光電檢測(cè)與視覺設(shè)計(jì)在農(nóng)機(jī)化數(shù)字設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

簡(jiǎn) 川

(宜春學(xué)院,江西 宜春 336000)

0 引言

隨著機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展和大面積種植作業(yè)的推廣,農(nóng)機(jī)市場(chǎng)的需求量越來越大,同時(shí)技術(shù)的成熟、競(jìng)爭(zhēng)的加劇,消費(fèi)者需求成為買方市場(chǎng)中的主導(dǎo)因素。在滿足基本功能需求的前提下,“形式追隨功能”不再是產(chǎn)品造型中唯一的法則,如何傳遞出用戶想要的視覺感受成為了產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)過程中,除了農(nóng)機(jī)建模、裝配和仿真之外,農(nóng)機(jī)的視覺設(shè)計(jì)也可以通過數(shù)字化來實(shí)現(xiàn),從而提高農(nóng)機(jī)的視覺傳達(dá)效果。

1 基于光電檢測(cè)的農(nóng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)

在復(fù)雜的農(nóng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)時(shí),由于曲面等形狀的不規(guī)則性,其形狀和尺寸的設(shè)計(jì)是非常困難。為了提高設(shè)計(jì)效率,往往采用零件掃描的方法,將掃描得到的零部件導(dǎo)入到電腦中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前,通常是應(yīng)用嵌入式中央控制及工業(yè)級(jí)圖像高速傳輸控制技術(shù),采用基于CCD/CMOS與DSP/FPGA的圖像識(shí)別與處理技術(shù),搭建光電檢測(cè)系統(tǒng),其總體框架如圖1所示。在建模之前首先采用光電檢測(cè)模塊對(duì)復(fù)雜零部件的三維坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行掃描,掃描時(shí)一般采用數(shù)控三坐標(biāo)測(cè)量機(jī),掃描完成后將掃描得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到UG軟件中創(chuàng)建三維模型。三維模型創(chuàng)建完成后,在UG軟件中對(duì)模型進(jìn)行修改和優(yōu)化,如添加曲線或曲面、添加加強(qiáng)筋和肋板等,還可以參考視覺設(shè)計(jì)方法,對(duì)模型的視覺傳達(dá)效果進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 光電檢測(cè)掃描建模系統(tǒng)Fig.1 The photoelectric detection scanning modeling system

2 基于圖像處理的農(nóng)機(jī)視覺建模設(shè)計(jì)技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的數(shù)字化設(shè)計(jì),提高農(nóng)機(jī)的視覺傳達(dá)效果,在農(nóng)機(jī)的設(shè)計(jì)過程中首先通過光電檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維模型的坐標(biāo)測(cè)量,并重新建模形成新的模型,然后通過視覺設(shè)計(jì)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化,從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)視覺傳達(dá)效果的優(yōu)化。在進(jìn)行農(nóng)機(jī)部件三維坐標(biāo)測(cè)量時(shí),主要采用的光電信號(hào)檢測(cè)元件為CCD/CMOS相機(jī),經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后由DSP/FPGA芯片進(jìn)行信號(hào)采集。農(nóng)機(jī)部件采集處理過程如圖2所示。

圖2 圖像采集處理過程Fig.2 Image acquisition and processing

為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)零部件的三維建模,在圖像采集完成后需要對(duì)圖像進(jìn)行分割處理,實(shí)現(xiàn)圖像的自動(dòng)檢測(cè)和匹配,包括二值化、邊緣紋理分割及搜索匹配。假設(shè)采集得到的圖像被分割為m個(gè)區(qū)域,用符號(hào)可以表示成{A1,A2,…,Am},其異源基準(zhǔn)圖像分割為n個(gè)區(qū)域,用符號(hào)可以表示成{B1,B2,…,Bm},圖像點(diǎn)既位于實(shí)時(shí)圖中,又位于其異源基準(zhǔn)圖像中,則融合后區(qū)域點(diǎn)的標(biāo)識(shí)記為(A1B1,A1B2,…,A2B1,A2B2)。標(biāo)識(shí)AiBj表示該點(diǎn)在實(shí)時(shí)圖中位于區(qū)域i,在基準(zhǔn)圖中位于區(qū)域j,算法匹配過程如圖3所示。

圖3 圖像匹配過程示意圖Fig.3 The schematic diagram of image matching process

圖3中：(a)為實(shí)時(shí)圖,被分割為3個(gè)區(qū)域,可以表示為{A1,A2,A3};(b)為異源基準(zhǔn)圖,被分割為3個(gè)區(qū)域,可以表示為{B1,B2,B3},分割結(jié)果間存在區(qū)域合并、過分割現(xiàn)象;(c)表示的是如果匹配正確顯示的融合結(jié)果;(d)表示的是如果匹配錯(cuò)誤顯示的融合結(jié)果。一幅二值圖像區(qū)域的面積可以表示為

(1)

在圖像匹配后需要對(duì)圖像的位置進(jìn)行定位,在二值圖像中,圖像的質(zhì)心位置和中心位置相同,其計(jì)算公式為

(2)

(3)

計(jì)算得到農(nóng)機(jī)零部件圖像的質(zhì)心位置后,還要確定圖像的方向,假設(shè)一幅二值圖為B[i,j],計(jì)算物體點(diǎn)到直線的最小二乘方擬合,使所有物體點(diǎn)到直線的距離平方和最小,即

(4)

其中,rij為物體點(diǎn)[i,j]到直線的距離。一般把直線表示成極坐標(biāo)形式,即

ρ=xcosθ+ysinθ

(5)

如圖4所示,θ為直線的法線與x軸的夾角,ρ為直線到原點(diǎn)的距離。

圖4 直線的極坐標(biāo)表示Fig.4 The polar representation of a line

把點(diǎn)(i,j)坐標(biāo)代入直線的極坐標(biāo)方程得出距離r,其表達(dá)式為

r2=(xcosθ+ysinθ-ρ)2

(6)

將方程(6)代入方程(4)并求極小化問題,可以確定參數(shù)ρ和θ,則有

(7)

令χ2對(duì)ρ的導(dǎo)數(shù)等于零,求解ρ得

(8)

χ2=acos2θ+bsinθcosθ+csin2θ

(9)

其中的參數(shù)為

(10)

由于是二階矩,表達(dá)式χ2可重寫為

(11)

對(duì)χ2微分,并置微分結(jié)果為零,求解值為

(12)

因此,慣性軸的方向由下式給出,即

(13)

所以,由χ2的最小值可以確定方向軸,如果b=0、a=c,那么農(nóng)機(jī)零部件就不會(huì)只有唯一的方向軸。確定農(nóng)機(jī)零部件的方向后,便可以提取關(guān)鍵點(diǎn),生成農(nóng)機(jī)零部件的模型。

3 農(nóng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)

在農(nóng)機(jī)及零部件的設(shè)計(jì)過程中,由于很多零部件以往都有設(shè)計(jì)過,可以直接用來使用,但遇到較為復(fù)雜的零部件時(shí),設(shè)計(jì)難度較大,沒有現(xiàn)成的零件可以直接使用,只能重新建模。在設(shè)計(jì)零部件時(shí),可以通過光電檢測(cè)的方式將原來的零部件進(jìn)行重新建模,將大大提高零部件的建模效率,通過重新建模還可以增強(qiáng)農(nóng)機(jī)的視覺傳達(dá)藝術(shù)效果。

圖5為徐州工業(yè)中心設(shè)計(jì)的甘蔗機(jī)的外形示意圖。甘蔗機(jī)從外觀的顏色和形狀來看都具有較好的視覺傳達(dá)效果,動(dòng)感的外形和大氣的外觀,對(duì)于使用收割機(jī)作業(yè)的人員來說將產(chǎn)生較大的工作動(dòng)力,使其適應(yīng)枯燥的收割作業(yè)環(huán)境。在農(nóng)機(jī)復(fù)雜零部件設(shè)計(jì)時(shí),以發(fā)動(dòng)機(jī)的蓋板為例,其表面形狀較為復(fù)雜,采用傳統(tǒng)的方法很難測(cè)量其尺寸和形狀,而采用數(shù)控三坐標(biāo)方法,可以成功地采集到蓋板的點(diǎn)云數(shù)據(jù),如圖6所示。

圖5 徐州工業(yè)設(shè)計(jì)中心設(shè)計(jì)的甘蔗機(jī)Fig.5 The sugar cane machine designed by Xuzhou industrial design center

圖6 采集得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)云圖Fig.6 The collected data point cloud image

將拖拉機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板固定到三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上,確定在3個(gè)軸向方向上不能移動(dòng),然后可以在電腦上點(diǎn)開三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)快捷圖標(biāo)進(jìn)行測(cè)量,得到了如圖7所示的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖7 模型成型和修改Fig.7 Model forming and modification

如圖7所示,在采集到點(diǎn)云數(shù)據(jù)后,可以將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到UG軟件中,然后在軟件中生成蓋板的三維模型;模型生成后,可以根據(jù)視覺傳達(dá)效果對(duì)模型繼續(xù)修改,最終得到了如圖8所示成品。

圖8 農(nóng)機(jī)數(shù)字化造型設(shè)計(jì)Fig.8 The digital modelling design of agricultural machinery

對(duì)模型進(jìn)行一系列的修改后,包括編輯、插入、分析、裝配等,得到了農(nóng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板非常好的視覺模型。修改優(yōu)化時(shí)主要參考了視覺傳達(dá)效果設(shè)計(jì)方法,以動(dòng)力性為主要依據(jù),同時(shí)要兼顧安全性的視覺傳達(dá)。

4 結(jié)論

在農(nóng)機(jī)復(fù)雜零部件的設(shè)計(jì)過程中,為了提高其設(shè)計(jì)效率,將光電檢測(cè)方法和視覺設(shè)計(jì)技術(shù)引入到了零部件的設(shè)計(jì)上,并采用UG軟件搭建了數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái),并對(duì)該方法的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：采用光電檢測(cè)方法可以成功地得到發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),并可以在UG軟件中生成三維可視化模型,通過對(duì)模型的修改和視覺設(shè)計(jì),得到了很好的視覺傳達(dá)效果,對(duì)于農(nóng)機(jī)復(fù)雜零部件的設(shè)計(jì)及造型研究具有重要的作用。