基于分布式圖像處理技術(shù)鋼卷尺檢定系統(tǒng)的研制*

霍 磊 葛廣乾 趙洪濤

（濮陽(yáng)市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心 河南濮陽(yáng)457000）

鋼卷尺是一種應(yīng)用非常廣泛的長(zhǎng)度計(jì)量器具，它的準(zhǔn)確性會(huì)直接影響測(cè)量精度，并且用于貿(mào)易結(jié)算的鋼卷尺屬?gòu)?qiáng)制檢定計(jì)量器具，因此鋼卷尺在使用期間必須進(jìn)行檢定。目前計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)大多采用傳統(tǒng)鋼卷尺檢定裝置，依據(jù)JJG4-2015鋼卷尺檢定規(guī)程對(duì)鋼卷尺進(jìn)行檢定，鋼卷尺檢定裝置由鋼卷尺檢定臺(tái)、讀數(shù)顯微鏡與標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺組成，采用鋼卷尺檢定裝置需手工操作完成對(duì)鋼卷尺的檢測(cè)，在鋼卷尺檢定臺(tái)上用顯微鏡對(duì)比被測(cè)鋼卷尺和標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺的誤差。在檢定過(guò)程中每次都需人眼仔細(xì)瞄準(zhǔn)與估讀，手寫(xiě)記錄數(shù)據(jù)，工作量較大，人眼容易疲勞及出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤。

針對(duì)目前傳統(tǒng)鋼卷尺檢定裝置中所存在問(wèn)題，研制了一套分布式圖像鋼卷尺檢定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鋼卷尺整米線紋的同時(shí)快速、自動(dòng)檢定。

1 分布式圖像鋼卷尺檢定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在傳統(tǒng)鋼卷尺檢定臺(tái)上的標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺整米位置加裝5個(gè)四維機(jī)械調(diào)整機(jī)構(gòu)（工業(yè)相機(jī)安裝支架），用于安裝工業(yè)相機(jī)，依據(jù)鋼卷尺刻線成像放大要求選擇相應(yīng)光學(xué)鏡頭及工業(yè)相機(jī)，在工業(yè)相機(jī)安裝后分別由調(diào)整機(jī)構(gòu)使鋼卷尺刻線成像清晰。由工業(yè)相機(jī)將采集的標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺和被檢鋼卷尺各整米處的圖像傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由上位機(jī)中的圖像處理軟件對(duì)各整米位置圖片進(jìn)行處理，并對(duì)相機(jī)采集到的鋼卷尺刻線圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)分析并獲取刻線位置，同時(shí)自動(dòng)計(jì)算偏差及輸出數(shù)據(jù)報(bào)告，實(shí)現(xiàn)了鋼卷尺整米線紋的同步快速自動(dòng)檢定，檢定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 檢定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 四維機(jī)械調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

四維機(jī)械調(diào)整機(jī)構(gòu)主要用于安裝工業(yè)相機(jī)，設(shè)計(jì)了燕尾槽滑動(dòng)導(dǎo)軌，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的前后、左右移動(dòng)，以保證工業(yè)相機(jī)可以正確對(duì)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺和被檢鋼卷尺的整米位置。采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工業(yè)相機(jī)的升降，進(jìn)而帶動(dòng)工業(yè)相機(jī)進(jìn)行正確調(diào)焦，保證工業(yè)相機(jī)和鋼卷尺之間的適當(dāng)距離。將工業(yè)相機(jī)鏡頭固定在Φ28 mm孔徑的夾持件內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)圖像傳感器的轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證工業(yè)相機(jī)處于獲取標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺和被檢鋼卷尺的各整米處圖像的最佳位置，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 四維機(jī)械調(diào)整升降機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3 鋼卷尺圖像采集部分設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際工作需要和減少測(cè)量誤差，考慮測(cè)量操作便捷性和系統(tǒng)通用性，進(jìn)行工業(yè)相機(jī)、鏡頭及照明光源的選擇[1]。系統(tǒng)所用的5臺(tái)工業(yè)相機(jī)都選用以 CMOS芯片作為圖像傳感器的 MV-UB130M的130萬(wàn)黑白USB2.0工業(yè)相機(jī)，用于獲取標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺和被檢鋼卷尺的圖像。鏡頭選用焦距為16 mm的 X16-3MP定焦鏡頭，經(jīng)過(guò)選擇不同像距，實(shí)現(xiàn)線紋成像放大倍數(shù)約0.2倍，則CMOS圖像傳感器上一個(gè)象元尺寸代表線紋長(zhǎng)度為：

即選用的工業(yè)相機(jī)圖像處理裝置分辨率為 0.026 mm，接近檢定鋼直尺的分辨率，確保系統(tǒng)的準(zhǔn)確度符合鋼卷尺檢定要求。照明光源選用HX7040白光 LED光源，光源類(lèi)型為環(huán)型光源/圓形光源，發(fā)光區(qū)面積為：

外環(huán)直徑×內(nèi)環(huán)直徑=Φ70 mm×Φ40 mm可以滿足鋼卷尺圖像的采集要求。

4 鋼卷尺圖像處理軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)圖像處理軟件是由 MATLAB語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其主要有功能模塊選擇、手動(dòng)和自動(dòng)測(cè)量模式選擇、圖像實(shí)時(shí)顯示、參數(shù)設(shè)置、檢測(cè)結(jié)果顯示、數(shù)據(jù)處理及自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、自動(dòng)生成Word原始記錄等功能，軟件界面如圖3所示。

圖3 鋼卷尺圖像處理軟件界面

該系統(tǒng)是利用工業(yè)相機(jī)拍攝鋼卷尺整米區(qū)域，將所采集圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)并進(jìn)行圖像識(shí)別和圖像處理的過(guò)程，在進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)，主要考慮以下幾個(gè)方面。

4.1 圖像預(yù)處理

由于圖像是由光反射形成的，常出現(xiàn)光源在景物上照射不均勻現(xiàn)象，致使光照強(qiáng)的部分較亮，光照弱的部分較暗，這對(duì)后續(xù)邊緣檢測(cè)、模式識(shí)別等工作造成較大影響[2]。實(shí)際檢定鋼卷尺工作中，有些鋼卷尺表面污損，導(dǎo)致圖像成像不清圖像自動(dòng)識(shí)別困難。故軟件設(shè)計(jì)需可以目視手動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)測(cè)量線紋偏差功能，首先對(duì)圖像預(yù)處理圖像預(yù)處理，為了提高檢測(cè)精度，盡可能地利用原圖像的信息,這里采用維納濾波，使得原來(lái)處于亮度較高部分的刻線更加清晰了。

4.2 圖像二值化處理

采用最優(yōu)閾值變換算法二值化處理，將原始灰度圖轉(zhuǎn)化為黑白二值圖像。閾值變換是圖像處理中非常重要的一種手段,通過(guò)選擇一個(gè)閾值(0～1)， 能把工業(yè)相機(jī)采集進(jìn)來(lái)的灰度圖變成黑白二值圖,方便隨后的圖像處理和識(shí)別。 對(duì)于閾值的選取經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)取值為0.4。具體來(lái)說(shuō)可采用matlab語(yǔ)言：

線紋中心點(diǎn)則為通過(guò)灰度極小值獲取后采用附近點(diǎn)最小二乘擬合求取獲得，同時(shí)刻度線位置可預(yù)先確定。該部分同時(shí)設(shè)置了目視手動(dòng)屏幕取點(diǎn)功能，對(duì)于鋼卷尺磨損或結(jié)構(gòu)設(shè)置使得線紋圖像模糊，難以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理的情況可以直接在屏幕上鼠標(biāo)采點(diǎn)確定線紋尺寸偏差位置[3]。

4.3 原始記錄Word文檔輸出設(shè)計(jì)

鋼卷尺檢定工作，數(shù)據(jù)量大且需累計(jì)計(jì)算，故圖像處理軟件中設(shè)計(jì)了采集數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)與 Word輸出功能。

5 結(jié)語(yǔ)

基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的分布式鋼卷尺檢定系統(tǒng)使鋼卷尺刻線的瞄準(zhǔn)準(zhǔn)確度由 0.1 mm提升到0.05 mm，實(shí)現(xiàn)了鋼卷尺圖像自動(dòng)讀取和自動(dòng)處理，很好地解決了目前鋼卷尺檢定中所存在的需人眼仔細(xì)瞄準(zhǔn)與估讀、手寫(xiě)記錄數(shù)據(jù)和工作量較大等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了鋼卷尺的快速、自動(dòng)化檢定，大大提高鋼卷尺的檢定效率。

[1]謝小光,計(jì)時(shí)鳴,張利,等.數(shù)字識(shí)別技術(shù)在鋼卷尺自動(dòng)檢定系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機(jī)電工程,2008,25(9):62-64.

[2]趙保亞，魏彩喬.基于邊緣檢測(cè)的鋼卷尺圖像二值化方法[J].現(xiàn)代制造工程,2012(12):101-104.

[3]魏彩喬,王曉光,康會(huì)峰.基于圖像處理的鋼卷尺自動(dòng)檢定系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2012(6):88-90.