CN104156989A - 利用Hough直线变换检测齿轮键槽方位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用Hough直线变换检测齿轮键槽方位的方法，用于对冷整形工艺中的齿轮键槽方位进行确定，基于DSP芯片的图像识别，利用DM642开发板作为工业现场的控制平台，利用了二次Hough直线变换，通过检测键槽直线部分和参考方向的夹角，来记录键槽的方位。本发明可有效地提高齿轮的检测效率并降低制造成本。

Description

利用Hough直线变换检测齿轮键槽方位的方法

技术领域

本发明涉及齿轮冷整形技术领域，具体涉及一种利用Hough直线变换检测齿轮键槽方位的方法。

背景技术

齿轮冷整形前，需要齿轮键槽的方向和传送带运动的方向保持一致。而目前的工业现场中，这个操作是由专门的操作人员通过手工操作完成，即操作人员转动齿轮使其能够较为准确的嵌入压模键槽，然后再启动按钮完成冷整形操作。这种方法的缺点是显而易见的：

一)工作效率低，操作人员通常需要2～3秒即可完成整个过程；

二)增加了企业的劳动力的成本；

三)工作的环境恶劣，危险度较高。

因此，开发一个实时视觉检测系统具有重要意义。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种能够保证齿轮检测精度的同时，提高工作效率和降低制造成本，利用Hough直线变换检测齿轮键槽方位的方法。

技术方案：本发明的利用Hough直线变换检测齿轮键槽方位的方法以DSP芯片做为机器视觉的开发基础，利用Hough直线变换求解齿轮键槽的方位，具体步骤如下：

第一步 根据轴孔的轮廓的几何特征，计算出轴孔的重心；

第二步 以整个图像的中心为界，将整个图像区域分成4个子象限，并重新定义4个子象限的正方向；

第三步 对重心所在的子象限，根据公式ρ＝xcos(θ)+ysin(θ)，将直角坐标系x-y转换为极坐标系ρ-θ，对子象限中的直线进行第一次Hough直线变换，式中θ是直线的法线与x轴的夹角，ρ是原点到直线的垂直距离；

第四步 将极坐标空间量化成若干单元，为每一个单元设置一个计数器，曲线经过的某单元，该单元的计数器自增1，然后寻找计数器值最大者就是原始图像中直线的斜率，即键槽角度位置的一个粗略值α，该点在极坐标中的坐标值就是公共交点(ρ₀,θ₀)；

第五步在粗略值α的基础上加减20°，进行第二次Hough直线变换，得到精确转角。

作为优选，所述步骤二中对目标对象分象限处理，提取核心象限具体分析。

作为优选，所述步骤三中第一次Hough变换使用较大的量化值的ρ和θ进行。

作为优选，所述步骤五中第二次Hough变换时，使用小量化值的ρ和θ进行，同时将θ的缩减至(α-20°,α+20°)，当α-20°<0°时，θ的范围在(0°,α+20°)；当α+20°>90°时，θ的范围在(α-20°,90°)。

有益效果：与现有技术相比，本发明利用了二次Hough直线变换，在保证了检测的准确度的前提下，降低了检测时间，提高了齿轮冷整形的工作效率和操作的安全度。而且对目标对象分象限处理，提取核心象限具体分析，降低了计算的复杂程度，缩短了计算时间，由于只对核心象限精密计算，节省了SDRAM的空间，降低了实验设备的成本。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的利用Hough直线变换检测齿轮键槽方位的方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1是被测键槽齿轮原始方位图；

图2是图像处理单元的硬件结构图；

图3是软件系统的工作流程图；

图4是DM642实际检测结果(LCD显示屏输出图)；

图5是子象限划分的示意图。

具体实施方式

实施例：

在工业现场，键槽齿轮的键槽方向与传送带的方向存在一定的角度，如图1所示，其竖直向上的方向为传送带的运动方向，键槽方向与传送带运动的方向存在一个夹角α，该夹角就是本设计需要测量的夹角。工业现场的工作流程，大致可分为四步：

第一步 自动进给机器将齿轮放在工作台，工作台的零件检测传感器将检测到的信号传送给DSP模块，DSP模块接收信号后，控制CCD摄像机进行数据采集，完成数据的输入；

第二步 DSP处理分析数据，并计算键槽的角度；

第三步 DSP将计算的角度传给PLC，PLC控制转动电动机旋转；

第四步 机器人将旋转好的齿轮送进冷整形工作区进行冲压。

其中，第二步为设计的重点，下文将作出详细说明。

整个实验系统由四部分组成：光源，CCD摄像头，DSP视觉处理单元和LCD显示屏。系统的核心部分是DSP视觉处理单元，本设计选用TMS320DM642的开发板作为实验平台，图像处理单元的硬件结构如图2所示。其中电源模块，时钟电路，复位电路构成了DM642的最小系统模块。视频输入模块，视频输出模块和串口通信模块是整个系统的核心部分。系统由CCD摄像机将视频采集，并传送给DM642进行信号的识别和处理，DM642将处理好的信号分两路输出，路线一为视频输出模块与LCD显示屏相连，实时显示DM642的处理结果，方便系统的调试和检测；路线二为串口通信模块，即将处理好的结果传送给PLC模块，由PLC控制电机执行方位调整。JTAG接口，CPLD，FLASH用于烧制程序，程序由CCS软件编好后，通过JTAG接口将代码烧录到FLASH芯片中，CPLD在该设计中用于扩展I/O。考虑成本的问题，本设计利用的环形LED灯做光源，CCD摄像头选用普通枪式摄像头，LCD显示屏仅做成像显示，没有特殊要求，选取普通的LCD显示屏即可。

本设计利用CCS(Code Composer Studio)软件开发环境编程实现二次Hough直线转换。软件的工作流程如图3所示，首先是程序的初始化；第二步是设置图像处理区域，即图像处理的初定位，CCD摄像头将采集到的视频作为输入传送给DM642，接收到信息后DM642首先设置图像处理区域，设置结果如图4(a)；第三步是图像的预处理，将图像设置成灰度图；第四步是图像的阈值分割，即将灰度图像变成黑白图像。阈值分割的函数表达式，见式1。式中x是在灰度图像任一点的像素值，阈值T需要根据具体的实验环境，多次试取得到。图4(b)为阈值分割后的结果图。

$f\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}0,(x<T)\\ 255,(x>T)\end{array}\right.$    式1

第五步是提取键槽的形状，图像阈值分割后，需提取有效区域，即齿轮中部的轴孔区，根据图像的特性，利用圆方程，将无效的像素点去除，式2中(x,y)是任意像素点坐标值，(a,b)为轴的中心，即同心圆的圆心，r为同心圆内圆的半径。图4(c)是清除无效像素后的键槽形状图。

(x-a)×(x-a)+(y-b)×(y-b)>(r×r)   式2

第六步是边缘检测，即提取键槽的轮廓。轮廓提取借助九宫格原理来判断任一点(x,y)周围的8个点是否全部为黑色。若外围8个点全部为黑色，则该点为轴孔内部点，需要将其置为白色，这样就实现了轴孔的轮廓提取，图4(d)为提取的轮廓图。第七、八步为Hough直线变换，分别计算出α的粗略值和精确值。在提取轴孔的轮廓后，根据其几何特征，首先计算出轴孔的重心；以整个图像的中心为界，将整个图像区域分成4个子象限(4个子坐标系)，只研究重心所在的象限，从而进一步的缩小计算量，象限的划分以及子象限的正方向如图5所示。利用Hough直线变换，如式3。在Hough直线变换中，直角坐标系下直线将转换成在极坐标下一簇有着公共交点(ρ₀,θ₀)的正弦曲线。公共交点可以利用投票算法找出，将极坐标空间量化成若干单元，为每一个单元设置一个计数器，曲线经过的某单元，该单元的计数器自增1，然后寻找计数器值最大者就是原始图像中直线的斜率，即键槽角度位置的一个粗略值α，该点在极坐标中的坐标值就是公共交点(ρ₀,θ₀)。

ρ＝xcos(θ)+ysin(θ)   式3

第一次Hough直线变换中θ的计算范围是(0°,90°)，而在第二次Hough直线变换时，可以只截取直线的一部分进行精确计算，本设计在粗略值的基础上加减20°，θ的范围在(α-20°,α+20°)，注意若α-20°<0°，则θ的范围在(0°,α+20°)，若α+20°>90°，则θ的范围在(α-20°,90°)；通过实验证明，该方法在保证了精确度的基础上，减少了计算量，节约了计算时间。最后一步是输出结果，并准备进行下一个目标的测量。

表.1完整的图像处理进度的单个循环的运行时间

以图5所示的键槽方位为例，计算齿轮轮廓的重心在第二象限，在第二子坐标系x₂-y₂中进行第一次Hough变换，θ的取值范围是(0，π/2)，显而易见，不论在哪个子象限中，θ的取值范围都是(0，π/2)，也就是说，只需要通过判断重要部分的图像落在哪一个子直角坐标系，我们就能节省3/4的计算量和存储空间。表1给出的是一个完整的图像处理进度的单个循环的运行时间表，表格中对比传统Hough直线变换和二次Hough直线变换。由表中数据可知，在实验对象一致，转角精度一致的条件下，两种方法的检测结果一样，但是传统Hough变换计算耗时比较长，而二次Hough变换在计算耗时上则表现出了优越性。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行实施方式进行多种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种利用Hough直线变换检测齿轮键槽方位的方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步 根据轴孔轮廓的几何特征，计算出轴孔的重心；

第二步 以整个图像的中心为界，将整个图像区域分成4个子象限，并重新定义4个子象限的正方向；

第三步 对重心所在的子象限，根据公式ρ＝xcos(θ)+ysin(θ)，将直角坐标系x-y转换为极坐标系ρ-θ，对子象限中的直线进行第一次Hough直线变换，式中θ是直线的法线与x轴的夹角，ρ是原点到直线的垂直距离；

第四步 将极坐标空间量化成若干单元，为每一个单元设置一个计数器，曲线经过的某单元，该单元的计数器自增1，然后寻找计数器值最大者就是原始图像中直线的斜率，即键槽角度位置的一个粗略值α，该点在极坐标中的坐标值就是公共交点(ρ₀,θ₀)；

第五步在粗略值α的基础上加减20°，进行第二次Hough直线变换，得到精确转角。

2.根据权利要求1所述的利用Hough直线变换检测齿轮键槽方位的方法，其特征在于：所述步骤二中对目标对象分象限处理，提取核心象限具体分析。

3.根据权利要求1所述的利用Hough直线变换检测齿轮键槽方位的方法，其特征在于：所述步骤三中第一次Hough变换使用较大的量化值的ρ和θ进行。

4.根据权利要求1所述的利用Hough直线变换检测齿轮键槽方位的方法，其特征在于：所述步骤五中第二次Hough变换时，使用小量化值的ρ和θ进行，同时将θ的缩减至(α-20°,α+20°)，当α-20°<0°时，θ的范围在(0°,α+20°)；当α+20°>90°时，θ的范围在(α-20°,90°)。