ｍａｇｅ＆Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ・图像与多媒体技术 基于机器视觉的零件尺寸测量系统设计 设计了一套基于机器视觉的 零件尺寸在线测量系统。完成了 硬件设备的选型和平台的搭建； 采用Ｍａｔｌａｂ语言实现了图像处理 算法；采用Ｍａｔｌａｂ ＧＵＩ完成了测 量系统软件的设计。实验结果表 明：测量系统的测量精度可以达 到２ｕｍ以下，满足零件尺寸在线 检测要求，具有很好的应用前景。 键词】机器视觉Ｍａｔｌａｂ图像处理尺寸 在工业生产中，测量是进行质量管理的 Ｉ，是贯彻质量标准的技术保证。机械零件 寸检测作为产品加工的一个关键环节，其 ４结果不仅影响产品的质量，而且对后续零 Ｊ再加工和装配产生决定性的作用。目前， ５的零件尺寸测量手段主要采用游标卡尺、 测量仪和轮廓仪等完成检测环节。以上零 寸测量方法要么受测量工具限制，其测量 ：有限要么检测仪器过于昂贵且操作复杂， 其准确率往往受人为因素的影响。 鉴于当前机器视觉技术的快速发展以及 ：工业检测方面的成功应用，论文构想利用 ｃ机替代人眼，让计算机替代人脑，从而研 ；一套针对零件常规尺寸的自动化测量系 统概述 在充分遵循系统的完整性、可靠性、经 ：和实时性等原则的基础上，本文设计出了 基于机器视觉的零件常规尺寸测量系统。 Ｉ量系统主要由图像摄取、图像处理、图像 提取和分析、图像常规尺寸测量和结果输 部分组成。其工作原理图如图Ｉ所示。 件设计 基于机器视觉的零件常规尺寸测量系统 件主要包括：照明装置、摄像机、计算机 明工作台。各部件的主要功能是：照明装 ：要为零件图像采集提供合适的光照环境； 机用来采集零件数字图像并传送到计算 然后保存为相应图片格式；计算机通过系 ：件实现对零件图像的预处理、边界提取、 提取、相机标定和常规尺寸计算；透明工 用来承载被测零件。 Ｅ法设计 图像处理算法对机器视觉测量系统会产 文／王保军 生决定性的影响。为了能满足零件尺寸测量的 要求，针对零件产品图像的特点，我们设计了 一套合理的图像处理算法流程。其流程图如图 ２所示。 首先对获取的零件图像进行预处理，包 括图像灰度化、图像去噪、图像分割和边界提 取；然后提取零件的几何特征；最后通过对系 统的标定，实现了零件图像常规尺寸的测量和 结果显示。 图１：测量系统工作原理图 ３．Ｉ图像预处理 线的方程为：ｙ＝ｋｘ＋ｂ。 ３．１．１图像灰度化 设参与直线拟合的像素点为ｎ，第ｉ个像 经过摄像机采集到的零件图像是２４位真 素点的坐标为（ｘｌ，ｙ．），则满足最小二乘法条件 彩色ＲＧＢ图像，该图像中的每个像素由Ｒ、Ｇ、 的目标函数为： Ｂ三个分量决定，而灰度图像的每个像素由一 个值确定。为了减少后续操作过程中的计算量， ｆ（ｋ，６）＝∑［（红＋６）一 ］ 需要对采集到的零件图像进行灰度化处理。 由极值条件得： ３．１．２图像去噪 采集系统获取的待检零件图像由于受照 ２（ ＋６一． ）＝０ 明程度、环境温度、电源变化、电磁辐射和振 动等随机因素的干扰，图像会包含大量的噪声， ２ｘｉ（ｋｘ，＋ｂ一 ）＝０ 表现为图像模糊、失真和大量斑点等。为了消 除和抑制噪声对零件图像后续处理的影响，必 须对图像进行滤波处理。由于中值滤波既能消 ∑ Ｚｙ，一ｎＺｘｉＹｉ 除噪声又能保持图像的细节，符合本系统检测 ｋ＝旦 —— Ｌ 的需求。 一（∑ ） 一 ∑ｘｉ ３．１．３图像分割 ＝ 一＝ 在所采集到的零件图像中，我们只对零 ∑ ∑ ｎ ｎ ｎ 件区域本身感兴趣，对于图像中的其他要素则 ＺＸｉ∑ｘｉＹｉ－Ｚｘ， ∑ ｂ＝』生——甚—————Ｉ三Ｌ——ｌ三Ｌ 要尽量消除。图像分割就是指把图像分成各具 特性的区域，并提取出感兴趣目标的技术和过 （∑ ） 一ｎ∑薯 ｉ＝１ ｉ＝１ 。 程。经过大量的实验验证，本文采用迭代闽值 当直线与Ｙ轴平行时，设所求拟合直线 分割法实现对零件图像的分割，达到了预期的 的方程为：ｘ＝ａ。同理，满足最小二乘法条件 处理效果。 的目标函数为： ３．１．４边界提取 轮廓是对物体形状的有力描述，对图像 厂（ａ）＝∑（ －ａ） ｉ＝１ ０ 分析和识别十分有用，而通过边界提取算法就 可以得到物体的边界轮廓。目标图像边界提取 ： 由极值条件可得： 。 的方法很多，主要包括链码表示法、标记图法 （２）采用最小二乘法实现对圆和圆弧的 以及多边形近似法等。论文采用８连通链码法 拟合。 对待测零件进行了边界提取，为后续零件尺寸 采用最小二乘法对圆和圆弧的拟合过程 的检测奠定了很好的基础。 与直线的拟合求解过程类似。设所求拟合圆的 ３．２图像分析 方程为：ｒ ＝（Ｘ－－“） ＋（ —ｖ）。。根据最小二乘 法应满足的条件，可以求出拟合圆的三个参魏 ３．２．１特征检测 ｕ、ｖ和ｒ。 要测量零件的尺寸，首先应该检测出零 这样，通过基于最小二乘法的直线和圆 件所包含的直线和圆等基本的几何特征。目前 拟合方法，可以顺利检测到直线和圆弧几何特 常用的几何特征检测方法有Ｈｏｕｇｈ变换法、 征，为后续零件尺寸的测量奠定了基础。 拟合法和模板匹配法等。本文采用最小二乘法 ３．２．２系统的标定 实现了对直线和圆的拟合，其拟合具体过程如 相机拍摄到的图像是以像素为单位的，要 下： 得到待检零件的实际尺寸，需要将像素尺寸转 （１）采用最小二乘法实现对直线的拟合。 换为长度尺寸，这个过程称为系统的标定。本 当直线与Ｙ轴不平行时，设所求拟合直 文使用０级精度量块，采用二次标定法实现了 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ电子技术与软件工程・８７ 图像与多媒体技术・Ｉｍａｇｅ＆Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 表１：量块和环规测量结果及其分析 测量序号 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １Ｏ 测得值 １．４９５ １．４９３ １．４９２ １．４９４ １．４９３ １．４９２ １．４９４ １．４９５ １．４９６ １．４９４ ０级量块 残差 ＝蕾一 标准环规 残差平方ｖ １．４４ｘ１０ ０．６４ｘ １０。 ３．２４ｘ１０ 。 ０．０４ｘ ｌＯ ０．６４ｘ１０。。 １．４４ｘ１０’ ０．０４ｘ １０。 １．４４ｘ１０。 ４．８４ｘ １０ ０．０４ｘ １０‘ ｌ０ 测得值 ２．０３３ ２．０３２ ２０３５ ．残差ｖ＝ 一２－ —０．０００９ —０．００１９ —０．００ｌ１ 残差平方 Ｏ．８１×ｌ０ ３．６１ Ｘｌ０ １．２１×１０ ＋０．００１２ —０．０００８ —０．００１８ ＋０．０００２ —０．０００８ —０．００１２ ＋０．０００２ ＋０．００１２ ＋Ｏ．００２２ ＋０．０００２ ２．０３４ ２．０３２ ２．０３６ ２．０３３ ２．０３５ ２．０３５ ２．０３４ ．０．０００１ —０．Ｏ０１９ ＋０．００２１ —０．０００９ ＋Ｏ．００１１ ＋Ｏ．００１ｌ ＋０．０００１ ｌＯ ０．Ｏ１ｘ１０ ３．６１×１Ｏ ４．４ｌＸ１Ｏ。。 ０．８ｌＸ１０ １．２ｌＸ１０ １．２１ Ｘ１０ ０．０１Ｘ１０ 平均值 ＝１．４９３８ ∑ ＝０ ０．３９２ ∑ ＝１３．８×１０ 平均值 ＝２．０３３９ ∑ ＝０ ０．４３３ Ｚｖ，２＝１６．９×１０一 平均值的标准偏差／ｕｒｎ 测量极限误差／ｕｍ 土１．１７６ 平均值的标准偏差／ｕｍ 测量极限误差／ｕｍ 士１．２９９ 对系统的标定过程。被测零件的实际尺寸Ｌ与 像素尺寸Ｎ之间应满足如下关系式：Ｌ＝ＫＮ＋ｂ 式中，ｂ为系统误差，Ｋ为标定系数； １．ｒ Ｙ Ｔ１ 在摄像机固定的情况下，求取参数Ｋ和ｂ 值的具体步骤如下： （１）在被测位置放置一长度为Ｌ 的标准 量块； ｌ ｉ灰度化处理４ 特征检测 ｌ １ １．ｒ １．ｒ 图像分割 、 （２）对标准量块进行扫描、处理，得到 对应的像素尺寸Ｎ。； （３）在被测位置放置另一长度为 的标 准量块，重复步骤２，得到对应像素尺寸Ｎ，； （４）求取参数值： ， ＝ＩＩ｝ 硬韩初始化 ＼ ／ ｌ 图像１．去嗓ｒ Ｉ ｌＩ 系统标定 “ ／ Ｎ ｌ １．ｒ ｒ ’ ；ｌ ◆ ｊ常规尺寸测量ｌ 。 ◆ ， 二 Ⅳ２一：ｂ＝Ｌ—ＫＮⅣｌ ， ‘。 ４软件设计 本着稳定、可靠、合理、高效、简洁和 易于操作的原则，我们采用面向对象的Ｍａｔｌａｂ 程序语言，实现了基于Ｍａｔｌａｂ ＧＵＩ的测量系 统软件的设计。 本测量系统软件主要包括用户登录模块、 文件管理模块、图像处理模块、参数设置模块、 数据浏览模块和帮助模块等。其中，用户登录 模块可以完成用户的注册、登陆、密码修改和 账号管理；文件管理模块主要包括待测零件图 图像采集 — 打开图像ｌ Ｉｌ ◆ ｉ ｊ 结果显示 边界提取 ｌ Ｉ 图像采集部分 图２：图像处理流程图 ． 图像分析部分 翔像预处理部分 采用概率与数理统计的方法对测量结果 进行了处理。由处理结果可以看到，采用本测 ［２】李岩，花国梁．精密测量技术［Ｍ】．北京： 中国计量出版社，２００１． 量系统，其测量精度可以达到微米级，可以满 足在线实时测量的需要。 ｆ３】章毓晋．图像工程（上册）一一图像 处理和分析［Ｍ］．北京：清华大学出版 社，１９９９，５－１２０． 像的打开、关闭和保存等功能：图像处理模块 不仅包含文中所涉及到的算法，还增加了其他 算法功能；参数设置模块可以实现对摄像机、 零件和图像参数的设置；数据浏览模块可以完 成对实时数据、历史数据和操作记录的查看； 软件帮助模块主要用来说明软件的使用和系统 的更新问题。 ６结论 作者设计了一套基于机器视觉的零件几 何尺寸在线检测系统，克服当前人工检测的不 足，提高了产品的检测精度。同时，完成了系 统硬件、软件和图像处理算法的设计。实验结 果表明：该测量系统的测量精度可以达到２ｕｍ 以下，满足零件尺寸非接触在线测量要求，具 有很好的应用前景。 ［４】张铮，王艳平，薛桂香．数字图像处理与 机器视觉［Ｍ］．北京：人民邮电出版社， ２０１２（１２）：６３－ｌ６０． 作者简介 王保军（１９８８－），男，山西省忻州市人。硕 士研究生学历。现为山西机电职业技术学院助 理讲师。主要研究方向为基于机器视觉的零件 ５实验结果 在线检测。 为了验证测量系统的适应性、稳定性和可 参考文献 靠性，本文选用工作面距离为１．４９ｍｍ的０级 ［１１王保军．基于机器视觉的药瓶封装缺陷检 作者单１立 量块和直径为２．０３ｒａｍ的标准环规对系统进行 了可靠性测试。实验的测量结果如表１所示。 测系统研究［Ｄ］．沈阳：东北大学（硕士 学位论文），２０１４．山西机电职业技术学院 山西省长治市 ０４６０００ ８８・电子技术与软件工程Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ