一種基于機器視覺柔性冷彎成型在線檢測方法研究

李旭鵬，錢 波，李 強

（北方工業大學 機電工程學院，北京 100144）

0 引言

柔性冷彎成型技術是一種生產橫截面可以按照一定規律變化產品的冷彎成形新技術。與傳統的冷彎成型加工的等截面型材不同，由于柔性冷彎成型的型材截面沿縱向是變化的，因而具有更合理的力學性能。如應用于汽車零部件的成型加工中，在不減弱使用性能的情況下，柔性冷彎產品可以節省材料大約25%～40%，帶來整車質量的顯著降低。因此，與計算機控制技術相結合的柔性冷彎成型技術有著廣泛的應用前景。由于柔性冷彎成型特點，即每個成型道次需要多臺伺服電機協同運動，并且較大的成型軋制力降低成型機與伺服電機對軋輥控制的精度，因此，本文提出一種將機器視覺應用到柔性冷彎成型過程中的檢測反饋方法，實現全閉環控制，提高柔性冷彎成型過程中的控制精度。

1 基于機器視覺柔性冷彎成型檢測系統

所謂機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺技術最早應用于國防和半導體工業，它是將數字圖像處理和數字圖像分析、圖像識別結合起來，實現對特定目標的跟蹤、檢測和控制。

本檢測裝置由線激光發生器、CCD圖像傳感器、圖像采集卡、控制系統及柔性冷彎成型機等組成。其安裝位置如圖1所示。

圖1 線激光與CCD圖像傳感器安裝位置示意圖

如圖1中，線激光發生器放置在成型板材嚙出軋輥后的正上方，在成型板材上形成一條明亮光帶，該光帶即該道次成型后的板材截面形狀。在與成型板材上的明亮光帶成45°角且與一字激光同一水平高度的位置放置了CCD圖像傳感器，對板材上的明亮光帶進行周期性的圖像采集。為了得到更好信噪比的圖片，在成型板材的四周采用遮光板隔離無用光。

CCD圖像傳感器將攝取的有明亮光帶成型板材的圖像經圖像采集卡傳輸到工業控制計算機中，在工業控制計算機中利用Visual C++編程對采集的圖像進行比例還原、二值化、細化和曲線擬合等處理，提取出明亮光帶，即實際成型板材的截面輪廓曲線。與控制系統中的已有的理論截面輪廓相比較得出差值，將差值反饋控制系統，對下一道次的伺服電機進行控制。

2 系統標定圖像還原

所謂圖像還原是指成型板材的截面尺寸值與成型板材上明亮光帶在圖像上對應像素坐標之間的對應關系。由柔性冷彎成型工藝可知，成型板材的截面輪廓中的寬度值既是下一道次軋輥所需運動的位置，所以只需測出成型板材的成型處的寬度值的確定長度即可計算出下一道次軋輥的位移值。

CCD圖像傳感器采集的圖像經采集卡傳輸入工控機后，便成為一幅像素數位704×576的位圖，由位圖的圖像特性可知，圖像上的每個像素在屏幕上都有一個位置坐標值，如圖2(b)所示。

圖2 成型板材明亮光帶與圖像像素值的轉換

在柔性冷彎成型加工前，在成型板材的位置放置長度標尺，其長度要長于CCD圖像傳感器采集圖像的最大寬度，這樣根據采集圖像的像素及圖像中標尺的刻度，即可得到水平長度與像素之間的比例關系。由于CCD圖像傳感器鏡頭畸變且與明亮光帶在空間成45°角的關系，采集的圖像縱坐標會發生空間位置轉換，由于位圖是像素的組合，可以看成是值為0～255的數組組成，根據CCD圖像傳感器與光線的距離及角度，可以對采集的位圖進行矩陣轉換，還原出真實縱坐標。但由于柔性冷彎成型特性軋輥沿板材運動的橫向運動，所以不考慮該因素，只需采集圖像中各點橫坐標值即可。

3 圖像處理

CCD圖像傳感器采集的成型板材圖像傳入計算機后，為了得到準確的截面輪廓曲線寬度值，要對圖像進行一系列處理，并最終記錄下重要的點以便將位圖擬合成矢量圖，為下一步工序做準備。在系統中，所有這些圖像處理工作均采用Visual C++完成算法編程及軟件開發。

3.1 圖像預處理

由于一字激光發生器與CCD圖像傳感器工作在四周有遮光板的情況下，遮蔽了無用光對系統的干擾，得到很好的信噪比圖像，為后續的圖像處理工作節省了大量時間，如圖3所示。

圖3 生產線中的成型板材

有了高信噪比的圖片，接下來便是對圖片中的明亮光帶進行提取。CCD圖像傳感器采集的是圖像為位圖格式，所以先對圖像二值化，在二值圖像中，像素只有0和1兩種取值，為后續圖像處理提供方便條件。根據圖像中的明亮度選擇一個適當的閾值，對圖像二值化處理，處理后的圖片如圖4所示。

圖4 二值化后的圖像

3.2 圖像的細化

由于最終需要輸出DXF文件，以方便與控制系統中該時刻的理論截面相比較，所以需要將位圖轉換成矢量圖。而二值化得到的二值圖像中輪廓線較粗，若用此圖作曲線擬合，精度會很低，所以需要對二值圖像中的曲線細化，進一步精準定位曲線位置，以便下一步的曲線擬合。

二值圖像的細化方法有多種，由于實時性要求比較高，所以選用Zhang快速并行算法[1]。該算法是判斷一個點該不該刪除時要根據它的八個相鄰點的情況來判斷。總結一下，有如下的判斷：1）內部點不能刪除；2）孤立點不能刪除；3）直線端點不能刪除；4）如果P是邊界點，去掉P點后，如果連通分量不增加，則P點可以刪除。該算法的步驟如下。

假設一幅圖像中的一個3×3區域，對各點標記名稱P1，P2…P9，其中P1位于中心，如表1所示。

表13 ×3區域

其中P1=1為黑點，如果同時滿足以下四個條件，則刪除P1點。

1）2 ≤ N (P1) ≤ 6 ；

2）S (P1) =1；

3）P2 ×P4 ×P6=0 ；

4）P4 ×P6 ×P8=0。

其中N (P1) 是 P1 的非零鄰點的個數，S (P1)是以P2,P3,...,P9為序時這些點的值從 0 到 1變化的次數。當對所有邊界點都檢驗完畢后 ,將所有標記了的點除去。

圖5 細化后的圖像

同上一步，僅將前面條件3)改為P2×P4×P8=0 ；條件 4) 改為條件 P2×P6×P8=0。同樣當對所有邊界點都檢驗完畢后,將所有標記了的點除去。

以上兩步操作構成一次迭代。直至沒有點再滿足標記條件 ,這時剩下的即為細化后的曲線，處理結果如圖5所示。

3.3 位圖矢量化

由于最終需要將位圖轉換成DXF格式的文件，所以先將細化后的二值位圖矢量化，并將重要點保存在數組中，為輸出DXF文件做準備。

可以將細化后的二值位圖看成一個二維數組的形式，水平方向的每個像素即為該數組的橫坐標，垂直方向的每個像素即為該數組的縱坐標，而數組中的值則是由0或1構成。黑點的值為1，對細化后的圖像進行反色處理并以圖像左下角為坐標原點建立坐標系，即得到了細線的坐標位置，由于截面形狀比較簡單，且在沿橫坐標方向只有1個像素值為1的點。本文根據曲線大部分是由直線段組成，且由于在線檢測，對圖像矢量化的速度要求比較高，由此提出一種快速矢量化方法。

該方法先對位圖進行逐行逐列掃描，找出圖像的像素值為1的左上點，設為P1點，其對應的坐標為（x1 ,y1）。由于圖像中曲線是連續的像素點，以X軸為序找到像素值為1的下一點設為P2，其對應的坐標為（x2,y2）,且x2=x1+1（1為一個像素），以此類推可以找出一系列的像素值為1的點設為P3，P4，……，并記錄下各點對應的坐標值。

有了P1，P2，……，Pn這些離散的點，即可對位圖中細化的曲線進行矢量化。設置參數Q1，Q2為擬合的中間變量。首先令Q1等于P1點的坐標值，令Q2等于P3點的坐標值，這樣可以確定一條矢量線段，該線段的起點、終點及斜率均已知，這時計算P2點到直線的距離D。

通的兩點Q1,Q2確定的直線方程為：

P2點到直線的距離D為：

設定一個閾值δ，根據成型板材要求的精度，及（2）式中論述的尺寸標定像素與真實值之間的轉換關系，設定閾值δ的大小。如果P2點到Q1與Q2直線的距離大于閾值δ，則將P1，P2點保存，令Q1=P3，Q2=P5，在計算P4到Q1與Q2確定的直線的距離，只需將公式（1）和（2）中的相應坐標值改變即可，依此類推，直到Pn點為止；如果P2點到Q1與Q2直線的距離小于閾值δ，則令Q2=P5，計算P3到Q1與Q2直線的距離，如果依然小于閾值δ，則繼續將Q2=P11，計算P6點到Q1與Q2直線的距離，依此類推，直到點Px+1到Q1與Q2=P2x+1直線時的距離大于閾值δ，則將P1點與Px點保存，令Q1=Px，Q2=Px+2作直線，計算點Px+1到直線的距離。依此類推，一直到Pn點，則曲線的矢量化完成，該方法適合直線段較多的曲線擬合。最后將所有保存的點連接成矢量線段，輸出DXF文件，與控制系統中的理論截面曲線相比較，進行插補運算，控制伺服電機運動。

4 結束語

機器視覺技術應用在柔性冷彎成型控制上是一項獨特的技術革新，它打破了測量板材速度及軋輥運動半閉環控制下一道次伺服電機運動的傳統方式，使檢測裝置遠離機械振動帶來的誤差，并且根據成型板材的截面形狀來控制下一道次的伺服電機，進而控制軋輥的運動軌跡，從根本上提高了測量裝置的穩定性和可靠性。

[1] 吳選忠.Zhang快速并行細化算法擴展[J].福建工程學院學報, 2006(01).

[2] 劉衛光, 李娟.幾種細化算法的比較研究[J].科技風,2010(6).

[3] 武杰, 趙轉萍.機器視覺技術在幾何量測量中的應用[J].現代計量通訊, 2006(6).

[4] 景敏.數字圖像處理技術的應用與發展[J].科技信息,2010(27).

[5] 張錚.數字圖像處理與機器視覺[M].人民郵電出版社,2010.

[6] 馮偉興.VC++數字圖像模式識別技術詳解[M].機械工業出版社, 2010.