一種基于光機(jī)電技術(shù)的螺紋圖像采集方法

深圳市利拓光電有限公司　毛　虎

經(jīng)過(guò)科經(jīng)過(guò)科學(xué)研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，大型工具顯微鏡已然成為計(jì)量部門(mén)和車(chē)間檢查站中常用的多用途的計(jì)量?jī)x器，螺紋相關(guān)的參數(shù)經(jīng)過(guò)大型顯微鏡的測(cè)量，數(shù)據(jù)是精確的。螺紋測(cè)量在實(shí)驗(yàn)室中或者在工廠中，都數(shù)據(jù)非常復(fù)雜和繁瑣的工作。目前使用到的設(shè)備相對(duì)陳舊，但是設(shè)備的性能尚完好。隨著光機(jī)電技術(shù)的運(yùn)用，計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷將設(shè)備升級(jí)換代，使得新型設(shè)備在螺紋圖像采集中發(fā)揮出重要的作用。但是進(jìn)行光機(jī)電技術(shù)的改造，目前也存在投資較大的問(wèn)題。

1.大型工具顯微鏡概述

運(yùn)用大型工具顯微鏡這一多用途計(jì)量?jī)x器，可以螺紋的角度、長(zhǎng)度、形狀等的采集工作。利用光學(xué)定位器，能夠?qū)β菁y的槽以及內(nèi)孔進(jìn)行檢測(cè)，使用雙像目鏡對(duì)于兩孔間的中心距離進(jìn)行測(cè)量，并且測(cè)量出圓弧輪廓和尺寸。

大型工具顯微鏡上的構(gòu)件包括了讀數(shù)顯微鏡、目鏡、物鏡、剝離載物臺(tái)、橫向手輪、圓形工作臺(tái)手輪、縱向手輪等。工具顯微鏡的工作原理是對(duì)被測(cè)弓箭的外形和輪廓，利用光線(xiàn)進(jìn)行投射然后反射，成像卒中顯示在目鏡的米字線(xiàn)的劃分劃板上，測(cè)量方式需要將物鏡放大，進(jìn)行非基礎(chǔ)測(cè)量。在大型的工具顯微鏡上，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，工作臺(tái)上的測(cè)量對(duì)象在互相垂直的方向上移動(dòng)，擴(kuò)大儀器的測(cè)量范圍之后，在顯微鏡與工作臺(tái)之間放入量塊。量塊的縱向測(cè)量范圍增大到了150毫米，橫向增大到50毫米。圓工作臺(tái)在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)的額角度通過(guò)工作臺(tái)的游標(biāo)可以讀出。顯微鏡上附帶了可以更換的目競(jìng)購(gòu)。經(jīng)過(guò)放大之后，總放大倍數(shù)達(dá)到了50倍。

2.螺紋圖像采集方法概述

對(duì)于圖像進(jìn)行采集的方法，在傳統(tǒng)的測(cè)量過(guò)程中，是采用手動(dòng)操作的方式，通過(guò)大型工具顯微鏡的目鏡，對(duì)于被觀測(cè)的物件的影像進(jìn)行觀察。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái)的手輪，被測(cè)量的對(duì)象在手輪上讀出數(shù)據(jù)并加以記錄，然后進(jìn)行讀數(shù)的處理。目視的讀數(shù)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證其誤差。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的操作之后，會(huì)由于手工操作中視覺(jué)疲勞使得無(wú)法找到測(cè)量線(xiàn)，導(dǎo)致測(cè)量不能繼續(xù)。

現(xiàn)代的光機(jī)電一體化技術(shù)，在傳統(tǒng)的大型工具的顯微鏡的幫助下，使用圖像采集技術(shù)，將圖像采集過(guò)程中的圖像通過(guò)讀數(shù)顯微鏡進(jìn)行采集，在終端顯示出系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。通工業(yè)攝像頭，將讀數(shù)和目鏡顯微鏡的圖像的采集數(shù)據(jù)，傳送到視頻轉(zhuǎn)換器，然后在終端進(jìn)行顯示。采集到的圖像被作為中間轉(zhuǎn)換裝置，經(jīng)過(guò)電腦主機(jī)的視頻采集系統(tǒng)的處理，得到了直接的圖像進(jìn)行了顯示，觀察放大的圖像即可。

3.光機(jī)電技術(shù)的測(cè)量技術(shù)概述

采用光機(jī)電技術(shù)進(jìn)行螺紋的圖像采集，是現(xiàn)代制造業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)的演進(jìn)。能夠保證加工的精度和工件的質(zhì)量。隨著工業(yè)自動(dòng)化的水平不斷的提高，制造業(yè)中的計(jì)算機(jī)技術(shù)經(jīng)過(guò)應(yīng)用，在加工中心和數(shù)控機(jī)床的支持下，加工速度和精度不斷提高。改變了傳統(tǒng)的工件檢測(cè)的弊端。實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)、非接觸、高速和準(zhǔn)確的目標(biāo)。

光機(jī)電技術(shù)能夠替代人眼捕捉目標(biāo)，使用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)對(duì)圖像信心進(jìn)行處理，被關(guān)注的區(qū)域以及圖像特征清晰度非常高。被測(cè)量的目標(biāo)的特征可以進(jìn)行分割、測(cè)量和跟蹤是被。圖像實(shí)現(xiàn)了三維空間的展示。光機(jī)電技術(shù)的主要任務(wù)就是對(duì)于采集的圖像進(jìn)行處理和分析，模擬仿生物，進(jìn)行多學(xué)科的集城市，進(jìn)行便捷的操作。重要質(zhì)量控制和生產(chǎn)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，針對(duì)不同的工件進(jìn)行檢測(cè)，投入的經(jīng)費(fèi)主要用于視覺(jué)設(shè)備的檢測(cè)技術(shù)的提升上。

4.光機(jī)電技術(shù)進(jìn)行螺紋圖像采集的關(guān)鍵

進(jìn)行圖像的采集，運(yùn)用光機(jī)電技術(shù)，將采集到的圖像以數(shù)字的信息形式，經(jīng)過(guò)加工和處理，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，轉(zhuǎn)化為能夠被人類(lèi)讀取的信息，這是一種系統(tǒng)的高科技采集技術(shù)，具有精度高和可靠性強(qiáng)度的特點(diǎn)。

4.1光機(jī)電技術(shù)包含了傳感器、電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，機(jī)器的視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了運(yùn)用。對(duì)螺紋的圖像建立在CCD和CMOS的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳送軟件，直接利用板載進(jìn)行圖像信息號(hào)的存儲(chǔ)。使用芯片進(jìn)行圖像的處理，利用DSP進(jìn)行控制，圖像采集模塊，是通過(guò)機(jī)器視覺(jué)圖像采集系統(tǒng)完成的。圖像采集質(zhì)量的好壞決定了測(cè)量的精度。將螺紋的圖像進(jìn)行處理，是通過(guò)圖像采集模塊完成。元時(shí)代呃圖像中包含了灰度、噪聲等，要利用系統(tǒng)進(jìn)行圖像的噪聲、灰度和興趣點(diǎn)的處理，經(jīng)過(guò)處理之后，得到了數(shù)據(jù)，提取，然后結(jié)合HALCON軟件計(jì)算參數(shù)，將螺紋的尺寸進(jìn)行測(cè)量并將尺寸轉(zhuǎn)化為最終的結(jié)果。

4.2系統(tǒng)的軟件應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)是微軟公司研發(fā)的，螺紋測(cè)量系統(tǒng)就是在這個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量的。C#語(yǔ)言面向的對(duì)象是新型的編輯語(yǔ)言，保留了VC強(qiáng)大的功能，具有VB簡(jiǎn)單容易操作的特征，能夠進(jìn)行圖像設(shè)計(jì)和處理，平臺(tái)的應(yīng)用程序?yàn)槠脚_(tái)程序提供了語(yǔ)言環(huán)境。CDI+是圖形的設(shè)備接口，主要負(fù)責(zé)將繪圖程序與系統(tǒng)進(jìn)行信息的交換，處理所有的圖形輸出，使得圖像能夠被創(chuàng)建，文本能夠被復(fù)制，圖形圖像能夠被作為對(duì)象操作，可以再控件上進(jìn)行圖像的呈現(xiàn)。HALCON軟件，是圖像處理庫(kù)軟件，包含了數(shù)據(jù)管理構(gòu)成和獨(dú)立函數(shù)，擁有圖像分析能力，對(duì)多種圖像可以進(jìn)行處理。

4.3對(duì)螺紋的圖像進(jìn)行預(yù)處理，采用黑白稿分辨率攝像機(jī)，通過(guò)投影照光源采集圖像，經(jīng)過(guò)初始軟件采集到8位灰度圖像，信息處理之后，圖像能夠提供所有的螺紋信息，圖像處理過(guò)程中減少了圖像處理的消耗時(shí)間，實(shí)時(shí)采集的模擬信號(hào)被經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，生成了數(shù)字圖像信號(hào)，計(jì)算機(jī)接收到數(shù)據(jù)之后，通過(guò)軟件進(jìn)行了后續(xù)的算法。

原始圖像采集

將采集到的螺紋圖像進(jìn)行噪聲的調(diào)試。圖像數(shù)據(jù)和信號(hào)傳輸在經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，生成了很多的電子器件的磁場(chǎng)和脈沖，得到了類(lèi)似PC機(jī)的干擾，對(duì)于信號(hào)和數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)性的測(cè)量，得到的就是噪聲。除了對(duì)于圖像進(jìn)行明顯的圖像質(zhì)量的噪聲獲取之后，進(jìn)一步進(jìn)行圖像的處理，顯現(xiàn)出經(jīng)過(guò)優(yōu)化的非平穩(wěn)性的噪聲。

經(jīng)典的數(shù)字圖像處理將噪聲歸類(lèi)到相應(yīng)的概率密度函數(shù)，通過(guò)概率統(tǒng)計(jì)的算法，能夠描述噪聲。

高斯噪聲概率密度曲線(xiàn)

經(jīng)過(guò)后續(xù)的系統(tǒng)軟件的平臺(tái)的搭建，原始采集道德螺紋圖像經(jīng)過(guò)去噪處理之后，得到了噪聲的高頻部分，通過(guò)低濾波器得到了螺紋圖像的卷積處理結(jié)果。

噪聲影響下的螺紋圖像

4.4螺紋圖像的灰度級(jí)進(jìn)行修正，是圖像處理中的較為基礎(chǔ)的部分z.ai空間領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行圖像的處理，是將圖像攜帶的數(shù)據(jù)信息，表現(xiàn)在灰度的行駛中，對(duì)于彩色圖像中多余的信息和數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行更高的處理數(shù)據(jù)的處理。但是這種數(shù)據(jù)的處理，相對(duì)的時(shí)間消耗是非常大的，不能滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)中的需求。彩色圖像的每種顏色分為256種級(jí)別。彩色圖像的像素點(diǎn)抱哈了1677216種變化。利用CCD相機(jī)可以將分辨率進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，但是這種海量的數(shù)據(jù)占用了系統(tǒng)的過(guò)多的資源，影響了后續(xù)的圖像測(cè)量和提取。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，彩色圖像不是最優(yōu)的選擇，灰度圖是對(duì)彩色圖像進(jìn)行特殊處理的技術(shù)，在像素內(nèi)的三原色進(jìn)行變化范圍的調(diào)試，圖像灰度化之后，測(cè)量的螺紋信息在很大程度上能夠反映出基本的數(shù)據(jù)信息。

目前進(jìn)行圖像灰度化的方式包含了提取像素法、內(nèi)存法和指針?lè)ㄈN。三種方式對(duì)比，提取像素法的代碼相對(duì)簡(jiǎn)單，能哦故利用GDI+對(duì)難度進(jìn)行降低，但是運(yùn)行的速度是最慢的。內(nèi)存法是對(duì)內(nèi)存中的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，速度比提取像素法要高，指針?lè)ㄊ窃趫D像處理的過(guò)程中，進(jìn)行后續(xù)的圖像的處理，速度是最快的。

三種方法灰度化速度對(duì)比

4.5通過(guò)二值化，得到了能夠完整保證圖像輪廓邊緣的方法是迭代法的結(jié)論。螺紋的圖像平滑處理上，保持圖像邊緣效果是關(guān)鍵。圖像處理傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)導(dǎo)致圖像的輪廓不清晰，細(xì)節(jié)發(fā)生模糊，無(wú)法進(jìn)行螺紋的特征提取和識(shí)別?？头€(xiàn)性濾波器的圖像細(xì)節(jié)模糊的問(wèn)題，需要采用減輕圖像噪聲的方法，保證邊緣輪廓的清晰度。

不同二值法對(duì)比圖

4.6 CMOS圖像傳感器將光電轉(zhuǎn)換信號(hào)通過(guò)放大功能的像素進(jìn)行放大，選擇讀取電壓和電流信號(hào)，從細(xì)節(jié)上進(jìn)行螺紋構(gòu)造的獲取。具有很高的精度，成本也很低。

5.結(jié)語(yǔ)

隨著光機(jī)電技術(shù)的不斷演進(jìn)，圖像處理和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的結(jié)合使得圖像獲取的精度要求不斷的提高，對(duì)于螺紋進(jìn)行圖像采集，采用光機(jī)電技術(shù)，可以進(jìn)行很好的邊界定位，使得圖像識(shí)別度不斷的增高。在感光度方面，CCD傳感器的運(yùn)用，也使得混色問(wèn)題得到了很好的解決。通過(guò)性能對(duì)比，目前對(duì)于螺紋精密測(cè)量的，能夠抗擊噪聲干擾，獲得高質(zhì)量的采集圖像。

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