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基于机器视觉的密封件图像测量技术研究 学科：信号与信息处理 研究生签字：让显 指导教师签字：协易 摘要 橡塑密封件是为解决主机行业的跑、冒、滴、漏等问题所配套的器件。目前，密封件 的尺寸测量主要采用人工检测，这种方法存在测量精度低、劳动强度大等缺点。随着航空、 航天等高技术的发展，对密封件的测量精度要求越来越高，当前的测量技术已不能满足要 求。为此，本文采用基于机器视觉的图像测量技术，实现对密封件实时在线检测。 论文以高速线阵c c d 相机为核心组件，构建了密封件在线图像测量平台；在同步控 制模块控制下，实时获取密封件动态图像。为了对图像测量参数分析，深入分析和研究了 图像处理的基本算法，采用中值滤波去除了图像中出现的脉冲干扰噪声，使其在消除脉冲 噪声的同时保持了图像的边缘细节；针对s o b e l 边缘检测算法存在检测边缘粗且对噪声极 其敏感的缺点，提出了一种改进算法：该算法重新构造了对图像边缘方向进行检测的模板， 并对扩展的梯度方向图进行细化处理，得到接近单像素宽的边缘图像；为了进一步提高边 缘定位的精确度，设计了一种在梯度方向上进行高斯曲线插值的细分算法，可应用于边缘 为任意曲线的图像亚像素细分，该算法具有很强的适应性；在细化的边缘图像上，变换相 隔点数，每三个点采用三点定圆心法得到圆心序列，序列点对应的累加和最大值为最佳圆 心坐标，进而完成密封件内外径的尺寸测量，兼顾了测量精度和实时处理速度，特别在图 像残缺的情况下，本算法具有很强的检测能力。 以v c + + 6 o 作为软件开发平台，开发了密封件图像处理软件，实现了密封件内外径 的在线测量，测试结果表明，论文所构建的基于机器视觉的图像测量系统结构合理，图像 处理方法正确，图像测量精度优于o 1 像素，具有很强的实用性。 关键词：机器视觉；边缘检测：亚像素细分：图像测量 r e s e a r c ho nt h ei m a g em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yo fs e a lb a s e do n m a c h i n ev i s i o n d i s c i p l i n e ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u0 z a b s t r a c t t h er u b b e ra n dp l a s t i cs e a li sas u p p o r t i n gd e v i c et h a tc a nb eu s e dt os o l v et h ep r o b l e mo f r u n n i n g ，e x h a l i n g ，d r i p p i n ga n dl e a k i n gi nt h eh o s ti n d u s t r y a tp r e s e n t ，t h es i z em e a s u r e m e n t m e t h o do fs e a lm a i n l yu s e sm a n u a ld e t e c t i o nm e t h o d ，w h i c hh a st h ed i s a d v a n t a g eo fl o w p r e c i s i o na n dg r e a tl a b o ri n t e n s i t y , e t c w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs p a c e f l i g h ta n da v i a t i o nh i g h t e c h n o l o g y , t h er e q u i r e m e n to fm e a s u r e m e n tp r e c i s i o ni sm u c hh i g h e ra n dh i g h e rf o rs e a l ，s o t h ep r e s e n tm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yh a s n tm e e td e m a n d sy e t t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rp r o p o s e s t h ei m a g em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yb a s e do nm a c h i n ev i s i o nt oa c h i e v eo n l i n ed e t e c t i o nf o r s e a l t h eo n l i n ed e t e c t i o np l a t f o r mo fs e a li se s t a b l i s h e d ，w h i c hu t i l i z e sh i g h s p e e dl i n e a rc c d a st h ec o r ec o m p o n e n t sa n da c q u i r e sd y n a m i ci m a g eu s i n gs y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lm o d u l e i n o r d e rt oa n a l y z et h ei m a g em e a s u r e m e n tp a r a m e t e r s ，t h ei m a g ep r o c e s s i n g t e c h n i q u e sa r e d i s c u s s e da n ds t u d i e d m e d i a nf i l t e ri sa d o p t e dt or e m o v e i m p u l s en o i s e ，w h i c hc a l lp r e s e r v et h e e d g ed e t a i l s am o d i f i e de d g ed e t e c t i o na l g o r i t h mh a sb e e np r o p o s e da st h ed i s a d v a n t a g eo f n o i s e - s e n s i t i v ea n dr o u g h l ye d g e i nt h ea l g o r i t h m ，t h ee d g ed e t e c t i o nt e m p l a t eo fs o b c li s r e c o n s t r u c t e d t h e nt h et h i n n i n gp r o c e s s i n gi su t i l i z e df o rt h ee n l a r g e dg r a d i e n td i r e c t i o no f i m a g ea n df i n a l l yg e t sn e a r l ys i n g l ep i x e le d g ei m a g e t h eg a u s s i a nc u r v ei n t e r p o l a t i o n s u b 。p i x e ls u b d i v i s i o ni nt h es e a le d g eg r a d i e n ti m a g eh a sb e e nr e s e a r c h e df o ri m p r o v i n g p r e c i s i o np o s i t i o no fe d g e ，w h i c hh a ss t r o n ga d a p t a b i l i t ya n dc a nu s ei na n yc u r v e e d g e f i n a l l y , t h r e ep o i n t sc e n t e r i n gi su s e dt os i z em e a s u r e m e n to fs e a l e s p e c i a l l yu n d e rt h em u t i l a t e dc i r c l e t h em e t h o dw i t hd e t e c t i n g s p e e da n dr e a l - t i m ep r o c e s s i n gp r e c i s i o nh a ss t r o n gd e t e c t i n g c a p a b i l i t y t h ei m a g ep r o c e s s i n gs o f t w a r ep l a t f o r mo fs e a li s d e v e l o p e d ，w h i c hu t i l i z e sv c + + 6 0a s 。s o f t w a r e d e v e l o p m e n tp l a t f o r m , t h u st h ei n t e r n a la h de x t e r n a ld i a m e t e ro fs e a lo n 1 i n e m e a s u r e m e n ti sr e a l i z e d t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mh a sr e a s o n a b l es t r u c t u r ea n d c o r r e c t l yi m a g ep r o c e s s i n gm e t h o d t h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o ni sb e t t e rt h a n0 1p i x e l s t h e s y s t e mh a sg o o da p p l i c a b i l i t y k e yw o r d s ：m a c h i n ev i s i o n ；e d g ed e t e c t i o n ；s u b - p i x e ls u b d i v i s i o n ；i m a g em e a s u r e m e n t 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。学校有权保留送( 提) 交的学位论文，并对学位论文进行二次文献加工供其他读者查阅和借阅；学校可以在网络 上公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：让星 指导刻雠：f 芦彦 日期：o 毋7 罗、 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 让星 指导教师签名： 日期：d7 箩、 6 3 1 绪论 1 1 引言 l 绪论 密封件是利用其材质的高弹性，以实现对介质的密封( 防水和防尘) 和隔离( 挡风、隔音、 减震、减摩、隔热) 为目的的一类橡塑制品。密封件主要是以聚氯乙烯( p v c ) 、乙丙烯橡胶 ( e p d m ) 、合成橡胶改性聚丙烯( p p e p d m ) 等为原材料，通过挤压成型或者注射成型等方 法制成，被广泛的应用在汽车、航空航天、火车等生活的方方面面。 目前，我国密封件的生产水平有了很大的提高，但是与国外生产水平相比还有一定的 差距，国内现有生产厂家如能满负荷生产的话，满足国内汽车生产和生活产品所需橡胶密 封件已不成问题，但由于密封件的生产大多散落在条件比较简陋的小企业，规模化和自动 化水平不高、设计与研发水平有限、生产设备落后，生产过程控制大多是工人手动操作， 具有一定的滞后性，从而使产品的质量很难保证。尤其是密封件生产中尺寸合格性的控制 目前大部分都是传统的手动测量，故而产品质量参差不齐。 机器视觉应用广泛，发展很快，国内现在有很多基于机器视觉的成品在线测量系统， 但那都是针对啤酒瓶、管孔等硬材质的器件进行研究的，而橡胶密封件是属于软性材料， 测量时处于高温、软状态，在线测量较复杂。国内对密封件尺寸测量系统的研究就有几家， 而且也没有将其推广到实际生产中，购买国外设备存在投资高、维护困难等缺点，所以密 封件尺寸测量系统很值得研究与开发。本文以机器视觉为基础，采用数字图像处理技术， 对密封件尺寸进行在线测量，该测量系统的研究，并且实现产业化，可以促进国民经济的 发展，能够带来很大的经济利益。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 密封件国内外检测现状 1 1 国际检测技术方面 国外最新的发展是采用以计算机视觉为核心的光学检测系统。例如德国公司采用了新 型光学系统，完全取代了人工检测，成功将密封件的质量检测完全集成到生产过程中。这 种图像处理系统达到了极高的检测速度和检测精度，可检测到密封件表面微小的缺陷，如 裂缝、滑移线、毛孔、气泡和杂质等，操作简单方便，并能有效地保证结果的一致性、可 靠性。该系统有线形检测系统和旋转检测系统两种：线形检测系统根据o 形圈等产品的几 何形状及其表面状态，由1 6 架相机进行记录，并由智能化的软件进行分析。经过零件的 自动分离或反转，达到对表面、孔穴、滑移线及异常因素的检测，带飞边毛刺的密封件还 可单独挑拣出来，以便返修。废次品也可根据不同的标准分别装到不同的容器中。旋转检 两安工业大学硕七学位论文 测系统可通过附加变形，测试密封件表面的异常，还可对弹簧是否装配到位进行测定。两 种检测系统均可实现完全自动化，目前主要用于高质量要求的密封件检测。 日本n o k 公司研究的油封可视化技术，是世界上最先成功将油膜在油封和回转轴的流 动状态可视化，提高理论与实际的吻合检证精度；利用分子动力学模拟技术进行分析，模 拟分子间的活动，可预测气体及油对橡胶和塑料的极限状态的影响，从而分析油性添加剂 用于橡胶和塑料所产生的影响。另外，还有测量油封唇口张力为主要依据的油封检测装置； 以检测气压变化测定油封唇口密封性能的气敏检测仪( 意大利) ，具有较高的检测速率乜1 。 2 ) 国内检测技术方面 国内橡胶密封件的检测手段，总得来说，比较落后，存在以下问题及缺陷： a 、检测手段落后且缺乏可靠的检测手段。 对橡胶密封件的尺寸检测和外观评价，主要是人工检测口1 。对于精度要求不高的，一 般使用传统的卡尺、卡规或塞规进行；对于精度要求高的则采用专用的坐标测量仪器来进 行。但是两者均为人工目测读数，远远没有达到自动化检测的程度。对于批量大、高质量 要求的密封件产品，生产厂家对于产品检测通常采用抽样检测；对要求不高的产品甚至就 不检测。因此，目前这种检测状况往往不能满足主机厂家的要求。而且，人工目视检查时， 由于需要长时间工作，工人的眼睛比较累，劳动强度高，且容易出错。 b 、无法对密封件的产品质量进行准确及时统计分析。 由于橡胶密封件柔软有弹性，人工检测生产效率低，误差大，人为因素多，不利于质 量控制，无法保存检测的数据结果，并谈不上统计分析，所以，也就不能及时将检测结果 反馈到生产线上，进而调整生产工艺流程，提高产品质量和产品优良率。 c 、进口设备价格昂贵，难以普及。 国内目前引进的德国i ( m k 具有较高的自动化水准的检测设备。但是，设备的价格昂贵 难以普及，且在检测技术上也是保密的。同时，设备维修与零配件的供应及技术传授都存 在很大困难。国内也出现过因设备维护而使得价值十几万美元的设备长期闲置不能使用的 现象。所以，国内的橡塑密封件生产厂家，也迫切需要国内研制和生产相应的密封件自动 检测设备h 1 。 1 2 2 机器视觉国内外应用现状 机器视觉自起步发展到现在，已有1 7 年的发展历史。应该说机器视觉作为一种应用 系统，其功能特点是随着工业自动化的发展而逐渐完善和发展的嵋1 。 目i j 全球整个视觉市场总量大概在6 0 7 0 亿美元，是按照每年8 8 的增长速度增长 的【引。而在中国，这个数字目前看来似乎有些庞大，但是随着加工制造业的发展，中国对 于机器视觉的需求将呈上升趋势。 在国外，机器视觉的应用主要体现在半导体及电子行业，其中大概4 0 5 0 都集中 在半导体行业。具体如p c b 印刷电路：各类生产印刷电路板组装技术、设备：单、双面、 多层线路板，覆铜板及所需的材料及辅料；辅助设施以及耗材、油墨、药水药剂、配件； 2 1 绪论 电子封装技术与设备；丝网印刷设备及丝网周边材料等。s m t 表面贴装：s m t 工艺与设 备、焊接设备、测试仪器、返修设备及各种辅助工具及配件、s m t 材料、贴片剂、胶粘 剂、焊剂、焊料及防氧化油、焊膏、清洗剂等；再流焊机、波峰焊机及自动化生产线设备。 电子生产加工设备：电子元件制造设备、半导体及集成电路制造设备、元器件成型设备、 电子工模具。机器视觉系统还在质量检测的各个方面得到了广泛的应用，并且其产品在应 用中占据着举足轻重的地位。除此之外，机器视觉还被广泛地应用于其他各个领域。 而在中国，以上行业本身就属于新兴的领域，再加之机器视觉产品检测技术的不普及， 导致以上各行业的应用几乎空白，即便是有，也只是低端方面的应用。目前在我国随着配 套基础建设的完善，技术、资金的积累，各行各业对采用图像和机器视觉技术的工业自动 化、智能化需求开始广泛出现，国内有关大专院校、研究所和企业近两年在图像和机器视 觉技术领域进行了积极思索和大胆的尝试，逐步开始了工业现场的应用。其主要应用于制 药、印刷、矿泉水瓶盖检测等领域。这些应用大多集中在如药品检测分装、印刷色彩检测 等。真正高端的应用还很少，因此，以上相关行业的应用空间还比较大。当然，其他领域 如指纹检测等领域也有着很好的发展空间。 在机器视觉赖以普及发展的诸多因素中，有技术层面的，也有商业层面的，但制造业 的需求是决定性的。制造业的发展，带来了对机器视觉需求的提升；也决定了机器视觉将 由过去单纯的采集、分析、传递数据，判断动作，逐渐朝着开放性的方向发展，这一趋势 也预示着机器视觉将与自动化更进一步的融合。 1 3 课题研究的目的和意义 本硕士学位论文的研究得到陕西省教育厅科技计划项目“密封件外观与尺寸在线检测 仪一的资助，项目编号0 3 j c 2 9 。 随着汽车工业的蓬勃发展，对高质量的密封件的需求量是越来越大。从前面的叙述来 看，我国的密封件生产水平比较低，产品质量与国际水平相差甚远。要想适应市场的发展， 赶超密封件的国际生产水平，单靠手工测量方式是不行的，必须提高密封件生产的自动化 水平。 虽然现在有很多成品的在线检测系统，但因性价比不是很好，所以没有被广泛的应用。 国内目前密封件的生产基本上都用手动测量来控制尺寸，有几家大型企业采用了自动测量 系统，也是购买国外的设备。相对而言，购买国外设备有投资高、维护困难等缺点。而在 国内，对密封件尺寸测量系统的研究就有几家，但他们也没有将其推广到实际生产中，所 以密封件尺寸测量系统很值得研究与开发。 总而言之，能够研制出密封件尺寸测量系统，具有重大的现实意义。而且，随着产品 细化程度的加深，以及密封件市场需求的不断扩大，这种尺寸测量系统有很大的应用前景。 这种测量方式对其他的在线测量来说也有良好的借鉴意义。 两安工业人学硕+ 学位论文 1 4 本文主要的研究内容 论文综合分析了国内外密封件行业的发展、需求现状和检测的研究现状，结合“密封 件外观与尺寸在线检测仪项目，分析了密封件尺寸测量系统的总体结构设计、硬件平台 的搭建，研究运用基于机器视觉的图像测量技术完成图像采集、处理和尺寸测量。主要内 容如下： 1 ) 分析密封件检测系统的组成和硬件的参数及其性能，这些硬件包括：c c d 相机、 镜头、光源、数据采集卡等。选择适合本课题任务的硬件设备，搭建一套基于个人计算机 的视觉检测平台； 2 ) 研究密封件尺寸测量系统的图像处理技术。基于搭建的硬件平台，进行图像采集 和动态图像的处理；通过去噪、二值化等图像预处理，深入研究像素级和亚像素级的边缘 检测和定位处理算法； 3 ) 运用v c + + 6 0 工具开发密封件视觉检测系统的图像处理软件，完成图像采集、处 理、显示等功能； 4 ) 对系统进行标定和样品测量，评估系统的精度和图像处理能力。 4 2 密封件检测系统的总体结构 2 密封件检测系统的总体结构 2 1 密封件在线检测系统的方案设计 为了实现密封件在线检测，根据测量要求，设计密封件在线检测系统的总体结构。如 图2 1 所示。 密封件检测系统的硬件是由光源、c c d 摄像机、数据采集卡、计算机等组成。软件 是在v c 啪0 的工作平台上，运用图像处理技术来实现的。检测方案是当密封件在机械 运动工作平台上以一定的速度和节拍在传输带上运动时，进入特定位置，触发高灵敏度光 电开关发出信号，通知c c d 采集图像，c c d 摄像头将其接受的光学影像转换成视频信号 输出给数据采集卡，数据采集卡再将视频信号转换成数字图像信息供计算机处理、显示， 计算机运用图像处理算法对图像数据进行处理运算并显示结果。其中，光源、密封件、 c c d 相机以及数据采集卡等构成了图像采集系统。计算机完成的工作属于图像处理与输 出系统。图像采集系统和图像处理与输出系统有机结合，可实现密封件在线检测。 图2 1 检测系统框图 2 1 1 检测系统硬件结构 系统硬件把被测密封件转化成图像信息，以便后续的图像处理软件进行分析处理和检 测。它主要包括：照明系统、c c d 摄像机、数据采集卡及相关联的处理设备。这部分系 统的设计原则是：保证足够的图像分辨力，较为清晰的图像对比度，尽量缩短图像获取时 间，其它方面就是还应该使系统工作稳定、抗干扰、成本低等。 西安1 ：业大学硕士学位论文 2 1 2 检测系统软件设计 系统软件主要是采用模块化的思想。完成相机参数、数据采集卡参数的设置；对系统 进行标定，并记录标定数据，从而对采集的图像采用本文研究的算法进行图像处理，以分 析所检测的密封件内外径尺寸是否合格。 2 2 密封件在线检测系统的关键技术 2 2 1 图像采集 眼睛看到的视觉图像是连续的，而计算机仅能处理离散的数据，所以视觉检测系统必 须首先将连续的图像函数转换为离散的数据集，这一过程叫做图像的数字化。将一幅图像 进行数字化的过程就是在计算机内生成一个二维矩阵的过程盯8 1 。数字化过程包括三个步 骤：扫描、采样和量化。扫描是按照一定的先后顺序对图像进行遍历的过程，如按照行优 先的顺序进行遍历扫描，像素是遍历过程中最小的寻址单元。采样是指遍历过程中，在图 像的每个最小寻址单元即像素位置上量测灰度值，采样的结果是得到每单元的灰度值， 采样通常由光电传感器件完成。量化则是将采样得到的灰度值通过模数转换等器件转换为 离散的整数值。数字图像采集由图像采集系统完成，经过成像、采样和量化，得到数字图 像。图像的采集实际上是将被测物体的可视化图像和内在特征转换成能被计算机处理的 一系列离散数据，它主要由三部分组成：照明、图像聚焦形成、图像确定和形成摄像机输 出信号 1 0 e 对一幅图像依照矩形扫描网格进行扫描的结果是生成一个与图像相对应的二维 整数矩阵，矩阵中每一个元素( 像素) 的位置由扫描的顺序决定，每一个像素的灰度值由采 样生成，经过量化得到每一像素灰度值的整数表示。因此图像采集的结果是将一幅自然界 的连续图像进行数字化并最终获得数字图像。 2 2 2 图像处理 数字图像处理包括图像预处理( 滤波、图像增强、边缘提取、细化、特征提取) 、图 像识别与图像理解等内容。经过这些处理后，输出图像的质量得到相当程度的改善，图像 边缘更为直观，既改善了图像的视觉效果，又便于计算机对图像进行分析、处理和识别n 。 图像处理部分是整个测量软件的核心内容，它在很大程度上决定着测量的精度。其中边缘 检测算子的选择是困难的，不同的算子针对不同的图像噪声，目前各种新算法层出不穷， 表明这一领域成为研究的热点。而随着工业检测等应用对精度要求的不断提高，像素级精 度已经不能满足实际测量的要求，因此需要更高精度的边缘细分算法，即亚像素算法n 羽。 研究表明，通过不同的亚像素细分计算，边缘位置可以达到0 1 像素或0 0 1 像素。由此 表明利用软件来提高测量的精度具有方法简单、有效的优点。因此，图像测量的软件算法 越来越受到人们的重视。 6 2 密封什检测系统的总体结构 2 2 3 系统标定 视觉检测系统的标定十分重要。摄像机标定是一个确定三维物体空间坐标系与摄像机 图像二维坐标系之间变换关系以及摄像机内部参数和( 或) 外部参数的过程，高精度的测量 系统需要高精度的标定参数，由于成像中的镜头不可避免地产生畸变，小孔投影模型的假 设也存在成像误差，寻找简单而且足够精确的摄像机标定方法，是视觉测量精度的关键因 素n3 1 。在系统标定中，为了弥补由像素点非正方形分布、相机几何光轴排列偏差、镜头畸 变和其它一些图像扫描参数的不精确带来的图像畸变，摄像机的几何和光学特性必须被考 虑。因此，高精度、高效率是对标定方法的基本要求。 2 3 本章小结 本章主要介绍了密封件在线检测系统的方案设计，是由硬件系统和软件系统构成的。 并对各自完成的功能进行了简要的概括，指出图像采集、图像处理及系统标定是视觉检测 系统的关键技术，对检测结果起着决定作用。 7 西安丁：业大学硕士学位论文 3 1c c d 相机 3 密封件测量系统的硬件结构 相机作为密封件检测系统的核心部件，对于密封件检测系统的重要性是不言而喻的。 在选择相机时既要考虑到采集速度、触发方式、分辨率、体积等因素，又要考虑光学接口、 照明方式( 即：光强度、光的几何结构、光谱) 以及计算机接口等因素。 对于相机的分类目前没有统一标准，常见的分类有以下四种： 1 ) 按芯片技术分类：c c d 相机、c m o s 相机 两种相机的主要差异在于将光信号转换为电信号的方式。对于c c d 传感器，光照射 到像元上，像元产生电荷，电荷通过少量的输出电极传输并转化为电流、缓冲、信号输出、 对于c m o s 传感器，每个像元自己完成电荷到电压的转换，同时产生数字信号n 利。c c d 和c m o s 的区别如表3 1 所示： 表3 1c c d 相机j 口c m o s 相机区另0 由比较可以看出，由于c m o s 器件灵敏度较低，同时响应速度也较c c d 慢，不能满 足现场实时测量的要求。 2 1 按靶面类型分类：面阵c c i ) 、线阵c c d 相机不仅可以根据传感器技术进行区分，还可以根据传感器架构进行区分。有两种主 要的传感器架构：面扫描和线扫描。面扫描相机通常用于输出直接在监视器上显示的场合； 场景包含在传感器分辨率内：运动物体用频闪照明；图像用一个事件触发采集( 或条件的 组合) 。线扫描相机用于连续运动物体成像或需要连续的高分辨率成像的场合。线扫描相 机的一个自然的应用是静止画面中要对连续产品进行成像，比如纺织、纸张、玻璃、钢板 等。同时，线扫描相机同样适用于电子行业的非静止画面检测n 5 j 刚。如表3 2 所示为面阵 c c d 与线阵c c d 详细的特性比较表。 8 3 密封件测量系统的硬什结构 表3 2 面阵c c d 与线阵c c d 特性比较 3 ) 按输出模式分类：模拟相机、数字相机 根据相机数据输出模式的不同可以分为模拟相机和数字相机，模拟相机输出模拟信 号，数字信号输出数字信号。模拟相机和数字相机还可以进一步细分，比如数字相机按数 据接口又包括：l v d s 接口、c a m e r al i n kb a s e m e d i u m f u l l 、f i r e w i r e ( i e e e1 3 9 4 ) 、u s b 接口和g i g e 接口。模拟相机分为逐行扫描和隔行扫描两种，隔行扫描相机又包含e i a 、 n t s c 、c c 取、p a l 等标准制式。 4 ) 彩色相机、黑白相机 黑白相机直接将光强信号转换成图像灰度值，生成的是灰度图像；彩色相机能获得景 物中红、绿、蓝三种分量的光信号，输出彩色图像。彩色相机能够提供比黑白相机更多的 图像信息。 虽然彩色图像看起来漂亮一些，但是选择彩色摄像机意味着更高的价格和更多的处理 时间。一方面由于单色图像通常是8 位的，而彩色图像可以是8 位、1 6 位、2 4 位或3 2 位的；另一方面单色图像只包含单一的强度成分，而彩色图像中包含有r g b 或h s l 成分， 所以彩色图像处理起来比较复杂，处理时间也多一些。所以，要根据颜色信息是否对测量 有用来判断是否选择彩色摄像机。在有些应用中，例如测量图像中物体间的边缘距离、所 成角度等空间关系，彩色信息并没有用处，这时应选用单色摄像机。在另外的一些应用中， 例如测量不同颜色和大小的零件的数目，其中颜色信息是必需的，这时应选择彩色摄像机。 而在密封件尺寸测量中对颜色没有要求，所以选用单色摄像机。 一般机器视觉检测系统较为常见且应用最多的是面阵c c d ，其控制的方式较为简单， 只需将传感器曝光即可得到图像信息，但仅适用于面积范围固定、低速的检测范围。但对 于面积尺寸较大且需高速的检测的应用场合，面阵c c d 的性能，不一定比线阵c c d 好， 9 两安工业人学硕士学位论文 而且面阵c c d 的价格高。线阵c c d 结构简单，成本较低，可以同时储存一行视频信号， 由于其单排感光单元的数目可以做得很多，在同等测量精度的前提下，其测量范围可以做 的较大，并且由于线阵c c d 实时传输光电变换信号和自扫描速度快、频率响应高，能够 实现动态测量，并能在低照度下工作，所以本文在密封件的尺寸测量中选用线阵c c d 。 本系统采用d a l s a 公司的高精度线阵相机p i r a n h a 2 ，p i r a n h a 2 相机一直是世界上最 快的线扫描相机。有效分辨率从l k 到8 k ，相机更小更轻，比普通相机需要更少的电源。 紧凑的设计比以往的4 k 、6 k 和8 k 相机更薄。通过c a m e r al i n k 串行高速标准，电缆和接 口变得简单。选用的相机芯片型号为i l p 1 n7 1 ，该款相机的主要性能指标如表3 3 所示。 表3 3 线阵c c d 相机主要性能参数 3 2 镜头 摄像机镜头是成像系统的关键部件之一，其作用是将目标聚集在图像传感器的光敏面 上。由于衍射现象和镜头像差的存在，实际镜头并不十分理想，镜头质量的好坏直接影响 到机器视觉的整体性能。衡量镜头质量的关键指标之一是镜头分辨率，即对空间光学图像 细节的分辨能力，一般用单位长度内分辨的黑白线对数来衡量。镜头按照其焦距的大小可 以分为广角镜、标准镜和长焦距的镜头。一般来讲，焦距越小，视角越大，最小工作距离 越短，视野越大n8 伸1 。在选择镜头时需要考虑以下问题： 1 ) 成像面尺寸成像面是入射光通过镜头后所成像的平面。一般使用的c c d 摄像机， 其芯片大小有1 3 、1 2 、2 3 及l 英寸四种大小，在选用镜头时要考虑该镜头的成像面与 所用的c c d 摄像机是否匹配。 2 ) 焦距、视角、工作距离、视野等参数。选用镜头的要畸变小、视野大及工作距离 近。 配合线阵相机使用的镜头。采用扫描式的工作方式，需要镜头与目标相对运动，每次 曝光成像一条线，多次曝光组成一幅图像。线阵扫描成像的特点：c c d 线阵方向的图像 分辨率固定，而在目标的运动方向上，空间采样频率与运动的相对速度有关。从成像的角 度讲，线阵镜头和其它类型的镜头并没有本质的差异。只是对镜头的使用方式不同而已。 如图3 1 所示为线阵c c d 相机光学镜头成像原理，其中镜头焦距为f ，1 1 为相机像素 数，p 为像素大小，n p 即为像高，f l 为物距，b 为像距，l x 为视场宽度。由图3 1 可知： 鱼一印 一= - - al x 1 0 3 密封什测量系统的硬件结构 根据成像公式： ll l ab 可得： 厂2 焉 ( 3 1 ) 在线阵相机选定的情况下，像高n p 的值确定，由公式( 3 1 ) 可以在已知视场宽度、物 距、焦距三个参数之中两个的情况下，计算出另一个参数值的大小。 l 、 警 哭 l x l r 、l 啊 1 |lb 。l a 1 r l 3 3 数据采集卡 图3 1 线阵c c d 相机光学镜头成像原理图 由于c c d 图像传感器与计算机是异步工作，要实时采集c c d 输出的信号，必须在 c c d 输出与计算机之间加上一个高速图像数据缓冲器，即数据采集卡，由于一般情况下 计算机与外设交换数据率很低，所以图像数据采集卡还解决了c c d 高速输出与计算机低 速取数之间的矛盾。通过图像数据采集卡的桥梁作用，计算机就可以根据时序发生器送来 的同步信号，实时采集c c d 输出的数据。 本课题采用了c a m e r al i n k 接1 ：3 的数据采集卡来适配d a l s a 相机和计算机。该数据 采集卡具有传输速率高，可达1 0 0 m b s ，且几乎不占用c p u 的时间。 3 4 照明系统 稳定可靠的照明系统是密封件检测系统中个重要的组成部分，直接影响着图像的采 集质量。采集图像质量的高低直接影响到后续图像的处理、分析和检测结果，所以光源的 选择尤为重要。高质量图像采集系统必须能够在实际现场条件下持续地获得高品质、高对 比度的图像，尽量减少周围环境光线、材料和机器类型的变化对系统的影响。光源与照 明方案的配合应尽可能地突出物体特征量，在物体需要检测的部分与那些次要部分之间应 尽可能地产生明显的区别，增加对比度。同时还应保证足够的整体亮度，物体位置的变化 不应该影响成像的质量。在视觉检测应用系统中一般使用透射光和反射光。对于反射光情 硝安下业大学硕士学位论文 况应充分考虑光源和光学镜头的相对位置、物体表面的纹理，物体的几何形状等要素。光 源的选择必须符台所需的几何形状，照明亮度、均匀度、发光的光谱特性也必须符合实际 的要求r 同时还要考虑光源的发光效率、使用寿命及价格。总之，应该根据实际的任务， 选择和设计不同的光源形式，以达到物体成像的最佳状态。 1 ) 照明方式的选择 根据图像传感器的工作方式，其图像获取的照明方式可以分为通用目的照明、背光照 明、暗域照明、直接照明、透射照明、m 轴照明等方式“”。 通用目的照明：也可称为沐光照明，采用柔性线路板，将l e d 以高密度排列成伞状 结构，照明区域的中一t l , 可以获得非常高的光照度，这种结构广泛的应用在各个领域。 图32 通用照明l e d 模块 背光照明：背光照明是将光源放置在相对于摄像头的物体的背面。背光照明产生了很 强的对比度。应用背光技术时候，物体表面特征可能会丢失。背光照明主要用于工件轮廓 检测如电子元件的外部检测、检测透明底片等的污点、s o p 和c s p 检测等。 结构光：结构光足一种投影在物体表面的有一定几何形状的光( 如线形、圆形、正方 形) 。如线性照明，是线形传感器的最佳照明。主要应用于：包装破损检测、l c d 破损检 测、膨胀胶片破损检测、掩膜胶片破损检测、迭片结构破损检测等。 图33 条形光源模块 此外还有连续漫反射照明、暗域照明、n - 轺i n n 、多轴照明等。 山于课题所要求测的密封件有一定的厚度，同时也由于课题传输装置采用的是传送带 3 密封仆测撬系统的硬件结构 的限制，所以我们不采用背光照明。因此课题只比较了最常用的沐光照明和线性结构光的 照明方式。沐光照明、线性结构光照明分别如图34 、3 5 所示。用两幅图对比可以看出： 在沐光照明的情况下，密封件的轮廓不是很清晰，密封件内侧也有很大的阴影，不便于边 缘检测。而在线性结构光照明下，密封件边缘在图像中表现的较明显，后续判别相对较简 单。 图34 津光照明下的边缘图围35 线性结构光下的边缘图 2 1 光源的选择 判断机器视觉的照明的好坏，光源至关重要，光源应该不仅仅是使检测部件能够被摄 像系统“看见”，有时候，一个完整的机器视觉系统无法支持工作，但是仅仅优化一下光 源就可以使系统正常工作眦1 。 光源有如下非常重要的性质： 对比度：对比度对机器视觉来说非常重要。机器视觉应用的照明的晟重要的任务就是 使需要被观察的特征与需要被忽略的图像特征之间产生最大的对比度，从而易于特征的区 分。对比度定义为在特征与其周围的区域之间有足够的灰度量区别，好的照明应该能够保 证需要检测的特征突出于其他背景。 亮度：当选择两种光源的时候，墩佳的选择是选择更亮的那个。当光源不够亮时，可 能有三种情况会出现。第一，相机的信噪比不够。由于光源的亮度不够，图像的对比度不 够，图像出现噪声的可能性也增大。其次，光源的亮度不够，必然加大光圈，从而减小了 景深。另外，当光源的亮度不够的时候，自然光及杂散光等随机光对系统的影响会很大。 光源的位置：既然光源按照入射角反射，因此光源的位置对获取高对比度的图像很重 要。光源的目标是要达到使感兴趣的特征与其周围的背景对光源的反射不同，预测光源如 何在物体表面反射就可以决定出光源的位置。 光谱特征：光源的颜色及测量物体表面的颜色决定了反射到摄像头的光能的大小及波 长。当分析多颜色特征的时候，选择光源的时候，色温是一个比较熏要的因素。例如，卤 灯更多表现为黄色，而氙灯0 显现蓝色。 控制反射：如果反射光可以控制，图像就可以控制了。因此在涉及机器视觉应用的光 源设计时，最重要的原则就是控制好哪里的光源反射到透镜及反射的程度。机器视觉的光 两安一t = 业大学硕士学位论文 源设计就是对反射的研究。影响反射效果的因素有：光源的位置、物体表面的纹理、物体 表面的几何形状及光源的均匀性。此外光源还有鲁棒性、效率、寿命特性等其它特性。 目前在图像处理中可以选用的光源主要有：白炽灯、卤素灯( 碘钨灯、溴钨灯) 、气体 放电灯( 高压和超高压疝灯) 、l e d 光源。白炽灯一般发光效率低，光线不均匀，一般在图 像处理中很少采用。卤素灯、气体放电灯亮度较大，但寿命较低( 一般只有数千小时) ，开 关速度也比较慢( 一般在数秒) ，无法满足实时检测的要求1 。 l e d 光源是近十年兴起的一种光源，具有使用寿命长( 大于五万小时，间断使用寿命 更长) 、反应速度快捷( 可在1 0 微秒或更短时间内达到最大亮度、启动速度快，可用于间 歇) 、亮度稳定并可随时调节、可以实现计算机控制以及可制成各种形状、颜色、尺寸和 各种照射角度，因此本次设计采用l e d 光源。 综合考虑照明方式及光源特性、成本，结合项目实际，为了拍摄到比较清晰的密封件 图像，方便后期处理，这里采用基于线性结构光( 也就是高亮度条形光) 的照明方式，光 源选用高亮度的条形l e d 光源模块。在光源的照射下，采用相机与电机带动传送带同步 触发取到连续的面积图像。论文对线扫描后的整幅图像进行处理。 3 5 光电传感器 光电传感器( 光电开关) 是光电接近开关的简称。它是利用被检测物体对光束的遮光 或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体的有无。被检测物体不限于金属，对所有能 反射光线的物体均可被检测。光电开关是一种电量传感器，把电流或电压的变化以光电的 方式传送出去，即进行电信号光信号一电信号转换。多数光电开关选用的是接近可见光的 红外线。光电开关可分为对射型、漫反射型、镜面反射型。 1 ) 对射型光电开关：由发射器和接收器组成，结构上是两者相互分离的，在光束被 中断的情况下会产生一个开关信号变化，典型的方式是位于同一轴线上的光电开关可以相 互分开达5 0 米。特征：辨别不透明的反光物体；有效距离大，因为光束跨越感应距离的 时问仅一次；不易受干扰，可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中：装置的消耗 高，两个单元都必须敷设电缆。 2 ) 漫反射型光电开关：当开关发射光束时，目标产生漫反射，发射器和接收器构成 单个的标准部件，当有足够的组合光返回接收器时，开关状态发生变化，作用距离的典型 值一直到3 米。特征：有效作用距离是由目标的反射能力决定，由目标表面性质和和颜色 决定；较小的装配开支，当开关由单个元件组成时，通常是可以达到粗定位；采用背景抑 制功能调节测量距离；对目标上的灰尘敏感和对目标变化了的反射性能敏感。 3 ) 镜面反射型光电开关：由发射器和接收器构成的情况是一种标准配置，从发射器 发出的光束在对面的反射镜被反射，即返回接收器，当光束被中断时会产生一个开关信号 的变化。光的通过时间是两倍的信号持续时间，有效作用距离从0 1 米至2 0 米。特征： 辨别不透明的物体；借助反射镜部件，形成高的有效距离范围；不易受干扰，可以可靠合 1 4 3 密封什测量系统的硬件结构 适的使用在野外或者有灰尘的环境中。 本课题采用不易受干扰、集发射器和接收器于一体的镜面反射型光电开关，工作电压 是4 v 3 0 v ，满足数据采集卡5 v 的输入电压。 3 6 本章小结 本章主要介绍了密封件在线检测系统c c d 相机和数据采集卡等硬件的选用原则，分 析了光源的作用，并在硬件系统中选择了合适的照明方案。 两安t 业大学硕士学位论文 4 1 图像预处理 4 密封件在线检测图像处理算法的研究 密封件图像的预处理是从生产线上采集得到的密封件图像进入计算机处理器后的第 一个处理环节，是通过一系列的处理过程以改善图像的视觉效果和内在质量，达到为后续 处理提供较好质量目标图像的目的。图像的预处理主要包括图像去噪、图像的阈值化等处 理过程。 4 1 1