計算機圖像技術(shù)在高溫鍛件尺寸測量中的應用

耿 欣， 張福民

（1.北京航天控制儀器研究所，北京 100854；2.天津大學精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，天津 300072）

計算機圖像技術(shù)在高溫鍛件尺寸測量中的應用

耿 欣1，2， 張福民2

（1.北京航天控制儀器研究所，北京 100854；2.天津大學精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，天津 300072）

利用彩色CCD和紅外濾光片等搭建了高溫鍛件的尺寸測量平臺，通過數(shù)字濾光與物理濾光技術(shù)提高鍛件圖像質(zhì)量，采用比較測量法精確測量鍛件二維尺寸。通過采集標準量塊圖像并應用畸變校正、噪聲抑制、亞像素邊緣提取等標定出系統(tǒng)的像素尺寸當量，然后選用其它標準量塊進行驗證，測量系統(tǒng)的橫向測量不確定度為0.0051mm，縱向測量不確定度為0.0087mm。溫度在1000℃時采集45＃鍛件的圖像并進行解算，所得測量尺寸與理論值的絕對誤差小于1mm，滿足該系統(tǒng)的測量精度要求。

計量學；視覺測量；高溫鍛件；畸變校正；亞像素邊緣

1 引 言

目前，一些針對鍛件（尤其是大型鍛件）的非接觸式測量方法主要有激光掃描法和視覺測量法。由于視覺測量法其成本較低、操作簡便、機動靈活，而且可以達到較高的測量精度，已成為鍛件尺寸非接觸式測量領域研究的熱點。

視覺測量系統(tǒng)主要由圖像采集、圖像處理和分析、圖像輸出或顯示3部分組成。隨著科學技術(shù)的不斷進步，視覺測量越來越多地應用到了工業(yè)現(xiàn)場測量領域。黃桂平等搭建了單目視覺測量系統(tǒng)，對結(jié)構(gòu)光法和輔助測量棒法進行了研究［1］；劉曉榮等建立了齒形鏈鏈板的視覺測量系統(tǒng)，應用亞像素方法實現(xiàn)了鏈板參數(shù)的精密測量［2］。王磊等搭建了基于機器視覺的測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了微型銑刀外徑的在線測量，系統(tǒng)測量不確定度為4μm［3］；李哲林等搭建鍛件圖像采集系統(tǒng)，研究了高溫鍛件的輻射出射度與成像灰度的關(guān)系［4］。在視覺測量方法中，需要應用CCD等成像設備對熱態(tài)鍛件成像，然后通過相機標定、特征提取、立體匹配等一系列步驟解算出鍛件的物理尺寸。Anna Fabijanska等搭建了“THERMO－WET”系統(tǒng)，應用機器視覺技術(shù)來測量高溫熔融態(tài)金屬的表面張力等參數(shù)［5］；S.B. Dworkin等利用低成本CCD和紅外濾光片等構(gòu)成視覺測量系統(tǒng)來完成熱態(tài)鍛件的尺寸測量任務［6］。

本文搭建機器視覺測量系統(tǒng)來實現(xiàn)熱態(tài)鍛件二維尺寸的精密測量?；阱懠幱诟邷貭顟B(tài)時的光譜輻射特性，采用數(shù)字濾光與物理濾光技術(shù)減弱強光干擾，提高其圖像質(zhì)量；并對系統(tǒng)進行畸變校正、噪聲抑制、像素尺寸當量標定，應用多個標準量塊來驗證系統(tǒng)的標定結(jié)果及測量不確定度。最后，利用標定好的系統(tǒng)采集高溫鍛件圖像并解算出其物理尺寸，與理論結(jié)果的對比表明，該系統(tǒng)具有良好的實用性和較高的測量精度。

2 基于CCD的尺寸測量原理及系統(tǒng)組成

2.1 測量原理

為了獲得待測目標的實際尺寸，必須建立該系統(tǒng)環(huán)境下圖像像素與實際尺寸之間的對應關(guān)系。為此，利用標準量塊對所搭建的視覺測量系統(tǒng)進行像素尺寸當量的標定。

在圖像測量系統(tǒng)的工作距離確定后，將標稱尺寸為L0的量塊經(jīng)過光學系統(tǒng)成像在CCD像面上，通過圖像處理獲得量塊圖像中兩個測量面所對應的邊緣之間占有的像素個數(shù)（像素距離）N，即可求得該系統(tǒng)環(huán)境下的像素尺寸當量K，其表達式為：

不改變系統(tǒng)參數(shù)，當用同一系統(tǒng)測量未知目標時，只需將被測物體置于標準量塊所處的位置，就可根據(jù)所得圖像中目標區(qū)域尺寸方向所占有的像素數(shù)目N′來確定待測目標的物理尺寸L：

嚴格意義上，像素點的形狀并非正方形，即水平和垂直方向的長度不相等。因此，分別對橫向和縱向放置的量塊進行圖像采集，分別標定出系統(tǒng)水平和垂直方向的像素尺寸當量。由于標定過程也會引入誤差，為了減小系統(tǒng)誤差以得到更為精確的結(jié)果，本文采用多次標定取平均的方法來確定K。

2.2 系統(tǒng)組成

選取30 mm×30 mm×40 mm的長方體45＃鋼鍛件作為實驗材料，其始鍛溫度為1 200℃，終鍛溫度為800℃。選取高溫箱式電阻爐作為加熱設備，其加熱元件為硅碳棒，額定功率為4 000 W，額定溫度為1 300℃，配有溫度控制箱，溫控精度為±1℃。

對于成像設備，選用美國Imperx公司的IPX－2M30－G／V面陣彩色CCD，分辨率為1 600× 1 200，信噪比為60 dB，標準C接口，波長響應范圍為400～1 000 nm。為了配合CCD的使用，選取日本Kowa公司的LM35HC鏡頭，其分辨率為120 lp／mm，焦距為35 mm，工作距離為300 mm～∞［7］。

為了提高高溫鍛件的圖像質(zhì)量，選取Edmund Optics公司的紅外濾光片安裝在相機鏡頭前，濾除部分鍛件輻射的強光和干擾譜線，使所獲得的圖像更加清晰，提高后期圖像處理的精度。

3 圖像處理算法

3.1 數(shù)字濾光與物理濾光

鍛件坯料的溫度通常在800～1 200℃之間，根據(jù)普朗克黑體輻射公式，其輻射光譜主要為波長為600 nm以上的紅光及紅外光。在實際測量現(xiàn)場，可以采用彩色CCD拍攝高溫鍛件，對所得圖像應用數(shù)字濾光技術(shù)，即對圖像中的R、G、B3個分量中的某個分量進行抑制，其優(yōu)點是可以隨意改變需要抑制的分量。在鍛件溫度為850℃左右時，可見光輻射以紅光為主，可以濾掉R分量；當溫度更高時，還可以對G分量進行濾除。本文只對R分量進行濾除，根據(jù)顏色三基色的標準亮度方程：

濾掉R分量后的亮度方程為

在鍛件圖像的獲取過程中，高溫輻射和鍛件周圍的光暈會使圖像質(zhì)量急劇下降，不利于測量任務的完成。因此，本文將紅外濾光片安裝于鏡頭前，衰減紅外波段的強光，以獲得高質(zhì)量的鍛件圖像。

3.2 畸變校正

為了提高畸變校正精度，采用張正友的算法［8］對圖像采集單元進行整體校正。首先通過求解線性方程組的方法得到一個近似解，然后采用非線性方法求出一個優(yōu)化后的解。標定過程中，用相機從不同的角度拍攝數(shù)幅標定用的平面模板，相機和標定模板可以隨意移動，無需知道它們之間的相對位置。本文采用13×13的棋盤格作為平面標定模板，每個方格的尺寸為10 mm×10 mm，由惠普激光打印機HPCP6015打印后粘貼在較理想的平板上。利用相機拍攝20幅不同位姿的標定板圖像進行畸變校正，圖1為拍攝到的其中的兩幅圖像。

圖1 兩幅標定板圖像

3.3 圖像降噪

在圖像測量中，CCD作為成像設備在對目標成像過程中不可避免地會產(chǎn)生噪聲，給圖像測量帶來誤差。因此，在進行圖像測量前需要對CCD的噪聲特性和水平進行標定。通?？蓪CD的噪聲分為暗電流噪聲和隨機噪聲。

為了降低CCD的暗電流噪聲對圖像質(zhì)量的影響，將鏡頭光圈關(guān)閉，連續(xù)采集20幅圖像，求得平均圖像作為暗電流噪聲估計圖。之后采集的各幅圖像均減去此暗電流噪聲估計圖，即可得到暗電流噪聲抑制后的結(jié)果。

隨機噪聲主要包括光子噪聲、散粒噪聲等，為了在去除隨機噪聲的同時保持清晰的邊緣特征，采用中值濾波來有效降低圖像的隨機噪聲。

3.4 亞像素邊緣提取

為了提高邊緣定位精度，采用基于最小二乘擬合的亞像素邊緣定位算法。首先采用Sobel檢測算子進行邊緣的初步定位，確定圖像的亞像素級邊緣的位置，然后提取邊緣上的像素進行最小二乘線性回歸，得到亞像素邊緣定位。當模型確定之后，主要工作就是參數(shù)的估計問題。提取圖像中量塊邊緣上n個離散點（xi，yi）（i＝1，2，3，…，n），用最小二乘法擬合該直線y＝ax＋b，記

為使擬合的殘余誤差平方和最小，令E（a，b）關(guān)于a、b的一階偏導數(shù)為0，即可求得a、b的最小二乘估計，

求得量塊其中一個邊緣的最小二乘回歸直線y＝ax＋b后，再選取另一邊緣上的m個離散點（xj，yj）（j＝1，2，3，…，m），利用點到直線距離公式（7）可以求得每一點到直線的距離，再取平均作為量塊的兩個邊緣之間的像素距離，即為式（1）中的N，如式（8）所示。

4 實驗過程及結(jié)果

4.1 標定像素的尺寸當量

搭建好實驗平臺后，確定工作距離為50 cm，并調(diào)試好成像系統(tǒng)，實驗裝置如圖2所示。

圖2 實驗裝置

選用標準量塊進行像素尺寸當量的標定，將其放置于工作距離處，分別選擇標稱尺寸為30 mm、60 mm和90 mm的量塊，橫向放置以標定像素的水平尺寸當量，縱向放置以標定其垂直尺寸當量，該系統(tǒng)各采集10幅圖像，取平均值作為標定結(jié)果。圖3為標定過程中所采集到的30 mm量塊橫向和縱向放置時的圖像。

圖3 30 mm量塊的圖像

通過3.4節(jié)敘述的亞像素邊緣提取方法獲得圖像中量塊邊緣的精確位置及兩邊緣之間的像素距離，然后根據(jù)式（1）進行尺寸當量K的標定，其結(jié)果見表1。取3個量塊的水平和垂直尺寸當量的平均值作為最后的標定結(jié)果，從而可以看出，像素的水平和垂直尺寸當量相差很小，可以滿足系統(tǒng)精度要求。

表1 像素的水平和垂直尺寸當量的標定結(jié)果

4.2 標定結(jié)果驗證

為了檢驗系統(tǒng)的標定結(jié)果并獲得系統(tǒng)的測量不確定度，選擇標稱尺寸分別為40 mm、50 mm、70 mm、80 mm和100 mm的5種量塊來進行驗證。首先，將每個量塊橫向放置，各采集20幅圖像，對每幅圖像經(jīng)過畸變校正、噪聲抑制、亞像素邊緣提取后，根據(jù)式（2）計算出每幅圖像中量塊的測量值，取20幅圖像的平均值作為最后的測量結(jié)果；然后將每個量塊縱向放置，用相同的過程得出測量結(jié)果。圖4、圖5分別為標稱尺寸為40 mm、80 mm的量塊的測量結(jié)果。

圖4 40mm量塊的測量結(jié)果

表2為5種量塊的測量結(jié)果。從表2可以看出，該測量系統(tǒng)的橫向平均標準差為0.001 7 mm，縱向平均標準差為0.002 9 mm。因此所搭建的系統(tǒng)的橫向測量不確定度為0.005 1 mm，縱向測量不確定度為0.008 7 mm，可以滿足使用精度要求。

圖5 80 mm量塊的測量結(jié)果

4.3 實驗結(jié)果

在鍛件加熱前，用50分度游標卡尺測量該鍛件的長和寬各10次，取平均值作為其常溫尺寸，長和寬分別為39.72 mm和29.54 mm。根據(jù)式（9）可計算出鍛件的理論尺寸L為：

式中，T為鍛件所處的溫度；L0為其在常溫下的尺寸；λ為鍛件材料的線熱膨脹系數(shù)［9］。

取λ為15.08×10－6／℃，可得45＃鍛件在溫度為1 000℃時的長和寬的理論值分別為40.319 0 mm和29.843 4 mm。

將鍛件放于高溫箱式電阻爐內(nèi)，并調(diào)整其位置處于工作距離處，將其加熱到1 000℃。利用所搭建的鍛件二維尺寸測量系統(tǒng)采集10幅待測鍛件的圖像，圖6（a）為其中的一幅鍛件圖像。按照圖6（b）所示的流程圖對采集到的圖像進行處理，所得測量結(jié)果分別如圖7（a）、7（b）所示。經(jīng)計算，鍛件長和寬的平均測量值分別為40.609 0 mm和30.001 0 mm，與理論值的偏差分別為0.290 0 mm和0.157 6 mm。

圖6 鍛件圖像及處理流程

表2 5種量塊的測量結(jié)果

圖7 鍛件尺寸視覺測量結(jié)果

5 結(jié) 論

利用彩色CCD和紅外濾光片等搭建了機器視覺測量系統(tǒng)，以實現(xiàn)熱態(tài)鍛件二維尺寸的精密測量?；阱懠幱诟邷貭顟B(tài)時的光譜輻射特性，采用數(shù)字濾光與物理濾光相結(jié)合的技術(shù)減弱強光干擾，提高其圖像質(zhì)量；并對系統(tǒng)進行畸變校正、噪聲抑制、像素尺寸當量標定，應用多個標準量塊來驗證系統(tǒng)的標定結(jié)果，水平和垂直測量不確定度分別為0.005 1 mm和0.008 7 mm。最后，利用標定好的系統(tǒng)采集高溫鍛件圖像并計算出其物理尺寸，與理論值誤差小于1 mm，滿足該系統(tǒng)的測量精度要求。

［1］ 黃桂平，李廣云，王保豐，葉聲華.單目視覺測量技術(shù)研究［J］.計量學報，2004，25（4）：314－317.

［2］ 劉曉榮，劉慶民，李國發(fā).鏈板參數(shù)的精密視覺測量［J］.計量學報，2008，29（4A）：107－110.

［3］ 王磊，郭淑霞，張鳳玲，等.微型銑刀外徑視覺測量的不確定度［J］.光學精密工程，2012，20（4）：880－887.

［4］ 李哲林，夏琴香，黎明，等.高溫軸類大鍛件的圖像分割算法研究［J］.鍛壓技術(shù)，2012，37（1）：141－145.

［5］ Fabijanska A，Sankowski D.Computer vision system for high temperature measurements of surface properties.MachineVisionandApplications，2009，20：411－421.

［6］ Dworkin S B，Nye T J.Image processing for machine vision measurement of hot formed parts.Journalof MaterialsProcessingTechnology，2006，174：1－6.

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［8］ Zhang ZY.Flexible Camera Calibration By Viewing a Plane From Unknown Orientations［C］／／The Proceedings of the Seventh IEEE International Conference on Computer Vision，Kerkyra，Greece，1999，1：666－673.

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App lication of Com puter Im age Technology on
Size Measurement of High Temperature Forging Workpiece

GENG Xin1，2， ZHANG Fu-min2
（1.Beijing Aerospace Control Instrument Research Institute，Beijing100854，China；
2.State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instrument，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

The color CCD and infrared filter are adopted to set up the measurement platform of high temperature forgings.The digital and physical filter technologies are applied to improve the quality of forging image and comparison measurementmethod is utilized to derive its two-dimensional size accurately.In order to calibrate the equivalent size of pixels in image，images of standard gauge blocks are captured and distortion calibration，noise suppression and sub-pixel edge detection are executed.As it is verified by other gauge blocks，the horizontalmeasurementuncertainty of the system is 0.005 1mm，while the vertical is 0.0087mm.At 1000℃，image of 45＃forging is captured and its dimension is calculated through the procedure，which has a difference less than 1 mm compared with the theoretical value，and meets the requirements of the precision.

Metrology；Visionmeasurement；High temperature forging；Distortion calibration；Sub-pixel edge

TB92

A

1000-1158（2014）01-0013-05

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．01．04

2012-10-22；

2013-05-22

國家自然科學基金（60723004）；天津市科技支撐計劃重點項目（11ZCGYSF01300）

耿欣（1987－），女，內(nèi)蒙古包頭人，北京航天控制儀器研究所助理工程師，碩士，主要從事精密儀器及機械方面的研究工作。gengxin8787＠163.com