基于線激光視覺測量突跳式溫控器觸點深度的方法研究

何堅強，魏 星，侯建成，輔小榮

（1.鹽城工學院 電氣工程學院，鹽城 224000；2.江蘇大學 電氣信息工程學院，鎮江 212000）

0 引言

作為一種溫度控制開關，突跳式溫控器主要用于家電產品中，其內部結構示意圖如圖1所示，圖中可以看到溫控器內部有雙金屬片，它可以在產品達到一定溫度時發生跳變，溫度下降恢復跳變，起到開關電路的作用。溫控器的觸點不宜過深，應在1mm范圍內，否則會影響雙金屬片的跳變，進而影響整個電路。

目前，突跳式溫控器觸點深度的測量仍采用人工目測的方式，這種測量方式誤差很大，而且隨著檢測者工作時間的增加檢測效率也不斷下降。基于線激光的視覺測量技術由于具有非接觸性、精確度高、成本低等優點而被廣泛應用于產品的缺陷檢測、三維輪廓測量、超精密尺寸測量等工業領域，為微小物體的尺寸測量開創了新的技術平臺。

李曉天等人[1]根據三角測量法原理，設計了單目物體形貌測量系統，并結合測量數據對系統的測量精度進行了分析，給出了尺寸介于4～30mm的小物體三維重構圖。張鵬賢等人[2]提出一種基于激光掃描獲取焊縫成形尺寸的視覺測量方法，建立了焊縫寬度和長度的檢測算法，實現了焊縫成形尺寸的非接觸自動測量。于永波等人[3]提出了基于線激光的橋梁表面破損三維參數測量方法，在結構激光的輔助下，將橋梁構件表面破損三維參數的測量轉換為二維斷面內的測量。郭新年等人[4]設計了一種基于激光視覺的農作物株高測量系統，該系統能夠測量株高在558.00～1843.30mm之間的農作物，測量絕對誤差最大值28.30mm，相對誤差最大值為2.17%。周興林等人[5]一種基于三角法測量原理的激光視覺測量瀝青路面構造深度的方法，采用斷面MPD估算實現構造深度測量，并進行了鋪砂法對比實驗，兩者結果較為接近，相對誤差為6.45%。綜上所述，以上的研究都是對相對較大物體的三維參數測量，而對于微小物體視覺測量技術的研究還比較少，本文設計了一個線激光視覺測量系統，采用線激光條紋形變量作為突跳式溫控器觸點深度的信息源，提出了線激光視覺測量微小凹坑深度的方法。

圖1 突跳式溫控器內部結構圖

1 系統的組成及測量原理

基于線激光的突跳式溫控器視覺測量系統由激光發射器、CCD相機、計算機、電機拖動裝置等組成，如圖2所示。CCD相機型號為MER-1070-10GC，分辨率為3840×2748；激光發射器型號為ZLM25AL650-12GD，輸出波長為650nm。將CCD相機和激光發射器固定在支架上，待測的突跳式溫控器放在傳送帶上，電機拖動裝置控制傳送帶運動，將溫控器傳送到相機和激光發射器下方，激光發射器將線激光以一定的角度投射到溫控器觸點上，CCD相機獲取激光條紋圖像，對條紋圖像進行一些列的處理工作得到條紋圖像上離散點坐標值，再根據離散點坐標值算出溫控器觸點深度。觸點處的條紋成像如圖3(a)所示，激光條紋經過觸點，產生條紋變形，原來的AB段變到EF段，點C為EF上任意點，點O為點C到線段AB的垂線交點，D點為C點在觸點底部的垂直投影點，激光條紋以一定的角度投射時，可以由如圖3(b)所示的三角幾何關系得到tanθ=h/d，觸點深度值h=dtanθ，當θ=45°時，h=d，因此要求h的值，只要得到A、B、C三點的坐標值即可[6～8]。

圖2 系統組成圖

圖3 觸點深度值測量原理圖

2 激光條紋圖像的處理

線激光視覺測量系統采集到的激光條紋原始圖像如圖4(a)所示，先對條紋圖像進行灰度化處理，得到如圖4(b)所示圖像。再比較幾種常用的圖像濾波方法：均值濾波、中值濾波和小波變換。均值濾波雖然有效地抑制了噪聲，但同時降低了目標的清晰度；小波變換更適用于去除高頻信號較少的圖像，能有效抑制高斯白噪聲；中值濾波處理可以更加有效地消除噪聲，同時保留了圖像細節，拓撲結構也沒有發生改變，因此本文選擇中值濾波法進行圖像濾波，得到如圖4(c)所示圖像，即用一個窗口在圖像上掃描，把窗口內包含的圖像像素按灰度級的大小排列起來，取中間灰度值作為窗口中心像素的灰度[9]。中值濾波的輸出為：

其中，Med表示取窗口中的中間值，f（x，y），g（x，y）分別為原始圖像和處理后圖像，w為二維模板，通常為3×3，5×5區域，為了有效去除孤立的噪聲點，本文取3×3區域模板。然后采用最優化閾值迭代法進行圖像二值化，如圖4(d)所示，該算法的基本思想是首先初始化一個閾值，并進行分割產生子圖像，再根據子圖像的特性來選取新的閾值，利用新的閾值分割圖像，經過幾次循環，使錯誤分割的圖像像素點降到最少。具體算法步驟如下：

1）求出圖像的最大灰度值和最小灰度值，分別記為Zmax和Zmin，則閾值初始值T0=(Zmax+Zmin)/2；

2）根據閾值T0將圖像分割成目標和背景兩部分，求出兩部分的平均灰度值Z0和Z1，平均灰度值=灰度值總和/像素點的總數；

3）求出新的閾值T1=(Z0+Z1)/2；

4）設定新舊閾值的允許差值d，如果|T0-T1|＜d，則結束，否則將T1的值賦給T0，轉向步驟2），直到滿足條件退出循環。

最后將具有有用信息的中間條紋分割出來，分割方法采用連通域面積法和MATLAB的裁剪函數imcrop共同實現，得到如圖5所示圖像，對分割出的條紋圖像進行區域標定，得到條紋上一系列離散點，如圖6所示。

圖4 激光條紋圖像

圖5 中間條紋圖像

圖6 條紋離散點分布圖

3 系統標定

視覺測量系統的關鍵在于如何從采集到的二維圖像中獲取物體的三維信息，相機成像的幾何模型決定了空間上任意點的空間幾何位置與其在二維圖像中對應點的相互關系，因此需要轉換世界坐標系和圖像像素坐標系，這種轉換主要取決于測量系統中相機的內部參數（fx，fy，u0，v0，k1，k2），以及相機的外部參數（R，T）。其中fx，fy分別表示相機焦距f與像素點在圖像物理坐標系中x軸、y軸方向上的物理尺寸dx、dy的比值，即fx=f/dx，fy=f/dy；（u0，v0）表示圖像物理坐標系原點坐標；k1，k2分別代表相機的徑向畸變系數和切向畸變系數；R為旋轉矩陣，T為平移向量[10,11]。這些參數可以通過從不同角度多次采集標定板圖像，再將標定板角點的坐標代入標定板在世界坐標系和圖像像素坐標系變換關系式(1)來求取。

式中：（u，v）為實物在圖像像素坐標中的點，（Xw，Yw，Zw）為實物在世界坐標系中的對應點，Zc為對應點在相機坐標系中Z軸上的值。以上是理想情況下的系統標定，實際相機采集的圖像存在畸變，這將影響溫控器觸點深度的測量，采用式(2)畸變校正模型來校正畸變圖像[2,12]。

圖7 標定板

4 測量結果及誤差分析

線激光視覺測量系統主要目的是為了測量溫控器觸點深度，觸點深度要求范圍在1mm以內，通過系統標定得到A、B、C三點的坐標值，如圖8所示，根據之前所闡述的三角幾何關系得到如下關系式：

其中，yA、yB、yC分別表示A、B、C兩點的縱坐標，根據系統標定得到一個像素代表的實際長度為0.01664mm，表1給出了測量出的10組數據，并且與二維激光掃面儀測量數據做了對比，兩者最大偏差為0.03mm，最大相對誤差為6.7%。由于溫控器為金屬材料所制會造成一定程度的反光以及溫控器生產過程中造成其表面不平整等因素，會對測量結果造成影響，產生測量誤差。溫控器表面反光問題可以通過調節CCD相機光圈，使得金屬表面的光盡可能少進入相機，從而突出激光條紋在圖像中的位置，為了后續圖像處理獲得更加精確的離散點坐標，減小因坐標不準確造成的測量誤差。溫控器表面不平整容易造成獲得離散點并非在同一水平線上，但是通過實驗證明這種差距比較小，本文在計算坐標值時，取A、B兩點縱坐標平均值來進一步的減小這種誤差。

圖8 觸點位置離散點圖

表1 溫控器觸點深度數據表

5 結論

本文搭建了基于線激光的突跳式溫控器觸點深度視覺測量系統，先對采集到的激光條紋圖像進行灰度化、中值濾波、最優化閾值迭代法二值化等圖像預處理工作，再用連通域面積法和MATLAB的裁剪函數imcrop，將能夠表征溫控器觸點深度的條紋分割出來，然后對分割出的條紋圖像進行區域標定，獲得條紋上的離散點坐標，并進行系統標定，獲得離散點坐標值，最后求出溫控器觸點深度值。實驗證明，該方法可以實現微小物體表面凹坑實時測量，提高了檢測效率降低了檢測成本，測量精度能夠滿足突跳式溫控器觸點深度實時檢測要求。