CN106226316A - 一种单摄像机宽视场视觉螺纹检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于螺纹检测技术研究领域的一种单摄像机宽视场视觉螺纹检测装置及其检测方法，包括单摄像机宽视场视觉传感器、置物平台、图像采集卡和计算机；所述单摄像机宽视场视觉传感器包括摄像机、上部反射镜组、下部反射镜组、金属杆和LED环形光源；带有螺纹的待检测紧固件垂直置于所述单摄像机宽视场视觉传感器正下方，且为置物平台的中心位置；所述图像采集卡安装于计算机内，且和所述单摄像机宽视场视觉传感器中摄像机用线缆相连，利用所述计算机对所述图像采集卡采集到的图像进行图像分析，实现紧固件螺纹缺陷的检测。

Description

一种单摄像机宽视场视觉螺纹检测装置及其检测方法

技术领域

本发明属于螺纹检测技术研究领域，具体涉及一种单摄像机宽视场视觉螺纹检测装置及其检测方法。

背景技术

紧固件作为一种常用机械零件，广泛应用于机械、汽车、飞机等制造行业。紧固件螺纹缺陷会直接影响其性能，导致各种安全隐患，必须在投入应用之前剔除存在缺陷的个体，避免造成无法预料的后果。目前国内对于紧固件螺纹检测还停留在人工目视检测阶段，不仅效率低下，而且极易出现误检和漏检。随着制造产业向着高速度、大批量、自动化模式转变，传统紧固件螺纹检测技术已经无法满足现代工业生产需求，迫切需要研发一种高效、低成本的紧固件螺纹检测技术。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有紧固件螺纹检测技术的上述不足，提出一种单摄像机宽视场视觉螺纹检测装置及其检测方法，用于紧固件螺纹缺陷的检测，以提高检测效率。

本发明的技术方案是：一种单摄像机宽视场视觉螺纹检测装置，包括单摄像机宽视场视觉传感器6、置物平台7、图像采集卡8和计算机9；

所述单摄像机宽视场视觉传感器6包括摄像机1、上部反射镜组2、下部反射镜组3、金属杆4和LED环形光源5；所述上部反射镜组2和下部反射镜组3相互垂直放置，且两者的中心在同一条垂线上，并用三根金属杆4固定成为一个整体；所述LED环形光源5固定于所述下部反射镜组3正下方，且被所述下部反射镜组3所遮挡，自身不会成像于所述摄像机1中；所述摄像机1垂直放置于上部反射镜组2正上方，且摄像机镜头视场刚好覆盖所述下部平面反射镜组3；带有螺纹的待检测紧固件10垂直置于所述单摄像机宽视场视觉传感器6正下方，且为置物平台7的中心位置；所述图像采集卡8安装于计算机9内，且和所述摄像机1电连接，所述计算机9对所述图像采集卡8采集到的图像进行图像分析，检测紧固件螺纹的缺陷。

上述方案中，所述上部反射镜组2由六片形状相同的等腰梯形平面镜组成，且两两相连围成一个空心正六棱台，其反射面为空心正六棱台的内表面。

上述方案中，所述下部反射镜组3也由六片形状相同的等腰梯形平面镜组成，与所述上部反射镜组2中的等腰梯形平面镜对应边长的比例为1:3，并且也两两相连围成一个小空心正六棱台，但反射面为小空心正六棱台外表面。

上述方案中，所述单摄像机宽视场是指仅利用一台摄像机拍摄一幅图像就可获取所述待检测紧固件10表面螺纹的360度全方位图像以及顶端表面图像，其中以60度为间隔将360度全方位螺纹图像分别呈现在该单幅图像的六个不同区域并围成一个正六边形；所述待检测紧固件10顶端表面图像则呈现在该正六边形的中心位置，其区域形状也是一个正六边形。

上述方案中，所述视觉螺纹检测是指所述图像采集卡8通过所述单摄像机宽视场视觉传感器5采集一幅待检测紧固件10的宽视场图像，利用所述计算机9进行图像分析，实现紧固件螺纹缺陷的检测。

一种根据所述的一种单摄像机宽视场视觉螺纹检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤一、图像采集阶段，打开LED环形光源5，将待检测紧固件10垂直放置于置物平台7的中心位置，保证该紧固件处于LED环形光源5中心区域正下方，使其所受光照均匀，亮度合适，同时保证待检测紧固件10处于单摄像机宽视场视觉传感器6光轴中心，LED环形光源5将光线投射到待检测紧固件10上，待检测紧固件10的螺纹图像首先反射到上部反射镜组2，再经由下部反射镜组3反射后被摄像机1接收，图像采集卡8通过单摄像机宽视场视觉传感器6采集一幅待检测紧固件10的宽视场图像，并传输给计算机9；

步骤二、图像分析阶段，计算机9对图像采集卡8采集到的单幅宽视场图像进行紧固件螺纹缺陷的检测，包括既进行精确测量方式的螺纹缺陷检测，也进行识别方式的螺纹缺陷检测。

上述方案中，所述精确测量方式的螺纹缺陷检测包括以下步骤：

步骤一、传感器标定，获取所述单摄像机宽视场视觉传感器6的内部参数以及外部参数，所述单摄像机宽视场视觉传感器6可看作六台虚拟摄像机等间隔围成圆形放置，每相邻三台虚拟摄像机形成三目立体视觉，由此共形成六组三目立体视觉系统；

步骤二、区域切割，将紧固件螺纹一周共六块侧面图像从图像采集卡8采集到的单幅宽视场图像中切割出来，每相邻三块图像构成三目立体视觉；

步骤三、螺距测量，利用三目立体视觉原理测量所述待检测紧固件10螺纹的螺距；

步骤四、缺陷判别，测量出的螺距数据和标准数据进行比较，判别是否超出允许误差范围，如果超出允许误差范围，则判定螺纹有缺陷，否则即为螺纹无缺陷。

上述方案中，所述识别方式的螺纹缺陷检测，包括以下步骤：

步骤一、区域切割，将紧固件螺纹一周共六块侧面图像以及一块顶部图像从图像采集卡8采集到的单幅宽视场图像中切割出来；

步骤二、平滑滤波，对切割出的所有七块区域图像进行高斯平滑滤波；

步骤三、阈值分割，对高斯平滑滤波后所有七块区域图像利用最大类间方差法进行阈值分割，获得二值化图像；

步骤四、缺陷判别，对二值化图像分别进行垂直投影和水平投影，所得投影曲线波形与无缺陷的标准曲线波形相对比，若波形形状相一致则螺纹无缺陷，若波形形状发生差异则螺纹有缺陷。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、采用上部反射镜组和下部反射镜组结合成整体的方式，减小了单摄像机宽视场视觉传感器所需空间，其反射镜组也可按比例缩小，以实现宽视场视觉传感器的小型化、微型化。

2、利用上部反射镜组和下部反射镜组调整光路，可使单摄像机宽视场视觉传感器与被测物体之间的检测距离减小，同时单摄像机宽视场视觉传感器仅拍摄一幅图像就能采集待检测紧固件螺纹的360度侧面及顶部图像，大大缩短了检测时间，提高了螺纹检测的效率。

3、单摄像机宽视场视觉传感器采用平面镜构建，和采用曲面镜扩大视场范围不同，该方式拍摄所得图像无卷曲效应，具有透视投影不变性，方便后续的标定匹配等工作，从而使得整个检测过程既可进行精确测量方式的螺纹缺陷检测，也可实现识别方式的螺纹缺陷检测。

4、单摄像机宽视场视觉传感器可形成六组虚拟三目立体视觉系统，实现360度范围的测量；可有效降低图像匹配难度，提高匹配精度，同时利用冗余数据可提高测量系统的精度。

5、整个检测装置结构简单，易于加工制造，成本较低，且无需任何旋转机构既可实现紧固件螺纹的全方位检测，检测效率高。

附图说明

图1是本发明一实施方式的装置结构示意图；

图2是本发明一实施方式采集到的宽视场图像示意图。

图中，1、摄像机；2、上部反射镜组；3、下部反射镜组；4、金属杆；5、LED环形光源；6、单摄像机宽视场视觉传感器；7、置物平台；8、图像采集卡；9、计算机；10、待检测紧固件；11、宽视场图像；12、紧固件侧面图像区域；13、紧固件顶部图像区域。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1所示为本发明所述单摄像机宽视场视觉螺纹检测装置的一种实施方式，所述单摄像机宽视场视觉螺纹检测装置包括单摄像机宽视场视觉传感器6、置物平台7、图像采集卡8和计算机9。

所述单摄像机宽视场视觉传感器6包括摄像机1、上部反射镜组2、下部反射镜组3、金属杆4和LED环形光源5。所述上部反射镜组2和下部反射镜组3相互垂直放置，且两者的中心在同一条垂线上，并用三根金属杆4固定成为一个整体；所述LED环形光源5固定于所述下部反射镜组3正下方，且被所述下部反射镜组3所遮挡，自身不会成像于所述摄像机1中；所述摄像机1垂直放置于上部反射镜组2正上方，且摄像机镜头视场刚好覆盖所述下部平面反射镜组3。

其中上部反射镜组2是指由六面相同的平面镜组成的平面镜组，每面平面镜都是上顶角120度，下底角60度的等腰梯形状。每面平面镜以斜边相互连接；而下部反射镜组3是由上部反射镜组按尺寸比例缩小组成，缩小比例约为1:3；金属杆4可进行长短调节，使得上部反射镜组2和下部反射镜组3的距离达到最优。带有螺纹的待检测紧固件10垂直置于所述单摄像机宽视场视觉传感器6正下方，且为置物平台7的中心位置；所述图像采集卡8安装于计算机9内，且和所述单摄像机宽视场视觉传感器6中摄像机1用线缆相连。

所述单摄像机宽视场是指仅利用一台摄像机拍摄一幅图像就可获取所述待检测紧固件10表面螺纹的360度全方位图像以及顶端表面图像，其中以60度为间隔将360度全方位螺纹图像分别呈现在该单幅图像的六个不同区域并围成一个正六边形；所述待检测紧固件10顶端表面图像则呈现在该正六边形的中心位置，其区域形状也是一个正六边形。

所述视觉螺纹检测是指所述图像采集卡8通过所述单摄像机宽视场视觉传感器5采集一幅待检测紧固件10的宽视场图像，利用所述计算机9进行图像分析，实现紧固件螺纹缺陷的检测。

使用如上所述的单摄像机宽视场视觉螺纹检测装置进行紧固件螺纹检测，其检测方法包括图像采集阶段和图像分析阶段，每进行一次图像采集后可直接进行图像分析检测，具体步骤如下:

步骤一、图像采集阶段，

打开LED环形光源5并调整光源的光线亮度及光源颜色，保证光源光线明亮适宜、颜色对相机成像质量最优，调整完后，保持背光源位置、亮度、颜色等变量不变。本实施例采用蓝色光源。

本实施例将型号为M10X40的外六角螺栓作为待检测紧固件10垂直放置于置物平台7的中心位置，保证该紧固件处于LED环形光源5中心区域正下方，使其所受光照均匀，亮度合适，同时保证待检测紧固件10处于单摄像机宽视场视觉传感器6光轴中心，使摄像机1采集到的螺纹图像明暗适中、大小适宜、纹理均匀。LED环形光源5投射的蓝色光线投射到待检测紧固件10上，待检测紧固件10的螺纹图像首先反射到上部反射镜组2，再经由下部反射镜组3反射后被摄像机1接收。本实施例采用的摄像机1为CCD摄像机，最高像素为1628X1236像素。图像采集卡8通过单摄像机宽视场视觉传感器6采集一幅待检测紧固件10的宽视场图像，并传输给计算机9。

步骤二、图像分析阶段，计算机9对图像采集卡8采集到的单幅宽视场图像(如图2所示)进行紧固件螺纹缺陷的检测，包括既进行精确测量方式的螺纹缺陷检测，也进行识别方式的螺纹缺陷检测。

所述精确测量方式的螺纹缺陷检测具体步骤为：

步骤一、传感器标定，获取所述单摄像机宽视场视觉传感器6的内部参数以及外部参数；内部参数仅需对单摄像机进行标定，这与通常一台摄像机设备的内部参数标定过程完全一致。外部参数标定时，所述单摄像机宽视场视觉传感器6可看作六台虚拟摄像机等间隔围成圆形放置，每相邻三台虚拟摄像机形成三目立体视觉，由此共形成六组三目立体视觉系统，三目立体视觉系统外部参数的标定过程可参见马增婷等人著《三目视觉测量系统的建模分析》，红外与激光工程，2010，增刊(39)：619-624。

步骤二、区域切割，将紧固件螺纹一周共六块侧面图像区域12从图像采集卡8采集到的单幅宽视场图像11中切割出来，并将等腰梯形的原始图像区域修剪为矩形图像块，矩形的一条边为等腰梯形上底边，矩形的另一条边为等腰梯形的高，利用位置相邻的三块图像构成三目立体视觉。

步骤三、螺距测量，利用三目立体视觉原理测量六组虚拟三目立体视觉所涵盖的360度范围内所述待检测紧固件10螺纹的螺距。

步骤四、缺陷判别，测量出的螺距数据和标准数据进行比较，判别是否超出允许误差范围，如果超出允许误差范围，则判定螺纹有缺陷，否则即为螺纹无缺陷。

所述识别方式的螺纹缺陷检测具体步骤为：

步骤一、区域切割，将紧固件螺纹一周共六块侧面图像区域12以及一块顶部图像区域13从图像采集卡8采集到的单幅宽视场图像11中切割出来,并将等腰梯形的原始侧面图像区域修剪为矩形图像块，矩形的一条边为等腰梯形上底边，矩形的另一条边为等腰梯形的高；正六边形原始顶部图像块修剪为最大内接正方形图像块。

步骤二、平滑滤波，对切割出的所有七块图像块进行高斯平滑滤波。

步骤三、阈值分割，对高斯平滑滤波后所有七块区域图像利用最大类间方差法进行阈值分割，获得二值化图像。

步骤四、缺陷判别，对二值化图像分别进行垂直投影，具体为图像同一行上的所有像素值相加，和水平投影，具体为图像同一列上的所有像素值相加，所得投影曲线波形与无缺陷的标准曲线波形相对比，若波形形状相一致则螺纹无缺陷，若波形形状发生差异则螺纹有缺陷。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单摄像机宽视场视觉螺纹检测装置，其特征在于，包括单摄像机宽视场视觉传感器6、置物平台7、图像采集卡8和计算机9；

所述单摄像机宽视场视觉传感器6包括摄像机1、上部反射镜组2、下部反射镜组3、金属杆4和LED环形光源5；所述上部反射镜组2和下部反射镜组3相互垂直放置，且两者的中心在同一条垂线上，并用三根金属杆4固定成为一个整体；所述LED环形光源5固定于所述下部反射镜组3正下方，且被所述下部反射镜组3所遮挡，自身不会成像于所述摄像机1中；所述摄像机1垂直放置于上部反射镜组2正上方，且摄像机镜头视场刚好覆盖所述下部平面反射镜组3；带有螺纹的待检测紧固件10垂直置于所述单摄像机宽视场视觉传感器6正下方，且为置物平台7的中心位置；所述图像采集卡8安装于计算机9内，且和所述摄像机1电连接，所述计算机9对所述图像采集卡8采集到的图像进行图像分析，检测紧固件螺纹的缺陷。

2.根据权利要求1所述的一种单摄像机宽视场视觉螺纹检测装置，其特征在于，所述上部反射镜组2由六片形状相同的等腰梯形平面镜组成，且两两相连围成一个空心正六棱台，其反射面为空心正六棱台的内表面。

3.根据权利要求1所述的一种单摄像机宽视场视觉螺纹检测装置，其特征在于，所述下部反射镜组3也由六片形状相同的等腰梯形平面镜组成，与所述上部反射镜组2中的等腰梯形平面镜对应边长的比例为1:3，并且也两两相连围成一个小空心正六棱台，但反射面为小空心正六棱台外表面。

4.根据权利要求1所述的一种单摄像机宽视场视觉螺纹检测装置，其特征在于，所述单摄像机宽视场是指仅利用一台摄像机拍摄一幅图像就可获取所述待检测紧固件10表面螺纹的360度全方位图像以及顶端表面图像，其中以60度为间隔将360度全方位螺纹图像分别呈现在该单幅图像的六个不同区域并围成一个正六边形；所述待检测紧固件10顶端表面图像则呈现在该正六边形的中心位置，其区域形状也是一个正六边形。

5.根据权利要求1所述的一种单摄像机宽视场视觉螺纹检测装置，其特征在于，所述视觉螺纹检测是指所述图像采集卡8通过所述单摄像机宽视场视觉传感器5采集一幅待检测紧固件10的宽视场图像，利用所述计算机9进行图像分析，实现紧固件螺纹缺陷的检测。

6.一种根据权利要求1所述的一种单摄像机宽视场视觉螺纹检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、图像采集阶段，打开LED环形光源5，将待检测紧固件10垂直放置于置物平台7的中心位置，保证该紧固件处于LED环形光源5中心区域正下方，使其所受光照均匀，亮度合适，同时保证待检测紧固件10处于单摄像机宽视场视觉传感器6光轴中心，LED环形光源5将光线投射到待检测紧固件10上，待检测紧固件10的螺纹图像首先反射到上部反射镜组2，再经由下部反射镜组3反射后被摄像机1接收，图像采集卡8通过单摄像机宽视场视觉传感器6采集一幅待检测紧固件10的宽视场图像，并传输给计算机9；

步骤二、图像分析阶段，计算机9对图像采集卡8采集到的单幅宽视场图像进行紧固件螺纹缺陷的检测，包括既进行精确测量方式的螺纹缺陷检测，也进行识别方式的螺纹缺陷检测。

7.根据权利要求6所述一种单摄像机宽视场视觉螺纹检测装置的检测方法，其特征在于，所述精确测量方式的螺纹缺陷检测包括以下步骤：

步骤一、传感器标定，获取所述单摄像机宽视场视觉传感器6的内部参数以及外部参数，所述单摄像机宽视场视觉传感器6可看作六台虚拟摄像机等间隔围成圆形放置，每相邻三台虚拟摄像机形成三目立体视觉，由此共形成六组三目立体视觉系统；

步骤二、区域切割，将紧固件螺纹一周共六块侧面图像从图像采集卡8采集到的单幅宽视场图像中切割出来，每相邻三块图像构成三目立体视觉；

步骤三、螺距测量，利用三目立体视觉原理测量所述待检测紧固件10螺纹的螺距；

步骤四、缺陷判别，测量出的螺距数据和标准数据进行比较，判别是否超出允许误差范围，如果超出允许误差范围，则判定螺纹有缺陷，否则即为螺纹无缺陷。

8.根据权利要求6所述一种单摄像机宽视场视觉螺纹检测装置的检测方法，其特征在于，所述识别方式的螺纹缺陷检测，包括以下步骤：

步骤一、区域切割，将紧固件螺纹一周共六块侧面图像以及一块顶部图像从图像采集卡8采集到的单幅宽视场图像中切割出来；

步骤二、平滑滤波，对切割出的所有七块区域图像进行高斯平滑滤波；

步骤三、阈值分割，对高斯平滑滤波后所有七块区域图像利用最大类间方差法进行阈值分割，获得二值化图像；

步骤四、缺陷判别，对二值化图像分别进行垂直投影和水平投影，所得投影曲线波形与无缺陷的标准曲线波形相对比，若波形形状相一致则螺纹无缺陷，若波形形状发生差异则螺纹有缺陷。