（测试计量技术及仪器专业论文）基于视觉的合金圆锯片锯齿角度测量方法研究.pdf

摘要 形状尺寸检测是工业检测的重要组成部分，其检测结果是对生产过程进行控 制的重要指标，直接影响着生产效率和质量。随着生产方式的发展和进步，需要 检测仪器能够实现高精度和高效率结合，使之应用于工业在线测量。 本论文以锯片锯齿检测为依托，探讨了利用视觉检测方法对锯齿角度进行测 量的技术及方案，主要完成的工作有： 1 、 对系统的实验装置进行讨论，利用锯片是回转工件这一特性，提出了相机固 定，而使用光学分度头使锯片做回转运动的实验装置。 2 、对系统的光源和照明方式进行了选择和设计。对于不同的锯齿角度，提出了 多种光源同时采用，多种照明方式共同结合的方案。 3 、对图像轮廓进行了提取，对比了经典轮廓提取算子的优劣，选择了简单快速 的阈值分割+ 腐蚀算法提取轮廓；对多轮廓的模板图像，采取基于链码的轮 廓智能跟踪方法，实现了特定模板圆的提取。 4 ； 建立系统坐标系。提出了一种基于半径已知的定点旋转法来解算回转中心在 相机坐标系中的位置，建立系统坐标系。设计了结合光刻模板的机械定标件， 讨论了圆心拟合算法的精度。 5 、对实际锯片锯齿角度进行了测量。通过标准模板对角度拟合算法进行评估， 并且对实际锯齿角度进行重复测量。对前后角、侧隙角等进行了测量，讨论 了回转圆心误差对实际测量的影响。 关键词：合金锯片视觉测量图像处理刀具角 a bs t r a c t t h ef o r m d i m e n s i o nm e a s u r e m e n ti sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ei n d u s t r i a li n s p e c t i o n t h er e s u l to ft h em e a s u r e m e n ti sav e r yi m p o r t a n tp a r a m e t e rf o rc o n t r o l l i n gt h e p r o d u c t i o np r o c e s s ，a n di ta f f e c t st h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dq u a l i t yd i r e c t l y a st h e p r o d u c t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o pf l e e t l y ，i t sm o r ea n dm o r en e c e s s a r yt og e tt h eh i g h l y p r e c i s i o nr e s u l tw i t ht h eh i i g he f f i c i e n c yb yt h em e a s u r ei n s t r u m e n tt op l a ya n i m p o r t a n tr o l ei nt h ei n d u s t r yp r o d u c t i o n t h i sp a p e rb a s e so nt h es a w - t e e t hm e a s u r e m e n t i tp r o b e si n t ot h et e c h n i c a l s c h e m eo fm e a s u r i n gt h es a w - t e e t ha n g l eb yv i s i o nm e t h o d ih a v ef i n i s h e dt h en e x t f i v ep a r t sm a i n l yi nt h i sr e s e a r c h ： 1 吼d i s c u s st h ec o n s t r u c t i o no ft h ee x p e r i m e n t a li n s t a l l a t i o n u s et h eo p t i c a l d i v i d i n gh e a dt oc o n s t r u c tt h es a wp i e c er o t a t i n gm e c h a n i s m p r e s e n tc a m e r a f i x e d ： s a w p i e c er o t a t i n gm o d e lb a s e do nt h es a wp i e c ec h a r a c t e r 2 删，c h o s ea n dd e s i g nt h em o d eo ft h el i g h ts o u r c ea n di l l u m i n a n c e f o rd i f f e r e n t a n g l e so ft h es a w - t e e t h ，c o m b i n ek i n d so fl i g h ts o u r c ea n di l l u m i n a n c em o d e 3 加，a f t e rc o m p a r i n gs e v e r a lk i n d so fc l a s s i c a lc o n t o u re x a c t i o no p e r a t o r s ，c h o o s e t h et h r e s h o l ds e g m e n t & e r o s i o nm e t h o dt oe x t r a c tt h ei m a g ec o n t o u r ；u s i n g i n t e l l i g e n te d g et r a c k i n gm e t h o db a s e do nc h a i nc o d et ot r a c ks p e c i f i cc o n t o u r 4 伽e s t a b l i s ht h ec o o r d i n a t es y s t e m p r e s e n tam e t h o dw h i c hr o t a t i n gf i x p o i n t w i t hk n o w nr a d i u st og e tt h ec i r c l ec e n t e rc o o r d i n a t ei nt h ec o o r d i n a t es y s t e mo ft h e c a m e r a a n dt h e ne s t a b l i s ht h es y s t e m sc o o r d i n a t es y s t e m d e s i g nam e c h a n i c a l s t a n d a r d p a r t c o m b i n e dw i t ht h ep h o t o l i t h o g r a p h i ct e m p l a t e a n dd i s c u s st h e p r e c i s i o no f t h ec i r c l ec e n t e rf i t t i n ga l g o r i t h m 5 曲，m e a s u r et h ea n g l e so ft h ea c t u a ls a w - t e e t h e v a l u a t ea n g l ef i t t i n ga l g o r i t h m u s i n gt h es t a n d a r dt e m p l a t e a n dt h e nm e a s u r et h ea c t u a ls a w - t e e t ha n g l e sr e p e a t e d l y m e a s u r er a k ea n g l e 、r e l i e fa n g l ea n dk n i f eg a pa n g l e d i s c u s st h ei n f l u e n c et ot h e m e a s u r e m e n tr e s u l tc a u s e db yt h ee r r o ro ft h ec i r c l ec e n t e r k e y w o r d s ：a l l o ys a w , v i s i o nm e a s u r e m e n t ，i m a g ep r o c e s s ，c u t t e ra n g l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：杏逸签字日期：训夕年毋月6 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞苤堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 杏建 屏 粤 尹哞 石尹凯，绅 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 形状尺寸检测是工业检测的重要组成部分，其检测结果是对产品评价和生 产过程进行控制的重要指标，直接影响着生产效率和质量。随着生产方式的发 展和进步，需要检测仪器能够实现高精度和高效率结台。以往的常规尺寸检测方 法，一般是基于卡尺、投影仪、轮廓仪、万能工具显微镜等，这些检测仪器虽然 能够实现高精度测量但是检测过程需要在特定环境中进行，效率很低，而且检 测过程与生产过程分离，不能实现尺寸的在线检测，也就不能满足工业检测的要 求。 以锯片锯齿参数为例，合金锯片锯齿刀头的形状、尺寸及位置参数，对于 锯齿切削过程有着重要影响，因此有必要对锯齿参数进行逐齿检测，图1 - 1 列举 了目前市场上常见的部分锯片和不同型号的锯片刀头。而现有的检测手段仍是以 投影仪为主，只能实现锯片锯齿的抽检，无法实现参数的快速检测。况且过程为 人工抽检，结果因检测人员不同而不同另外，工人长时间进行检测，其疲劳程 度也会影响到检测结果的精度。 砖 图i - 1 市场上常见锯片及刀头图像 近年来，由于计算机技术和光电技术的发展，基于数字图像处理的视觉测 量方法越来越多的应用于影像测量中。视觉检测把图像作为检铡和传递信息的手 段或载体加以利用，通过利用c c d 或c m o s 图像传感器实现光电数字成像闭， 通过处理被测图像而获得所需的各种参数。但是基于视觉检测方法的测量系统都 必须面对视场和精度的矛盾视场的扩大必然导致检测精度的降低。现有的视觉 貅 _ii-， 第一章绪论 检测系统，为了获得较高的检测精度而只能在较小区域内成像，所得图像往往是 被测件的局部图像，当被测几何量跨度超过该成像区域时，测量系统不得不采用 类似万工显测头移动过程的点到点机械位移测量模式，难以大幅度提高检测效 率，难以从根本上实现自动化，智能化测量【3 1 。因此，有必要设计一种自动化视 觉检测仪器，在保证精度的同时实现零件快速智能化测量。 1 2 影像测量技术的国内外发展现状 传统的影像测量仪器以投影仪为代表，作为一种二维尺寸测量系统，投影仪 仅反映平面x ，y 坐标，对z 向坐标并不敏感，对获取零件的线轮廓非常有优势。 近年来，随着计算机技术和光电子技术的发展，计算机视觉检测技术得到了飞速 的发展和广泛的应用【4 】。对图像的采集方式也由原来的直接将图像投影到大屏幕 上转变为使用c c d 直接进行数字图像采集，这一变化带来了革命性的进步，将 传统影像测量同计算机建立联系，从数据的采集到处理都通过计算机进行控制， 提高了检测效率，为实现仪器的检测智能化提供了技术保障。 同传统的投影仪相比，计算机视觉检测技术有以下优点： 对零件检测效率高。传统的投影仪对图像轮廓的识别和检测主要通过人 眼，检测效率低；而计算机视觉采用数字图像，不仅反映了零件的真实 轮廓，一次成像采集就可以获得丰富的信息，更能够快速的进行图像处 理，提高检测效率。 易于实现自动化。数字图像的采集和处理都通过计算机进行控制，这就 能够方便与控制系统衔接，实现图像采集和工件运动的自动化。 对尺寸适应性强。视觉技术不仅应用于微小尺寸测量，对于大尺寸测量， 通过拍摄多幅图像，利用图像的交叠部分进行拼接，扩展了测量范围， 因而能够应用于更宽广的测量领域。 目前，国内外很多公司推出了基于视觉检测技术的影像测量仪，均采用c c d 实现数字图像采集，如日本三丰公司的q u i c ks c o p e 系列产品，n i k o n 公司的 n e x i v 系列产品，瑞士m a r c e la u b e r ts a 公司的影像测量系统，德国w e r t h 公 司的多功能三坐标测量机，美国七海光电s o v 系列影像测量仪，意大利l t f 公 司的子公司l ，t f 1 s o s c a n 生产的i s o s c a n a c 型摄像显微镜【5 】。另外，我国 万豪精密仪器有限公司和智泰精密仪器有限公司也推出了相应的影像测量系统 1 6 】。图1 2 展示了现在市场上的部分影像测量仪。 第一章镕* 齿舞 q 目硇 辞四 圈1 - 2 市场上现有的部分影像涮量仪 但是，所有的影像测量系统都必须面l 临视场范围和检测精度难以同时兼顾的 问题。若要获得高精度的检测结果，就必须以牺牲视场范围为代价，只能通过拍 摄工件的局部图像，配合电控机械平台进行调整，这样就增加了系统的复杂程度。 表1 - 1 显示了本文调研的部分影像测量仪的视场精度对照情况。 仪器名称及型号视垢测量精度使用情况目别 嵌入式二维图像测量系统 1 2 0 m i n x l 2 0 r a m 7 0 1 u n 实验室中国 大视场视觉检测系统 9 0 m m x 7 5 m m 3 6 1 a n 实验室 中国 i m a g e m e a s u r e m e n t s y s t e m 0 5 0 r a m 1 0 9 m 实验室英国 三丰o u k k i m a g e 3 2 m m x 2 4 m m 1 0 r u n 产品日本 柱形物体测量系统o m m l o x m 实验室中国 i j i 下i s o s c a n a c2 5 m m x 2 5 m m 1 0 p r o 产品意大利 计算机辅助测量系统 1 m m x o 8 m m 35r a m产品日本 n e x i v s t - - 8 6 0 0 视像测量仪 m 12 m m 3 1 u n 产品美国 大视场面阵c c d 显微测量 m 02 2 r a ml 实验室中国 仪 1 3 锯齿参数的检测现状 锯片的设计参数直接影响到其切削效果，尤其是锯齿参数更是影响到锯片切 削时的切削角如果切削角度不合适，会影响到切削痕迹的品质。目前对锯齿角 度研究的领域主要集中在锯片刀具角度的设计上，文献【7 】【8 介绍了根据锯切 力设计合适的锯齿齿形参数的方法，但是如何对实际生产的锯片实际锯齿参数的 盘铀 第一章绪论 测量并没有相应的介绍。 而现在锯齿参数的检测方法无论国内外大致停留在上世纪八十年代水平，多 是象征性的局部测量部分刀具角度【9 j 。目前市面上存在的“多自由度定位刀具角 度测量显微镜”也只是能实现个别锯齿角度的抽检，无法实现锯齿参数的在线快 速测量。通过对河北小蜜蜂工具集团有限公司的实地考察，发现目前工厂中对锯 齿齿形的主要参数，仍主要靠投影仪进行人工检测，检测效率比较低。 1 4 课题的研究目的和意义及主要研究内容 1 4 1 课题研究的目的及意义 本课题的主要研究目的是为锯片参数实现工业现场检测进行技术研究和可 行性分析，为最终实现锯片参数自动化检测设备的生产奠定基础。课题的研究意 义主要有： 1 对锯片锯齿参数的检测，主要是满足目前锯片参数测量方面的工业实际 需要。目前该领域的技术相对欠缺，设计一款基于图像处理的锯齿参数 自动检测设备具有科研和应用的双重价值。 2 研究固定坐标系之间的标定方法，应用于工业检测领域具有通用价值： 不仅能够应用于锯片检测，对于较大尺寸的回转零件尺寸参数的测量， 同样具有重要意义。 3 实现能够满足工业在线检测的视觉测量仪器，来代替现有的投影仪检测 方法，提升仪器的检测效率和检测精度。 1 4 2 本课题主要研究内容 本课题的主要研究内容包括以下几点： 1 对系统的光源和成像方式进行了研究分析，对于不同的锯片参数，研究 了不同光源和光照条件对成像的影响，针对锯齿角度测量的特点确定了 远心镜头。设计了适合锯齿角度测量的硬件成像系统。 2 研究了图像处理的方法，对比了常用的边缘检测算法，实现了单像素轮 廓的提取和智能跟踪。 3 基于工业设备快速检测锯齿参数的需要，提出了基于模板定位件的测量 系统坐标系建立方法，对锯片回转中心和相机坐标进行一次定标，多次 测量同一类参数。 4 分析了不同锯齿角度的拍摄方案和图像处理方法，针对不同角度采取不 4 第一章绪论 同的位姿拍摄，实现了锯齿角度的测量。 5 对不同角度的测量结果进行了分析，评价了用于进行角度计算的基准的 测量精度。 第二章测量系统构建 第二章测量系统构建 一个典型的视觉测量系统应该由被测目标、光源、图像获取装置、数据存储 及处理系统组成。视觉测量系统的结构图如图2 1 所示： 图2 - 1 典型视觉测量系统示意图 本文涉及的视觉测量系统主要技术包括： 1 图像获取 该部分主要由光源，照明系统，c c d 成像系统及图像采集卡组成。其主要 作用是将被测目标的轮廓信息尽可能的原样采集，将其转换成适于计算机处理的 数据，本文中为b m p 文件。本章将主要介绍测量系统中的光源、照明及成像系 统，并且结合测量图像类型设计了适合的光源、照明，选择了合适的相机及镜头。 2 图像处理 对于c c d 采集到的数字图像数据，其中包含着我们感兴趣的目标信息，图 像处理将原始图像数据经过一系列算法处理，从中获得有用的目标信息。常见的 图像处理技术包括图像滤波、图像增强、边缘跟踪及提取、细化、图像识别与理 解等。本文通过阈值分割及边缘提取，获取被测零件的轮廓信息，根据轮廓信息 计算相应的数据，详细理论分析及软件实现将在第三章进行论述。 3 测量系统坐标系建立 现有的影像测量系统在测量较大尺寸零件时，为保证测量精度，采取牺牲视 场的方法但是同时降低了检测速度。因此本文采取摄像机坐标与测量系统坐标相 对固定的拍摄方式，通过确立工件坐标系相对于摄像机坐标系的关系，对于锯片 6 第二章测量系统构建 等采取回转方式检测的零件，实现次定位，多次测量同类数据的测量方式。相 应的坐标系建立方法将在第四章详细论述。 2 1 系统光源及照明方式 照明系统的设计往往决定了测量系统的成败【1 们。在影像测量系统中，一般 需要突出被测物体与背景之间的灰度差异，获得清晰稳定的图像信息。设计一个 好的照明系统，需要考虑很多因素，包括光源颜色、均匀性、稳定性、光源结构、 大小、照明方式、被测物体的结构特性和背景特征等。 2 1 1 影像测量中的常用光源 光源一般可以分为自然光源和人工光源两类。自然光源比如太阳、月亮等由 于对地面的辐射不稳定并且不可控制，通常不直接用于视觉检测系统。通常所用 的人工光源包括热辐射光源、气体放电光源、固体发光光源和激光器。表2 - 1 列举了几种常见的光源名称及种类，视觉检测系统中常用的光源n 1 主要有荧光 管、卤素灯、l e d 光源和激光光源，这几种常用光源如图2 2 所示。 表2 - 1 常见的人工光源 人工光源 白炽灯、卤钨灯 热辐射光源 黑体辐射器 荧光灯 汞灯 金属卤化物灯 气体放电光源氙灯 氘灯 钠灯 空心阴极灯 发光二极管 固体发光光源 场致发光二极管 气体激光灯 固体激光灯 激光器 半导体激光灯 染料激光灯 * = 章测量系统构建 在机器视觉系统中，光源的作用主要有以下几种 照亮目标提高目标亮度 形成最有利于图像处理的成像效果 克服环境光干扰，保证图像的稳定性 ( a ) 檄光光源 o ) 发光二极管光源荧光光源 图2 - 2 几种常见光源 对于不同的测量系统来说，没有通用的机器视觉照明设各：也就是说，应该 针对每个特定的应用实例。设计相应的照明装置，达到最佳效果。在本系统中， 要求光源尽可能的凸显被测目标的轮廓并且能够提供均匀照明，还要能够抵抗 环境光干扰，针对系统要求下面就视觉系统中常用的几种光源进行比较分析。 钨丝白炽灯 作为常用的热辐射光源，白炽灯同卤钨灯的基车发光机理相似。它们都是基 于钨丝在电流作用下的高温辐射【l ”所引发的发光现象。卤钨灯是在白炽灯基础 上进行改进的一种灯。因为钨丝在高温下蒸发附着在灯泡内壁上，使灯泡变黑降 低白炽灯的发光效率，在灯泡中充入碘、溴等卤族元素后，卤旗元素会和灯泡内 壁上的钨发生反应形成化合物，这些化台物在灯丝附近遇到高温又会分解蒸发 的钨元素又回到钨丝上，这样就避免了高温下白炽灯的发黑问题。卤钨灯相对白 炽灯具有发光效率高、光衰速度慢、形体小等优点。 总体来说，钨丝白炽灯和卤钨灯的成本低，但是作为系统光源，这两种光源 的照明均匀性较差，作为高精度测量系统来说，测量时引入的误差较大，光照不 均匀也会使图像成像质量下降，使图像处理难度增大。因而本系统不采用此类光 源。 散光光源 激光光源中，氢氖气体激光器和半导体激光嚣在精密检测、光信息处理、全 息摄影、准直导向、大地测量等技术中有着极为广泛的应用。与其他光源相比 檄光光源的优点很多，包括单色性好、方向性强、光亮度极高等。但是由于激光 的方向性根强，会使得目标表面各点反射到相机内的光能量不相辞所以对漫反 第二章测量系统构建 射体的照明常常出现被测目标表面亮度不均，因此在机器视觉场合应用较少。激 光光源常用于通过测量被检物体的空间频谱分布确定被测物体的某些特征参数， 不适用于本文所提到的检测对象，因此本系统不采用激光光源照明。 l e d 光源 本系统中采取的光源为l e d 光源( 发光二极管光源) ，这种光源的发光机理 是p - n 结在加正向偏压时，p - n 结区势垒降低，从扩散区注入大量的非平衡载流 子不断复合发光。发光二极管在p n 结通以正向电流时，注入载流子主要在p 区 复合发光，发光强度厶与电流，成正比( n 1 ) ，即i , - - - - q ，“其中矾，为发光效率， 仉：冬：下ko ，单位为l r 小 公式( 2 1 ) 由于发光二极管的正向伏安特性1 = i oe x p q u n k t ) 中l 以 2 ，可以忽略，所 以发光强度与电压的关系如下所示，可见光强j ，与电压u 是指数关系。 ，= le x p ( q u k t ) 公式( 2 2 ) 同其它光源相比，发光二极管光源有以下优点： 令体积小、重量轻、便于集成 工作电压低，耗电量小，驱动简单 夺比普通光源单色性好 夺发光亮度高，效率高，亮度易于调整 容易与计算机结合，便于计算机控制 夺光源寿命长 l e d 光源可以做成多种形状，适应不同的检测需要，并且由于光源发光稳 定，使用寿命长，尤其是新型大功率l e d 光源，半衰期更能够达到1 0 0 0 0 0 小时 以上，用作工业检测设备光源的优势非常明显，是今后机器视觉系统光源制作的 首选器材。 荧光管和气体放电灯 荧光管和卤素灯均属于气体放电灯，成本较低。低压钠灯能够发出单色黄光， 在实验室条件下通常作为单色光源使用，但是作为光源仍然是点光源，用在本实 验中不能满足均匀照明条件。相比单色点光源的钠灯，荧光灯发出的光中兼有多 种光波，其使用寿命也较长，光强比较亮。用在本文设计系统中，单个荧光管照 射零件表面时照明不均匀；采用环形荧光管能够改善照明情况，在提取某些特定 图像轮廓时，需要利用荧光管才能系统的照明需要，而且使用荧光管能够节省光 源硬件成本。具体的照明方式将在下一节进行详细介绍。 9 第= 章翱量系统构建 2 1 2 测量系统的照明方式 本测量系统的测量目标为尺寸较大的薄型回转工件，由于需要测量的尺寸参 数不在同一平面内，因此需要在工件的不同位姿下进行图像获取，相应的系统光 源及照明方式也需要根据不同的拍摄特点进行具体分析。图2 - 3 展示了硬质合金 锯片的刀头图像，系统的照明方式应可能的突出刀头的轮廓信息，而对于反光系 数较高的金属表面，则要求尽可能的不影响轮廓提取过程。本部分的照明方式选 择的标准是：尽可能的突出刀头齿面的轮廓信息，同时减少锯齿刀头表面纹理的 干扰，为后续的图像处理提供支持。 2 1 2 1 常用照明方式 图2 - 3 锯片刀头图像 一般常用的照明方式，主要有前景式和背景式两种。 前景式照明 前景式照明是将光源放置在相机与被测物体之间，光源发出的光由被测物体 表面反射后在相机中成像，前景式照明主要包括直射光和散射光两种。两种光照 方式示意图如图2 - 4 所示 直射 嗣嗣圈 倒姚 + + + 散射 嗣墨墨 匕! 塑塑蛀 紧 图2 4 前景式照明方式 第二 捌量系统构建 ( 1 ) 直射光 直射光的发散角度较小，光能量相对集中，光源亮度高，适合照射表面起漫 反射的材料。对于表面为镜面反射的材料。采用直射光照射会产生亮点，照明的 均匀性较差，不利于图像检测。 ( 2 ) 散射光 散射光是在直射光基础上加漫反射的半透明材料，例如毛玻璃片，形成二次 光源。散射光的发散角度随着漫反射材料透明度的降低而逐渐增大，照明的均匀 性也睫之提高，但亮度会逐渐降低。 背景式照明 背景式照明是将被测物放置在光源与相机之间，照明示意图如图2 - 5 所示。 背景式照明的优点是能获得高对比度的图像，比较适合于检测被测物的边缘轮 廓。 - 一 2 1 2 2 照明方式实验研究 些笪乒 图2 - 5 散射背景式照明 ( 1 ) 前后角测量的照明方式研究 前后角作为锯片刀头角度尺寸，位于与锯片端面平行的平面内，其示意图如 图2 5 所示，0 点为锯片回转中心，a 点为锯齿切削刃的顶点，连接o a ，并且 以l o 刖长为半径做圆弧，过a 点做圆弧切线a d ；这样就在端面内与锯齿齿面形 成两个角度口，其中口定义为前角，定义为后角。 图2 - 6 中可以看出，前后角中涉及了四个要素：切削刃顶点a ，锯齿端面线 段a b 和a c ；锯片回转中心o 。其中a 点、线段a b 、a c 均位于锯齿刀头的轮 廓上，o 点位于锯片中心：对于o 点的定位在第四章有详细论述，本章照明方 式主要讨论如何设计合适的照明，能够提取到对比度较高的锯片边缘。 第= 章铡i 统柏建 2 击前后角示意图 f a ) 环形低角度漫反射l e d 照明 环形低角度照明能够凸显物体轮廓p 】，漫反射照明光强均匀，但是强度较低， 会使工件大部分亮度较暗。图2 - 7 ( a ) 是采用环形低角度漫反射光源拍摄的锯齿端 面图像。可以看出，虽然图像中带有轮廓信息，但是由于漫反射板降低了光源的 亮度，使得图像整体亮度非常暗，对比度很差。在此基础上，添加平面l e d 背 向照明，得到的图像如图2 - 7 。由于增加了背景式照明，提高了图像对比度， 但是漫反射照明也凸显了工件上的机械加工纹理，增加了干扰。 图2 7 环形低角度浸反射照明 ( b ) 环形荧光管前景式照明 与环形漫反射l e d 相比，环形荧光管的照明亮度高，能够获得对比度较高 的端面锯齿图像，但是同其他前景式照明方式一样，荧光管在凸显轮廓信息的同 时也保留了锯片主体部分的纹理；并且对于一些磨削的表面由于反光系数较高， 极易造成灰度饱和。采集图像如图2 - 8 所示，环形荧光管照射表面方式为正向照 明。 第= 章测量系统目建 ( c ) 均匀散射l e d 背景式照明 采用均匀散射的平面l e d 背景式照明得到的图像如图2 - 9 所示，由于锯齿 端面安放位置与水平面平行，采用背景式照明能够很好的凸显锯齿轮廓，从图像 中可以看出，计算前后角所需要的三个重要元素：a 点、a b 、a c 均包含在图 像中，并且图像中没有锯齿表面信息的干扰。 图2 - 8 环形荧光管照明国2 - 9 均匀散射l e d 背景式照明 ( 2 ) 侧隙角、刃前角和侧后角的照明方式研究 侧隙角、刃前角、侧后角与前后角不同，这三种角的定义平面不在端面上， 图2 - 1 0 是侧隙角、刃前角和侧后角的定义示意图。左图显示的是刀头的立体示 意图，绘图方向为从刀头非切削刃一边向切削刃看过去。刀头的基础形状是横截 面为梯形的锥体，在锥体切削刃一侧沿顶面和侧面以一定角度削去一部分材料形 成刀头形状。图中口为刃前角，只和岛为侧睬角，在俯视图中，矗和晟为侧后 角。从示意图中可阻看出，侧隙角、刃前角和侧后角图像的获取需要锯片竖直的 位姿下进行获取。 图2 - 加刀头角度示意图2 - 1 i 侧后角成像图 从上一节中前后角照明方案中可以看出，背景式照明对于凸显锯齿轮廓有着 一圃 第= 章测i 系统构建 很好的效果，因此在照明方式的选择中首先采用背景式照明。图2 - 1 l 显示的是 直接采用均匀散射的背景式照明的侧后角图片，从图中可以看出，由于锯齿之间 排列的遮挡，并且锯片本身径向尺寸过大使得光源摆放位置受到很大限制因此 单纯的背景式照明无法凸显出目标平面的轮廓。因此本系统对于侧面上的角度照 明采取了前景式和背景式照明相结合的方法。 ( a ) 侧隙角和刃前角的照明方式 在讨论前后角照明时，构成前后角的a b 线段就是侧隙角所在平面在端面的 投影，从图2 - 9 中可以看出，由于前后锯齿的遮挡，侧隙角平面很难通过正投影 的方式获得，因此在拍摄时将该平面倾斜后在相机内成像，图2 1 2 ( a ) 是本系统 采取的侧隙角平面照明方式。由于锯齿倾斜成像，示意图中侧后角所在平面由于 遮挡了背景光，在相机中也呈暗像，通过加环形光管照明，将前向照明的光通过 侧后角平面反射被相机接收，将这部分图像亮度提升，从而提高了图像对比度， 突出了侧隙角平面轮廓，照明图像在图2 - 1 2 ( b ) 中显示。 。野” 平面漫反射光掉 抽) 倒隙角照明示意图 图2 1 2 侧辣角照明方式 m 1 照明图像 ( b ) 侧后角照明方式 侧后角照明同侧隙角类似不过使用环形光管照明出现的主要问题是：侧后 角平面的面积较小，齿之间的遮挡不明显，如果采取倾斜拍摄，会使目标面积进 一步缩小，提取的轮廓数据变少。而且侧后角倾斜拍摄和水平拍摄不影响最终计 算结果，实验中侧后角平面的拍摄角度接近水平，此时采取环形光管照明+ 背景 光照明由于两个光源亮度重叠，引起图像灰度饱和；换用了环形低角度漫反射 光源，虽然改善了照明效果，但是目标齿面和锯片交接带部分的灰度相同，无法 采用阈值分割方法分割出目标齿面轮廓；最后选用环形光管单独照射齿面，光源 倾斜照射到齿面，避免亮度饱和。图2 - 1 3 对比了三种照明方式下的图像，其中 ( a ) 为环形光管+ 背光照明，( b ) 为环形低角度漫反射光源照明( c ) 为环形光管前向 同目 第= 章测量系统构蔗 照明。从图中对比可以看出，虽然( c ) 中仍有部分区域灰度饱和，但是目标齿面 关键轮廓线周围的灰度对比度很好，能够很方便的通过阈值分割+ 轮廓提取得到 锯齿齿面轮廓。 l ( a ) 呵_ f ， 事 i ，：靛一 ； 麓 ( c ) 图2 - i3 佣后角的不同照明教果 小结 不同的视觉检测系统需要有不同的照明方案，本文系统中的照明方式也不止 一种。对于反射系数较高的金属表面，采用漫反射照明( 散射式照明) 能够很好 的避免局部亮点的产生。针对本系统中需要测量的锯齿角度根据角度位置和锯 片通常摆放的位姿，将测量角度进行分类：对于端面上的前后角，直接采用背景 式照明，提取到锯齿轮廓；对于侧隙角和刃前角，则采取背景武照明和环形光管 照明相结合的方式凸显目标轮廓；侧后角则采取了光照柔和的环形低角度漫反射 光源和背景照明相结台的方式。 2 2 镜头选择和试验台构建 2 2 1 镜头和相机选择 由于锯片本身存在一定厚度，测量侧隙角等立面尺寸的时候由于倾斜成像 第二章测量系统构建 需要选择合适的镜头，使倾斜平面在镜头中成像的前后部分由于透视造成的偏差 尽量减小。本系统中选取物方远心镜头【1 3 】，能够在物距发生变化的时候使像高 固定不变，消除物距变化带来的测量误差。另外，倾斜成像的图像由于成像面各 点的物距不同，相距也不一样，需要镜头能够容许一定的清晰成像的物距范围， 选取景深范围5 m m 的镜头，能够满足锯齿成像清晰范围要求。实验中选取c a r l z e i s sv i s s i o n m e s2 2 1 i 0 0 5 远心镜头，景深达至l j + 2 5 m m ，能够满足成像需 要。 本文选择b a s l e ra 1 0 2 f 作为使用相机，相机分辨率为1 3 9 2 x1 0 4 0 。这是 一款高性能数字c c d 相机，该c c d 芯片是面扫描黑白高分辨率c c d 芯片，具 有高灵敏度、宽动态范围、极高的分辨率和帧速率、控制方式灵活等特点。 2 2 2 实验台构建 在实验室条件下构建锯片锯齿角度测量实验装置。根据现有的实验条件，选 择精密光学分度头作为锯片的固定装置，该分度头光学码盘部分虽然报废，但是 整个光学分度头的机械轴系仍完好。采用光学分度头作为锯片的装载装置有以下 特点： 分度头上装卡锯片，可以实现锯片在水平面内和竖直面内的回转，对于 测量前后角、侧隙角等角度，满足锯片位姿摆放的要求。 分度头的轴系精度高。精密光学分度头的轴系定心精度在0 0 1 m m 以内 步进电机也可以实现锯片的回转运动，但是同光学分度头相比，通过步进电 机建立一个精密的回转轴系，代价很大。采用光学分度头，将锯片通过阶梯 轴与分度头轴系进行连接。 光学分度头具有良好的稳定性。由于系统的设计思想需要保证工件坐标 系和相机坐标系相对固定，由于机械分度头质量大，稳定性好，可以避免锯 片装卸过程对轴系的影响，保证测量精度。 在实验室条件下，初步建立锯片锯齿角度测量机构实验台，该试验台具有良 好的稳定性，方便实现锯片不同位姿下的图像采集，并且构造简单，可以作为最 终实际检测机构的基础框架。 本章小结 本章内容着重从试验机构的硬件入手，讨论了系统的光源和照明方式，针对 具体情况选定了不同的光源和不同的照明方式，并且采用了多种照明方式相结合 的方案。针对实验测量角度的具体情况，选用了远心镜头和c c d 相机，建立了 以精密光学分度头为基础的锯片回转机构。 第三章图像轮廓提取算法研究 第三章图像轮廓提取算法研究 图像的边缘是图像的最基本特征【1 4 】，边缘信息反映了图像的轮廓特征。本 文系统的图像处理思想，仍是以获得清晰连续的图像轮廓为目的，因此首先对图 像边缘进行分割，然后对边缘组成的轮廓进行提取，对于一幅图像中包含的多个 轮廓，进行智能跟踪，提取目标信息。本章主要讨论模板图像和锯齿图像的预处 理及轮廓提取方法，拟合算法等将在第四章和第五章结合具体测量角进行讨论。 3 1 图像预处理技术及阈值分割 3 1 1 图像预处理技术 对于一幅c c d 采集的图像来说，在数据传输过程中，由于外界环境干扰和系 统自身原因，往往会带有噪声，这些叠加在图像上的干扰信息使得图像像素点的 灰度值不能真实反映实际物体的光强，降低了图像质量。因此，需要对图像进行 预处理滤波。 3 1 1 1 常见噪声种类 噪声的种类有很多种，从信号的叠加方式分可以分为加性噪声、乘性噪声、 量化噪声等；从噪声的成因分可以分为散粒噪声、暗电流噪声、读出噪声和杂波 噪声等等；最常用的噪声分类方法是根据统计模型分类，包括高斯噪声、瑞利噪 声、伽马噪声、指数噪声、均匀分布噪声以及椒盐噪声【1 5 】，对于图像处理来说， 最常见的是高斯噪声和椒盐噪声。 高斯噪声是一种随机噪声，分布规律服从正态分布；椒盐噪声属于脉冲噪声， 在图像中的表现为区别于周围像素的单个峰值像素。公式3 1 是高斯噪声的概率 密度函数， 几) = 丧e - ( z - 声) 2 2 矿 公式( 3 1 ) 吣己a o 其中z 表示噪声灰度值，表示z 的平均值或期望值，o r 表示z 的方差。 第三章图像轮廓提取算法研究 3 1 1 2 常用滤波方法 利用像素本身以及其邻域像素的灰度关系进行增强的方法常称为滤波【1 酬， 滤波分为频域滤波和空域滤波两种。频域滤波是一种间接滤波方法，主要思想是 将图像变换到频域进行处理，再变换回空间域，算法实施起来比较繁琐；空域滤 波是在空间域直接对像素进行运算处理。空域的滤波算法又可以分为线性和非线 性两种。常用的滤波算法有邻域平均滤波，加权平均滤波和中值滤波；前两种为 线性滤波，后一种为非线性滤波。 模板卷积 空域滤波的实现方式基本上都是利用模板进行卷积来进行的。模板运算的基 本思路是将赋予某个像素的值作为它本身灰度值和其相邻像素灰度值的函数。 1 ) 邻域平均滤波( 均值滤波) 通过计算模板对应的滤波窗口中所有像素的灰度平均值来确定中心像素灰 度值。滤波表达式如公式3 2 所示 g = 万1 。窑肌) 吉 公式( 3 2 ) 公式( 3 3 ) 2 ) 加权平均滤波( 高斯滤波) 高斯滤波也是一种空域低通滤波，这种滤波算法的模板元素根据高斯函数来 选择权值，通常认为愈靠近模板中心的对应像素对滤波结果有较大贡献，因而权 值也较大。二维离散高斯函数做滤波器，函数表达式为： g ( x ，y ) = p 可 去 公式( 3 _ 4 ) 公式( 3 5 ) 邻域平均和加权平均滤波对于成正态分布的高斯噪声有很好的过滤作用，但 是对于椒盐噪声，滤波效果不明显。并且随着滤波模板邻域尺寸的增大，图像中 的边缘会变得模糊，因此，需要选择大小合适的滤波模板。 3 ) 中值滤波 中值滤波是对模板窗口对应所有像素排序，将排序所得的像素中值代替中心 第三章图像轮廓提取算法研究 像素的滤波方式。常用的中值滤波模板如下图所示： 田田 图3 - 1 常用的中值滤波模板 中值滤波是基于图像的以下特性：噪声往往以孤立的点的形式出现，这些点 对应的像素数很少，而图像则是由像素数较多，面积较大的小块构成。因此中值 滤波对椒盐噪声的抑制效果明显，并且能够保留图像边缘细节。不过由于需要对 模板对应的像素排序，中值滤波的运算速度较慢，需要选择合适的模板形状和大 小。 针对三种不同的滤波方式，考虑到本系统所采用的相机特性，采集到的 图像中基本不含有椒盐噪声，因此选用加权平均滤波方式进行图像的预处理。 3 1 2 阈值分割 经过预处理的图像，应该选取合适的阈值将图像进行二值化，即将图像灰度 转换为两种灰度值叫和2 5 5 。阈值分割的目的是简化图像灰度，凸显图像边 界，为后续的轮廓提取提供帮助。常用的阈值选取方法【l7 】包括：峰谷法、p 参数 法、最大方差自动阈值法等，对于灰度直方图具有明显双峰，并且具有窄且陡的 谷底的图像，峰谷法比较适用；对于图纸文章等易于估算目标和背景比例的图像， 适用p 参数法；对于无明显双峰和无明显谷底的图像，最大方差自动阈值法比较 适用。本文根据处理图像的具体情况选取了迭代法求取最佳阈值的方法。 迭代法求最佳阈值思想 阈值分割变换函数表达式为： 刷= 2 呈嚣 公式( 3 6 ) 公式中厂o ) 为变换后的像素点灰度，丁为阈值分割选定的灰度阈值，t ( 0 ，2 5 5 ) 。 因此阈值分割的关键在于r 的确定。 本文选用的迭代求最佳阈值的方法的基本思想是【1 8 】： ( 1 ) 求取图像的灰度直方图，获得灰度为乃的像素对应的像素个数只，并且获得 图像中的最小灰度z _ i 。和最大灰度磊戤，设初始阈值为： 1 9 第j 章图像轱并提取算珐研究 r o ；垒粤 公式( 3 - 7 ) ( 2 ) 设第k 次选代所得闽值为n ，根据阈值将图像分割为目标部分和背景部分 分别求两部分的平均灰度： ( 3 ) 迭代求新阈值 e z , p 乞。专r 互异 乙= i 蕾 ：! 些 公式( 3 - 8 、 公式( 3 9 ) 公式( 3 - 1 0 1 ( 4 ) 比较丑与- ，如果耳= 豫- ，程序结束；否则瓦+ ，= 疋，i g n ( 2 ) ，继续迭 代求阐值。 经过多次迭代求得图像的最佳阅值，可以精确的分割出目标和背景。并且这 种算法的抗噪声性能很好。由于是自适应的阈值选取，增强了算法对图像的适应 性，避免了由于背景灰度变化对分割图像的影响。图3 _ 2 显示了经过阑值分割后 得到的图像。 - - t 。砖，二_ 阁! d 3 第三 目像# 挺h 算法研究 3 2 轮廓提取算法 图3 - 2 选代法求阈值得到的分割图像 3 2 1 经典边缘检测算子 物体的边缘是由灰度不连续性所反映的。边缘种类可以分为阶跃状和屋顶状 边缘两种。经典的边缘提取办法是考察图像的每个像素在某个邻域内灰度的变 化，利用边缘邻近一阶或二阶方向导数的变化规律，利用局部微分算子 1 ”进行 检测。 图像灰度的梯度决定了边缘的锐利程度。梯度作为一个向量，可以利用偏导 数指出灰度变化最快的方向和数量： v ，= 可 缸 可 咖 梯度的大小和方向用公式表示为 m = 雁 2 + 2 m m 券 基于一阶微分的边缘检测算子主要有r o b e r t s 算子 子、f r e i c h e n 算子、k j i s c h 算于和c a n n y 算子。 基于一阶微分的边缘检测算子 1 r o b e r t s 算于 公式( 3 一 公式f 3 一1 2 ) 公