基于機(jī)器視覺的電線絕緣厚度自動(dòng)測(cè)量設(shè)備的研究

吳杰

（溫州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)院 浙江 溫州325000）

1 背景和意義

幾何量的測(cè)量與檢驗(yàn)在現(xiàn)代制造業(yè)中占有重要的地位，在各種幾何量測(cè)量儀器儀表中，光學(xué)儀器由于具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),因而占據(jù)著重要的地位。但傳統(tǒng)的測(cè)量儀器和方法由于精度、速度、操作方法等缺點(diǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到所要的檢測(cè)檢要求。投影儀作為傳統(tǒng)的二維坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，在幾何量測(cè)量中具有最為廣泛的應(yīng)用。投影儀大多為上個(gè)世紀(jì)的產(chǎn)品，這種儀器的缺點(diǎn)是讀數(shù)過程繁瑣、測(cè)量時(shí)間長、人員主觀誤差相對(duì)較大、自動(dòng)化程度低等，使得人們無法方便快捷地得到所需要的信息。在整個(gè)測(cè)量過程中，所有的工作都是人為手工操作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，容易出錯(cuò)。目前我國這類傳統(tǒng)的投影儀數(shù)量極大，急需進(jìn)行技術(shù)改造和升級(jí)。因此，基于機(jī)器視覺的自動(dòng)測(cè)量技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)零件尺寸的快速高精度測(cè)量和分選，減少測(cè)量過程中所帶來的人為誤差，對(duì)提高經(jīng)濟(jì)效益，減輕以至解除工人繁重的檢測(cè)工作具有重要意義。

機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺產(chǎn)品(即圖像攝取裝置，分CMOS 和CCD 兩種)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)；圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)削別的結(jié)果來控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。

機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)是基于機(jī)器視覺技術(shù)、光學(xué)測(cè)量原理形成的一種新型檢測(cè)技術(shù)。它以光學(xué)為基礎(chǔ)，融合電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、圖像處理技術(shù)、信息處理等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為一體，組成光、電、計(jì)算機(jī)綜合的檢測(cè)技術(shù)。機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)被測(cè)目標(biāo)時(shí)，把圖像當(dāng)作檢測(cè)和傳遞信息的手段或載體加以利用，其目的是從圖像中提取有用的信號(hào)。它利用光電成像系統(tǒng)采集被控目標(biāo)的圖像，然后經(jīng)計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ玫膱D像處理模塊進(jìn)行數(shù)字化處理，根據(jù)圖像的像素分布、亮度和顏色等信息，來進(jìn)行尺寸、形狀、顏色等的判斷。

電線電纜絕緣厚度和外徑測(cè)量中，傳統(tǒng)的方法包括2009年4月1日剛剛實(shí)施的GB/T2951.11-2008《電線和光纜絕緣厚度和護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法 第11 部分:通用試驗(yàn)方法——厚度和外形尺寸測(cè)量——機(jī)械性能試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)中，提到測(cè)量裝置為讀數(shù)顯微鏡或放大至少10倍的投影儀，讀數(shù)應(yīng)至0.01mm。但該測(cè)量方法提到的測(cè)量設(shè)備已經(jīng)沿用了幾十年，而且所有的工作都是人為手工操作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，容易出錯(cuò)。

基于機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)是圖像識(shí)別、光學(xué)測(cè)量原理形成的一種新型檢測(cè)技術(shù)，很好的解決了以上測(cè)試方法的缺點(diǎn)。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

檢測(cè)技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)比較長的發(fā)展歷程。從傳統(tǒng)手工測(cè)量、機(jī)械測(cè)量到目前的激光測(cè)量和視覺測(cè)量。傳統(tǒng)的測(cè)量儀器和方法由于精度、速度、操作方法等缺點(diǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到所要的檢測(cè)檢要求。沒有精密的檢測(cè)儀器的支持，產(chǎn)品得不到很好的檢測(cè)，精度得不到保證?，F(xiàn)代化的數(shù)字測(cè)量儀器(如光柵式萬能工具顯微鏡)，雖然具有測(cè)量精度高、量程大、讀數(shù)方便、易于微機(jī)化等優(yōu)點(diǎn)，但是存在一些缺點(diǎn)，如測(cè)量的操作難、速度慢、精度有待提高等缺點(diǎn)心。隨著計(jì)算機(jī)圖形圖像學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺等相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字圖像處理理論被用到檢測(cè)行業(yè)中，在二維三維測(cè)量的應(yīng)用很大程度上解決了過去測(cè)量的不足。

目前，國外科研機(jī)構(gòu)都把CCD 與光學(xué)儀器相結(jié)合，研制了許多應(yīng)用CCD 來實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的新型光電測(cè)量儀器。如瑞士豪澤（Hause）公司研制的H602 型光電測(cè)量投影儀就是在普通投影儀的基礎(chǔ)上，加上高精度光柵定位系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，并以CCD 器件作為光電瞄準(zhǔn)頭，進(jìn)行動(dòng)態(tài)瞄準(zhǔn)及自動(dòng)采樣，使測(cè)量效率得到了很大的提高，勞動(dòng)強(qiáng)度也大大降低，數(shù)據(jù)處理方便、準(zhǔn)確。尼康公司推出的NEXIV 圖像測(cè)量系統(tǒng)系列，具有豐富的功能，同時(shí)又易于操作，加上豐富的系統(tǒng)軟件，可以應(yīng)用于包括測(cè)量在內(nèi)的很多方面，系統(tǒng)的測(cè)量精度能夠達(dá)到1μm。機(jī)器視覺與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)相結(jié)合，采用非接觸探測(cè)進(jìn)行三維測(cè)量和物體識(shí)別是柔性制造系統(tǒng)中必不可少的重要設(shè)備，美國、英國、日本、德國、瑞典等國家研制了這種類型的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。美國OGP 公司研制的圖像測(cè)量系統(tǒng)，具有精密的XYZ 工作臺(tái)，采用變焦鏡頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的自動(dòng)調(diào)焦。由于該系統(tǒng)把標(biāo)準(zhǔn)件安放在了鏡頭里，可隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，因此使用非常方便。

近幾年來，國內(nèi)許多單位也把CCD 技術(shù)與光學(xué)儀器結(jié)合，研制了許多新型光電儀器，廣泛應(yīng)用于尺寸測(cè)量中。如浙江大學(xué)將CCD 攝像法用在工件尺寸測(cè)量中，測(cè)量精度誤差小于±2.5%。清華大學(xué)李新秋等所設(shè)計(jì)的CCD 外徑測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量區(qū)域?yàn)?0mm×60mm，測(cè)量精度為0.01mm。武漢測(cè)繪科技大學(xué)使用面陣CCD 實(shí)現(xiàn)鋼板長寬尺寸在線實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量范圍15m×3m，測(cè)量精度優(yōu)于5mm。

目前各個(gè)電線電纜生產(chǎn)廠家和各個(gè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)目前普遍采用的傳統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行電線絕緣厚度測(cè)量，有些生產(chǎn)企業(yè)花幾十萬元購買的進(jìn)口的圖像測(cè)量系統(tǒng)，雖然自動(dòng)化程度較高，但都沒有專門針對(duì)該行業(yè)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。本系統(tǒng)將專門針對(duì)電線電纜厚度等的測(cè)試而研制，是符合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的。

3 研究開發(fā)的內(nèi)容

研發(fā)整機(jī)臺(tái)架，包括上下和前后左右的三維運(yùn)動(dòng)控制模塊，該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制器構(gòu)成。圖像采集系統(tǒng)，包括CCD攝像機(jī)和圖像采集卡。照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)使得明確被測(cè)部分或特征、均勻照明，減少反射、盡量屏蔽環(huán)境光線的影響。主控計(jì)算機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它用于控制圖像采集和伺服驅(qū)動(dòng)等子系統(tǒng)，完成圖像處理并對(duì)測(cè)量過程中采集的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出測(cè)量結(jié)論并進(jìn)行誤差評(píng)定。對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，邊緣檢測(cè)屬于圖像分割的范疇，是將圖像中有意義的特征或者需要應(yīng)用的特征提取出來。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，提取出最小厚度點(diǎn)、6個(gè)絕緣厚度點(diǎn)、2個(gè)外徑點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)該測(cè)試的全自動(dòng)化。

針對(duì)攝像系統(tǒng)的圖像失真進(jìn)行技術(shù)分析和研究，提出有效的失真校正算法來解決圖像采集系統(tǒng)所獲得的圖像失真；

通過對(duì)圖像邊緣檢測(cè)技術(shù)的研究為物體尺寸的檢測(cè)和定位打下良好的基礎(chǔ)，在高精密檢測(cè)系統(tǒng)，被測(cè)對(duì)象的邊緣精確獲取是關(guān)鍵。本系統(tǒng)對(duì)常用邊緣檢測(cè)算子的比較，選擇邊緣檢測(cè)效果最好的算子，保證了單像素邊緣，并通過與亞像素算法的有機(jī)結(jié)合，高精度定位邊緣點(diǎn)的位置，大大提高了檢測(cè)系統(tǒng)的精度；

針對(duì)全自動(dòng)測(cè)量的存在的誤差問題提出基于相關(guān)法圖像配準(zhǔn)的改進(jìn)方法，二次配準(zhǔn)策略及其算法，提高了全自動(dòng)測(cè)量的準(zhǔn)確性和精度；

進(jìn)行系統(tǒng)軟件的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，并對(duì)尺寸進(jìn)行評(píng)定，給出合格與否結(jié)論，保存數(shù)據(jù)以供重復(fù)操作和查詢。

4 預(yù)期目標(biāo)

以往在工業(yè)生產(chǎn)過程中，常由檢驗(yàn)人員來完成產(chǎn)品的質(zhì)量檢查，但由于數(shù)量和種類多，尺寸大小不一，可靠性得不到保證。所以迫切需要研制能夠發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品變形或缺陷等的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，保證產(chǎn)品質(zhì)量?；跈C(jī)器視覺的電線絕緣厚度自動(dòng)測(cè)量技術(shù)，通過圖像邊緣定位法和基于相關(guān)法圖像配準(zhǔn)的改進(jìn)方法，突破性傳統(tǒng)單點(diǎn)逐個(gè)測(cè)試方法，實(shí)現(xiàn)了電線電纜絕緣厚度和外徑的全自動(dòng)測(cè)量，其測(cè)量精度達(dá)到10μm。本測(cè)試系統(tǒng)可以幫助企業(yè)進(jìn)行電線電纜絕緣厚度和外徑質(zhì)量控制活動(dòng)，大幅度提高檢測(cè)效率和精度，同時(shí)技術(shù)檢測(cè)機(jī)構(gòu)利用該設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)也能很好的應(yīng)付不同電線產(chǎn)品檢測(cè)類型需要和檢測(cè)效率的需要，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益明顯。本測(cè)試系統(tǒng)一旦研制成功，將有望在各電線電纜生產(chǎn)企業(yè)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)中得到普及，為企業(yè)進(jìn)行電線絕緣厚度和外徑質(zhì)量控制提供有力手段，具有一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。若本測(cè)試系統(tǒng)的整合技術(shù)進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)讓，批量生產(chǎn)后，可帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]王秀珍 圖像識(shí)別技術(shù)淺論 內(nèi)蒙古 2008

[2]王延忠 張國鋼 雷震天圖像識(shí)別技術(shù)在螺旋錐齒輪接觸區(qū)分析中的應(yīng)用北京2007

[3]江可萬吳琦 圖像識(shí)別技術(shù)在印刷線路板精密測(cè)試中的應(yīng)用 上海2009