基于機(jī)器視覺的導(dǎo)光板模具網(wǎng)點(diǎn)測量系統(tǒng)研究*

付　貴　李克天　李　陽

(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

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基于機(jī)器視覺的導(dǎo)光板模具網(wǎng)點(diǎn)測量系統(tǒng)研究*

付貴李克天李陽

(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

為了準(zhǔn)確測量導(dǎo)光板模具上微結(jié)構(gòu)圓孔的直徑尺寸，開發(fā)了一套基于機(jī)器視覺技術(shù)的微結(jié)構(gòu)圓錐底孔在位測量系統(tǒng)。運(yùn)用HALCON機(jī)器視覺軟件對測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，通過混合噪聲濾波、亞像素邊緣提取、最小二乘法擬合，最后計(jì)算出圓錐孔直徑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證了本系統(tǒng)能夠達(dá)到±1 μm的精度，滿足實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的需求。

導(dǎo)光板模具；機(jī)器視覺；HALCON；圓孔測量

導(dǎo)光板模具上網(wǎng)點(diǎn)的精度直接與導(dǎo)光板品質(zhì)相關(guān)，因此能精密加工出導(dǎo)光板模具的設(shè)備非常重要。在加工過程中如果將模具工件卸下拿到顯微鏡下面測量后再進(jìn)行加工，這不僅會(huì)帶來重新安裝工件時(shí)的誤差，而且給加工帶來很多不便，所以為了保證加工過程中的精度,導(dǎo)光板模具網(wǎng)點(diǎn)測量系統(tǒng)是該機(jī)床設(shè)備所必需關(guān)鍵部件。圖1為導(dǎo)光板模具的微結(jié)構(gòu)圓錐孔。

機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷[1]。機(jī)器視覺測量系統(tǒng)是指使用圖像采集設(shè)備(CCD、CMOS)將被檢測物體拍攝成圖像信息，并傳給上位機(jī)進(jìn)行一系列的圖像處理，運(yùn)用各種算法來提取目標(biāo)特征信息，經(jīng)過計(jì)算得出相應(yīng)的參數(shù)信息，最終將數(shù)據(jù)結(jié)果輸出到用戶界面。它是實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備精密控制和測量的有效途徑，具有精度高、非接觸、穩(wěn)定高速等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)器視覺在現(xiàn)代精密測量領(lǐng)域有著不可替代的地位，并取得到了空前的發(fā)展。

本文結(jié)合HALCON圖像處理軟件設(shè)計(jì)了一款用于檢測導(dǎo)光板模具上微結(jié)構(gòu)圓錐底孔的機(jī)器視覺測量系統(tǒng)，它能夠在位精確測量出模具上面微結(jié)構(gòu)圓孔直徑。此系統(tǒng)可以在加工前為機(jī)床加工參數(shù)的調(diào)整提供依據(jù)，也可以在加工過程中抽查個(gè)別圓孔的尺寸精度。

1　測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與標(biāo)定

1.1測量系統(tǒng)的構(gòu)成

測量系統(tǒng)的硬件由CCD、工控機(jī)、同軸光源系統(tǒng)、工業(yè)鏡頭和安裝調(diào)節(jié)架組成。圖2為搭建的系統(tǒng)示意圖。

利用CCD來拍攝導(dǎo)光板模具上微結(jié)構(gòu)的圖像，通過千兆網(wǎng)口將圖像傳送到上位機(jī)中，運(yùn)用各種算法將圖像進(jìn)行預(yù)處理并提取圓孔的邊緣特征，通過擬合后將數(shù)據(jù)輸出到外部控件中。CCD選用的是德國Balser ACE 130萬像素的工業(yè)相機(jī)，它采用42 mm×29 mm×29 mm的外觀設(shè)計(jì)，安裝方便，支持PoE的千兆網(wǎng)(GigE)，性價(jià)比高，相機(jī)符合GigE Vision標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，具有穩(wěn)定性和靈活性。光源系統(tǒng)采用日本Moritex CV-MCEP-CB8-070點(diǎn)光源和MLEP-A070W1LR-100V光源控制器，亮度穩(wěn)定、平行度好、穩(wěn)定性好。光學(xué)鏡管采用日本Moritex SOD-Ⅲ，物鏡采用NUION 10×APO。圖像處理軟件采用的是大恒公司提供的HALCON軟件。HALCON是一套功能十分強(qiáng)大的算法包，包括相機(jī)標(biāo)定、圖像預(yù)處理、分類識別、各類數(shù)學(xué)運(yùn)算，它的庫函數(shù)可以被大多數(shù)編程語言訪問。由于它的高效率性，高準(zhǔn)確性和實(shí)用性，現(xiàn)如今在工業(yè)機(jī)器視覺領(lǐng)域運(yùn)用相當(dāng)廣泛。本文導(dǎo)光板模具測量系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖3所示。

1.2測量系統(tǒng)的標(biāo)定

對于精密視覺測量都要考慮相機(jī)的畸變，需對相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。安裝好系統(tǒng)硬件系統(tǒng)，利用Balser pylon Viewer軟件對定制的標(biāo)定板拍照，選取其中不同角度的18幅圖片進(jìn)行分析和處理。部分圖像如圖4所示。

相機(jī)內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定原理是將現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)中已知點(diǎn)PW=(XW,YW,ZW)變換到它在成像坐標(biāo)系上的投影點(diǎn)P，其過程利用向量平移方法、凸透鏡成像原理和畸變經(jīng)驗(yàn)公式等方法[6]。接著在HALCON軟件中通過calibrate_cameras和get_calib_data得到攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)CamParam，完成攝像機(jī)的標(biāo)定。得出的相機(jī)內(nèi)外參數(shù)如表1、2所示。

表1工業(yè)相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)

f/mmkdx/μmdy/μmU0V01024.53.753.75648483

表2工業(yè)相機(jī)的外部參數(shù)

序號Tx/mmTy/mmTz/mmRx/°Ry/°Rz/°1583.14-482.25348.92176.231.53-0.352548.65-478.36347.58-179.272.5612.053599.56-478.12346.34176.801.04-21.564536.21-478.13346.36-179.422.38-2.54

2　機(jī)器視覺測量方法的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的機(jī)器視覺測量方法的主要流程包括圖像采集、圖像的二值化、去噪處理、圓孔填充、亞像素邊緣提取、二乘法擬合、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和測量結(jié)果輸出等。

2.1圖像的混合去噪處理

噪聲是圖像采集中難以避免的，主要由于光源以及被測工件表面質(zhì)量等客觀因素所引起的?，F(xiàn)在常用的一些去噪辦法是均值濾波、自適應(yīng)維納濾波、中值濾波等。根據(jù)圖像的特點(diǎn),可能存在多種噪點(diǎn),選擇采用中值濾波以達(dá)到去掉更多的噪聲的目的。中值濾波是將每一個(gè)像素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為該點(diǎn)領(lǐng)域窗口內(nèi)所有點(diǎn)灰度值的中值。設(shè)T(x,y)為點(diǎn)(x,y)的原始灰度值，G(x,y)為濾波處理后的值，則有：

G(x,y)=Median{T(x-k,y-1),k,1∈W}

其中，W為選定窗口大小。

為了進(jìn)一步方便圖像進(jìn)行預(yù)處理，通過設(shè)置閾值來將中值濾波后的灰度圖像二值化。處理后的圖片如圖5所示。

然而效果不是很理想，是因?yàn)槟＞吖ぜ衅渌蓴_的噪點(diǎn)，比如工件表面的灰塵和異物。由于被檢測微孔直徑都在30～50 μm之間，然而這些噪點(diǎn)卻遠(yuǎn)比檢測孔徑要小，所以在HALCON中利用opening_ circle()函數(shù)設(shè)置檢測圓的區(qū)域面積大小，能將這些異物產(chǎn)生的較大噪點(diǎn)去除。通過實(shí)驗(yàn)，最終的效果如圖6所示。

2.2圓孔中心的填充

根據(jù)去噪后的圖像特征，需要對圖像中心區(qū)域進(jìn)行圖像的填充，以免防止擬合邊緣的時(shí)候出現(xiàn)兩個(gè)邊緣，給擬合過程帶來一些不便，同時(shí)也可以減少計(jì)算量，提高效率。圖7為填充后的效果圖。

2.3輪廓邊緣的提取

輪廓邊緣提取是整個(gè)測量系統(tǒng)獲得檢測目標(biāo)幾個(gè)參數(shù)的核心部分，它的準(zhǔn)確度直接對測量結(jié)果有著很大的影響。所以邊緣檢測是測量的基礎(chǔ)和前提。

對于像素級邊緣的擬合，現(xiàn)相對比較成熟的，如sobel、Prewitt、loG等算子，都能較好地?cái)M合出圓來。本文先用Sobel算子進(jìn)行輪廓邊緣檢測，然后利用亞像素檢測方法對邊緣進(jìn)行細(xì)化。這里所采用的亞像素檢測方法是灰度矩法[8]。根據(jù)參考文獻(xiàn)的方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

2.4最小二乘法的圓擬合

最小二乘法是一種常用的曲線擬合方法，如今也廣泛應(yīng)用在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中。它的主要思想就是使得實(shí)際點(diǎn)與估算點(diǎn)之間的距離的平方和達(dá)到最小。

本文采用最小二乘法對圖像中邊緣像素進(jìn)行圓擬合。根據(jù)上面使用灰度矩陣法找到的邊緣，可設(shè)邊緣的點(diǎn)坐標(biāo)為(x，y)，圓的半徑為R，圓心坐標(biāo)為(A,B)。如果整個(gè)過程中沒有誤差，則Pi會(huì)完全落在圓周上，即它的軌跡為圓的方程。但系統(tǒng)一定會(huì)有隨機(jī)誤差的影響，因此有些Pi點(diǎn)可能沒有落在圓周上。將Pi點(diǎn)的誤差用εi表示：

(x-A)2+(y-B)2=R2

即：R2=x2-2Ax+A2+y2-2By+B2

令a=-2A,b=-2Bc=A2+B2-R2

可得圓方程為：

x2+y2+ax+by+c=0

殘差的定義為：

εi=(xi-A)2+(yi-B)2-R2

令Q(a,b,c)為εi的平方和：

解方程求出參數(shù)a，b，c：

根據(jù)上式可求出圓心(A,B)和半徑R。再用此半徑R與所標(biāo)定的相機(jī)參數(shù)相乘，就能夠獲得實(shí)際的尺寸。檢測過程中，習(xí)慣用直徑來衡量技術(shù)指標(biāo)，所以最終的顯示結(jié)果需要乘以2再輸出到外部控件上即可。

3　實(shí)驗(yàn)測試與分析

在機(jī)床上對模具進(jìn)行加工，再利用所開發(fā)的上位機(jī)軟件進(jìn)行測量，測量界面如圖9所示。為了進(jìn)一步驗(yàn)證測量系統(tǒng)的精度，把測量系統(tǒng)測出的結(jié)果與高景深顯微鏡VHX-600的結(jié)果進(jìn)行比對，具體結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)可知，該測量系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡測量出來的結(jié)果均值誤差只有0.03μm，總體偏差遠(yuǎn)小于1μm，滿足了工業(yè)生產(chǎn)需求。

4　結(jié)語

研制了一套基于機(jī)器視覺技術(shù)的導(dǎo)光板微結(jié)構(gòu)測量系統(tǒng)，利用HALCON軟件進(jìn)行系統(tǒng)的標(biāo)定，對模具微結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)行二值化、去噪處理、圓孔填充、亞像素邊緣提取、最小二乘法擬合等處理和運(yùn)算，最后將輸出的結(jié)果與高景深顯微鏡VHX-600測量的值進(jìn)行比較。結(jié)果表明該測量系統(tǒng)的誤差在±1μm以內(nèi)，完全能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中對導(dǎo)光板模具的精度要求。

表3　兩種測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比　μ m

[1]朱杰.數(shù)字圖像處理技術(shù)在螺紋檢測中的應(yīng)用研究[D].石家莊:河北科技大學(xué),2010.

[2] 吳德剛.圖像測量技術(shù)在工業(yè)零件幾何尺寸參數(shù)測量中的應(yīng)用研究[D].鄭州:鄭州大學(xué),2011.

[3]吳鷹飛，周兆英.柔性鉸鏈的設(shè)計(jì)計(jì)算[J].工程力學(xué)，2002，19(6)：136-140.

[4]馮顯英，張承瑞，遲永琳，等.基于PC總線的開放式CNC系統(tǒng)[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，1998(8)：37-40.

[5]閆霞,牛建強(qiáng).基于HALCON軟件的攝像機(jī)標(biāo)定[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2010(11):112-115.

[6]羅珍茜，薛雷，孫峰杰，等. 基于HALCON的攝像機(jī)標(biāo)定[J].視頻應(yīng)用與工程，2010,34(4):100-102.

[7]Edward P, Owen L, Mitchell R. Subpixel measurement using a moment-based edge operator[J].IEEE Trans. on PAMI, 1989, 11(12): 1293-1309.

(編輯汪藝)

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Resarch on the measure system of light guide plate mould based on machine vision

FU Gui, LI Ketian, LI Yang

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, CHN)

In order to measure geometrical precision of the diameter size of the microstructure dot on light guide plate mould accurately, this paper establishes a detection system combined with HALCON software. Have calibrated the inside and outside parameters of camera calibration based on HALCON. Using noise filtering, subpixel edges extracting, least-squares method, the diameter size of circular holes are caculated. Experimental results prove that it realizes OSM with high accuracy of ±1 μm and meets the needs of actual production application.

light guide plate mould; machine vision; HALCON; circular hole measurement

TH165; TG506

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.10.010

2016-02-02)

161014

*廣東省自然科學(xué)基金(2016A030310101)