基于計算機(jī)視覺的自行車腳踏配對自動檢測系統(tǒng)

陳焯巖,郭建亮,陳永清,陳廉清

（寧波工程學(xué)院 機(jī)器人學(xué)院,浙江 寧波 315211）

0 引言

我國不但是自行車生產(chǎn)大國，更是出口大國。自行車的品質(zhì)要求越來越高，其生產(chǎn)變成專門化，不同的零配件有專門的企業(yè)生產(chǎn)。自行車也是零部件更換率高的商品，尤其是腳踏屬于一類磨損件，更換周期比較短。腳踏分左、右兩只，通常腳踏的安裝方式是螺紋連接；左腳踏是左旋螺紋，右腳踏是右旋螺紋，配對使用。在國內(nèi)，自行車腳踏生產(chǎn)廠家，用透明薄膜包裝好每對腳踏，人工目檢其安裝螺紋旋向不同，即為合格品，然后裝箱出貨。人工目檢生產(chǎn)方式，效率低、易受人為因素影響，且難免出現(xiàn)漏檢、誤判，因此經(jīng)常收到客戶投訴兩只腳踏相同。因此，本文中結(jié)合自行車腳踏生產(chǎn)現(xiàn)狀，應(yīng)用計算機(jī)視覺技術(shù)，開發(fā)腳踏自動檢測系統(tǒng)，發(fā)揮計算機(jī)視覺檢測的客觀、可靠、不疲勞的優(yōu)點(diǎn)，提高生產(chǎn)效率，提升企業(yè)競爭力。

1 檢測硬件設(shè)計及工作過程

計算機(jī)視覺自行車腳踏自動檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖1所示，系統(tǒng)主要包括工控機(jī)、可編程序邏輯控制器(PLC)控制系統(tǒng)、大恒MER-230-168U3M相機(jī)、遠(yuǎn)心鏡頭BT2364、平板光源（與腳踏螺紋成45°夾角安裝）、送料裝置、剔除裝置等。

圖1 硬件系統(tǒng)

腳踏自動檢測過程：每對腳踏在傳送帶流水線上以設(shè)定的速度在相機(jī)下方流過，兩只腳踏的安裝螺紋全部進(jìn)入相機(jī)的采集區(qū)域時，相機(jī)自動采集圖像，并將圖像信息送至工控機(jī)；檢測程序系統(tǒng)讀取圖像信息，以設(shè)計好的算法處理圖像，并將結(jié)果數(shù)據(jù)通過串口送至PLC控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)接收到結(jié)果信息，驅(qū)動剔除裝置作相應(yīng)動作。

2 腳踏檢測算法設(shè)計

2.1 圖像采集與ROI設(shè)置

外螺紋是圓柱體，正向平板光源照明形成徑向扇形反射。采集到的成對包裝踏板螺紋圖像，如圖2所示，兩踏板螺紋距離較大，左、右螺紋一致性較差，分別設(shè)置檢測感興趣區(qū)域(ROI)，如圖2所示左、右兩綠色矩形。

圖2 感興趣區(qū)域(ROI)設(shè)置:(a)左腳踏;(b)右腳踏

2.2 圖像二值化處理

首先把螺紋特征從背景中分割出來，[1]本文采用Niblack算法二值化處理圖像。

Niblack算法是局部閾值方法的一種，基本思想是對圖像中的任一個點(diǎn)（x,y），在它的n×n鄰域內(nèi)，計算鄰域像素點(diǎn)的灰度均值m和標(biāo)準(zhǔn)差s。[2-3]閾值T計算公式:

k為修正系數(shù)，通常取0.1～0.9。[4]

以求得閾值T對該點(diǎn)g作二值化處理：

對左、右腳踏ROI分別作Niblack二值化處理，本文系數(shù)k取0.1，鄰域n取32。處理結(jié)果如圖3所示。

圖3 二值化處理:(a)左腳踏;(b)右腳踏

2.3 圖像形態(tài)學(xué)處理

2.3.1 腐蝕處理腐蝕的作用是從二值圖中消除不相關(guān)的細(xì)節(jié)。[5]設(shè)f為二值圖像，b為結(jié)構(gòu)元素，則基本定義為:

既要消除螺紋線不相關(guān)的細(xì)節(jié)，又要保證螺紋線連貫，采用小結(jié)構(gòu)元素b=[111，111，111]對二值圖像f作腐蝕處理。螺紋特征腐蝕處理，如圖4所示。

圖4 腐蝕處理:(a)左腳踏;(b)右腳踏

2.3.2 骨架處理

骨架，就是由單個像素的點(diǎn)組成，可以有效地反映出原物體形狀的連通性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。[6]本文采用Khalid Sheed的K3M算法，對腐蝕后的螺紋圖像作處理。該算法屬于迭代腐蝕邊界的一類算法[7-8]，考慮到計算的速度要求和算法的準(zhǔn)確，對圖像邊界點(diǎn)的3×3鄰域內(nèi)進(jìn)行檢查，判斷是否滿足要求。

K3M算法骨架處理步驟：

①標(biāo)記出圖像的邊界；

②如果邊界點(diǎn)的鄰域中存在3～7個非零點(diǎn)相鄰，刪除該點(diǎn)；

③重復(fù)步驟②；

④如果步驟①中沒有點(diǎn)被修改，剩余的邊界點(diǎn)取消標(biāo)記，停止迭代，否則返回步驟①。

骨架處理結(jié)果，如圖5所示。

2.3.3 凸殼處理

如果連接集合A內(nèi)任意兩個點(diǎn)的直線段都在A的內(nèi)部，稱A是凸形。[9]即給定二維平面上的點(diǎn)集，凸殼就是將最外層的點(diǎn)連接起來構(gòu)成的凸多邊型，它包含點(diǎn)集中所有的點(diǎn)。[10]凸殼處理步驟：

①在二維坐標(biāo)系中，目標(biāo)特征圖像的像素總數(shù)為n，設(shè)縱坐標(biāo)值最大的像素點(diǎn)（即目標(biāo)圖像的最低點(diǎn)）為原點(diǎn)，記作P0。

②計算目標(biāo)特征像素點(diǎn)Pi（i=1…n-1）相對于P0的幅角α，按從小到大的順序?qū)Ω鱾€點(diǎn)排序，當(dāng)α相同時，離P0近的排在前面，可得像素點(diǎn)P1，…，Pn-1。由幾何學(xué)可知，第一個點(diǎn)P1及最后一個點(diǎn)Pn-1必定是凸殼的點(diǎn)。

③將P0和P1壓入棧中，然后從P2開始，計算棧頂兩個點(diǎn)與該點(diǎn)三點(diǎn)向量是否是逆時針轉(zhuǎn)動，若是，則將該點(diǎn)壓入棧中，否則將棧頂元素推出。

④最后，棧中的元素就是凸包上的點(diǎn)。

凸殼處理后，消除毛刺、不平滑，螺紋線特征如圖6所示。

圖6 凸殼處理:(a)左腳踏;(b)右腳踏

2.3.4 二次骨架處理

螺紋線特征再作骨架處理，二次骨架處理螺紋線特征如圖7所示。

圖7 二次骨架處理:(a)左腳踏;(b)右腳踏

經(jīng)過腐蝕—骨架—凸殼—骨架的形態(tài)學(xué)組合算法處理，左、右腳踏螺紋的螺旋線段平行、光滑、斜度正確、螺距均勻。

2.3.5 螺紋線夾角測量

設(shè)直線方程

k，b為常數(shù)。

選取左腳踏中間螺紋輪廓線，其方程為:

k1，b1為常數(shù)。

右腳踏中間螺紋輪廓線，其方程為:

k2，b2為常數(shù)。

可求得兩直線夾角θ

3 腳踏自動檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

某款腳踏為M16粗牙螺紋，中徑右旋升角2.48°，左旋升角-2.48°。可以左、右螺旋線夾角為檢測對象，判斷左、右腳踏是否包裝正確。左、右螺旋線理論夾角4.96°，同向螺旋線夾角0°，考慮到誤差及可靠性，系統(tǒng)判斷標(biāo)準(zhǔn)值φ取2.48°；若θ≥φ，為左、右腳踏（合格），裝箱；若θ＜φ，為同向腳踏（不合格），由剔除裝置剔除，從不合格通道流出。檢測系統(tǒng)流程如圖8所示。檢測系統(tǒng)界面如圖9所示。

圖8 檢測系統(tǒng)流程

圖9 系統(tǒng)檢測結(jié)果界面

腳踏生產(chǎn)企業(yè)提供1 278套腳踏，其中混有50套人為配對錯誤。系統(tǒng)檢出合格品1 228套，不合格品50套，經(jīng)人工復(fù)檢確認(rèn)正確無誤，檢測系統(tǒng)在正確性、效率、可靠性方面均達(dá)到生產(chǎn)要求。

4 結(jié)語

本文從腳踏生產(chǎn)實(shí)際問題出發(fā)，提出了利用計算機(jī)視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)自行車左右腳踏自動檢測代替人工視覺檢測，并設(shè)計了檢測硬件系統(tǒng)。針對腳踏外螺紋圖像灰度差異大，螺紋曲面信息一致性差，合理設(shè)置了ROI，采用局部閾值二值化方法分割圖像；然后運(yùn)用形態(tài)學(xué)組合方法處理，提取到平滑、連貫的螺紋線特征；最后，以左右螺紋線夾角大小作為檢測對象，開發(fā)檢測程序系統(tǒng)。生產(chǎn)使用結(jié)果表明，本研究算法檢測結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。計算機(jī)視覺技術(shù)應(yīng)用到企業(yè)生產(chǎn)中，能進(jìn)一步提高科技水平和產(chǎn)品的技術(shù)含量，增加產(chǎn)品的附加值。隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)、計算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)視覺檢測應(yīng)用將越來越廣。