【導(dǎo)讀】撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。關(guān)學(xué)位論文管理部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，傳統(tǒng)的檢測手段已不能完全滿足現(xiàn)代化。工業(yè)生產(chǎn)對機(jī)械零件測量精度和速度的高要求?；趫D像處理的檢測技術(shù)以其快速、精確、柔性高等特點(diǎn)在國外得到了深入研究和廣泛應(yīng)用，在國內(nèi)也越來越受到重視。視覺工具為軟件平臺，快速搭建安全、可靠、高效的零件長度自動測量系統(tǒng)方法。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的功能性以及可靠性。如光源、相機(jī)、鏡頭、軟件平臺等的選擇。對采集的圖像進(jìn)行處理，使其被測特征明顯。如采用均值濾波、卷積、標(biāo)定對圖。如光照，震動對系統(tǒng)的影響。功能完整性、可靠性以及穩(wěn)定性。

　　

【正文】 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 利用圖像測量技術(shù)測量物體幾何尺寸時(shí)，由于光學(xué)鏡頭固有的缺陷，會使采集的圖像存在非線性的幾何畸變 ， 對測量精度產(chǎn)生很大的影響。 所以 必須對 采集的零件圖像 進(jìn)行標(biāo)定以消除 畸變 誤差。傳統(tǒng)的標(biāo)定方法 有 Tsai 兩步法， Weng 迭代法，張正友雙平面法等，應(yīng)用 雖然 較為廣泛 ， 但實(shí)際的標(biāo)定過程 是十分 繁瑣 的 。本 節(jié) 介紹基于 LabVIEW 的視覺工具 vision 組件的標(biāo)定方法，能很好的解決這些問 題。 標(biāo)定模版 為校正畸變對圖像造成的影響，在 LabVIEW 平臺下的標(biāo)定過程中采用具有明顯特征及對應(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。 LabVIEW 通過利用 Canny 濾波器可以提取出標(biāo)定模板中每個(gè)黑色圓點(diǎn)的邊緣，再利用邊緣進(jìn)行圓擬合，得到每個(gè)黑色圓點(diǎn)精確的圓心位置，保證了坐標(biāo)的精度 ，標(biāo)定 模板圖像圖 。 圖 黑色圓點(diǎn)標(biāo)定模版 標(biāo)定 過程 為實(shí)現(xiàn)精確測量，要充分考慮非線性徑向畸變的影響，需選擇 DistoritionModel（ Grid），此模式在矯正非線性畸變的同時(shí)對線性畸變也同樣矯正，即相機(jī)與工作平面不垂直不會影響測量結(jié)果。具體的操作過程如下： （ 1） 載入采集的標(biāo)定模版圖像，圖像中應(yīng)將標(biāo)定模版水平放置于工作平面 ，如圖 所示。 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 ，通過調(diào)節(jié)參數(shù)來對圖像進(jìn)行閾值分割，使黑色圓點(diǎn)從背景中顯現(xiàn)出來。 若標(biāo)定模版 未 完全覆蓋視場， 則需要 手動劃定出標(biāo)定模版的范圍 ， 只有 當(dāng) 模版覆蓋的區(qū)域可以保證測量精度。最后定義識別的點(diǎn)大小范圍以及圓度范圍以防止圖像中細(xì)微噪點(diǎn)被錯(cuò) 誤識別為標(biāo)定圓點(diǎn) ，如圖 圖 分割圖像 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 （ 3）輸入標(biāo)定模版的相關(guān)信息，包括 XSpacing， YSpacing 和 Unit，分別代表 X 方向上相鄰兩個(gè)圓點(diǎn)圓心間的距離， Y 方向上相鄰兩個(gè)圓點(diǎn)圓心間的距離和距離 的單位 ，如圖 。 圖 選定圓心間距離 （ 4）系統(tǒng)將對模版進(jìn)行學(xué)習(xí)，需要手動選定計(jì)算方法，同時(shí)考慮三個(gè)畸變系數(shù)以及切 向畸變將提高標(biāo)定精度，同時(shí)也會降低計(jì)算速度，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇 ，如圖 。 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 ，在測量時(shí)進(jìn)行調(diào)用 標(biāo)定 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。從圖中可以看到出現(xiàn)了明顯的筒形畸變，通過 LabVIEW 軟件的標(biāo)定，很好的修正了畸變給圖像帶來的影響。實(shí)際的測量結(jié)果也同樣讓人滿意，能達(dá)到不錯(cuò)的精度 ，結(jié)果如圖 。 圖 標(biāo)定結(jié)果 由于 本文 條件所限，如能提高標(biāo)定模板的制作精度、工作表面平整度，則可以得到更好的測量效果。 采用 LabVIEW 的視覺工具 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 、 測量精度高， 而 且能夠與 LabVIEW 機(jī)器視覺組件的圖像處理 、 圖像測量功能形成完美的結(jié)合 ， 是傳統(tǒng)方法無法相比的， 在實(shí)際應(yīng)用中很有實(shí)用價(jià)值 。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 零件圖像特征的匹配 方法 要實(shí)現(xiàn)連續(xù) 高效的 測量 ，本文 提出進(jìn)行兩次特征匹配，第一次為檢測零件是否 全部 進(jìn)入相機(jī)的視野范圍 ，若沒進(jìn)入或者未完全進(jìn)入視野，則一直循環(huán)檢測 特征，若檢測到特征，則進(jìn)入下一次特征檢測， 此次特征檢測已知零件進(jìn)入視野，所以選取零件的一部分 為檢測模板，在此模板的基礎(chǔ)上建立相對坐標(biāo)系 ，以實(shí)現(xiàn)測量范圍的精確匹配 。 實(shí)現(xiàn)步驟： （ 1） 選擇幾何匹配函數(shù) ，在 Main 選卡中輸入步驟名，并選擇要查找的范圍，本文選全圖 ，如圖 。 圖 選擇查找范圍 （ 2） 在 Template 選卡中，新建一模板， 在圖中選擇物體 的一部分作為模板，在選擇模板時(shí)要注意模板要選擇物體特征較明顯的部分。 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 。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 圖 選擇匹配模板 （ 3） 選擇建立坐標(biāo)系函數(shù)，在 Main 選卡中輸入步驟名，再在 Setting 選卡中 選擇坐標(biāo)的式，模式確定物體在 相機(jī) 視野內(nèi) 旋轉(zhuǎn)，移動是否能被檢測到 ，如圖 。 圖 建立相對坐標(biāo)系 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 當(dāng)被測物體完全進(jìn)入攝像頭視野內(nèi)時(shí)，模板匹配成功，會框出被測物體的位置，否則會一直匹配模板直到找到被測物體為止，當(dāng)匹配成功后還會在匹配一次新的模板，以建立一個(gè)精確的相對坐標(biāo)系，以后的測量都以這個(gè)相對坐標(biāo)系為參考，測量被測物體周圍的圖像，這種方法很大的提高了測量效率，而且提高了抗干擾能力步驟及結(jié)果 如 圖 、 。 （ a）連續(xù)檢測流程圖（ b）連續(xù)檢測程序 圖 連續(xù)檢測 （ a）特征匹配結(jié)果（ b）相對坐標(biāo)系建立結(jié)果 圖 連續(xù)檢測 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 零件長度 計(jì)量方 式 由于本文 介紹的是 零件長度檢測方法，并且以 美工刀片 為例 ，測量刀片刀刃之間 的 距離 ，因此可以看作是 測量兩條直線間的距離問題。 因此首先要檢測刀片的邊緣 是一個(gè)關(guān)鍵的問題。 由于采用 LabVIEW 測量， 與傳統(tǒng)測量方法有很大差別， LabVIEW 的視覺工具VBAI 中有特定測量函數(shù)， 可 以簡單方便 的完成測量任務(wù)。 方式一 —— 測 點(diǎn)到直線的距離 由于簡化為兩條直線的距離問題，因此采用 了 測量 點(diǎn)到直線的距離，然后兩這點(diǎn)到直線間的距離的平均值，以代替直線到直 線間的距離。因?yàn)閮蓷l直線只有平行時(shí)，才有距離，如果不平行，那么它 們總是會相交的。所以一般來講，使用點(diǎn)到直線間的距離，再求平均值要理想許多。 首先 用 兩次 找直邊函數(shù) 進(jìn)行 直線的擬合， 在設(shè)置選項(xiàng)中設(shè)置好找邊的方向， 指定像素強(qiáng)度過渡類型來確定邊緣 ，以及 找 邊的質(zhì)量， 根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置函數(shù)的各個(gè)參數(shù)， 找到刀片被測的兩條邊 ，具體設(shè)置步驟及結(jié)果如圖 。 圖 找直邊函數(shù)設(shè)置 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 圖 找直邊 結(jié)果 再用兩次幾何測量函。選擇點(diǎn)到直線測量方式，找到 下面一條邊的兩個(gè)點(diǎn)，再找上面邊的 一個(gè)點(diǎn)，測量點(diǎn)到直線的距離 。 再在上面的邊上 取兩點(diǎn)，重復(fù)上面的操作 ，如圖 、 。 圖 三點(diǎn)測量函數(shù) 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 圖 三點(diǎn)測量結(jié)果 方式二 —— 測點(diǎn)到 點(diǎn) 的距離 像這種距離，也可以使用夾鉗、最大夾鉗函數(shù)， 這兩個(gè)函數(shù) 測量的原理是在測 量區(qū)域有很多測量線 ，每條線找到 圖像的邊緣，確定兩點(diǎn)測得其距離， 再把測得的數(shù)值求出平均值 作為測量結(jié)果。 使用 方法為： （ 1） 在 Main 選 卡的 StepName 中 輸入步驟名稱 如圖 。 圖 設(shè)置步驟名 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 （ 2） 在圖像上 通過選擇工具畫好要測量的區(qū)域，并設(shè)置參考坐標(biāo)系。 （ 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 設(shè)置參數(shù) （ 4） 在 Limits 選卡中設(shè)置通過的范圍，如果測得的距離在范圍中 則函數(shù)返回真，否則為假 ，如圖 。 圖 設(shè)置 通過范圍 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 使用該函數(shù)是要經(jīng)過多次試驗(yàn)設(shè)置好卡尺類型， 搜索線之間的距離， 邊緣強(qiáng)度 等參數(shù)。要用此函數(shù)測量要根據(jù)自己的實(shí)際情況合理設(shè)置 各個(gè)參數(shù)，才能達(dá)到理想效果 其結(jié)果 如圖。 圖 夾鉗函數(shù)測量結(jié)果 零件長度檢測方式選擇 用 點(diǎn)到直線的距離， 測量步驟較多 ，用時(shí)比較長，但是優(yōu)點(diǎn)在于 測量結(jié)果穩(wěn)定可靠，使用 夾鉗函數(shù) 一步 測得結(jié)果，步驟簡單但是 對于毛刺干擾 很敏感，如果邊緣有毛刺，則會對測量結(jié)果造成很大的影響 ，適用于零件邊緣光滑無毛刺，要求測量速度較高的場合 。 本文采用的相機(jī)畸變及噪聲 較大， 因此 本文采用 先擬合直線，再使用直線上的點(diǎn)到另一直線的距離進(jìn)行測量，準(zhǔn)確度 和穩(wěn)定度 會高許多 ，對毛刺影響不敏感 。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 36 零件長度 計(jì)量誤差處理 誤差分析 在機(jī)械測量的實(shí)際中，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和測量手段的不斷完善，測量誤差被控制得越來越小，但是對于機(jī)械測量來說誤差存在有它的普遍性和必然性，在現(xiàn)實(shí)的檢測過程中誤差是不能完全消除的，只能盡量減小。 隨著機(jī)械零件檢測精度的要求越來越高，在檢測過程中必須深入研究測量過程中可能出現(xiàn)的的誤差，只有正確的掌握測量系統(tǒng)中誤差的來源，通過對誤差的性質(zhì)的分析，才有可能減小或者消除某些誤差。 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，因此采集的圖像不能真實(shí)的反映實(shí)際被測零件的圖像信息，誤差較大，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中要用專業(yè)的工業(yè)相機(jī)來采集圖像。 （ 2）光源不穩(wěn)定帶來的誤差 光源的質(zhì)量在很大程度上會影響測量的精度與效果，本設(shè)計(jì)采用的是交流電驅(qū)動的普通燈光作為光源，由于交流電的緣故所以燈光一直在閃爍，所以在測同一個(gè)物體時(shí)，每次測量的采集的圖像都不同，引起的誤差比較大。實(shí)際應(yīng)用中 在選擇光源的時(shí)候，如果感覺拿不準(zhǔn)，可以把樣品提供給光源提供商，光源提供商會在 光源實(shí)驗(yàn)室里面 選擇合適的光源。 （ 3） 外界振動干擾誤差 在機(jī)械測量現(xiàn)場，振動會造成相機(jī)與被測零件的相對位置的誤差。無振動干擾的環(huán)境僅僅是理想中的環(huán)境，振動對檢測系統(tǒng)影響是不可避免的，只能盡量減小可避免的外界振。因此在設(shè)計(jì)的檢測 系統(tǒng)必須要求有一定的抗干擾能力。 （ 4） 系統(tǒng)標(biāo)定誤差 在系統(tǒng)標(biāo)定中標(biāo)定的準(zhǔn)確度會直接而且最大程度的影響測量結(jié)果的精度，在本文中采用的是平面標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格作為系統(tǒng)標(biāo)定的參照物。雖然采用平面網(wǎng)格的標(biāo)定較之其他校正方法精度較高而且比較容易操作，但是由于網(wǎng)格自身也存在誤差以及在標(biāo)定過程中網(wǎng)格不同位置的檢測都會帶來標(biāo)定上的誤差。 （ 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)處理過程中進(jìn)行了圖像濾波操作，通過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。 在選擇被測零件邊緣時(shí)，階躍并非理 想模型，測距時(shí)誤差較大。 任何測量總是不可避免地存在誤差，為了提高測量精度，必須盡可能消除或減小誤差 ，因此有必要對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析 以及測得結(jié)果的評定 。 當(dāng)對同一測量值進(jìn)行多次等精度的重復(fù)測量時(shí)，得到一系列不同的測量值 （常稱作測量列）， 每個(gè)測量值都含有誤差，本文由于燈光使用的為交流電， 一直在閃爍 ，而且相機(jī)的分辨率由軟件插值而來。 所以 本文測得的數(shù)據(jù)包含隨機(jī)誤差。 隨機(jī)誤差是由于很多暫時(shí)未能掌握或不便掌握的微小因素 所構(gòu)成的。如果能夠 對某一量進(jìn)行無限多次測量 ，就可得到不受隨機(jī)誤差影響的測量值， 或其影響甚 微，可忽略不計(jì)。由于實(shí)際上都是有限 次測量，本文測量十次求得的平均值 近似地作為被測量的真值。 隨機(jī)誤差處理 本文測量結(jié)果按以下步驟測得： （ 1）求十次測量值的算術(shù)平均值 = （ ） （ 2） 求殘余誤差 （ ） （ 3）求得測量列單次 測量的標(biāo)準(zhǔn)差 （ ） （ 4）求算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差 （ ） （ 5） 求算術(shù)平均值的極限誤差， 因?yàn)闇y量列的測量次數(shù)較少，算術(shù)平 均值的極限誤差 按 分布計(jì)算。已知 = =10 1=9，取 =，查表得 =。根據(jù)= （ ） 求得算術(shù)平均值的極限 誤差。 （ 6）得到最后的測量結(jié)果為 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 38 L= (cm) （ ） 計(jì)量誤差的軟件設(shè)計(jì) 以及顯示界面 如圖 。 （ a）計(jì)量誤差處理程序 （ b）結(jié)果顯示面 板 圖 計(jì)量誤差處理 零件長度 數(shù)據(jù) 儲存 通過 測量 得到 零件長度數(shù)據(jù)后， 為方便后續(xù)的查詢 ，以及通過分析數(shù)據(jù)的走勢判斷系統(tǒng)是否 運(yùn)行良好，是否出現(xiàn)故障影響測量精度 。 LabVIEW 數(shù)據(jù)庫工具包只能操作而不能創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，所以必須借助第三方數(shù)據(jù)庫管理 系統(tǒng)，比如 Access，來創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫。 現(xiàn)今，數(shù)據(jù)庫技術(shù) 的 發(fā)展已經(jīng) 日趨成熟 ，著名的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有 SQL Server、 Microsoft Access、 Oracle、 DB Sybase ASE、 Visual Fo