幾何特征下機(jī)械產(chǎn)品圖像測(cè)度研究

李海鵬

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽(yáng) 618000）

1 幾何特征下數(shù)字圖像的結(jié)構(gòu)分析

機(jī)械產(chǎn)品向著高精度、高速度、自動(dòng)化、現(xiàn)代先進(jìn)制造模式邁進(jìn)，實(shí)現(xiàn)智能制造、綠色制造到感知制造。目前我國(guó)能夠用于生產(chǎn)制造的視覺(jué)機(jī)器未能夠充分的滿足生產(chǎn)線在線識(shí)別和檢測(cè)的要求，在一定程度上不但導(dǎo)致了視覺(jué)機(jī)器使用受到了限制，給機(jī)械產(chǎn)品的制作帶來(lái)不利的影響，使產(chǎn)品規(guī)格、形態(tài)、標(biāo)準(zhǔn)的制作水平降低，最為普遍的是識(shí)別結(jié)果與實(shí)際制造應(yīng)用特征表現(xiàn)不一致，對(duì)產(chǎn)品的圖像特征描述不一致。大量的數(shù)據(jù)研究證明，機(jī)械產(chǎn)品與其數(shù)字圖像有著一致性的映射特征，產(chǎn)品的本質(zhì)大都呈現(xiàn)為幾何形體狀態(tài)，其映射圖像的特征是幾何形狀和結(jié)構(gòu)特征。所以，在幾何特征下機(jī)械產(chǎn)品圖像測(cè)度的研究中，基于拓?fù)鋵W(xué)的視角對(duì)數(shù)字圖像結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從視覺(jué)感知與圖像工程、數(shù)字圖像（機(jī)械視覺(jué)中的圖像基本上通過(guò)CCD 工業(yè)機(jī)器人眼睛對(duì)被測(cè)對(duì)象及其背景給定一種相似性描述）、圖像工程（對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理，獲得預(yù)期的圖像信息，機(jī)器視覺(jué)中圖像處理技術(shù)的智能化應(yīng)用主要包括圖像處理、圖像分析和圖像理解三個(gè)過(guò)程）、圖像描述模建立。（如圖1）

圖1

幾何特征下機(jī)械產(chǎn)品圖像的數(shù)字結(jié)構(gòu)包括以上4個(gè)方面。

2 幾何特征下機(jī)械產(chǎn)品圖像測(cè)試特征空間建立

機(jī)械類產(chǎn)品中，將機(jī)械圖像的集合特征應(yīng)用于視覺(jué)機(jī)器的創(chuàng)新中，首先應(yīng)該意識(shí)到的機(jī)械類產(chǎn)品的圖像一般都是比較復(fù)雜的，而且圖像的形成立體感比較強(qiáng)，所以在機(jī)械圖像識(shí)別的過(guò)程中，對(duì)于圖像處理需要建立相應(yīng)的空間，以給與充足的空間，對(duì)圖像成像的特征和提取的方式進(jìn)行分析，為進(jìn)一步的理解和分析圖像奠定基礎(chǔ)。而在整個(gè)過(guò)程中，最為重要的則是機(jī)械產(chǎn)品圖像特征的描述，這是對(duì)圖像進(jìn)行處理的關(guān)鍵方法。

以上機(jī)械產(chǎn)品圖像測(cè)度精確化的過(guò)程中，必須建立幾何結(jié)構(gòu)特征的空間。具體而言，則是表現(xiàn)在一方面現(xiàn)今大量的比較零散的、小結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)所使用的零件作為生產(chǎn)制造的主要部分。這些分散的、結(jié)構(gòu)性零件雖然在檢測(cè)的過(guò)程中，其檢測(cè)的形狀基本上是相同的，尤其是體現(xiàn)在幾何圖形的成形規(guī)則和空間結(jié)構(gòu)的位置基本上是一致的，但是流水線的工業(yè)生產(chǎn)中，如果視覺(jué)機(jī)器對(duì)結(jié)構(gòu)性零件的視覺(jué)檢測(cè)受到光照等因素的影響，從而導(dǎo)致某些零件呈現(xiàn)的是不完善的圖像，這樣則意味著該零件幾何特征結(jié)構(gòu)的空間建立不夠或者不明顯，而且對(duì)于相關(guān)的零件未能夠準(zhǔn)確的定位，以此導(dǎo)致實(shí)際檢測(cè)工作超出了特殊的測(cè)量范圍，從而造成了零件結(jié)構(gòu)檢測(cè)的失誤或低精確度。另一方面，則是通信端子作為機(jī)械類產(chǎn)品生產(chǎn)中常生產(chǎn)的部件，由于生產(chǎn)的尺寸比較小，所以一旦視覺(jué)檢測(cè)中出現(xiàn)光照不足的問(wèn)題，那么則會(huì)立即促使通信端子產(chǎn)生嚴(yán)重的變形，造成體現(xiàn)在每一列和每一行端口的圖像也是極不完整的。而且，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的螺紋形狀的接頭，其在成像的過(guò)程中，非常容易由于軸承內(nèi)圈的存在而促使需要檢測(cè)的端面無(wú)法完整的顯現(xiàn)出來(lái)，最終的成像結(jié)果也是不完整的圖像。針對(duì)以上存在的問(wèn)題，需要根據(jù)測(cè)量對(duì)象的特征，設(shè)置專門化的幾何特征檢測(cè)空間，而對(duì)于某些端面較多，不容易建立幾何特征空間的，可以通過(guò)尋找使用相似的圖像或結(jié)構(gòu)進(jìn)行替代使用，而這一般同時(shí)也需要結(jié)合特征空間的轉(zhuǎn)換。

在具體的進(jìn)行機(jī)械幾何空間建立中，一般所運(yùn)用的是基于幾何形態(tài)特征的純?cè)嗨菩远攘浚▽?duì)幾何圖像進(jìn)行二維特征，即矩特征的構(gòu)建與描述）、 基于拓?fù)渚S數(shù)的相似圖形度量（主要是在機(jī)械產(chǎn)品所構(gòu)建的二維圖形空間里，如果利用拓?fù)渚S數(shù)概念，能夠促使相同的圖形元素可以用統(tǒng)一參數(shù)度量其形狀，而拓?fù)渚S數(shù)是測(cè)量相同或相似的圖形元素的有效工具）、復(fù)雜邊界圖形的豪斯多夫測(cè)度（此種方法主要是針對(duì)機(jī)械零件中各部分幾何形體并不具有理想的完全一致的形狀的情況上而進(jìn)行的，利用圖像比例的轉(zhuǎn)換，對(duì)相似的圖像進(jìn)行測(cè)量）等方面對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的幾何特征空間進(jìn)行建立。

3 幾何特征下機(jī)械產(chǎn)品圖像視覺(jué)檢測(cè)軟件運(yùn)用

機(jī)械類產(chǎn)品視覺(jué)機(jī)器圖像幾何特征的充分應(yīng)用，需要積極的強(qiáng)化軟件技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，以此能夠從軟件和硬件上做到協(xié)調(diào)使用，促進(jìn)成像精確度的提高。檢測(cè)軟件的運(yùn)用需要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化的、全天候的檢測(cè)，而且在實(shí)際產(chǎn)品成像檢測(cè)的過(guò)程中，產(chǎn)品的規(guī)格大小不同，尤其是其形狀、結(jié)構(gòu)不同，需要隨時(shí)轉(zhuǎn)換檢測(cè)功能和檢測(cè)要求。能夠改變過(guò)去統(tǒng)一的、一體化的檢測(cè)模式，根據(jù)實(shí)際要求和檢測(cè)特征，分為相應(yīng)的模塊，進(jìn)行模塊化的檢測(cè)，得出精確度高的成像檢測(cè)要求，滿足現(xiàn)代化的生產(chǎn)需要。

基于以上分析，幾何特征機(jī)械產(chǎn)品視覺(jué)檢測(cè)軟件技術(shù)創(chuàng)新使用中，首先對(duì)于軟件功能的構(gòu)建應(yīng)明確，軟件功能最為主要的則是能夠通過(guò)圖像的成像及時(shí)的檢測(cè)到產(chǎn)品是否存在結(jié)構(gòu)缺陷和尺寸方面的問(wèn)題。而在實(shí)際功能構(gòu)建的過(guò)程中，其應(yīng)該滿足可修改性（內(nèi)外部模塊之間獨(dú)立的修改彼此之間不會(huì)產(chǎn)生影響）、可讀性（軟件的功能明確，且工作人員能夠通過(guò)特定的代碼進(jìn)行系統(tǒng)的定時(shí)維護(hù)）、可驗(yàn)證性（軟件技術(shù)應(yīng)用中所構(gòu)成的模塊，工作人員可以通過(guò)特定的方式進(jìn)行驗(yàn)證，如有問(wèn)題，可以及時(shí)的調(diào)試）、可移植性（模塊對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性高）。而基于模塊基礎(chǔ)上的軟件技術(shù)的構(gòu)建和使用，能夠在模塊結(jié)構(gòu)清晰和功能明確的基礎(chǔ)上，促使圖像檢測(cè)團(tuán)建在代碼重組、設(shè)計(jì)結(jié)果重組、分析結(jié)果重組三方面進(jìn)行總體設(shè)計(jì)和使用，而且最為主要的則是如果對(duì)于檢測(cè)的需求和指標(biāo)改變時(shí)，工作人員只需要通過(guò)修正代碼模塊進(jìn)行，而不需要對(duì)整體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，以此最大化的滿足軟件應(yīng)用的壽命，在一定程度上是經(jīng)濟(jì)投入有效控制的表現(xiàn)。

總體上，幾何特征下機(jī)械產(chǎn)品圖像測(cè)度檢測(cè)軟件技術(shù)的應(yīng)用是提高測(cè)試精確度的重要表現(xiàn)，而軟件圖像處理功能的構(gòu)建應(yīng)該從幾何運(yùn)算、點(diǎn)運(yùn)算、邊緣提取、圖像恢復(fù)、圖像增強(qiáng)、定位、檢測(cè)以及缺陷識(shí)別等功能模塊進(jìn)行構(gòu)建。

4 幾何特征圖像處理技術(shù)應(yīng)用

幾何特征下圖像處理技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用主要集中在在線機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的方向應(yīng)用中。在生產(chǎn)線高速生產(chǎn)的過(guò)程中，人工檢測(cè)為了能夠達(dá)到提高檢測(cè)效率的目的，無(wú)法進(jìn)行全部的檢測(cè)，而是采取部分抽查檢測(cè)的方式，這種方式無(wú)法滿足高精度的測(cè)試要求。另外方面，現(xiàn)代化機(jī)械生產(chǎn)的環(huán)境也是比較復(fù)雜的，人工檢測(cè)存在很多極其不方便的問(wèn)題，幾何特征下在線視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)^為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，尤其是軸承、螺紋、端子等結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的部件，進(jìn)行跟蹤檢測(cè)和缺陷檢測(cè)具有很大的優(yōu)勢(shì)。

基于在線檢測(cè)視覺(jué)系統(tǒng)構(gòu)建的必要性的前提下，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的流程首先則是通過(guò)圖像傳感器獲取基礎(chǔ)的圖像,然后在相關(guān)的軟件技術(shù)輔助下，將最初獲得的圖像相關(guān)的信息傳送至相關(guān)的模塊進(jìn)行處理，最后，則是在相關(guān)指標(biāo)和要求存在的基礎(chǔ)上，對(duì)圖像進(jìn)行尺寸、規(guī)格、包裝以及缺陷方面的結(jié)果對(duì)比和分析，以此發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。而在線視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)最為主要的功能構(gòu)建則是機(jī)械產(chǎn)品缺陷的檢測(cè)和結(jié)果反饋。現(xiàn)今常用的有光源照明技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)、模擬與數(shù)字視頻傳輸技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、機(jī)械工程技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)。

滾子軸承裝配在線缺陷檢測(cè)系統(tǒng)， 主要是通過(guò)CCD 獲取有裝配軸承圖像，經(jīng)圖像處理識(shí)別缺陷產(chǎn)品并及時(shí)檢測(cè)并剔除，保證裝配后續(xù)生產(chǎn)工序順利進(jìn)行，既可降低生產(chǎn)成本，又可滿足自動(dòng)化作業(yè)。在實(shí)際應(yīng)用中首先保證檢測(cè)速度 40～60 個(gè) / 分鐘；其次，能夠識(shí)別滾子少裝、滾子反裝等裝配缺陷且檢測(cè)設(shè)備準(zhǔn)確率達(dá)99.9% 以上；此種檢測(cè)技術(shù)常常運(yùn)用于多規(guī)格錐形軸承產(chǎn)品檢驗(yàn)，提供人機(jī)化交互界面，操作簡(jiǎn)單，且最終的記錄能夠保存存儲(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，結(jié)合特征下機(jī)械產(chǎn)品圖像測(cè)度的創(chuàng)新研究是機(jī)械類產(chǎn)品現(xiàn)代化生產(chǎn)的重要的體現(xiàn)，而在實(shí)際進(jìn)行創(chuàng)新構(gòu)建的過(guò)程中，能夠從基于幾何特征下圖像測(cè)度空間的有效建立、幾何特征下測(cè)度軟件技術(shù)的應(yīng)用以及幾何特征圖像處理技術(shù)應(yīng)用等方面整體上促進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品圖像測(cè)度精確度和有效的提高，提高生產(chǎn)線的檢測(cè)效率，滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)線機(jī)械類產(chǎn)品的生產(chǎn)要求。

[1]董富強(qiáng). 基于機(jī)器視覺(jué)的零件輪廓尺寸精密測(cè)量系統(tǒng)研究[D].天津科技大學(xué), 2014.

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