基于機(jī)器視覺(jué)的零件尺寸測(cè)量及分析*

曹麗芳 ， 黃志輝 ， 張 元 ， 鄒 杰 ， 彭辰晨 ， 焦 祥

（無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214121）

0 引言

機(jī)械零件是機(jī)械系統(tǒng)的重要組成部分，零件的好壞關(guān)系到整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的質(zhì)量。在零件的生產(chǎn)過(guò)程中，零件尺寸的傳統(tǒng)人工測(cè)量技術(shù)往往是利用游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微器等傳統(tǒng)測(cè)量工具和機(jī)械裝置、光學(xué)儀器等對(duì)零件進(jìn)行接觸式測(cè)量[1-2]。傳統(tǒng)的尺寸測(cè)量技術(shù)雖然能夠滿足一定精度的尺寸測(cè)量需求，但是隨著我國(guó)制造業(yè)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)存在著測(cè)量精度不足、生產(chǎn)效率較低、加工系統(tǒng)柔性較差、零件生產(chǎn)成本較高且易導(dǎo)致零件受損等缺點(diǎn)，已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代化機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)需求。在這樣的背景下，基于機(jī)器視覺(jué)的零件尺寸測(cè)量技術(shù)越發(fā)引起人們的興趣和重視，因其非接觸式、低損傷、高效清潔、精密智能等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為零件尺寸測(cè)量界的熱門研究對(duì)象[3-6]。

課題組以尼龍材質(zhì)注塑成型、后期經(jīng)銑床加工制成的某連接塊作為研究對(duì)象，選用MATLAB軟件作為開(kāi)發(fā)軟件，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的測(cè)量該零件上表面面積、外輪廓周長(zhǎng)及加工孔半徑的尺寸測(cè)量系統(tǒng)。

1 硬件與軟件

課題組選擇JAI GO-5000C-PGE工業(yè)相機(jī)、KOWA LM8HC工業(yè)鏡頭與JD15三腳架作為本實(shí)驗(yàn)采集圖像的硬件工具，以尼龍材質(zhì)注塑成型、后期經(jīng)銑床加工制成的某連接塊作為研究對(duì)象；將AUTO CAD做出的10 mm×10 mm藍(lán)色方塊以PDF文件格式導(dǎo)出，并用300 g銅版紙1∶1彩色打印出來(lái)的藍(lán)色紙板作為本次實(shí)驗(yàn)用的標(biāo)板；以黑色不反光幕布作為拍攝背景，并通過(guò)墊片將藍(lán)色標(biāo)板放置于與被拍攝目標(biāo)表面同一平面的位置；以LED白色光源對(duì)目標(biāo)連接塊零件與藍(lán)色標(biāo)板進(jìn)行低角度照射，盡可能消除外界光線的干擾。做好以上圖像采集系統(tǒng)的準(zhǔn)備工作，方可采集到圖像質(zhì)量較好的實(shí)驗(yàn)圖像，如圖1所示。

圖1 采集的連接塊與標(biāo)板圖像

課題組選用美國(guó)M a t h Wo r k s公司出品的MATLAB軟件作為機(jī)器視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的圖像處理及算法設(shè)計(jì)軟件。該軟件自研發(fā)成功至今已有近50年的歷史，多年來(lái)，經(jīng)過(guò)MATLAB軟件研發(fā)人員不斷的完善和升級(jí)，該軟件早已成為國(guó)際知名的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算軟件且在全世界有著非常廣泛的應(yīng)用。之所以選用MATLAB作為本課題的圖像處理及算法設(shè)計(jì)軟件，更是因?yàn)镸ATLAB擁有相當(dāng)精致便捷的用戶界面，能夠完成對(duì)圖像的大部分處理分析工作，且具有非常成熟的算法函數(shù)庫(kù)供用戶調(diào)用。

2 基于機(jī)器視覺(jué)的U型連接塊尺寸測(cè)量

基于機(jī)器視覺(jué)的零件尺寸測(cè)量系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行了諸多圖像處理分析以及尺寸算法的設(shè)計(jì)，例如利用最大類間方差法（OTSU）分割圖像、Roberts算子邊界提取確定測(cè)量邊界、自適應(yīng)濾波法消除噪聲、圖像腐蝕與膨脹進(jìn)行邊界銳化。還可以利用不同顏色填充目標(biāo)區(qū)域，求取區(qū)域內(nèi)面積像素值大小以及其邊界周長(zhǎng)像素值大小，確定目標(biāo)區(qū)域的質(zhì)心位置并標(biāo)記，利用標(biāo)板進(jìn)行比例換算將圖像中的像素尺寸轉(zhuǎn)換成物理空間尺寸，利用交互式分割法提取部分區(qū)域等等[6-8]。

2.1 連接塊面積及周長(zhǎng)測(cè)量

課題組選用直方圖閾值法分割連接塊區(qū)域與其他區(qū)域，首先將原圖像進(jìn)行灰度化處理（運(yùn)用rgb2gray函數(shù)），然后得出灰度圖像并輸出對(duì)應(yīng)的灰度直方圖，直方圖顯示只有兩個(gè)波峰，一處代表著拍攝背景，另一處代表著連接塊區(qū)域。當(dāng)將灰度圖轉(zhuǎn)化為二值圖像（運(yùn)用im2bw函數(shù)）時(shí)，算法將標(biāo)板區(qū)域默認(rèn)為拍攝背景，從而達(dá)到了將連接塊零件從原圖中以二值圖的形式分割出來(lái)的目的。以上算法輸出的圖像如圖2所示。

圖2 連接塊從原圖中分割出來(lái)

觀察從原圖中分割出的連接塊二值圖可以發(fā)現(xiàn)，可能由于圖像噪聲的干擾導(dǎo)致連接塊外側(cè)邊緣與孔的邊緣都呈微小鋸齒狀，不光滑的邊緣對(duì)后期的像素值計(jì)算精度有不良的影響。課題組利用Roberts算子對(duì)連接塊區(qū)域的邊緣進(jìn)行提取，接著利用5×5平滑濾波器（運(yùn)用fspecial函數(shù)）消除提取的邊緣圖像的噪聲。然而平滑濾波處理在消除噪聲的同時(shí)也將一部分邊緣特征模糊了，因此，對(duì)連接塊邊緣繼續(xù)開(kāi)運(yùn)算（運(yùn)用imopen函數(shù)）銳化處理，使得邊緣更加明顯。以上算法輸出的圖像如圖3所示。得到清晰的連接塊邊緣圖像后，參考計(jì)算標(biāo)板相關(guān)尺寸像素值的方法，可以求得連接塊的周長(zhǎng)與面積對(duì)應(yīng)的像素值大小，也能成功標(biāo)定連接塊質(zhì)心的位置。然而，課題組設(shè)計(jì)機(jī)器視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的目的是測(cè)量出目標(biāo)對(duì)象的實(shí)際物理空間尺寸，因此需對(duì)像素值進(jìn)行換算，將其轉(zhuǎn)變成所需要的物理空間尺寸。此時(shí)，標(biāo)板的作用就顯得至關(guān)重要[9-10]。由于拍攝的標(biāo)板與連接塊待測(cè)表面在同一水平面上，所以二者之間的標(biāo)定系數(shù)是一致的。可用公式（1）表示：

圖3 對(duì)連接塊區(qū)域進(jìn)一步處理

式中，k、D、d分別指機(jī)器視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定系數(shù)、標(biāo)板的實(shí)際尺寸大小（單位：mm）以及標(biāo)板尺寸的像素值大小，k1、D1、d1則分別表示連接塊的標(biāo)定系數(shù)、連接塊的實(shí)際尺寸大小（單位：mm）以及連接塊尺寸的像素值大小。由公式（1）可以推算出連接塊的實(shí)際尺寸以上算法輸出的圖像與測(cè)量結(jié)果如圖4所示，圖a與圖b的上一行數(shù)值分別表示的是連接塊表面面積的像素值與實(shí)際面積尺寸值，下一行分別表示的是連接塊表面的周長(zhǎng)（不包括孔的邊緣周長(zhǎng)）像素值與實(shí)際周長(zhǎng)尺寸值。

圖4 計(jì)算連接塊尺寸大小

2.2 加工孔半徑測(cè)量

測(cè)量加工孔半徑的算法是先通過(guò)機(jī)器視覺(jué)計(jì)算圓孔的實(shí)際面積尺寸，再根據(jù)圓面積計(jì)算函數(shù)S圓=r2·π反推得計(jì)算圓的半徑r：

首先，計(jì)算圓孔區(qū)域面積的像素值大小，將圓孔區(qū)域從原圖中分割出來(lái)。以黑色圓孔部分為分割目標(biāo)，以連接塊白色表面為背景，利用交互式分割法截取圓孔所在的區(qū)域，如圖5所示。

圖5 交互式分割法截取孔

其次，利用直方圖閾值法對(duì)分割出孔區(qū)域的圖像進(jìn)行分割，單獨(dú)提取出圓孔區(qū)域，圓孔區(qū)域?yàn)楹谏瑒e處為白色。對(duì)分割出的圓孔進(jìn)行Roberts邊緣檢測(cè)，并對(duì)其進(jìn)行5×5平滑濾波處理以及數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的開(kāi)啟運(yùn)算，得到清晰的圓孔輪廓圖。根據(jù)得到的圓孔輪廓圖，將其內(nèi)部以白色填充，得到的結(jié)果如圖6所示。

圖6 對(duì)圓孔圖像的處理

再次，將圓孔的輪廓標(biāo)記為白色，內(nèi)部區(qū)域標(biāo)記為淺藍(lán)色，從而計(jì)算內(nèi)部淺藍(lán)色區(qū)域即圓孔面積的像素值大小。根據(jù)上文所述標(biāo)板的作用，將圓孔面積的像素值大小轉(zhuǎn)換成圓孔的實(shí)際面積尺寸。

最后，根據(jù)公式（2）可以將計(jì)算的圓孔面積的像素值大小轉(zhuǎn)換為圓孔半徑的實(shí)際值大小。得到的結(jié)果如圖7所示，上一行數(shù)值表示的是圓孔的面積尺寸測(cè)量值，下一行數(shù)值表示的是圓孔的半徑尺寸測(cè)量值。

圖7 計(jì)算圓孔的面積及半徑

3 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了基于機(jī)器視覺(jué)的零件尺寸測(cè)量系統(tǒng)需要運(yùn)用的圖像處理方法及原理、測(cè)量算法設(shè)計(jì)及實(shí)際操作。通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理，僅能識(shí)別計(jì)算出圖像的像素值大小，因此需要利用標(biāo)板給予標(biāo)定系數(shù)，將圖像尺寸的像素值大小轉(zhuǎn)換成物理空間的實(shí)際測(cè)量尺寸。