基于机器视觉的童车形变测量系统的研制

Compu e Know edge and Techno ogy 电脑知识与技术第8 卷第25 期2012 年9 月ISSN 1009-3044Computterr Knowlledge and Technollogy 电脑知识与技术Vol.8, No.25, September 2012.E-mail: http:/ww( )Tel:+86-551-56909635690964基于机器视觉的童车形变测量系统的研制丁浩，张杰，来雨霏，朱瑞毅（浙江省质量检测科学研究院，浙江 杭州 310013）摘要：结构部件强度是童车的最重要的安全项目，传统的童车形变测量方法在很多情况下受到限制。针对童车形变的技术要求，基于机器视觉技术设计了一套非接触式形变测量系统。该系统采用程序驱动高分辨率工业 CCD 相机完成图像 采集，然后对采集的原始图像进行预处理和边缘检测，分析计算形变区域的像素变化，实现形变量的检测。研制的形变测 量系统具有图像自动标定、测量、数据存储等功能。实验结果表明该系统的测量精度为 1mm，可满足童车形变的测试要求，并适用于需要测量形变的相关领域。关键词：童车；形变；图像采集；图像处理中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2012)25-6092-03Development of Deformation Measurement System for Childrens Vehicles Based on Machine VisionDING Hao, ZHANG Jie, LAI Yu-fei, ZHU Rui-yi(Zhejiang Institute of Quality Inspection Science, Hangzhou 310013, China)Abstract: The strength of the structural parts is one of the most important safe items for childrens vehicle. The conventional measuring method of deformation is limited in many conditions. Based on the machine vision, the non-contact deformation mea surement system was developed. The measurement system could acquire the image by high definition industrial CCD camera，then the primitive image was pre-prepared for edge analysis. The variation of pixels could be calculated in the deformation area. The measurement system can realize image calibration, measurement and data storage. The experimental results show that the measurement precision is 1mm. The measurement system can satisfy the requirements of childrens vehicle deformation measurement and be applicable to other related fields.Key words: childrens vehicle; deformation; image acquisition; image process1 概述童车是供儿童骑乘玩耍的器具，其使用对象为婴幼儿，他们自我防护意识差、反应迟缓，往往容易受到事故伤害，因此童车的安 全性能受到广泛关注。童车大多需要承载儿童体重，因此其结构部件的强度成为重要安全指标之一。童车在制造时采用的结构部 件的壁厚、直径等因素直接关系到童车的整体强度是否满足要求。使用劣质材料的童车在使用过程中可能会因承载重量而导致结 构部件变形甚至断裂，对玩耍中的儿童造成伤害。儿童自行车是最受儿童喜爱的骑乘玩具，因儿童有模仿成人行为的习惯，而儿童自行车的外形结构均与成人自行车类似，且儿 童骑乘玩耍时具有健身的功能，加之其价格适中，因此国内家庭中儿童自行车越来越普及。目前我国针对儿童自行车、儿童三轮车 等童车颁布实施的 GB 19746-2006儿童自行车安全技术要求等国家标准，对童车各结构部件的强度和形变量做出了具体的规定。通过限制形变量的范围，评估童车安全性能。但传统测量形变量的方法是采用百分表等机械设备对结构部件进行人工检测，受到测量位置及部件形状的限制，其测量准确度受到严重影响1。随着计算机技术和图像处理技术的发展，基于机器视觉的形变测量方法逐渐开始应用。与传统测量方法相比，基于机器视觉 的检测技术为非接触式测量，可以对传统方法难以到达的位置进行检测，利用数字图像的边缘检测技术对被测部位的图像进行边 缘识别，通过检测部件形变状态图像中特征区域的边缘，由边缘像素的变化量得到形变部位的结构变形值2,3。因此，针对童车结构部件形变测量的技术要求，基于机器视觉技术研制了一套童车形变测量系统。该系统采用图像边缘检测 技术对获取的形变状态图像进行识别，分析计算形变区域边缘的像素变化，实现形变量的检测。研制的形变测量系统具有图像自 动标定、测量、数据存储等功能。实验结果表明该系统易操作、测量精度高，可满足童车形变的测试要求，并推广应用于需要测量形 变的其它领域。收稿日期：2012-07-26基金项目：浙江省质量技术监督系统科研项目（20100207）作者简介：丁浩（1977-），男，山东淄博人，高级工程师，博士，主要研究方向为检测技术及自动化装置。2 形变测量系统的工作原理童车形变测量系统的基本结构如图 1 所示，童车形变测量系统由图像采集设备和图像处理软件组成。图像采集设备由工业 CCD 相机、高分辨率镜头、辅助光源、图像采集卡及计算机组成，工业 CCD 相机固定支架上，通过 USB 数据线与图像采集卡及计算机 连接，实现数据传递。测量时，首先通过相机获取被测部位正常状态下的图像，然后根据标准要求对被测样品施加负荷，被测部件 因此会产生一定量的变形，再通过相机获取被测部位变形后的图像。两次获取的图像均经图像采集卡传输至计算机，通过图像识 别软件对采集的图像进行平滑、灰度变换等预处理，消除测量过程中因被测部件表面污染等原因产生的噪声。基于微分边缘检测 算法对被测部位加载负荷前后的图像边缘进行识别，将被测部件与背景图像区分。安装在计算机中的软件系统根据变形前后两幅 图像的边缘区域像素变化量计算实际产生的形变量。图1 系统基本结构图3 形变测量系统的设计3.1 硬件设计基于图像方式测量形变，工业相机是图像采集装置的一个关键组件，其最本质的功能就是将光信号转变成为有序的电信号，选 择合适的工业相机也是机器视觉系统设计中的重要环节，不仅是直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等，同时也与整个系统 的运行模式直接相关。童车标准中对形变测量的偏差为1mm，因此需要选取分辨率较高的图像采集设备。目前现有的工业 CCD 相机主要分为面阵 CCD 工业相机和线阵 CCD 工业相机、三线传感器 CCD 工业相机、交织传输 CCD 工业相机、全幅面 CCD 工业相机 等类型。测量童车形变时被测部件是固定的，且对测量精度有较高要求，因此本系统选用了 OK_AM1100 型的高精度逐行扫描黑白 摄像头，并配置百万像素镜头，该型号相机有效像素输出为768576，每个像素大小为8.3m8.3m。图像采集卡是图像采集部分和图像处理部分的接口。图像经过采样、量化以后转换为数字信号并输入、存储到帧存储器的过 程，叫做采集。由于图像信号的传输需要很高的传输速度，通用的传输接口不能满足要求。本系统采用了基于 PCI 总线的 OK_M10B 型黑白图像采集卡，它采用高效总线分享技术，提高 CPU 并行处理能力，并有高带宽输入，数字抗混叠、滤波等多项先进 技术，图像水平分辨达800 线，与OK_AM1100 型的高精度逐行扫描黑白摄像头相配合，可满足童车形变测量要求。3.2 软件设计图像处理软件是形变测量系统的核心，本系统软件采用VC+开发完成，软件流程如图2 所示。图2 软件流程图在图像采集过程中，由于光电转换器件及周围环境因素的影响，会使图像中含有各种噪声，噪声的存在使得图像质量下降，影 响最终的测量结果，因此，本系统软件采用中值滤波法4对采集的图像首先进行滤波去噪，改善图像质量。中值滤波法是将图像邻 域中的像素点按灰度级排列，用像素点灰度值的中间值来代替该像素点的灰度值，该方法在滤除噪声的同时能很好的保护信号的 细节信息，避免边界模糊，在灰度值变化小的情况下可以起到很好的平滑处理效果，同时运算，简单速度快。二值化处理是为便于计算机处理，把图像变成对比明显的黑白二值图像，方便图像测量。边缘是图像最基本的特征，是所要提取目标和北京的分界线，检测出边缘的图像就可以进行特征提取和形状分析。边缘是其周围像素灰度灰阶变化的那些像素的集合，在数字图像中通过其灰度值的不连续性反映出来。常用的边缘检测方法是梯度算子方法，是根据算子的模板计算出图像的梯度，当梯度的量值超过某个 门限时就说存在边缘。本测量系统采用最常用的梯度算子Robert 算子，根据任意一堆互相垂直方向上的差分计算梯度5。像素变化量的计算是形变测量的关键，测试时首先采集被测部件发生形变前的图像，取其中心位置作为基准点，起到系统标定 的作用。然后采集被测部件施加负荷发生形变后的图像，获取形变图像的中心位置坐标，计算出形变前后中心点坐标的像素变化 量，并根据被测部件实际尺寸，可得到被测部件在施加负荷后实际产生的形变量。系统软件主界面如图3 所示。Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术第8 卷第25 期(2012 年9 月)图3 软件主界面4 实验结果及分析为验证所研制的形变测量系统的有效性，本实验选取了最常见的管状结构件作为测试对象，负荷加载方式为在管状结构件中 心位置垂直向下施加 300N 的力，持续 3min，然后移除加载的负荷，测量形变量。表 1 为分别采用研制的童车形变测量系统和传统测 量方法对3 个不同直径的管状结构件进行测试的数据。表1 实验结果从表 1 中可以看出，传统测量方法的测量精度为 0.01mm，研制的形变测量系统精度达到了 0.0001mm。由于传统测量方法的测量仪器是百分表，部分被测部件发生形变时测量表面不平滑，百分表测量头可能难以触及形变表面，影响测量结果。研制的形变测 量系统是基于像素变化量计算形变量，其非接触式的测量方式解决了测量部件形状不规则造成的测量难题。6 结论针对童车结构部件形变测量的技术要求，基于机器视觉技术研制了一套童车形变测量系统。该系统采用图像边缘检测技术对 获取的形变状态图像进行识别，分析计算形变区域边缘的像素变化，实现形变量的检测。实验结果表明该系统易操作、测量精度 高，非接触的测量方式避免了形变表面不规则对测量结果的影响，完全满足童车形变的测试要求，并可推广应用于需要测量形变的 其