基于雙目視覺的蝶形彈簧三維尺寸光學檢測方法

姚海濱，姜 濤，崔海華，卞新光

(1.揚州市職業(yè)大學電氣與汽車工程學院, 江蘇 揚州 225009)(2.南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016)

零件的三維尺寸測量技術(shù)是數(shù)字化設(shè)計制造、工業(yè)自動化的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)之一[1]。隨著制造水平的提高，零件為滿足功能性需求通常具有特殊結(jié)構(gòu)，且精度要求高，這為零件的尺寸檢測和質(zhì)量評估帶來了挑戰(zhàn)。蝶形彈簧[2]是一種特殊的彈簧，由沖壓、淬火、噴丸或噴砂等多道工序制造而成，具有極強的吸震能力，尤其適用于軸向變形量小而承受載荷大的場合，在航空航天器、大型機床等設(shè)備中應(yīng)用廣泛。但是，受到復(fù)雜制造工序的影響，蝶形彈簧的廢品率非常高。成批生產(chǎn)的蝶形彈簧必須檢測合格才能使用，迫使部分廠家將大量的人力成本投入到尺寸檢測中，但較低的檢測效率對自動化尺寸檢測提出了需求。

雙目視覺三維測量技術(shù)是一種基于計算機視覺方法的非接觸式測量技術(shù)，其利用雙目工業(yè)CCD(charge coupled device，電荷耦合器件)相機動態(tài)獲取零件的圖像數(shù)據(jù)，通過特征提取與立體匹配獲得零件的三維信息[3-4]。但是當前雙目視覺測量中還存在不少需要改進的地方，特別是在特征提取和立體匹配的精度方面依舊有很大的提升空間。在圓、角點、直線等特征檢測方面，張虎等[5]利用Harris算子提取工件表面特征，但該方法精度較低；李亮等[6]提出了用于圓筒形鍛件在線測量的方法，該方法可以實現(xiàn)鍛件長度和直徑的測量，但是不能用于精度要求高的場合，并且在復(fù)雜背景下提取精度不高；Gadelmawla[7-8]提出了一種重建齒輪輪廓的雙目視覺方法，該方法的關(guān)鍵是在對圖像閾值化之后進行邊緣檢測，這也使得閾值的選擇對測量精度影響較大，導(dǎo)致系統(tǒng)整體魯棒性差。

本文分別從蝶形彈簧結(jié)構(gòu)及測量原理、蝶形彈簧圖像特征提取及匹配、測量實驗及結(jié)果分析3個方面介紹蝶形彈簧尺寸測量的過程，以此證明采用本文的方法能夠顯著提升測量精度，滿足自動化生產(chǎn)的要求。

1 蝶形彈簧結(jié)構(gòu)及測量原理

1.1 蝶形彈簧結(jié)構(gòu)及測量系統(tǒng)

圖1為DIN 2093—2013(GB/T 1972—2005)規(guī)格的蝶形彈簧零件圖，需要檢測的尺寸參數(shù)包括內(nèi)徑、外徑和高度。視覺測量系統(tǒng)包括以下組成部分：雙目CCD相機、高功率LED(light emitting diode，發(fā)光二極管)光源、漫反射毛玻璃、千兆數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)線、交換機、圓形標志點。毛玻璃上粘貼有圓形標記點，將蝶形彈簧放置在毛玻璃上，雙目相機實時采集圖像數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)線和交換機傳輸?shù)接嬎銠C。在計算機上編寫基于MFC(Microsoft foundation classes，微軟基礎(chǔ)類庫)的對話框界面，實時處理圖像數(shù)據(jù)并顯示測量結(jié)果。

1.2 尺寸測量原理

圖2為本系統(tǒng)實現(xiàn)蝶形彈簧三維重建的原理圖。在測量平面上粘貼標志點，分別提取標志點圓心和蝶形彈簧上頂圓圓心，實現(xiàn)三維重建和尺寸計算。

圖1 蝶形彈簧示意圖

圖2 測量系統(tǒng)原理圖

雙目視覺測量的基本原理是視差原理，即空間一點在雙目圖像投影點存在視差，利用鏡頭小孔成像原理便可以計算出物體三維特征。空間一點PW(XW,YW,ZW)成像在左右圖像平面中的點分別為p1(x1,y1)和pr(xr,yr)，左右相機內(nèi)參矩陣分別為K1和Kr，世界坐標系原點在左相機光心，左右相機坐標系旋轉(zhuǎn)平移矩陣M1r=[R|t]，其中R=(rij)3×3，t=(tx,ty,tz)T，則有：

p1=K1PW

(1)

pr=KrPW=K1M1rPW

(2)

將式(1)、(2)展開并根據(jù)矩陣運算可以求解出點PW的世界坐標：

(3)

式中：tx為旋轉(zhuǎn)矩陣在X方向上的平移距離；tz為旋轉(zhuǎn)矩陣在Z方向上的平移距離；A=(x1-u1)/f1，B=(y1-v1)/f1，C=(xr-ur)/fr，其中(u1,v1)和(ur,vr)為左右圖像主點坐標，f1為左相機的焦距，fr為右相機的焦距。

蝶形彈簧內(nèi)外徑測量原理如下：先從圖像中提取蝶形彈簧上下圓的圖像特征，獲得像素坐標，然后用像素坐標擬合橢圓，根據(jù)二次曲線成像變換的不變性，可以判定橢圓長軸即為蝶形彈簧的直徑。

蝶形彈簧高度測量原理如下：在本系統(tǒng)中，用雙目視覺先重建出圓形標志點，再利用標志點擬合測量平面。假設(shè)測量平面π方程為PX=1，其中P為三維點集合，標記點空間坐標為Pi(Xi,Yi,Zi)，X=(x1,x2,x3)為系數(shù)矩陣，同時為平面法向量。根據(jù)最小二乘原理可得X=(PTP)-1PT。蝶形彈簧放置在測量平面上，若測得彈簧上頂圓圓心三維坐標為P0(x0,y0,z0)，則彈簧的高度H為

(4)

式中：δ為在法線方向的補償量，用于補償因圓形標記點的厚度造成的高度偏差。

2 蝶形彈簧圖像特征提取及匹配

2.1 K均值聚類的碟簧特征提取

在測量橢圓內(nèi)外徑時，需要利用彈簧輪廓擬合橢圓，因而邊緣檢測是影響測量精度的主要因素之一。相機采集的圖像為8位灰度圖像，256個灰度級，采用背光照射后，背景接近白色，而彈簧上頂圓接近黑色，彈簧側(cè)面為灰度過渡，采用閾值化處理會造成邊緣的擴大或縮小。本文利用機器學習中聚類的思想，將彈簧圖像按照灰度聚為3類，即Ci(i=1,2,3)，再進行邊緣檢測。K均值聚類目標函數(shù)如下：

(5)

4)重復(fù)步驟2)，遍歷所有像素點后結(jié)束程序。

受到圖像噪聲影響，灰度聚類后并不能完全分割出蝶形彈簧的邊緣，進一步將灰度梯度作為聚類對象，將其聚類成兩類：黑色向灰度過渡類S1、灰度向白色過渡類S2。判定彈簧邊緣的依據(jù)為：屬于C1∩S1的像素為碟簧上邊緣；屬于(C2∩S1)∪(C2∩S2)的像素為碟簧側(cè)面；屬于C3∩S2的像素為碟簧下邊緣。

2.2 特征模板的主動立體匹配

獲得左右圖像輪廓點后需要進行對應(yīng)輪廓匹配，計算視差并進行三維重建，由于蝶形彈簧為橢圓，僅利用極線約束匹配會產(chǎn)生一對多和多對一匹配錯誤。本文提出基于特征模板的輪廓匹配方法，自主構(gòu)建立體匹配點。為輪廓特征建立描述向量D={i∈N|di}，其中d1為輪廓包圍面積；d2為輪廓長度；d3為輪廓主方向向量，為二維向量；d4為輪廓主方向極限點，為二維坐標點；d5為輪廓Hu矩，為7維向量；d6為輪廓形心，為二維坐標點。設(shè)定輪廓特征向量閾值ε，若‖D1-Dr‖2≤ε，則判定左右輪廓為相同輪廓，其中方向向量不要求一致，只需要偏轉(zhuǎn)方向同為順時針或逆時針。

為重建輪廓邊緣，在輪廓線上主動設(shè)定匹配點。設(shè)左圖像匹配點集為pi，輪廓形心e坐標為(xe,ye)，則

pi=e+eki

(6)

式中：ki為形心e到點pi的方向向量。輪廓完全匹配后，主方向向量d3已知，設(shè)定偏角為Δθ，則可根據(jù)主方向向量求解主動添加點的方向向量ki=d3cos(iΔθ)，i每次循環(huán)加1，即可獲得新點的方向約束，加上新點作為增加的約束條件，此條件必須滿足在檢測的輪廓上的點數(shù)據(jù)，便可以求出所有匹配點坐標。對左右圖像做相同處理，即可獲得立體匹配點。

3 測量實驗與結(jié)果分析

3.1 實驗硬件搭建

在實驗中，工業(yè)相機型號為IMAGESOURCE DMK23G455，系統(tǒng)搭建在支撐架上。圓形標志點直徑為3mm，蝶形彈簧標準尺寸為內(nèi)徑16.42mm、外徑31.35mm、高度2.80mm。系統(tǒng)搭建完成后，調(diào)整好相機位置，使用平面圓標定靶標進行系統(tǒng)標定。測量系統(tǒng)硬件平臺如圖3所示。

圖3 測量系統(tǒng)實物圖

3.2 蝶形彈簧特征提取結(jié)果

本文采集圖像后，利用均值濾波和高斯濾波濾除椒鹽噪聲和高斯噪聲，然后采用K均值聚類算法進行灰度聚類，圖像處理結(jié)果如圖4所示。

圖4 K均值聚類圖像處理

圖4(b)為利用K均值聚類方法獲得的三類灰度空間，與原圖比較可以看出，聚類結(jié)果將蝶形彈簧上頂圓與灰度側(cè)面分割出來，使圖像邊緣更加接近真實邊緣。圖4(c)是灰度直方圖統(tǒng)計結(jié)果，可以看出，三維灰度空間區(qū)分明顯，聚類效果較好。對左右圖像均進行灰度聚類處理，然后利用Canny算子進行邊緣檢測即可獲得清晰輪廓。對邊緣輪廓擬合二次曲線，并根據(jù)輪廓特征描述向量生成主動匹配點，處理結(jié)果如圖5所示。

圖5 左右圖像匹配點獲取

聚類分析后利用Canny算子求解邊緣輪廓，計算輪廓的特征描述向量后進行匹配即可生成一系列空間匹配點。立體匹配完成后，利用雙目視差原理可重建蝶形彈簧輪廓點。根據(jù)蝶形彈簧的測量原理，橢圓長軸即為蝶形彈簧的直徑，頂圓的圓心到測量平面的距離為彈簧的高度。

3.3 測量結(jié)果與分析

開發(fā)基于MFC的測量界面，調(diào)用相機采集的圖像數(shù)據(jù)(設(shè)置幀率為30幀/s)，每次采集后即進行三維重建和尺寸計算，根據(jù)蝶形彈簧的尺寸標準和公差許用范圍判定尺寸是否合格。軟件界面和測量結(jié)果如圖6和表1所示。

圖6 基于MFC蝶形彈簧測量系統(tǒng)界面

表1 蝶形彈簧尺寸測量結(jié)果

由表1可以看出，測量系統(tǒng)的尺寸精度較高，最大誤差不超過0.02mm，且動態(tài)測量穩(wěn)定性高，適用于在線檢測和自動化測量。

4 結(jié)束語

蝶形彈簧的三維尺寸采用人工通規(guī)和止規(guī)的方式測量，效率低，人力成本高。而本文提出的基于雙目CCD相機的蝶形彈簧三維尺寸測量系統(tǒng)，不僅提高了蝶形彈簧輪廓的提取精度，還降低了雙目錯誤匹配率，可為蝶形彈簧自動化測量提供解決方案。