視覺技術(shù)在圓孔識別定位中的應用

劉 陽，劉 超，許寶卉

(1.重慶工程學院軟件學院，重慶 400056；2.貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽 550009；3.運城學院機電工程系，山西運城 044000)

0 引言

機器視覺主要用于模擬人類的視覺，通過圖像處理去除干擾、獲取有用信息，通過精確的分析理解，快速做出測量和邏輯推理，提供有利的反饋信息[1]。在缺陷檢測[2]、尺寸測量[3]、目標識別[4]、定位引導[5-6]等方面廣泛應用。為解決保持力柔性測量需求，提出一種圓孔識別定位技術(shù)進行產(chǎn)品圓孔識別及中心坐標定位，將得到的坐標信息轉(zhuǎn)換為世界坐標系中的位姿數(shù)據(jù)并由PLC控制相應伺服模組精密動作，以實現(xiàn)該系列產(chǎn)品保持力柔性測量。實驗結(jié)果表明，本文提出的方法具有現(xiàn)場環(huán)境下的高精度識別定位功能，完全滿足自動化柔性測量的技術(shù)要求，具有較好的應用前景和參考價值。

1 整體設(shè)計

本文提出的圓孔識別定位視覺系統(tǒng)是面向先進制造領(lǐng)域產(chǎn)品精密裝配加工方向。系統(tǒng)包括PLC控制系統(tǒng)、插針伺服裝置、產(chǎn)品搬運伺服模組、圖像采集視覺系統(tǒng)、圖像處理模塊、系統(tǒng)標定與系統(tǒng)設(shè)置模塊。系統(tǒng)標定模塊使用eye-in-hand (EIH) 手眼系統(tǒng)模型將圖像坐標系中圓孔中心坐標轉(zhuǎn)換為伺服機構(gòu)世界坐標系的數(shù)據(jù)，并通過PLC控制器順序控制圓孔中心運動到伺服插針的正下方進行保持力的柔性自動測量。該系統(tǒng)的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)路線

2 圖像預處理

視覺系統(tǒng)對圖像進行處理是基于數(shù)字圖像中的信息進行決策的，關(guān)鍵信息與特征的提取是圖像處理系統(tǒng)的核心。通常情況下，由于產(chǎn)品表面特征、照明條件、環(huán)境等因素導致采集的圖像存在一定干擾和噪聲，在關(guān)鍵信息與特征提取前若不經(jīng)過圖像預處理，會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和定位精度，進而降低了視覺系統(tǒng)的推廣應用。圖像預處理的主要目的是消除圖像中的無用信息、恢復有用的真實信息、增強有用信息的可檢測性和最大限度的簡化數(shù)據(jù)。根據(jù)產(chǎn)品特性和采集圖像的特征，設(shè)計圖2所示預處理流程，以增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖2 預處理流程

2.1 閾值分割

閾值分割是一種常用的圖像去噪、簡化數(shù)據(jù)的方法，本質(zhì)上是對圖像中具有相同特征的區(qū)域進行標記的過程。閾值分割數(shù)學原理描述如下[7]：

(1)

式中：Bi(x,y)為閾值分割后的圖像；H(x,y)為原圖像的灰度值；H0為分割圖像設(shè)定閾值。

經(jīng)過閾值分割后的圖像數(shù)據(jù)量大為減少，且有效過濾掉背景圖像與噪聲干擾并凸顯目標，如圖3所示。其中圖3(a)為原始圖像，圖3(b)為二值圖像。

圖3 閾值分割算法

2.2 形態(tài)學膨脹與粒子過濾

形態(tài)學操作可以對圖像目標進行腐蝕、膨脹等改變，用來去除二值圖像中無用信息，如噪聲、相互重疊的目標邊界等[8]。膨脹是常用的形態(tài)學操作方法之一，主要使粒子向外擴展以填充結(jié)構(gòu)小于結(jié)構(gòu)元素的孔洞、填充圖像凹陷、連通多個較近的粒子。假設(shè)輸入圖像為A，結(jié)構(gòu)元素為B，則圖像A被B膨脹描述如下：

(2)

由于產(chǎn)品圓孔內(nèi)存在一種特殊且反光較強的金屬零件，圖3(a)可見原始圖像中圓孔特征不清晰，導致二值圖像中圓孔特征不夠飽滿，存在多余裂縫和干擾孔洞，如圖3(b)所示。經(jīng)過膨脹處理后所得圖像如圖4(a)所示。為進一步提取圓孔目標，可采用Particle Analysis粒子分析算法對圖4(a)中獨立目標進行分析，并按粒子特征選用Particle Filter過濾算法對粒子面積進行圓孔目標提取，設(shè)置參數(shù)范圍為[3200，4500]，過濾結(jié)果如圖4(b)所示。經(jīng)過預處理后的圖像去除了其他干擾信息，只保留了圓孔目標。

圖4 圖像預處理

3 圓孔識別與定位

圖像預測后得到的是無干擾或少干擾的圖像，在此基礎(chǔ)上需要進行圖像特征提取以實現(xiàn)圓孔定位與中心坐標計算。將獲得的坐標信息通過相機標定[9]，將像素坐標系轉(zhuǎn)換為世界坐標系，即獲得產(chǎn)品圓孔實際坐標信息。

3.1 圓孔檢測

如圖4(b)所示，由于生產(chǎn)加工、攝像環(huán)境干擾等原因，圓孔圖像不一定均是完整、規(guī)則的圓形，本文提出去除外圍點的最小二乘曲線擬合算法[10-11]進行最優(yōu)圓孔邊界的擬合，曲線段擬合示意圖如圖5所示，原理描述如下。

圖5 曲線段擬合示意圖

(1)采用Canny邊緣檢測算法[12]獲取圖4(b)所示圓孔邊緣輪廓點。

(2)從圓孔輪廓點中隨機選擇至少3個點確定一個圓。

(3)沿著圓周兩邊“像素半徑”所劃定的有效像素范圍，剔除有效范圍外的外圍點，然后按式(3)計算其平均平方距離MSD。

(3)

式中：N為圓孔輪廓點數(shù)；dk為第k個輪廓點距離擬合圓邊界的距離。

MSD數(shù)值越大反映出該輪廓點距擬合曲線越遠，達到一定閾值時，該點將被剔除；

(4) 余下的輪廓點重新進行曲線擬合，并按式(4)計算擬合成績。

s=(1-MSD/d)×1000

(4)

式中d為像素半徑。

當MSD越小，輪廓點越靠近擬合曲線，圓孔擬合效果越好。

(5) 若算法滿足終止條件，則輸出最優(yōu)擬合圓，否則跳轉(zhuǎn)步驟(2) 循環(huán)執(zhí)行上述過程。

3.2 相機標定

本文設(shè)計的系統(tǒng)采用的是雙遠心鏡頭，視覺系統(tǒng)畸變較小，只需進行像素尺寸到實際尺寸的標定。用輔助光源對標定板進行打光，保證標定板的亮度足夠且均勻，標定板成像不能過爆，過爆會導致特征輪廓的提取的偏移，從而導致圓心提取不準確。采用基于圓點陣二維平面靶標確定物理尺寸和像素間的換算關(guān)系。

圖6為某型號陶瓷標定板，不反光，精度±0.001 mm。通過相機拍攝帶有固定間距的標定板靶面，在圖像上完成圓心坐標提取，經(jīng)過標定算法計算可得到圓點間的像素距離dp，而圓點間的實際間距為固定值dr，通過計算coe=dr/dp可得相機的系數(shù)coe。標定板dr為2 mm，而圖像處理系統(tǒng)計算得到圓心間像素距離dp為265 pixels，因此標定系數(shù)coe=2×1 000/265，即7.55 μm/pixel。

圖6 圓點標定板

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試驗證

整個系統(tǒng)的實現(xiàn)圖如圖7所示，圖7(a)由搬運伺服模組和視覺系統(tǒng)構(gòu)成，用于產(chǎn)品成像、采集、圓孔識別與產(chǎn)品的搬運和定位。圖7(b)為插針伺服裝置，用于保持力自動測量。其工作過程簡述如下：

(1)自動上料裝置將被測任意角度的產(chǎn)品放置在搬運伺服模組的載臺上并控制模組運送到拍照位置；

(2)視覺系統(tǒng)拍照并將產(chǎn)品圖像通過千兆以太網(wǎng)傳送給圖像處理系統(tǒng)；

(3)圖像處理系統(tǒng)將對圖像進行一系列的預處理、圓孔識別與精確定位，并通過相機標定和坐標轉(zhuǎn)換，將像素坐標轉(zhuǎn)換為世界坐標，并將坐標上傳給PLC控制系統(tǒng)；

(4)PLC控制器根據(jù)世界坐標將產(chǎn)品相應孔位移動到伺服插針的正上方；

(5)控制插針伺服分別對產(chǎn)品每個孔位進行保持力自動測量。

視覺技術(shù)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵，根據(jù)實際需求進行視覺系統(tǒng)的硬件設(shè)計。圖像采集系統(tǒng)通常由相機、光源、鏡頭組成，其中選用500萬像素CMOS芯片的GO-5101M型工業(yè)相機、幀率為22幀/s；根據(jù)視野大小選用0.18倍雙遠心鏡頭、工作距離為110 mm；光源選用白色無影環(huán)狀LED燈，對產(chǎn)品進行均勻照明以保證獲取清晰圖像。

設(shè)計開發(fā)的上位機系統(tǒng)如圖8所示，能夠?qū)崟r進行產(chǎn)品圓孔識別與定位、通訊狀態(tài)監(jiān)測、故障報警信息提示等功能。該系統(tǒng)采用相機專用網(wǎng)線與PC機的千兆網(wǎng)口相連，并采用RS232串口與PLC控制器進行通信。圖8標記出識別的圓孔，將轉(zhuǎn)換得到的世界坐標系中的坐標發(fā)送給PLC控制器，PLC控制器進行坐標運算并輸出伺服電機的驅(qū)動脈沖值以將產(chǎn)品移動到測力插針的正下方，并依順序進行保持力測量。圖8中18#圓孔為當前正在測量圓孔。

圖8 測量結(jié)果

表1為19芯規(guī)格產(chǎn)品孔位定位結(jié)果。19個圓孔半徑最大值為35.64 pixels、最小值為35.13 pixels、均值為35.38 pixels；伺服脈沖是根據(jù)圓孔中心坐標進行相機標定及坐標轉(zhuǎn)換得到的伺服電機驅(qū)動數(shù)據(jù)。經(jīng)過實際驗證，插針伺服裝置能夠?qū)θ我饨嵌鹊漠a(chǎn)品的孔位進行準確插入并進行保持力測量。此外，將插入后的產(chǎn)品進行電子顯微鏡下擦傷與劃痕鏡檢結(jié)果顯示所有孔位均完好無損，驗證了視覺技術(shù)用于圓孔識別與定位的準確性和有效性。

表1 19芯產(chǎn)品孔位定位結(jié)果

5 結(jié)束語

本文主要研究了一種基于視覺技術(shù)的圓孔定位識別方法，用于解決某微型產(chǎn)品生產(chǎn)過程中保持力難以快速、柔性自動測量的現(xiàn)狀。該系統(tǒng)將采集到的產(chǎn)品圖像經(jīng)過圖像預處理算法去除干擾噪聲、凸顯圓孔目標。在此基礎(chǔ)上，采用Canny算法進行圓孔目標邊緣輪廓點的提取，并通過去除外圍點的最小二乘曲線擬合算法進行圓孔目標的曲線擬合，并得到圓孔中心坐標。將坐標上傳給PLC控制器，實現(xiàn)保持力的柔性測量?，F(xiàn)場測試表明：保持力測量插針插入準確率為100%，且無擦傷產(chǎn)品現(xiàn)象發(fā)生，驗證了本文方法的有效性，為工程實踐提供了一種有效措施。