基于LabVIEW的工件外徑測量與顏色識別軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳曉玉, 謝路生， 陳文薌， 曾念寅

(廈門大學(xué) a. 嘉庚學(xué)院， 福建 漳州， 363105； b. 航空航天學(xué)院， 福建 廈門 361005)

·計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用·

基于LabVIEW的工件外徑測量與顏色識別軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳曉玉a,b, 謝路生b， 陳文薌b， 曾念寅b

(廈門大學(xué) a. 嘉庚學(xué)院， 福建 漳州， 363105； b. 航空航天學(xué)院， 福建 廈門 361005)

為了能對不同尺寸的工件進(jìn)行質(zhì)量檢測或分揀，對不同顏色的工件進(jìn)行顏色識別和分揀；設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的工件外徑測量和顏色識別軟件系統(tǒng)。應(yīng)用USB相機(jī)采集圖像并保存；對所采集到的圖像進(jìn)行一定的處理，包括彩圖轉(zhuǎn)灰度圖，對比度亮度調(diào)整，各種濾波等功能；實(shí)現(xiàn)工件外徑測量及顏色識別等，可篩選出外徑不同于樣本的工件；通過分析樣本及測試體顏色的紅綠藍(lán)直方圖，計(jì)算綜合色差，進(jìn)行顏色識別。以螺絲為例的工件實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能快速測量工件的外徑，精度較高，識別率準(zhǔn)確，同時(shí)對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中物體大小和顏色的分揀都具有一定參考價(jià)值。

工件； 外徑測量； 顏色識別； 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言

工業(yè)零件的質(zhì)量關(guān)系著一個(gè)產(chǎn)品能否正常使用，所以怎樣準(zhǔn)確快速地檢測工件的參數(shù)有極其重要的意義[1]。當(dāng)前很多工件是人工接觸測量，這種測量方法成本高、工作量大、效率低、精度很難保障[2]。而非接觸圖像檢測技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對工件多個(gè)部位的外徑、內(nèi)徑進(jìn)行高速的非接觸在線檢測[3]。這種基于視覺的檢測方法具有無污染、低成本和效率高等優(yōu)勢[4-5]。本文提出一種基于LabVIEW的工件外徑測量與顏色識別方法，該方法利用USB 相機(jī)采集圖像，通過虛擬儀器軟件LabVIEW 12.0和圖像處理軟件包 IMAQ Vision編制的軟件程序來進(jìn)行工件外徑的測量和顏色識別。因螺絲是常見的工業(yè)零件，也是重要的緊固、連接件[6]。而現(xiàn)在螺絲螺紋檢測方法大多采用特制卡規(guī)進(jìn)行檢測，手段落后滿足不了高精度檢測要求。本文采用螺絲作為工件檢測實(shí)例，給出了螺絲外徑測量和顏色識別結(jié)果。這些功能在現(xiàn)實(shí)中也可以應(yīng)用到很多方面，例如螺絲外徑測量可以運(yùn)用到對各類工件幾何參數(shù)的檢測，顏色識別可運(yùn)用于對一些不同顏色物品的自動分辨。本系統(tǒng)對提高工件加工質(zhì)量、減少廢品率和保證設(shè)備的性能具有重要意義。

1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[7-9]

軟件系統(tǒng)采用LabVIEW平臺進(jìn)行編程。NI 公司的IMAQ Vision軟件是LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺外掛的機(jī)器視覺和圖像處理開發(fā)工具包。IMAQ Vision軟件中包括一整套 MMX優(yōu)化函數(shù)，提供了大量的圖像預(yù)處理、圖像分割、和開發(fā)工具等[10]。應(yīng)用 LabVIEW提供的功能強(qiáng)大的圖象處理函數(shù)庫，結(jié)合其虛擬儀器的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)工控領(lǐng)域中基于視覺和圖像處理的各種各樣的應(yīng)用問題，與用傳統(tǒng)語言進(jìn)行圖像處理系統(tǒng)的開發(fā)相比，大幅度降低了難度和開發(fā)周期[11]。

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用LabVIEW 12.0和視覺助手軟件包IMAQ Vision相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。軟件系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。

圖1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)[12]

2.1 圖像采集與保存

本系統(tǒng)采用德國IDS公司的UEYE相機(jī)與計(jì)算機(jī)相連接進(jìn)行圖像采集。設(shè)計(jì)的圖像采集的編程思路是：IMAQdx Open CameraVI打開攝像頭→IMAQdx Configure Grab VI初始化攝像頭→IMAQ Create VI創(chuàng)建一個(gè)圖像緩沖區(qū)→IMAQdx Crab VI進(jìn)行連續(xù)圖像采集→Image display VI顯示框顯示圖像→關(guān)閉攝像頭。采集到圖像之后再用IMAQ Write File控件將采集的圖像進(jìn)行保存，用戶可根據(jù)需要選擇保存路徑。

2.2 圖像讀取及處理

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的圖像讀取及處理功能模塊如圖2所示。圖像處理時(shí)常需轉(zhuǎn)換為灰度圖和濾波[13]。圖像濾波主要目的是去除噪聲點(diǎn)。常用的濾波算法有低通濾波、銳化濾波和中值濾波等。

圖2 圖像讀取及處理前面板

低通濾波可以使被處理圖像的低頻分量順利通過，有效地阻止高頻分量，可有效地濾除圖像的噪聲，但其缺點(diǎn)是圖像邊界會被更平滑地過渡，產(chǎn)生的效果即更模糊了邊界，有時(shí)反而不利于后續(xù)的測量工作。

中值濾波是一種常用的去除噪聲的非線性平滑濾波處理方法，其輸出像素是由鄰域像素的中間值決定的，是一種既能滿足圖像平滑要求，又可去除圖像中噪聲，并保持圖像邊緣輪廓清晰的方法[14]。

很多初始的圖像其輪廓邊緣較模糊，會嚴(yán)重影響測量結(jié)果，此時(shí)需要銳化濾波將其邊緣銳化增強(qiáng)，以保證后續(xù)準(zhǔn)確測量。銳化濾波能減弱或消除傅里葉空間的低頻分量，但不影響高頻分量。因?yàn)榈皖l分量對應(yīng)圖像中灰度值緩慢變化的區(qū)域，所以與圖像的整體特性，如整體對比度和平均灰度有關(guān)，高通濾波器將這些分量濾去可使圖像銳化增強(qiáng)被模糊的細(xì)節(jié)。如圖3所示，經(jīng)過銳化濾波處理后的螺絲邊界分明。

2.3 外徑測量

在測量工件外徑前，對圖像進(jìn)行預(yù)處理，以滿足后續(xù)測量的要求。本文選螺絲為檢測工件，經(jīng)過測試，確認(rèn)針對螺絲外徑測量的應(yīng)用，可先將拍攝的螺絲彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖，然后進(jìn)行對比度亮度調(diào)整，最后選擇銳化濾波，銳化其輪廓以便于測量外徑。外徑測量流程圖如圖4所示。

圖3 銳化濾波處理

2.4 顏色識別

在顏色識別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上主要實(shí)現(xiàn)對不同顏色的物體實(shí)現(xiàn)分揀。編程的思路如下：① 分析試件圖像的R、G、B 3種彩色直方圖，與標(biāo)準(zhǔn)樣本圖像的R、G、B直方圖進(jìn)行比較，分別得出3種原色的色差。② 取3種原色色差的均方根作為綜合色差，以綜合色差作為評價(jià)試樣與樣本顏色差別的依據(jù)。圖5所示為按照這種思路進(jìn)行顏色識別的程序框圖。用IMAQ ColorHistograph VI分析圖像的彩色直方圖，分別提取R、G、B 3種原色的直方圖中最大峰值的位置，這個(gè)位置反映此種顏色的亮度。通過測試工件和樣本的峰值位置比較，可以精確量化兩者之間在R、G、B 3種原色上的差別。

圖4 外徑測量流程圖

圖5 顏色識別程序框圖

3 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

3.1 圖像標(biāo)定

圖像采集系統(tǒng)確定之后，被測對象與相機(jī)距離為定值，可知被測對象的具體坐標(biāo)；并根據(jù)該被測對象在圖像中的像素坐標(biāo)，計(jì)算出轉(zhuǎn)換系數(shù)[15]。采用Vision Assistant提供的標(biāo)定方法(NI Calibration)，應(yīng)用其中的點(diǎn)距標(biāo)定(point distance calibration)，將 像 素 坐 標(biāo)轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)。直接測量處理后的工件圖像，得到的是以像素為單位的工件參數(shù)，為了獲得工件測量的實(shí)際參數(shù)，使用直徑為(30±0.001)mm的標(biāo)準(zhǔn)球進(jìn)行標(biāo)定。為了消除隨機(jī)誤差，通過取15次測量的平均值，得到該標(biāo)準(zhǔn)球直徑的圖像距離為3 010.126pixel。因此，平均每個(gè)像素約為0.01 mm。

3.2 外徑測量功能測試

使用視覺助手IMAQ Vision搭建外徑測量模型。通過設(shè)置一個(gè)包含被測量對象的檢測區(qū)，在檢測區(qū)內(nèi)設(shè)置一系列平行檢測線，分別確定一系列邊緣點(diǎn)，根據(jù)這些邊緣點(diǎn)擬合一條包絡(luò)螺絲外徑的直線，測量兩條直線之間的距離即得到工件外徑。選擇螺絲為檢測對象，實(shí)現(xiàn)對外徑的測量；同時(shí)通過設(shè)定閾值，對比樣本和測量對象的外徑差異，若差異值超過閾值報(bào)警燈點(diǎn)亮，可實(shí)現(xiàn)對工件大小的檢測分揀。為測試本系統(tǒng)的外徑測量功能，隨機(jī)選取10個(gè)螺絲為測量對象。同時(shí)采用精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺進(jìn)行測量比較。經(jīng)統(tǒng)計(jì)整理，多次外徑測量的結(jié)果及比較如表1所示。

對工件大小的檢測分揀如圖6、7所示。圖6中，兩個(gè)螺絲外徑幾乎相同，絕對值只相差2.1639個(gè)像素，小于報(bào)警設(shè)定值3，所以報(bào)警燈不亮。圖7中兩個(gè)不同大小的螺絲外徑絕對值相差13.1346個(gè)像素，超過報(bào)警預(yù)設(shè)值3，此時(shí)可以看到報(bào)警燈亮了。

表1 外徑測量的結(jié)果及比較

圖6 大小相同的工件外徑測量及分揀結(jié)果

3.3 顏色識別測試

隨機(jī)選擇2組螺絲進(jìn)行測試。一組顏色相同，另一組顏色不同。第1組選用相同顏色的兩個(gè)綠色螺絲。紅綠藍(lán)直方圖如圖8所示，測試發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)螺絲的綜合色差和綠色差為1，而紅色差和藍(lán)色差為0，說明這兩個(gè)螺絲顏色接近一樣。第2組選用兩個(gè)不同顏色的螺絲，一個(gè)紅色，一個(gè)藍(lán)色。紅藍(lán)綠直方圖如圖9所示，測試發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)螺絲的綜合色差28，紅色差為-30，綠色差為-34，藍(lán)色差為-15。

圖8 相同顏色工件的顏色識別結(jié)果

圖9 不同顏色工件的顏色識別結(jié)果

4 結(jié)語

本工件外經(jīng)測量與顏色識別系統(tǒng)是機(jī)器視覺的一個(gè)應(yīng)用，主要運(yùn)用LabVIEW軟件對圖像采集和處理，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了“外徑測量”和“顏色識別”兩個(gè)應(yīng)用，同時(shí)，還包括運(yùn)用USB相機(jī)采集圖像并保存；對所采集到的圖像進(jìn)行一定的處理，包括低通濾波、銳化濾波、中值濾波、彩圖轉(zhuǎn)灰度圖、對比度亮度調(diào)整等。通過多組試驗(yàn)證明設(shè)計(jì)是成功的，螺紋外徑測量系統(tǒng)可以多方面應(yīng)用，可用于其他物品的測量和分揀。顏色識別系統(tǒng)主要可以應(yīng)用于不同顏色物體的分揀，可以幫助識別日常生活中用肉眼無法完全區(qū)分的顏色差別，例如裝修材料中很多顏色接近，購買產(chǎn)品時(shí)無法區(qū)分它們的不同，可通過此系統(tǒng)配合辨別。本文的實(shí)驗(yàn)是一個(gè)比較簡單的應(yīng)用，只對兩個(gè)物體的顏色識別，也可以將它升級為同時(shí)對多個(gè)顏色識別，例如對色環(huán)電阻的分揀。今后可以對系統(tǒng)升級，增加系統(tǒng)的實(shí)用性。本設(shè)計(jì)對于生產(chǎn)中物體大小顏色的分揀具有一定實(shí)用參考價(jià)值。

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Software System Design of Workpiece Diameter Measurement and Color Recognition Based on LabVIEW

CHENXiaoyua,b,XIELushengb,CHENWenxiangb,ZENGNianyinb.

(a. Tan Kah Kee College, Zhangzhou 363105, Fujian, China； b. School of Aerospace Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, Fujian, China)

In order to test the quality, to sort workpieces depending on their sizes, and to identify the different colors of workpieces and sort them, a software system of workpiece diameter measurement and color recognition based on LabVIEW was designed. Images were collected and saved by the USB camera, the images were processed, the processing methods included image grayscale, contrast and brightness adjustment, various filtering function and so on; the workpiece diameter measurement and color recognition were implemented. Workpieces that the diameters were different from the sample can be filtrated. Through analyzing the colors of red, green and blue histograms of samples and workpieces to calculate comprehensive color difference, color recognition was realized. The screw was taken as an example, experimental results show that the system can quickly measure the workpiece diameters, has accurate recognition rate and high precision. The system has certain reference value for detecting the size of the objects and color sorting in industrial and agricultural production.

workpiece; diameter measurement; color recognition; software system design

2016-08-03

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61403319)

陳曉玉(1979-)，女，福建仙游人，碩士，工程師，從事虛擬儀器技術(shù)及電子技術(shù)研究。

E-mail:chenxy@xujc.com

TP 319

A

1006-7167(2017)04-0114-05