此，虛擬儀器是儀器發(fā)展史上的一場重要革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向，并且是信息技術(shù)發(fā)展的一個重要領(lǐng)域，對科學(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。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 課題的背景和意義 伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長和工業(yè)產(chǎn)品精密程度的提高，以及對產(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)等檢測手段雖然簡便、快捷，但測量數(shù)據(jù)較少、精度很低；萬能工具顯微鏡、輪廓儀等檢測手段雖然有較高的檢測精度，但要求在特定的設(shè)備以及特定的環(huán)境下進(jìn)行檢測，不但勞動強(qiáng)度大，效率極低，而且最大的不足是檢測過程同生產(chǎn)過程是分離的，這與現(xiàn)代工業(yè)所要求的在線檢測、實(shí)時控制的要求不符。圖像處理檢測則可以高速、可靠和不間斷地對工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量問題進(jìn)行準(zhǔn)確的檢 測，所以能取代以往費(fèi)時費(fèi)神但又無法保證檢測質(zhì)量的人工檢測方法。 基于虛擬儀器的視覺測量系統(tǒng)融合了最新的傳感器、電子測量和計算機(jī)等技術(shù)，使得視覺檢測設(shè)備具有前所未有的速度、靈活性、測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，以及計算機(jī)的性能和性價比的迅速提高，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)品的開發(fā)周期，通過計算機(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)問題。 鑒于現(xiàn)在圖像處理在產(chǎn)品 測量中應(yīng)用的現(xiàn)狀，本課題針對圖像處理在機(jī)械加工中零件尺寸檢測的應(yīng)用進(jìn)行研究。課題的目標(biāo)是利用圖像處理在工業(yè)檢測中的優(yōu)勢對工業(yè)產(chǎn)品中基本的直線和圓形特征進(jìn)行檢測。本課題的目標(biāo)是研究開發(fā)基于圖像處理的柔性好、效率高的工件長度檢測系統(tǒng)。 本文的研究有助于提高我國機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用水平，提高工業(yè)檢測的質(zhì)量和效率以及對突破國外公司對我國機(jī)器視覺市場的技術(shù)壟斷都具有現(xiàn)實(shí)意義，并且所研究的機(jī)器視覺系統(tǒng)具有一定的經(jīng)濟(jì)價值。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 論文的主要內(nèi)容 本文在查閱大量國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計基于虛擬儀器和 圖像處理 技術(shù)的零件 長度測量 系統(tǒng)。從理論上對 圖像處理 尺寸檢測進(jìn)行研究，設(shè)計適合課題要求、與硬件設(shè)備配套使用的視覺檢測程序。本課題具體的工作內(nèi)容包括： （ 1） 機(jī)器視覺系統(tǒng)的總體構(gòu)建與實(shí)施方案設(shè)計，按照機(jī)器視覺系統(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，搭建一套基于個人計算機(jī)的機(jī)器視覺測量平臺，完成整個系統(tǒng)的整體設(shè)計。 （ 2） 對圖像處理方法進(jìn)行研究，對常用的圖像濾波和邊緣檢算法進(jìn)行研究。通過試驗(yàn)比較它們對機(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 以及長度檢測算法方案 。 （ 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，操作簡單，測量精度高， 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)計算 以及數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)寫入 Access 數(shù)據(jù)庫 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)器視覺系統(tǒng)對零件進(jìn)行測量，對系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 第 2 章 基于圖像的 零件長度 檢測系統(tǒng)總體 設(shè)計 零件長 度 檢測系統(tǒng) 設(shè)計要求 在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中測量零件的尺寸，要求測量系統(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 為軟件處理平臺的上位機(jī)上，經(jīng)過一系列的圖像處理算法，得到零件長度數(shù)據(jù)。以 Access 數(shù)據(jù)庫為存儲方式，將零件的長度數(shù)據(jù)保存，方 便后期查詢。 零件長度 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計方案 通常， 傳統(tǒng) 的機(jī)器視覺系統(tǒng)由以下 幾 個部分 —— 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)器視覺系統(tǒng) 基于 PC 機(jī)的機(jī)器視覺系統(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，然后通過圖像傳感器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號傳遞給計算機(jī)的圖像數(shù)據(jù)采集卡。 本文通過對一系列硬件資料 的分析總結(jié)后，根據(jù) 各個 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)器視覺系統(tǒng) 。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（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)量會直接關(guān)系到拍攝圖像的畫質(zhì)和清晰度，一個好的光源采集的圖像能夠使測量精度更加精確，并且很有可能簡化系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計，提高圖像檢測精度 。 以獲取高品質(zhì)、高對比度的圖像。 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物體的背面，可以獲得高清晰的輪廓，突出 物體外形檢測、尺寸檢測等等，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（論文） 8 相機(jī) 選擇 工業(yè)相機(jī)（亦稱作機(jī)器視覺相機(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)十萬至數(shù)百萬個像素組成。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、時序及同步信號發(fā)生器、垂直驅(qū)動器、模擬數(shù)字信號處理電路組成。 CCD 作為一種功能器件，與真空管相比，具有無灼傷、無滯后、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、智能交通，機(jī)器視覺，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)，無論是靜態(tài)采集還是動態(tài)采集，均可以得到無變形的高質(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。 本文是檢測零件長度信息，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，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；鏡頭的視場和景深應(yīng)該滿足被測量的零件的尺寸要求。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 下面是鏡頭幾個主要參數(shù)的解釋； （ 1）場就是整個系統(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應(yīng)的場景的大小。 （ 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的黑白相叫線來標(biāo)定鏡頭的分辨率，即：每毫米多少線對 (1plmm)。 （ 4）景深：沿光軸方向上物體的尺、 J 或運(yùn)動在一定范圍內(nèi)所成的圖像是清晰的，這個范圍稱為景深。 （ 5）光圈：光學(xué)系統(tǒng)中光線經(jīng)過折射、反射等最后到達(dá)像而．在這個傳輸過程中，并不是所有進(jìn)入系 統(tǒng)的光線最后都能通過，而是有一部分被阻擋。為了能夠調(diào)節(jié)透過的光強(qiáng)度，般鏡頭中都設(shè)置了光嘲，也就是一個多葉片的機(jī)械裝置組成的直徑可變的圓孔，調(diào)整時這個孔的直徑可以連續(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)來表示。 （ 6） F 數(shù)：假