基于圖像處理的管翅式換熱器翅片尺寸測量方法研究

陳清華，余健軍，王建剛，季家東，牛天宇

（1.廣東立佳實(shí)業(yè)有限公司，東莞 523000； 2.安徽理工大學(xué)環(huán)境友好材料與職業(yè)健康研究院（蕪湖）,蕪湖 241003；3.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，淮南 232001）

引言

換熱器是一種使熱量從熱流體傳遞到冷流體，以滿足規(guī)定的工藝要求的裝置統(tǒng)稱[1]。其中管翅式換熱器因結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)能高效被廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域。換熱翅片作為管翅式換熱器重要換熱部件，其厚度和間距大小會對翅片換熱效果，流動阻力，翅片效率，粉塵沉積等造成影響[2-5]，從而改變換熱器換熱效率。所以對管翅式換熱器翅片相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行及時測量顯得尤為重要[6]。

目前在制造業(yè)領(lǐng)域，機(jī)器視覺和圖像處理技術(shù)的應(yīng)用簡化了制造工藝，提升了制造速率，提高了生產(chǎn)效率[7]，在零件加工[8,9]，3D打印[10]，溫度場測量[11]，導(dǎo)彈實(shí)驗(yàn)[12]，汽車制造[13]，飛機(jī)制造[14]等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。但至今為止，將圖像處理或機(jī)器視覺應(yīng)用于換熱器翅片還比較少，現(xiàn)階段對于換熱器翅片測量大都停留在人工測量階段，但人工測量費(fèi)時費(fèi)力，且容易受到測量人主觀因素影響[15]，造成較大誤差。此外，一些學(xué)者也提出了一些其他先進(jìn)的測量方法，如：李飛,張平,苑瑋琦等[16]研究設(shè)計了一套基于激光位移傳感器的非接觸式測量方式，用以測量板式換熱器的深度，此測量方法解決了采集數(shù)據(jù)與處理數(shù)據(jù)相互干擾的問題，提高了檢測速度，但該方法測量結(jié)果易受灰塵，鐵屑等物質(zhì)影響，且在測量窄翅片時誤差較大；激光干涉技術(shù)[17]也是尺寸測量的一種常見方法，該方法測量速度快，精度高，但受環(huán)境因素影響大，維護(hù)成本較高；J.S.Byun[18]利用光電傳感器進(jìn)行厚度測量，該方法可直接測量翅片厚度，間距，且靈敏度，精度較高，但傳感器造價高，且容易受灰塵等覆蓋物干擾。

綜上所述，以上提到的換熱器翅片測量方法具有一定的借鑒意義，但針對性不強(qiáng)，存在一些問題，且沒有基于圖像分析的無接觸測量方法。本文主要基于圖像處理技術(shù)提出了三種針對換熱器翅片測量的測量方法，能有效測量換熱器翅片厚度和間距，為日后實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器視覺技術(shù)在線檢測換熱器翅片尺寸打下良好基礎(chǔ)。

1 翅片測量要求及原理

圖1所示是常見的管翅式換熱器翅片圖像，可看到其波紋翅片和翅片間隔。本文主要基于圖像分析處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對換熱器翅片厚度和間距的尺寸測量。

圖1 換熱器翅片圖像

圖2所示是經(jīng)過一定圖像預(yù)處理的管翅式換熱器翅片厚度、間距尺寸測量示意圖。結(jié)合該示意圖本文提出了基于3種像素尺寸測量方法得出換熱器翅片像素尺寸，再利用實(shí)際尺寸測量、簡易單相機(jī)標(biāo)定換算出翅片厚度、間距等實(shí)際物理尺寸的方法。經(jīng)與游標(biāo)卡尺測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，計算誤差，以檢驗(yàn)測量方法的準(zhǔn)確性。

圖2 換熱器翅片尺寸示意圖

本文提出的基于圖像處理技術(shù)的換熱器翅片尺寸測量方法的主要算法流程如圖3所示。

圖3 換熱器翅片尺寸測量方法流程圖

2 圖像獲取與預(yù)處理

2.1 圖像獲取

本實(shí)驗(yàn)所展示的換熱器圖片由實(shí)驗(yàn)室的CCD相機(jī)拍攝獲取，如圖5（a）所示。在拍攝采集換熱器翅片圖像時，調(diào)整相機(jī)高度，使得換熱器翅片在圖像畫面中的占比盡可能大。將換熱器放置在CCD相機(jī)鏡頭前背景板上，調(diào)整換熱器和光源位置，使換熱器翅片保持在相機(jī)鏡頭內(nèi)畫面的中間區(qū)域，并盡可能清晰。然后保持相機(jī)位置，并在相同的背景板上分別放置1 cm和2 cm大棋盤格，棋盤格如圖4所示，調(diào)整相機(jī)到棋盤格的距離，使相機(jī)鏡頭到棋盤格與相機(jī)鏡頭到換熱器翅片距離相等，進(jìn)行拍攝，采集圖像。

圖4 1 cm×1 cm棋盤格

圖5 圖像預(yù)處理部分結(jié)果

2.2 圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理是基于圖像處理技術(shù)尺寸測量的基礎(chǔ)，圖像預(yù)處理結(jié)果的好壞將直接影響最終尺寸測量誤差的大小。其主要分為以下幾個步驟：

1）灰度化。即對圖像中的R、G、B值進(jìn)行重新加權(quán)平均。如下式（1）為計算公式：

式中：

R(i,j)，G(i,j)，B(i,j)—(i,j)處像素點(diǎn)的R、G、B三分量數(shù)值。

2）濾波去噪。該步驟主要采用中值濾波，首先利用非線性的方法，取當(dāng)前像素點(diǎn)及其周圍臨近像素點(diǎn)的灰度值，將這些灰度值排序，然后將位于中間位置的灰度值作為當(dāng)前像素點(diǎn)的灰度值。中值濾波作用是去除圖像中的孤點(diǎn)噪聲。圖5（b）是經(jīng)過圖像灰度化和進(jìn)行中值濾波去噪后的換熱器翅片圖像。

式中：

median[]—取中值運(yùn)算；

f(x,y)—(x,y)處像素點(diǎn)的灰度值。

3）圖像分割。該步驟是為了將預(yù)處理圖像中有用的測量部分和不測量部分分割開來，主要利用二值化的方法，將測量部分灰度值轉(zhuǎn)化為255，不需測量部分灰度值轉(zhuǎn)化為0。圖像分割結(jié)果如圖5（c）所示。其主要步驟如下（設(shè)一幅圖像的像素總數(shù)為n，最大灰度值為H）：

①選擇圖像所有像素點(diǎn)中灰度最大值與最小值的平均值作為估計值T0；

②用T0將圖像分割為G1和G2兩部分，G1由灰度值在范圍[0，T0]內(nèi)的像素組成，G2由灰度值在范圍[T0＋1，H]內(nèi)的像素組成。區(qū)域G1和G2的灰度均值w1和w2計算公式下:

式中：

i和ni—灰度值i和其對應(yīng)灰度值的像素個數(shù)。

③根據(jù)下式計算新閾值：

4）數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理包括膨脹，腐蝕兩種處理方式，主要用于解決分割后的換熱器翅片圖像中翅片區(qū)域存在小孔洞的問題。圖5（d）是最終預(yù)處理后的換熱器翅片圖像。

假設(shè)A和B是z2中的集合，以B為一個結(jié)構(gòu)元，A為膨脹集合，定義如式（6）所示；同理當(dāng)A為腐蝕集合時，定義如式（7）所示。

3 基于圖像分析的翅片測量方法

3.1 像素精度尺寸測量方法

本節(jié)提出一種基于像素精度的換熱器翅片尺寸測量方法。如圖2所示，圖片背景黑色部分灰度值為0，翅片白色區(qū)域灰度值為255。單個翅片厚度和兩翅片間的距離（間距）為測量的主要對象。

本方法具體尺寸的測量步驟如下:翅片厚度：選取上圖中的某一片翅片作為測量對象，將圖中灰度值為“255”點(diǎn)的像素點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)記錄，選擇像素橫坐標(biāo)最小的點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，并保持縱坐標(biāo)不變，從左往右掃描進(jìn)行像素灰度值判斷，從基準(zhǔn)點(diǎn)作為1開始累加直至像素點(diǎn)灰度值不符合條件，最終累加值為翅片厚度像素尺寸值。

翅片間距：獲取計算厚度時選擇的灰度值為“255”的基準(zhǔn)點(diǎn)，從基準(zhǔn)點(diǎn)開始從右往左對基準(zhǔn)點(diǎn)所在行掃描進(jìn)行像素灰度值判斷，記錄掃描過程中除基準(zhǔn)點(diǎn)外第一個像素灰度值為“255”的點(diǎn)的像素坐標(biāo)，最后用基準(zhǔn)點(diǎn)的橫坐標(biāo)減去該灰度值為“255”的點(diǎn)的橫坐標(biāo)再加上1即為翅片間距像素尺寸。

3.2 亞像素精度尺寸測量方法

上文3.1中說明了一種像素級精度的測量方法，本小節(jié)將在小節(jié)3.1的基礎(chǔ)上提出一種亞像素精度級的測量方法。想實(shí)現(xiàn)亞像素精度級測量，依賴于亞像素邊緣檢測。亞像素邊緣檢測是在普通的邊緣檢測基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，不同在于亞像素邊緣檢測在普通邊緣檢測檢測出的邊界上，將單個像素級邊緣點(diǎn)周圍的灰度值作為補(bǔ)充信息，使得到的物體圖像的邊緣信息更加精確。普通邊緣檢測算法多種多樣，其中具有比較好信噪比和檢測精度的是Canny邊緣檢測算子，所以本文使用的普通邊緣檢測方法基于Canny邊緣檢測算法。我將先使用Canny邊緣檢測算法提取換熱器翅片輪廓。結(jié)果如圖6（a）所示。

圖6 部分邊緣檢測結(jié)果

下面我將使用插值亞像素邊緣檢測方法，與普通邊緣檢測算法和其他亞像素邊緣檢測算法相比，其優(yōu)點(diǎn)在于計算量較小，計算速度快。其具體原理和步驟為先進(jìn)行Canny邊緣檢測，再求原圖（x，y）的梯度圖像R（x，y），最后得出邊緣點(diǎn)的亞像素坐標(biāo)（X，Y）。

其中，（X，Y）計算方式如式（8）、（9）:

表1 換熱器翅片部分測量結(jié)果（像素級）

式中：

R(m－1,n)，R(m,n)，R(m＋1,n)—沿梯度圖像R(x,y)的x方向上取的三點(diǎn)；

R(m,n－1)，R(m,n)，R(m,n＋1)—沿梯度圖像R(x,y)的y方向上取的三點(diǎn)。

如圖6（a）、（b）所示，將圖像邊界進(jìn)行K-means算法分兩類進(jìn)行聚類，具體操作方式：第一片翅片左邊界質(zhì)心最大值：L1max、最小值：L1min；右邊界質(zhì)心最大值：R1max、最小值：R1min；同理第二片翅片左邊界質(zhì)心最大值：L2max、最小值：L2min，右邊界質(zhì)心最大值：R2max、最小值：R2min。從而可求出換熱器翅片的厚度以及間距，具體計算方式如下，表2是亞像素精度尺寸部分測量結(jié)果。

表2 換熱器翅片部分測量結(jié)果（亞像素級）

3.3 圖像投影法尺寸測量

在上文提到的兩種邊緣檢測方法結(jié)果中，圖像仍存在邊界不連續(xù)現(xiàn)象，本節(jié)在上述方法基礎(chǔ)上對圖像進(jìn)行邊界跟蹤，從而可以得到邊界更連續(xù)的圖像。邊界跟蹤方法原理是：在圖像上找一個“起始點(diǎn)”出發(fā)，再用跟蹤準(zhǔn)則檢測“起始點(diǎn)”的鄰點(diǎn)，將滿足跟蹤準(zhǔn)則的鄰點(diǎn)作為新的“起始點(diǎn)”，并重復(fù)上述操作，以此可以描繪除圖像中物體的邊界，圖6（c）是邊界跟蹤的結(jié)果。

圖像投影法通過對換熱器翅片兩條邊界做豎直方向上的投影，投影可得a、b、c、d四點(diǎn)，如圖7所示，所以：翅片厚度=|a-b|,翅片間距=|b-c|。測量結(jié)果如表3、表4所示。

表3 換熱器翅片尺寸測量結(jié)果-邊界跟蹤

表4 換熱器翅片尺寸測量結(jié)果-亞像素邊緣檢測

圖7 投影法測量原理示意圖

4 測量結(jié)果與分析

4.1 實(shí)際尺寸測量換算法

在測量的換熱器翅片厚度和間距尺寸中，換熱器翅片間距較容易人工測量。通過游標(biāo)卡尺對換熱器翅片間距進(jìn)行測量，選取10組換熱器翅片，對其間距各測量5次，記錄測量數(shù)據(jù)，并計算數(shù)據(jù)均值，該均值可作為換熱器翅片的實(shí)際物理間距，進(jìn)而計算出換熱器翅片的像素與物理尺寸的比例關(guān)系，并通過換算，得出其他所要測量的物理尺寸。測得的50組翅片間距實(shí)際物理尺寸大小如表5，求得平均值為5.433 mm。

表5 50組翅片間距測量值

4.2 相機(jī)標(biāo)定法

相機(jī)標(biāo)定步驟如下：首先將1 cm大棋盤格分為10個長6 cm，寬3 cm的小棋盤格，再將2 cm大棋盤格分為8個長為6 cm，寬為4 cm的小棋盤格。接著利用CCD相機(jī)拍攝小棋盤格，計算獲取的小棋盤格圖像像素尺寸并計算均值，再結(jié)合小棋盤格實(shí)際物理尺寸，計算得到像素尺寸與物理尺寸的比值。通過實(shí)驗(yàn)，獲取1 cm小棋盤格10個，其像素大小如表6所示，求得平均像素大小為：291.6像素×145.7像素；獲取2 cm小棋盤格8個，其像素大小如表7所示，求得平均像素大小為：291.6像素×194.3像素。

表6 1 cm小棋盤格像素尺寸

表7 2 cm小棋盤格像素尺寸

分別計算表6、表7中小棋盤格像素尺寸均值和小棋盤格實(shí)際物理值的比值，取二者比值的均值作為最終的換算比例值。經(jīng)過計算得，像素尺寸中的4.852 1像素代表實(shí)際尺寸1 mm。

4.3 換算結(jié)果分析

表8，表9分別是利用上述兩種換算方法經(jīng)過多次計算得到的結(jié)果。其中表8方案1中測量數(shù)據(jù)是通過游標(biāo)卡尺多次測量求均值獲得的，可作為真實(shí)參考值。由此可得表8方案2的結(jié)果誤差最大，分析原因可知：方案2提出的方法是將翅片邊界質(zhì)心的最大、最小值相減，易受到數(shù)值極值的影響，繼而影響翅片邊界輪廓的確定；表中顯示方案3（2） 的結(jié)果誤差最小，分析原因可知：投影法受極值影響小，因其包含了統(tǒng)計學(xué)原理，其結(jié)果不會被單個值影響，從而使最終描繪的翅片邊界輪廓較為準(zhǔn)確。另外，根據(jù)表8和表9中數(shù)據(jù)顯示，通過亞像素邊緣檢測方法測量出的尺寸誤差最小，進(jìn)一步提高了測量精度。

表8 尺寸換算結(jié)果1

表9 尺寸換算結(jié)果2

由上述三種測量方法可知，結(jié)合實(shí)際尺寸測量換算法和簡易單相機(jī)標(biāo)定法兩種換算法，三種測量方法的結(jié)果較為接近，在多次測量求平均值作為間距實(shí)際尺寸和以出廠參數(shù)作為翅片厚度實(shí)際值的對比參考下，測量值均可將誤差控制得較小。

同時該實(shí)驗(yàn)也有可改進(jìn)之處，比如在用 相機(jī)拍攝圖像時，要做到相機(jī)鏡頭與翅片和棋盤標(biāo)定靶的距離相等，這個距離測量存在一定誤差，對測量結(jié)果產(chǎn)生影響；此外實(shí)驗(yàn)所用相機(jī)為普通CCD相機(jī)，若換成專業(yè)的工業(yè)相機(jī)，測量精度也將提高。

5 結(jié)語

本文提出了基于圖像處理技術(shù)適用于測量換熱器翅片的三種方法，測量結(jié)果表明，三種方法的測量誤差均在5.00 %左右，最小誤差低至1.20 %，所以本文提出的測量方法是合理的，具有一定意義和實(shí)用價值。但同時因受實(shí)驗(yàn)設(shè)備性能的影響，實(shí)驗(yàn)誤差在所難免，如若換成專業(yè)工業(yè)相機(jī)進(jìn)行拍攝實(shí)驗(yàn)，測量結(jié)果將會更加精確。

綜上，本文提出基于圖像處理技術(shù)測量換熱器翅片的方法是可行的，后期可搭配硬件設(shè)施進(jìn)行軟硬件聯(lián)合實(shí)驗(yàn)。除此之外，本文提出的測量方法還可以從測量計算速度方面進(jìn)行改進(jìn)，以適應(yīng)未來投入實(shí)際生產(chǎn)測量當(dāng)中，確保其實(shí)時性。