基于機(jī)器視覺的汽車焊縫檢測系統(tǒng)

韓曉勇，段錦，董鎖芹

（長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022）

傳統(tǒng)的汽車零件尺寸主要通過專門定做的測量工具進(jìn)行測量，該方法測量的精度不高，測量的結(jié)果受人的主觀因素變化較大，測量耗費(fèi)時間多，測量方法繁瑣。在一些情況下，測量的工具硬性接觸被測零件，會對被測零件產(chǎn)生很大的磨損，甚至報廢。傳統(tǒng)的測量技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)自動化智能控制的需求。

近年來，數(shù)字圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展推動了機(jī)器視覺技術(shù)的研究，機(jī)器視覺在測量技術(shù)中的應(yīng)用促進(jìn)了工業(yè)技術(shù)生產(chǎn)的智能化，已應(yīng)用于工業(yè)、軍事、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等各個領(lǐng)域。方化攀[1]提出一種基于區(qū)間分割蛋黃圖像的方法，實現(xiàn)了對雞蛋表皮存在缺陷的精確檢測；劉貝[2]提出一種基于機(jī)器視覺的檢測方法，對石材磚的尺寸大小進(jìn)行精準(zhǔn)檢測；巢淵[3]提出一種基于機(jī)器視覺的檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對芯片表面的缺陷精確快速檢測。伍濟(jì)鋼[4]提出一種基于機(jī)器視覺的尺寸檢測方法，實現(xiàn)了計算機(jī)薄片尺寸的精確快速測量。

本文設(shè)計的基于機(jī)器視覺的汽車焊縫檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)對生產(chǎn)線上車輛焊縫工件尺寸的自動、精準(zhǔn)檢測。在硬件方案中，結(jié)合實際工業(yè)環(huán)境選擇合適的鏡頭、相機(jī)、光源和交換機(jī)等相關(guān)硬件。在軟件方案中，主要包括兩方面功能設(shè)計，一是對多個工業(yè)相機(jī)聯(lián)網(wǎng)采集顯示、系統(tǒng)參數(shù)初始化、相機(jī)參數(shù)設(shè)置以及當(dāng)前圖像焊縫檢測；二是為了快速、精確檢測焊縫尺寸，提出了標(biāo)定圓的橢圓檢測算法和焊縫檢測算法。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作流程

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本文設(shè)計的基于機(jī)器視覺的汽車焊縫檢測系統(tǒng)主要通過對圖像采集、圖像處理、焊縫檢測等步驟，將測得的焊縫距離輸出到焊縫尺寸表格中。汽車焊縫檢測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 汽車焊縫檢測系統(tǒng)

為了更好地獲得汽車焊縫工件金屬表面的紋理特征，并且使光源具有明亮、穩(wěn)定和均勻的特性，選擇白色環(huán)形LED作為光源。

通過交換機(jī)建立局域網(wǎng)，實現(xiàn)對多個工業(yè)相機(jī)在線操作，將工業(yè)相機(jī)采集的數(shù)字圖像信號通過交換機(jī)輸入到工業(yè)計算機(jī)的圖像處理系統(tǒng)中，實現(xiàn)對焊縫圖像的一系列預(yù)處理、焊縫尺寸檢測和結(jié)果保存。工業(yè)計算機(jī)的自動控制系統(tǒng)接受到圖像處理系統(tǒng)對特定焊縫點(diǎn)的處理消息請求后，通過PLC控制工作平臺上的相機(jī)運(yùn)動，獲取檢測點(diǎn)的焊縫圖像；通過顯示器將工業(yè)計算機(jī)處理的焊縫檢測結(jié)果進(jìn)行顯示。工作平臺包括汽車焊縫工件和固定在電動滑軌上的相機(jī)。系統(tǒng)中一個相機(jī)負(fù)責(zé)多個焊縫檢測點(diǎn)的測量，通過電動滑軌控制相機(jī)在檢測點(diǎn)之間運(yùn)動，多個相機(jī)可以完成對汽車所有焊縫點(diǎn)的測量。

如圖2（a）是工廠提供的待檢焊縫工件，圖2（b）是采集的工件中某點(diǎn)焊縫圖像。

圖2（b）中的標(biāo)定圓的直徑為5mm，其目的在于求出鏡頭對物像的放大倍數(shù)，根據(jù)對圖像中已知物件尺寸求出圖像中的標(biāo)尺（每像素代表的實際距離），根據(jù)標(biāo)尺大小求出待檢焊縫的尺寸d=k×N，其中，k為檢測的標(biāo)尺大小，N為檢測到的焊縫間隔像素數(shù)。因為實際工件的焊縫距離不是完全平行的兩條直線，所以，為了提高檢測精度，焊縫距離計算是按照三線間距的平均值。即：在待檢焊縫點(diǎn)B上下相鄰一定像素數(shù)各取A,C一條直線，分別計算A,B,C三條焊縫的距離，取3條焊縫距離的平均值作為檢測B點(diǎn)的焊縫距離；檢測點(diǎn)相隔像素數(shù)根據(jù)檢測要求可在軟件系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計界面進(jìn)行修改。

圖2 工件和采集的檢測點(diǎn)圖像

1.2 工作流程

汽車焊縫檢測系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。

圖3 汽車焊縫檢測系統(tǒng)流程

第一步，將安裝在支架上的相機(jī)固定在電動滑軌上，打開在線的工業(yè)相機(jī)，滑軌上的相機(jī)自動運(yùn)行到待檢的工位點(diǎn)，對焊縫圖像進(jìn)行采集和顯示；

第二步，調(diào)整相機(jī)參數(shù)焦距、曝光、增益等大小使圖像成像明亮清晰；調(diào)節(jié)光源系統(tǒng)照射角度和亮度使圖像對比度增強(qiáng)。進(jìn)行上述調(diào)節(jié)后，圖像清晰則將相機(jī)和光源固定，否則，重復(fù)進(jìn)行上述的調(diào)節(jié)步驟。將調(diào)整好的相機(jī)參數(shù)保存在系統(tǒng)配置文件中。在下一次打開相機(jī)時，調(diào)用對應(yīng)的系統(tǒng)配置文件；

第三步，對采集的焊縫圖像進(jìn)行標(biāo)尺檢測。當(dāng)相機(jī)不能垂直照射標(biāo)定圓時，圓變成橢圓，對采集的圖像進(jìn)行橢圓檢測，按檢測的橢圓長軸進(jìn)行標(biāo)尺計算；

第四步，進(jìn)行焊縫直線檢測。檢測的焊縫結(jié)果符合實際要求，則將檢測點(diǎn)的焊縫結(jié)果進(jìn)行保存。否則，重復(fù)進(jìn)行第二、三步進(jìn)行調(diào)節(jié)，再進(jìn)行焊縫直線檢測。

2 圖像處理

如圖4所示，采集汽車焊縫點(diǎn)的圖像，對其進(jìn)行一系列預(yù)處理，將預(yù)處理后的圖像進(jìn)行標(biāo)定圓的橢圓檢測，確定圖像的標(biāo)尺大小；按照檢測的橢圓長軸對采集的整幅圖像進(jìn)行校正；并對焊縫線距離進(jìn)行檢測，將檢測的焊縫數(shù)據(jù)保存。汽車焊縫檢測算法中，最重要的是標(biāo)定圓的橢圓檢測和改進(jìn)的Hough變換算法。

圖4 汽車焊縫檢測算法流程圖

2.1 標(biāo)定圓的橢圓檢測算法

在采集圖像過程中，當(dāng)工件放置傾斜時，工業(yè)相機(jī)不能垂直照射被測物，采集的到圖像會發(fā)生形變，標(biāo)定圓變成橢圓，需要對采集的圖像進(jìn)行橢圓檢測。

采用中值濾波對采集的汽車焊縫圖像進(jìn)行處理，保留圖像的邊緣。運(yùn)用Canny邊緣檢測對圖像中的主要邊緣進(jìn)行提取處理，再對處理后的圖像進(jìn)行輪廓提取。輪廓就是提取圖像中的邊界，邊界分為外邊界和孔邊界，根據(jù)提取輪廓類型不同，得到的輪廓也不同。系統(tǒng)采用輪廓檢測算法來確定焊縫圖像的外邊界、孔邊界和它們的層次關(guān)系[5]。檢測結(jié)果如圖5所示。

使用最小二乘擬合方法對檢測出的焊縫圖像輪廓進(jìn)行橢圓擬合，橢圓曲線方程式如式（1）所示：

其中，F(xiàn)(xi,yj)是點(diǎn)(xi,yi)到F(x,y)的代數(shù)距離。

圖5 焊縫圖像輪廓提取

對檢測出的擬合橢圓按大小進(jìn)行篩選。根據(jù)光學(xué)成像原理，標(biāo)定圓到相機(jī)鏡頭的物距和相機(jī)靶面成像之間的光路近似為相似三角形。根據(jù)相似三角形原理，首先，計算采集圖像的橢圓長軸間隔像素數(shù)，計算如公式（3）；然后，根據(jù)計算的橢圓長軸像素數(shù)，對（1）（2）式擬合橢圓長軸像素數(shù)進(jìn)行篩選；最后，將待檢測的橢圓長軸控制在一個合理范圍內(nèi)。這種算法剔除了誤檢的橢圓，準(zhǔn)確快速地檢測出標(biāo)定圓。檢測的結(jié)果如圖6所示，物距L可以在系統(tǒng)軟件的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面進(jìn)行輸入。

其中，N表示物體在相機(jī)靶面上成像的像素間隔數(shù)，μ表示相機(jī)的像元尺寸大小，單位μm，f表示相機(jī)的焦距，單位為mm，D表示實際物體的大小，單位為mm。

圖6 標(biāo)定圓的橢圓檢測

將檢測橢圓的長軸和短軸，用十字的形式畫在焊縫圖像上，用檢測的橢圓長軸來標(biāo)定實際圓直徑，計算標(biāo)尺值，公式如式（4）所示：

其中，Scal表示圖像中的標(biāo)尺大小，單位為μm/pix，D表示標(biāo)定圓的實際直徑，單位為μm，ΔY表示在圖像中檢測到的橢圓長軸像素間隔，單位為像素（pix）。

2.2 改進(jìn)的Hough變換檢測算法

一個具有實際應(yīng)用價值的汽車焊縫檢測系統(tǒng)，在滿足快速檢測的基礎(chǔ)上，還需完成精確的檢測。Hough變換檢測算法是工業(yè)檢測的基本方法，隨著參數(shù)數(shù)量的增加，計算量會急劇增大；而且，由于工件邊緣粗糙和環(huán)境噪聲的影響，會出現(xiàn)偽直線和誤檢的問題，使檢測精度降低。

針對Hough變換的上述缺點(diǎn)。選擇焊縫檢測ROI區(qū)域，將其保存在系統(tǒng)文件中，進(jìn)行下一次焊縫檢測時，從系統(tǒng)文件中讀取對應(yīng)檢測點(diǎn)的ROI區(qū)域進(jìn)行焊縫檢測；采用8領(lǐng)域?qū)吘壪袼剡M(jìn)行分類[6]，剔除偽直線和誤檢直線；對工件表面出現(xiàn)的斷線進(jìn)行延長、平行直線間隔過小的直線進(jìn)行合并和斜率異常的線進(jìn)行剔除。

圖7 檢測的焊縫結(jié)果

圖7（a）是使用傳統(tǒng)Hough變換的檢測結(jié)果，圖7（b）是使用改進(jìn)的Hough變換的檢測結(jié)果，圖7（c）是在檢測當(dāng)前焊縫點(diǎn)的距離。

3 實驗結(jié)果分析

在VS2010中的調(diào)試編寫代碼，生成軟件界面，經(jīng)過調(diào)試，軟件界面功能正確。主界面包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、檢測工位顯示和圖像文件處理功能。軟件界面實現(xiàn)如圖8所示。

圖8 軟件界面實現(xiàn)

打開檢測工位顯示界面，從系統(tǒng)配置文件中讀取系統(tǒng)的參數(shù)、相機(jī)參數(shù)進(jìn)行初始化，可對在線相機(jī)進(jìn)行實時采集、幀保存、批量保存、當(dāng)前圖像處理等操作。打開圖像文件處理界面，從系統(tǒng)配置文件中讀取系統(tǒng)參數(shù)，對保存的圖像文件進(jìn)行標(biāo)尺檢測、焊縫檢測、結(jié)果保存等操作。

用游標(biāo)卡尺多次測量平均A點(diǎn)焊縫的間距為：2.990mm，多次測量平均B點(diǎn)的焊縫間距為3.655mm。用設(shè)計的系統(tǒng)軟件對A點(diǎn)、B點(diǎn)各測量10組數(shù)據(jù)，測量結(jié)果如表1所示，測量數(shù)據(jù)分析如表2所示。

表1 測量結(jié)果 單位：mm

表2 測量結(jié)果誤差

由表2可得，A點(diǎn)平均誤差為0.008mm，方差為5.629E-05；C點(diǎn)的平均誤差為0.006mm，方差為3.909E-05。測量的精度可達(dá)到0.006mm，測量方差可達(dá)到3.909E-05，測量結(jié)果滿足實際工程要求，比實際人工測量結(jié)果更加穩(wěn)定和精確，并且沒有人工誤差的代入。

4 結(jié)論

本文闡述了基于機(jī)器視覺的汽車焊縫檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)流程和汽車焊縫檢測算法。系統(tǒng)可實現(xiàn)多個相機(jī)對焊縫點(diǎn)的自動測量，系統(tǒng)測量精度為0.006 mm，測量方差量級為10-5，提高了焊縫檢測的精度和實時性，避免人工帶來的誤差，可滿足實際工作環(huán)境下汽車焊縫的檢測需求。對于汽車焊縫的精準(zhǔn)自動化測量有一定的參考意義。