基于機器視覺的3C外殼工件螺孔位置尺寸測量系統(tǒng)

黃南海，汪志成，周顯恩

（1.東華理工大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，南昌 330013；2.吉安市電子信息研究院，江西吉安 343099）

0 引言

圓孔是現(xiàn)代制造業(yè)中機械加工的重要幾何特征。具有圓孔幾何特征的孔組類零件廣泛應(yīng)用于法蘭盤、氣缸、聯(lián)軸器以及作為各類產(chǎn)品外殼的機械結(jié)構(gòu)中，為實現(xiàn)此孔組類零件的精準(zhǔn)定位裝配，對圓孔尺寸信息進(jìn)行精準(zhǔn)檢測是該孔組類零件質(zhì)量檢測的重要內(nèi)容[1-2]。傳統(tǒng)的圓孔尺寸測量信息往往通過手持量規(guī)、卡尺、千分尺等機械工具進(jìn)行采集，該測量方式嚴(yán)重阻礙了現(xiàn)代工業(yè)自動化和集成化的發(fā)展，因此近些年來由于儀器儀表技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化的非接觸式測量方法如萬能工具顯微鏡、射線輪廓測量儀以及投影測量儀等得以應(yīng)用，尤其是視覺測量技術(shù)得到了極為廣泛的研究應(yīng)用[3-4]。

3C 產(chǎn)品外殼是3C 產(chǎn)品的重要零部件之一，該外殼工件上加工有多個螺絲孔位用于安裝鎖附。目前單個工件長度最高達(dá)2 000 mm，寬度最高達(dá)90 mm，螺絲孔數(shù)量最高達(dá)80 個，為了保證外殼工件的準(zhǔn)確安裝和固定，需要對加工后的外殼工件進(jìn)行出廠前質(zhì)量檢測，而螺絲孔位置尺寸的檢測成為質(zhì)量檢測的關(guān)鍵。針對這個問題，傳統(tǒng)的手持測量工具雖然測量工具成本低，但是存在主觀誤差且效率低；現(xiàn)有的二次元測量儀、影像測量儀雖然可以進(jìn)行超高精度檢測，但是測量時間長效率低且測量量程受限。因此，本文提出一種由機械傳動平臺、光源、工業(yè)相機、計算機等構(gòu)成的長尺寸3C產(chǎn)品外殼螺絲孔位尺寸及螺絲孔大小機器視覺檢測系統(tǒng)。通過圖像處理獲取工件外殼的邊緣及螺絲孔輪廓特征，并采用邊緣檢測、隨機Hough變換圓及直線檢測算法，精準(zhǔn)定位螺絲孔中心及工件外殼邊緣直線，實現(xiàn)螺絲孔位置尺寸檢測。

1 視覺檢測系統(tǒng)設(shè)計及工作原理

本文針對長尺寸工件提出一種基于運動控制結(jié)構(gòu)結(jié)合工業(yè)相機的圖像采集平臺，可以準(zhǔn)確采集工件的圖像信息，同時降低工件尺寸測量的復(fù)雜度。圖1 所示為本文的視覺測量系統(tǒng)，不僅有高精度的視覺系統(tǒng)，還包括以直線電機驅(qū)動的承載平臺為基礎(chǔ)的運動控制系統(tǒng)。其主要由PLC控制的三軸運動平臺、由工業(yè)相機、工業(yè)鏡頭、光源構(gòu)成的視覺模塊以及工控機和其他外圍部件組成。

圖1 視覺檢測系統(tǒng)

放置好被測工件之后，將系統(tǒng)初始化，并設(shè)置運動模組速度和工業(yè)相機采集速度同頻率，隨后視覺模組在運功控制系統(tǒng)的作用下，從工件一端點運動到另一端點進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集，同時采集的數(shù)據(jù)傳輸至計算機終端進(jìn)行保存、處理、結(jié)果顯示。

1.1 被測工件

被測量單個工件長度最高達(dá)2 000 mm，寬度最高達(dá)90 mm，螺絲孔數(shù)量最高達(dá)80 個。如圖2 所示的工件長1 497 mm，寬度為57 mm，螺絲孔數(shù)量為36 個，無通孔。如圖2 所示，實驗單次采集寬度為100 mm，因此設(shè)計采集線周期為18個周期可以完全采集。

圖2 被測工件圖紙

1.2 工業(yè)相機及鏡頭

工業(yè)相機選用奧普特的OPT-CLM108-L80-17 黑白線陣相機如圖3 所示，該相機具有8 192 ×1 分辨率，最高行頻達(dá)80 kHz，采用全局快門CMOS 芯片，像元尺寸7 μm × 7 μm，采用Camera Link 數(shù)據(jù)傳輸，因此配置了型號為Vulcan-sCL PE4 Full的采集卡。

圖3 工業(yè)相機

鏡頭選用OPT 的16K-0.5X 系列工業(yè)鏡頭如圖4 所示，具有較高的分辨率和極低的畸變，鏡頭型號為：V58M72-E31.5∕39.5，加接2 節(jié)型號為M72E15 延長管、1節(jié)型號為M72E50延長管，如圖5所示。

圖4 工業(yè)鏡頭

圖5 延長管

1.3 光源

光源選用與相機同軸的環(huán)形光源，由高亮度LED 組成陣列對工件進(jìn)行垂直照射，從而獲得清晰的工件邊緣，突出螺紋孔特征，同時減輕照射陰影問題。選用的光源型號為KW-R144-W，發(fā)射白光功率11 W，如圖6所示。

圖6 環(huán)形光源

1.4 標(biāo)定板及標(biāo)定

為實現(xiàn)待測工件中的像素尺寸和實際尺寸的轉(zhuǎn)換，本文使用如圖7 所示的12×9 棋盤格進(jìn)行標(biāo)定，采用張氏標(biāo)定法獲得相機的內(nèi)外參數(shù)[5]，并根據(jù)相機實際機械安裝距離及實際采集參數(shù)，解算得到實際尺寸和像素尺寸的轉(zhuǎn)換關(guān)系為[6]：?=0.012 5 mm∕pixel。

圖7 標(biāo)定棋盤格

2 長尺寸3C產(chǎn)品外殼工件螺孔位置尺寸測量方法

2.1 尺寸測量直線特征檢測算法

Hough 變換直線檢測是一種基于圖像空間中的點在參數(shù)空間有唯一方程理論的直線檢測方法[7-8]，其檢測精度依賴于參數(shù)空間的離散化網(wǎng)格，并且容易受到檢測目標(biāo)背景信息的干擾[9]。但由于其具有點-線的對偶特性，通過對點集的統(tǒng)計可以實現(xiàn)精準(zhǔn)的直線檢測，因此本文針對3C 產(chǎn)品外殼工件的邊緣特征對Hough 變換直線檢測進(jìn)行優(yōu)化，得到精確的直線方程用于螺絲圓孔尺寸測量定位[10]。點的霍夫變換可描述如下。

經(jīng)過點（x，y）的直線在直角坐標(biāo)系中都可以表示為：

式中：k為直線的斜率；b為截距。

同時上式又可以改寫為：

式（2）可以看作參數(shù)平面k-b中的一條直線，其中-x為直線斜率，y為截距，k和b為變量。根據(jù)Duda和Hart方法可以將式（2）替換為直線極坐標(biāo)方程：

式中：r為直線到坐標(biāo)原點的距離；θ為水平方向與檢測直線垂線的夾角。在極坐標(biāo)系中的表示如圖8所示，Hough變換根據(jù)極坐標(biāo)中兩條正弦曲線的交點即可以確定待求直線參數(shù)。

圖8 直線參數(shù)表示及參數(shù)空間

由于霍夫直線檢測會受環(huán)境、邊緣雜物、工件本身復(fù)雜構(gòu)造等因素影響，圖像中會存在一小短線和噪聲，造成圖像空間可能存在偽峰值點，所以在直線檢測時可能出現(xiàn)近似直線誤檢[11]?；趥鹘y(tǒng)霍夫變換在實際應(yīng)用情境下對其進(jìn)行改進(jìn)：首先對聚類分割提取的3C產(chǎn)品外殼工件圖像采用自適應(yīng)閾值Canny 邊緣檢測[12]，根據(jù)3C產(chǎn)品外殼工件特征創(chuàng)建線型結(jié)構(gòu)元素數(shù)組；然后利用imdilate（）函數(shù)將邊緣檢測二值圖和線型結(jié)構(gòu)進(jìn)行膨脹處理。處理后邊緣擴大，工件邊緣或內(nèi)部的坑被填掉，從而使得在用霍夫變換尋找峰值點時出現(xiàn)“假”直線的可能性降低，誤檢率降低。運用houghpeaks（）函數(shù)找到2 個峰值點，houghlines（）函數(shù)根據(jù)峰值檢測結(jié)果提取直線，最終定位3C 產(chǎn)品外殼工件的輪廓邊緣直線。

2.2 尺寸測量圓特征檢測算法

Hough 變換圓檢測是二維圖像中圓形輪廓檢測的常用方法，該方法具有魯棒性高、抗干擾能力強且檢測精度的特性[13]。其檢測思路和Hough 直線檢測基本相同，如圖9 所示為Hough 圓檢測算法的點-面對偶性示意圖，對于圖9 （a） 中圓的解析表達(dá)式為：也可以記為此時x、y為常數(shù)，則f(a,b,r)= 0為三元函數(shù)即對應(yīng)參數(shù)空間三維錐面。此時圖9（a）中圓上一點便對應(yīng)圖9（b）內(nèi)一條三維曲線；圖9（a）的圓上所有點對應(yīng)圖9（b）內(nèi)的所有曲線都相交于一點，該點便是圖9（a）上圓的圓心(a0,b0,r0)，此種檢測圓位置的方法便是霍夫圓檢測。累加容器就是通過統(tǒng)計圖9（b）內(nèi)相交曲線的累積數(shù)量，當(dāng)其數(shù)量大于一定的閾值時就認(rèn)為這些曲線對應(yīng)的圖9（a）內(nèi)的點構(gòu)成一個圓[10]。

圖9 Hough 變換圓檢測的對偶性

由于檢測目標(biāo)圖像中存在許多微小圓形輪廓，這些輪廓會對目標(biāo)檢測圓形輪廓造成干擾并且增加檢測的計算復(fù)雜度，因此需要設(shè)置一個合適的輪廓篩選閾值。對檢測目標(biāo)圖像進(jìn)行先灰度化后濾波去噪處理，同時采用相鄰連通域填充使較近鄰的輪廓之間相互連接，以此消除部分微小輪廓。進(jìn)一步統(tǒng)計各輪廓的長度，并計算均值，以此均值的加權(quán)值作為閾值對輪廓圖進(jìn)行處理從而消除微小輪廓[14]。公式如下：

式中：ci為輪廓i的周長；n為輪廓個數(shù)；AVG為輪廓長度均值；profilei(x,y)為輪廓i的圖像。

2.3 基于直線檢測和圓檢測定位

為了更精準(zhǔn)的檢測長尺寸3C產(chǎn)品外殼工件螺絲圓孔位置尺寸信息，本文提出一種基于3C產(chǎn)品外殼工件共有的水平和垂直邊緣直線特征以及螺絲圓孔特征定位的尺寸測量方法，該方法的具體流程如下。

（1）圖像預(yù)處理

由于源圖像數(shù)據(jù)在生產(chǎn)線上采集，對于尺寸測量存在較多的干擾因素，因此需要將源圖像進(jìn)行預(yù)處理操作，方便獲取精準(zhǔn)的尺寸測量信息。圖像預(yù)處理流程圖如圖10 所示，先將源圖像進(jìn)行灰度化降低數(shù)據(jù)的存儲量；然后進(jìn)行OTSU 閾值分割法得到清晰的邊緣輪廓圖像；再進(jìn)行形態(tài)學(xué)操作將工件背景信息進(jìn)行濾除以免對直線檢測定位造成干擾；最后采用中值濾波、Canny 邊緣檢測對圖像進(jìn)行去噪得到預(yù)處理圖片[15]。

圖10 圖像預(yù)處理方法流程

（2）尺寸信息測量

經(jīng)過上述預(yù)處理獲得圖像采用Hough 直線檢測算法獲得工件的最外圍水平邊緣直線和垂直邊緣直線的坐標(biāo)作為尺寸測量的參考坐標(biāo)系，其水平邊緣直線和垂直邊緣直線的表達(dá)式為垂直：yh=k1x、水平：yv=k2x，且交點為(X0,Y0)；根據(jù)k1和k2將圖像進(jìn)行矯正得到圖像f(x,y)，并得到直線方程：yh=X0、xv=Y0（像素點坐標(biāo)原點為圖片左上角），如圖11 所示；然后采用Hough 圓檢測算法獲得螺絲圓孔的圓心坐標(biāo)(xn,yn)、圓半徑rn等信息，如圖12所示；最終通過每個螺絲圓孔圓心坐標(biāo)到參考坐標(biāo)直線的距離(Lxn,Lyn)即為螺絲圓孔圓心到參考坐標(biāo)直線的像素距離；設(shè)CAD 圖紙中螺絲圓孔圓心到邊緣直線的實際距離為(L*xn,L*yn)，則根據(jù)前述標(biāo)定參數(shù)得到每個螺絲圓孔的誤差值為：Δφerror=|(Lnx?-L*nx)|+|(Lny?-L*ny)|，即為所求。

圖11 獲得邊緣定位直線

圖12 獲得螺絲圓孔像素坐標(biāo)

2.4 基于圖紙尺寸先驗位置關(guān)系定位

上述基于3C產(chǎn)品外殼工件共有的水平和垂直邊緣直線特征以及螺絲圓孔特征定位的尺寸測量方法可以準(zhǔn)確計算出螺絲圓孔位置相對于底邊和側(cè)邊的偏移誤差之和Δφerror，但是不能夠準(zhǔn)確判斷每個螺絲圓孔的實際具體偏移尺寸和偏移方向，因此本文進(jìn)一步提出一種基于圖紙尺寸先驗位置關(guān)系定位的工件螺孔位置尺寸測量方法，該方法的具體流程為：

（1）基于上述方法流程得到工件邊緣定位直線yh=X0、xv=Y0；

（2）根據(jù)標(biāo)定系數(shù)?和工件各個螺絲圓孔圓心到邊緣直線螺絲的CAD 圖紙尺寸(L*xn,L*yn) ，確定圖像f(x,y)中各個螺絲圓孔圓心的真實像素坐標(biāo)(x*n,y*n)，其轉(zhuǎn)換公式為

圖13 ROI區(qū)域示例

（4） 對ROI 區(qū)域進(jìn)行改進(jìn)霍夫圓檢測，得到ROI 區(qū)域內(nèi)螺絲圓孔圓心坐標(biāo)(x′n,y′n)；

（5）對每個螺絲圓孔的(x′n,y′n)與ROI 中心坐標(biāo)(2rmax，2rmax)進(jìn)行向量計算，得到每個螺絲圓孔的實際偏移量和偏移方向即為所求。

3 實驗及結(jié)果分析

本文采集的工件圖像分為16 張圖片，如圖14 所示，其長度為1 970mm、寬度為64 mm，包含39個螺絲圓孔，螺絲圓孔位置檢測結(jié)果示例如圖15 所示，工件完整圖像如圖16所示。

圖15 螺絲圓孔位置檢測結(jié)果示例

圖16 完整工件圖像

定義基于直線檢測和圓檢測定位的工件螺孔位置尺寸測量方法為方法一，定義基于圖紙尺寸先驗位置關(guān)系定位的工件螺孔位置尺寸測量方法為方法二，以工件圖紙CAD 尺寸為真值進(jìn)行誤差計算得到結(jié)果如表1所示，各方法誤差分布直方圖如圖17 所示。分析可知，方法一螺絲圓孔位置尺寸測量單方向誤差在0.10～0.20 mm之間，矢量誤差在0.17～0.27 mm 之間，方法二尺寸測量單方向誤差在0.10～0.20 mm 之間，矢量誤差0.08～0.20 mm之間。

表1 螺絲圓孔檢測各方法計算分析表

圖17 螺絲圓孔檢測各方法誤差分布直方圖

由以上實驗及數(shù)據(jù)分析可知，基于直線檢測和圓檢測定位的工件螺孔位置尺寸測量方法和基于圖紙尺寸先驗位置關(guān)系定位的工件螺孔位置尺寸測量方法均對于長尺寸3C產(chǎn)品外殼工件螺絲圓孔位置尺寸檢測有較高的測量精度，滿足工程檢測實際要求的檢測精度，且方法二比方法一的精度要高且檢測信息更具體，在實際檢測中可以參考使用。

4 結(jié)束語

本文采用工業(yè)線陣相機結(jié)合機械運動平臺構(gòu)成的二維圖像采集系統(tǒng)，可以很好地解決視覺檢測中長尺寸工件完整二維圖像采集問題，同時本文針對長尺寸3C產(chǎn)品外殼中的螺絲圓孔位置尺寸測量問題，在基于改進(jìn)Hough 直線檢測和Hough 圓檢測的輪廓檢測基礎(chǔ)上，提出了基于直線檢測和圓檢測定位的工件螺孔位置尺寸測量方法和基于圖紙尺寸先驗位置關(guān)系定位的工件螺孔位置尺寸測量方法，該兩種方法可以實現(xiàn)長尺寸3C產(chǎn)品外殼螺絲孔位置尺寸測量的最低精度為0.27 mm，最高精度為0.08 mm，滿足當(dāng)前3C 產(chǎn)品外殼工件螺絲圓孔位置尺寸測量要求。