工件表面質量檢測中高速圖像采集技術研究

諸曉鋒　吳開華

摘要： 針對工件表面質量在線檢測過程中的高速圖像采集環節，提出了一種工件圖像高速采集方法。分析了圖像采集中定位精度、運動模糊、曝光時間和工件運行速度之間的定量關系，研究了傳送機構與工件表面的振動對圖像采集的影響，設計了圖像采集時序。利用光電傳感器實現工件的快速觸發，使用高精度延時模塊實現工件的準確定位，通過減小曝光時間控制運動模糊。基于高速采集方法設計了高速圖像采集系統，定位精度小于0.1 mm，運動模糊小于1pixel，保證了工件的準確定位和圖像的清晰度，有效保證了工件表面質量檢測。

關鍵詞： 工件表面質量； 高速圖像采集； 運動模糊

中圖分類號： TB96 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.04.004

Abstract： Aiming at the high-speed image acquisition of workpiece surface online detection， a workpiece image high-speed online acquisition method was produced. The quantitative relationship between the positioning accuracy in the high speed online image acquisition，motion blur， exposure time， and the speed of workpiece was analyzed. The effect between the vibration of the workpiece and transfer mechanism was analyzed. An image acquisition sequence was designed. Fast trigger was implemented by photoelectric sensor. The accurate positioning was implemented by using the high accurate time delay module， controlling the motion blur by reducing the exposure time. A high-speed image acquisition system was designed based on the high-speed image acquisition method. The positioning accuracy was less than 0.1 mm，and the motion blur was less than 1 pixel， ensuring the accuracy of the workpiece positioning and image quality. It is advantageous to the quality detection of workpiece surface.

Keywords： the quality of workpiece surface； high-speed image acquisition； motion blur

引 言

隨著我國先進制造業的發展，對工件表面質量在線檢測的自動化程度和檢測效率提出了更高的要求，工件表面質量高速檢測已經逐漸取代低效率的人工觀測和低速自動檢測的方式[1-2]。大恒圖像研制的接插件檢測系統能實現對接插件的外觀質量和三維尺寸數據的檢測，檢測效率為20個/s[3]；Keyence提供的薄片零件檢測系統對薄片零件實現尺寸和表面質量的檢測，檢測效率為30個/s[4]。

高速圖像采集在高速檢測中起著重要的作用，高速圖像采集具有自動、速度快、效率高等特點[5-6]，圖像的采集質量將直接影響后續的圖像處理和分析[7]，關系到工件能否正確定位以及工件表面質量檢測的正確性。針對這一關鍵問題，本文提出了一種高速圖像采集方法，重點解決了高速運行狀態下的工件定位、運動模糊、成像質量等問題。

1 高速圖像在線采集

圖1為工件圖像高速在線采集裝置示意圖，采集裝置由工件定位模塊、控制模塊、傳送模塊、延時模塊、數據采集模塊和圖像采集模塊組成。對于運行狀態下的工件，其圖像需要在指定的位置采集，工件到達視場中心的時刻有一定的隨機性，若工件定位不準，CCD捕捉不到有效的工件圖像，造成后續圖像處理困難。本文采用CCD異步復位模式來采集圖像[8]，利用光電傳感器對工件快速觸發，通過精確的延時保證CCD圖像采集與工件到達視場中心的時刻同步。接近傳感器至視場中心距離為延時距離d，位移傳感器以高速模式工作，響應時間小于100 μs，保證在高速圖像采集過程中的響應速度。位移傳感器設置在視場外，避免影響到采集的圖像，相機下方固定有用于照明的環形LED光源。

圖2為采集裝置工作時序圖，圖中T為工件圖像采集延時時間，t為相機曝光時間。

圖像采集過程為：（1）工件隨傳送機構運動，接近傳感器檢測到工件時，產生信號S1；（2）為了滿足延時模塊電壓匹配的需要，同時去除信號S1中的噪聲對信號S1的干擾，信號S1經整流電路濾波后變換為TTL信號S2；（3）信號S2經延時模塊延時T后，延時模塊輸出延時信號S3；（4）圖像采集卡接收信號S3后，輸出信號S4控制CCD曝光，此時工件正運行至視場中心處，CCD采集到圖像后，傳送圖像數據至圖像采集卡進行后續處理；（5）數據采集卡接收信號S3，采集工件在曝光時刻的振動位移數據，用于消除振動因素對工件表面質量檢測帶來的影響。

2 高速圖像采集影響因素分析

2.1 工件定位

高速傳送狀態的工件需要對其進行準確定位才能保證CCD采集到準確、清晰的工件圖像，若工件定位不準，工件圖像會出現不在視場區域內或者部分工件圖像在視場區域內的情況。高速圖像采集環境下，工件的準確定位是由高精度的延時來保證的。

相機在工件進入視場中心時采集圖像，設傳送機構的速度恒定為v，延時距離為d，則由圖1得延時時間T滿足

為了使被測物定位更準確，要求在曝光時被測物不超出相機視場，因延時距離固定為d，工件在視場中心的位置固定，定位精度S的計算公式為

式中：v為傳送機構速度；Δv為傳送機構速度變化量；Δt1為接近傳感器的響應時間；Δt2為定時計數器的最小延時單位，因接近傳感器的光點響應速度可以忽略不計。定位精度顯示了裝置對被測工件的定位能力，S越小，表示裝置的定位精度越高，越有利于圖像處理分析。

2.2 運動模糊

運動模糊是指工件與光學成像系統之間因相對運動而產生的圖像模糊現象，運動模糊使得圖像表面細節模糊不清，造成圖像處理困難或者處理錯誤。高速在線檢測過程中，由于工件運行的速度較快，運動模糊對圖像的影響較大。

當傳送機構的速度v一定時，設相機曝光時間為t，則被測對象相對成像系統的運動模糊值x1為

由式（4）可知，控制運動模糊值常用的方法就是減小曝光時間，故在高速圖像采集時應采用高速電子快門。

2.3 曝光時間的計算

曝光是指被拍攝的物體通過光纖傳載的方式被感光器件捕捉到并呈現的過程，而曝光時間即為這個過程中耗費的時間。根據式（4），若把運動模糊值x2控制在K的誤差范圍內，則曝光時間t為

曝光時間的減小會使得圖像亮度不足，明暗難以辨認，此時需要靠高亮度的光源和大通光孔徑來彌補光源不足，從而實現運動模糊的控制。

2.4 振動因素

在對工件進行高速圖像采集的過程中，由于傳送機構運行速度較快，會在傳送機構表面與工件表面產生振動，從而嚴重影響圖像采集的質量，進而對工件尺寸檢測精度產生影響。由于振動改變了光學成像中物像之間的比例，導致工件在圖像上所占像素個數的變化，而計算工件尺寸時采用的是靜態標定時的圖像放大率，所以會引起尺寸測量誤差。通過測量振動位移，可以實時修正圖像放大率，及時消除振動因素對圖像質量帶來的影響。

3 高速圖像采集實驗

3.1 工件定位實驗

本文選用Basler A504k高速工業相機（分辨率為1 280*1 024，CCD像元尺寸為12 μm×12 μm，幀率為500幀/s），成像鏡頭為Nikon AF MICRO NIKKOR，其焦距為60 mm，相對孔徑為2.8。照明光源為VLight HX-A15-D70-R3-B環形半導體光源。定時計數器選用ADLINK PCI 8554，該計數器基頻為8 MHz，最小定時單位t=1/8 MHz-1=125 ns。以直徑5.400 mm的圓形墊片工件為實驗對象，對其進行靜態標定，圖像放大率為0.8，工件兩邊緣所占像素個數為360 pixel。

圖3為不同延時下同一工件圖像，（a）為50 ms延時下工件原始圖，（b）為70 ms延時下工件原始圖。

傳感器的響應時間Δt1為100 μs，傳送機構速度v為220 mm/s，定時計數器最小定時單位Δt2為125 ns，延時時間T為60 ms，傳送機構在60 ms內的速度變化量可忽略。則根據式（2）計算定位精度S為0.02 mm。可以看出不同的延時下工件在圖像中的位置不一致，（b）比（a）向右偏移了300 pixel。對高速運行的工件設置精確的延時可以保證工件圖像采集都在同一個位置。

3.2 運動模糊實驗

如果系統采集工件的速度為20個/s，傳送帶速度為220 mm/s，則根據式（4）若將運動模糊控制在1 pixel內，曝光時間需要小于68 μs。

圖4為曝光時間不同時的工件圖，（a）為曝光時間為50 μs的工件截取圖像，（b）為800 μs的工件截取圖像，可以看出50 μs的工件圖像邊緣更清晰。

在修正圖像放大率及消除振動對圖像質量的影響后，對同一工件在曝光時間分別為50 μs與800 μs時進行多次尺寸測量。以6次實驗結果為1組數據，共50組實驗數據，表1為隨機抽取的1組不同曝光時間下的工件尺寸測量結果。

表1是對同一工件在不同曝光時間下所采集的圖像進行處理后得到的結果，其中已考慮了測量工件在曝光時刻的振動位移，實時修正了圖像放大率，消除了振動對圖像質量帶來的影響。在曝光時間為50 μs時，工件尺寸測量誤差在1個像素內，即運動模糊控制在1個像素內。因曝光時間為800 μs的工件尺寸測量誤差較大，此時運動模糊對工件尺寸測量影響較大。

4 結 論

本文針對工件高速在線檢測的實際需要提出了一種具有通用性的高速圖像采集方法，該方法可以對運動物體進行高速在線圖像采集。以圓形墊片為實驗工件，驗證了以異步復位模式配合快速觸發、高精度延時實現高速運動工件在線圖像采集方法的有效性。通過設置合適的參數提高定位精度，通過控制運動模糊值采集到清晰的圖像，該方法可為圖像處理工作提供良好的原始圖像。本文方法具有通用性，可為高速在線圖像采集提供參考。

參考文獻：

[1] 王劍平，奚立峰，潘爾順.基于機器視覺的齒輪缺陷快速檢測[J].起重運輸機械，2004（5）：41-43.

[2] 黃德天，劉雪超，吳志勇，等.基于Camera Link的高速圖像采集處理系統設計[J].吉林大學學報：工學版，2013，43（增刊）：309-312.

[3] 韓芳芳.表面缺陷視覺在線檢測關鍵技術研究[D].天津：天津大學，2011.

[4] 侯宏錄，高偉平.500 fps圖像采集及實時顯示關鍵技術研究[J].光學儀器，2013，35（2）：52-57.

[5] 王宏濤，何曉波，陳琪.形狀尺寸自動檢測系統的設計[J].計量學報，2011，32（3）：221-226.

[6] 耿欣，張福民.計算機圖像技術在高溫鍛件尺寸測量中的應用[J].計量學報，2014，35（1）：13-17.

[7] GORPAS D，POLITOPOULOS K，YOVA D.A binocular machine vision system for three-dimensional surface measurement of small objects[J].Computerized Medical Imaging and Graphics，2007，31（8）：625-637.

[8] 吳開華，葉亭，胡少鵬.基于異步復位的在線圖像采集方法研究[J].光子學報，2008，37（增刊）：6-9.

（編輯：劉鐵英）