CN109470171B - 一种基于机器视觉技术的球度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于机器视觉技术的球度测量装置及方法，包括基座、置物台、背景箱、控制机构和图像采集机构；底座底部安装有支撑座，底座顶部沿其四周安装有多层轨道；图像采集机构包括顶部相机、侧部相机和相机支架；置物台包括置物架、置物座和LED灯带；置物座用于放置待测物体；背景箱将置物架罩住，背景箱顶部均布多层圆形LED灯带二；顶部相机和侧部相机镜头从背景箱的顶部和侧面分别伸入背景箱中拍摄待测物体图像；本发明较传统测量装置及方法，不仅数据处理快速灵活、现场抗干扰能力强、综合误差小、工作量小、不损伤待测物表面，还能很好的现待测物实时测量图像、反映待测物整体测量信息。

Description

一种基于机器视觉技术的球度测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于机器视觉技术的球度测量装置及测量方法。

背景技术

球度误差对机械零件的旋转运动具有重要影响。球面粗糙度及球面波纹等缺陷将导致零件磨损，精确而高效的评定球度误差非常重要。传统的球度误差测量大都是接触测量，常用测量方法有：千分尺多次测量球体直径，粗略估算球度误差；测量两个或三个相互垂直的大圆球度值评定球度误差。传统的接触式测量方法存在综合误差大、工作量大、易损伤工件表面、受测量环境限制等局限性，且只反映球面局部信息，不能精确评定整体球度误差。

随着计算机视觉与图像处理的不断应用及发展，视觉测量逐步应用于测量领域而形成一类非接触测量方法,此方法不仅具有数据处理快速灵活、工作量小及现场抗干扰能力强等优点，还能很好地再现测量图像、反映整体信息。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于机器视觉技术的球度测量装置及测量方法。

一种基于机器视觉技术的球度测量装置，包括基座、置物台、背景箱、控制机构和图像采集机构。

所述基座包括支撑座、底座和轨道；所述底座底部安装有支撑座，底座顶部沿其四周安装有多层轨道；且轨道、支撑座和底座的中心点位于上下同一直线上；每层轨道的四个角均设有入口，用于滑轨安装及滑轨在每层轨道之间的切换；所述底座小于支撑座。

所述电源模块包括电源和电源转换器；电源模块固定安装在控制盒中；所述电源正、负极与电源转换器输入端相连；

所述控制机构包括控制盒、步进电机、步进电机驱动器和单片机；所述单片机及步进电机驱动器安装在控制盒中；单片机、步进电机驱动器与所述电源转换器输出端连接，由电源模块供电；单片机与步进电机驱动器连接；步进电机驱动器与所述步进电机连接；单片机通过步进电机驱动器控制步进电机转动。

所述图像采集机构包括顶部相机、侧部相机和相机支架；所述相机支架通过滑轨安装在所述轨道中，相机支架能沿轨道滑动；相机支架由横架和竖架组成L型；所述横架上横向设有槽口；竖架上竖向设有槽口；所述顶部相机及侧部相机分别安装在横架和竖架上的槽口中，能沿槽口横向或竖向移动。

所述置物台包括置物架、置物座和LED灯带；所述置物架安装在底座顶部；所述置物架内部安装步进电机，且置物架、步进电机和底座的中心点位于上下一条直线上；置物座位于置物架顶部；所述置物座与步进电机输出轴同心连接(即置物座和步进电机的中心点位于同一中轴线上)；置物座呈圆形，置物座顶部外缘沿其圆周均布多层圆形LED灯带一，每层LED灯带一均通过适配器调节光强及光色；置物座用于放置待测物体。

所述背景箱呈圆筒形；所述背景箱底部开口；所述背景箱用于将置物架罩住，使待测物体处于一个相对稳定光强的环境；背景箱顶部均布多层圆形LED灯带二；所述圆形LED灯带二和所述圆形LED灯带二的圆心位于上下同一中轴线上；背景箱顶部及侧面设有圆孔，顶部相机及侧部相机镜头的圆心分别与两个所述圆孔的圆心位于同一中轴线上；分别调节顶部相机和侧部相机在相机支架上的相对位置，使顶部相机和侧部相机镜头从背景箱的顶部和侧面分别伸入背景箱中。

将单片机、顶部相机、侧部相机和适配器和现有计算机通过数据传输线连接；顶部相机及侧部相机可将拍摄的目标图像传送至计算机。

本发明还涉及一种基于机器视觉技术的球度测量方法，步骤如下：

S1、环境调节：背景箱将置物架罩住，调节所述背景箱顶部及置物座上多层圆形LED灯带的适配器，使光照系统稳定，确保所述图像采集机构采集的图像稳定。

S2、图像采集：将待测物体放到置物座上，分别调节顶部相机和侧部相机在相机支架上的相对位置，使顶部相机和侧部相机镜头从背景箱的顶部和侧面伸入背景箱中，分别采集待测物体的顶部图像和侧部图像；其中，单片机单次控制步进电机转动一次，侧面相机采集一次待测物体的侧面图像；多次转动，直至步进电机转动360°，待测物回到初始位置；共采集多张待测物体侧部图像和1张待测物顶部图像。

S3、图像灰度化：由所述图像处理模块将待测物图像转换成灰度值在0-255之间的灰度图像；

S4、中值滤波：采用中值滤波法降低待测物图像在采集过程中受到各种噪声源的干扰，同时保护图像边缘信息；

S5、指针扫描多阈值分割，运用指针扫描多阈值分割技术对滤波后的待测物图像进行分割，得到目标图像及背景图像(目标图像为只含有待测物的图像，其他图像为背景图像)；

S6、数据提取，在目标图像中，制作待测物体轮廓的外接矩形：以外接矩形的中心为圆心，中心距待测物体轮廓的最大像素值为半径作标准圆，进一步求出所有沿所述标准圆半径方向下，待测物体轮廓与标准圆之间的像素距离d_i(i代表1,2,3,4…N)；

S7、数据处理，求像素距离d_i的平均值μ及标准差σ，利用式CV＝σ/μ求得变异系数，利用变异系数评价第j张图片似球度，似球度S_j＝(1-CV)×100％，其中j为待测物体图像张数(j＝1,2,3…)，S_j的平均值为最终球度值。

标准差平均值/>

公式中：

d_i为外接矩形的中心与轮廓每个像素的距离与标准圆半径之差(i并非固定的个数，它与像素有关，像素越大，i越多，d_i个数也相应越多；N为d_i中，i所能取到的最大值)；

CV为变异系数，S_j为似球度值，σ为像素距离d_i的标准差，μ为像素距离d_i的平均值。

本发明的有益效果：

利用本发明装置和方法测量球度,不仅精度高、数据处理快速灵活、现场抗干扰能力强，还能再现待测物实时测量图像、反映待测物整体测量信息。

附图说明

图1是本发明的主体结构示意图；

图2是本发明的控制模块结构示意图；

图3是本发明的置物座俯视图；

图4是本发明的背景箱主视图；

图5是本发明的背景箱俯视图

图6是本发明的整体结构示意图。

图中：1、支撑座、2、底座、3、轨道、4、置物架、5、置物座、6待测物体、7、顶部相机、8、侧部相机、9、步进电机、10、相机支架、11控制盒、12、电源、13、电源转换器、14、步进电机驱动器、15单片机、16、LED圆形灯带一、17孔、18、背景箱、19、背景箱侧面圆孔、20背景箱上底面、21、LED圆形灯带二22背景箱上底面圆孔、23、计算机。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。本发明中所涉及的步骤如无特殊说明,均可根据现有技术实现

如图1-图6所示，本实施例所述的一种基于机器视觉技术的球度测量装置，包括基座、置物台、背景箱18、电源模块、控制机构和图像采集机构。

所述基座由支撑座1、底座2及轨道3构成，所述底座2为正方形薄板，所述支撑座1为正方形，固定安装在底座2正下方，且支撑座中心与底座中心在同一直线上；所述轨道3按3圈方形结构固定安装在底座2正上方，且轨道中心与底座中心在同一直线上，每圈方形轨道四个对角线处均有轨道预置入口，方便滑轨安装、滑轨在单圈及不同圈之间的滑动。

所述电源模块由电源12及电源转换器13构成，所述电源为锂电池，固定安装在所述控制盒11最左侧，所述电源转换器13安装在电池右侧，所述锂电池正、负极与电源转换器输入端相连，电源转换器输出端输出所述球度测量装置各部分所需电压。

所述控制机构由控制盒11、步进电机9、步进电机驱动器14及单片机15构成，所述单片机固定安装在所述控制盒11最右侧，所述步进电机驱动器14安装在单片机15左侧；单片机15、步进电机驱动器14与所述电源转换器输出端相连，由所述电源供电。单片机输出端与步进电机驱动器输入端相连，步进电机驱动器输出端与所述步进电机输入端相连，步进电机驱动器14接收所述单片机15传送的脉冲信号，进而控制步进电机15转动。

所述图像采集机构由顶部相机7、侧部相机8、相机支架10构成，所述相机支架10通过滑轨与所述底座中的轨道3相连，相机支架10可沿方形轨道滑动。相机支架10由相互垂直的横架和竖架构成，横架和竖架均带槽口；所述顶部相机7及侧部相机8为带有螺纹孔的工业相机，顶部相机7及侧部相机8均可沿槽口滑动，且均通过螺栓分别连接在横架和竖架的槽口中。(本发明中所使用的相机为能与计算机通过数据线通讯的工业相机)

所述置物台由置物架4、置物座5、LED灯带构成，所述置物架安装在所述轨道内圈中心，位于底座2正上方，且置物架中心与底座中心在一条直线上；所述步进电机9固定安装在所述置物架4中，且置物架中心与步进电机中心在同一直线上；所述置物座5为圆形薄板结构，通过孔17与步进电机输出轴配合，且置物座中心与步进电机中心在同一中轴线上；置物座外缘均布3层圆形LED灯带一16，每层圆形LED灯带一均由适配器调节光强及光色，待测物体6放置在置物座中心处。

所述背景箱18为圆桶形结构，下部开放；背景箱20内部顶部均布3层圆形LED灯带二，所述圆形LED灯带二的中心与所述置物座外缘的圆形LED灯带一的中心在同一中轴线上；背景箱18上底面有圆孔22、侧面有圆孔19，调节所述相机在所述相机支架的相对位置，使顶部相机和侧部相机镜头的中心分别与所述背景箱上底面及侧面圆孔的中心在同一中轴线上。

使用时，将顶部相机和侧部相机通过数据传输线分别与现有计算机23相连，所述顶部相机及侧部相机拍摄的目标图像传送至计算机。所述计算机23中存储有图像处理模块(可根据现有技术编程)，所述图像处理模块功能如下：

S1、环境调节，调节所述背景箱上底面20及置物座3层LED灯带的适配器，使光照系统稳定，确保所述图像采集系统采集的图像稳定。

S2、图像采集，将待测物6放到所述置物台的置物座5上，所述控制系统单次控制步进电机9转动1°，多次转动，直至步进电机转动360°，待测物回到初始位置，调节由所述图像采集模块中的顶部相机7及侧部相机8分别采集待测物图像，得到待测物顶部图像和侧部图像，其中顶部相机只采集1次，共得到360张待测物侧部图像及1张待测物顶部图像。

S3、图像灰度化，由所述图像处理模块将待测物图像转换成灰度值在0～255之间的灰度图像；

S4、中值滤波，采用中值滤波法降低待测物图像在采集过程中受到各种噪声源的干扰，同时保护图像边缘信息；

S5、指针扫描多阈值分割，运用指针扫描多阈值分割技术对滤波后的待测物图像进行分割，得到目标图像及背景图像；

S6、数据提取，在目标图像中，作待测物轮廓的外接矩形，以外接矩形的中心为圆心，中心距待测物轮廓的最大像素值为半径作标准圆，进一步求出所有沿所述标准圆半径方向下，待测物轮廓与标准圆之间的像素距离d_i；

S7、数据处理，求像素距离d_i的平均值μ及标准差σ，利用式CV＝σ/μ求得变异系数，利用变异系数评价第j张图片似球度，似球度S_j＝(1-CV)×100％，其中j为待测物体图像张数(j＝1,2,3…361)，共361张；最后将S_j(j＝1,2,3…361)的平均值作为最终球度值。

验证例:

本验证例以待测物品为球状化肥为例，测量步骤如下：

S1、打开计算机23，通过数据线将顶部相机7、侧部相机8及单片机15与计算机23相连，电源模块开启，保证球度测量装置各部分电压供给。

S2、将球状化肥放入置物座5中心处，打开LED灯带，在计算机23中，观察顶部相机7、侧部相机8传输的图像，根据图像调节相机焦距使其图像清晰，无模糊区域；根据图像调节LED灯带的适配器，使其图像无过亮、过暗、反光的区域，进而保证图像质量。

S3、打开控制模块开关，步进电机转动1°，顶部相机采集1张化肥顶部图像，侧部相机采集1张化肥侧部图像，多次转动，直至步进电机转动360°，其中顶部相机只采集1次，侧部相机采集多次，共得到360张化肥侧部图像及1张化肥顶部图像。

S4、依次对360张化肥侧部图像及1张化肥顶部图像进行灰度化、中值滤波及指针扫描多阈值分割过程，得到只含有化肥的目标图像。

S5、在目标图像中，作化肥轮廓的外接矩形，以外接矩形的中心为圆心，中心距待测物轮廓的最大像素值为半径作标准圆，进一步求出所有沿所述标准圆半径方向下，待测物轮廓与标准圆之间的像素距离d_i,i＝1,2,3…30(假设标准圆半径的像素距离为10，化肥轮廓共有30个像素点)。

S6、求像素距离d_i的平均值μ及标准差σ，

平均值标准差/>

(假设平均值为10，标准差为1.41)，利用式CV＝σ/μ求得变异系数CV＝0.14，利用变异系数评价第j张图片似球度，似球度S_j＝(1-CV)×100％＝86％。(j＝1,2,3…361，j为化肥目标图像张数，共361张)。最后将S_j(j＝1,2,3…361)的平均值作为球形缓释肥最终球度值。

球度值越大，说明缓释肥越圆，则施用该缓释肥后，能保证该球形缓控肥缓释均匀，肥效好,利用率更高。

Claims (3)

1.一种基于机器视觉技术的球度测量装置，其特征在于，包括基座、置物台、背景箱、控制机构和图像采集机构；

所述基座包括支撑座、底座和轨道；所述底座底部安装有支撑座，底座顶部沿其四周安装有多层轨道；每层轨道的四个角均设有入口，用于滑轨安装及滑轨在每层轨道之间的切换；所述底座小于支撑座；

电源模块由电源及电源转换器构成；电源模块固定安装在控制盒中；所述电源正、负极与电源转换器输入端相连；

所述控制机构包括控制盒、步进电机、步进电机驱动器和单片机；所述单片机及步进电机驱动器安装在控制盒中；单片机、步进电机驱动器与所述电源转换器输出端连接，由电源模块供电；单片机与步进电机驱动器连接；步进电机驱动器与所述步进电机连接；单片机通过步进电机驱动器控制步进电机转动；

所述图像采集机构包括顶部相机、侧部相机和相机支架；所述相机支架通过滑轨安装在所述轨道中，相机支架能沿轨道滑动；相机支架由横架和竖架组成L型；所述横架上横向设有槽口；竖架上竖向设有槽口；所述顶部相机及侧部相机分别安装在横架和竖架上的槽口中，能沿槽口横向或竖向移动；

所述置物台包括置物架、置物座和LED灯带；所述置物架安装在底座顶部；所述置物架内部安装步进电机；置物座位于置物架顶部；所述置物座与步进电机输出轴同心连接；所述置物座顶部外缘沿其圆周均布多层圆形LED灯带一，每层LED灯带一均通过适配器调节光强及光色；置物座用于放置待测物体；

所述背景箱呈圆筒形；所述背景箱底部开口；所述背景箱用于将置物架罩住，使待测物体处于一个相对稳定光强的环境；背景箱顶部均布多层圆形LED灯带二；所述圆形LED灯带二和所述圆形LED灯带一的圆心位于上下同一中轴线上；背景箱顶部及侧面设有圆孔，顶部相机及侧部相机镜头的圆心分别与两个所述圆孔的圆心位于同一中轴线上；分别调节顶部相机和侧部相机在相机支架上的相对位置，使顶部相机和侧部相机镜头从背景箱的顶部和侧面分别伸入背景箱中；

所述单片机、顶部相机、侧部相机和适配器分别通过数据传输线与计算机连接；顶部相机及侧部相机将拍摄的目标图像传送给计算机；

所述轨道、支撑座、置物座、置物架、步进电机和底座的中心点位于上下同一直线上。

2.如权利要求1所述的一种基于机器视觉技术的球度测量装置，其特征于在于，所述置物座呈圆形。

3.利用权利要求1所述的球度测量装置进行球度测量的方法，其特征在于,步骤如下：

S1、环境调节：背景箱将置物架罩住，分别调节所述背景箱顶部和置物座上多层圆形LED灯带的适配器，使光照系统稳定，确保所述图像采集机构采集的图像稳定；

S2、图像采集：将待测物体放到置物座上，分别调节顶部相机和侧部相机在相机支架上的相对位置，使顶部相机和侧部相机镜头从背景箱的顶部和侧面分别伸入背景箱中，分别采集待测物体的图像，得到待测物体顶部图像和侧部图像；其中，单片机单次控制步进电机转动一次，侧面相机采集一次待测物体的侧面图像；多次转动，直至步进电机转动360°，待测物回到初始位置；共采集多张待测物体侧部图像和1张待测物顶部图像；

S3、图像灰度化：由所述图像处理模块将待测物图像转换成灰度值在0-255之间的灰度图像；

S4、中值滤波：采用中值滤波法降低待测物图像在采集过程中受到各种噪声源的干扰，同时保护图像边缘信息；

S5、指针扫描多阈值分割，运用指针扫描多阈值分割技术对滤波后的待测物图像进行分割，得到目标图像及背景图像（目标图像为只含有待测物的图像，其他图像为背景图像）；

S6、数据提取，在目标图像中，制作待测物体轮廓的外接矩形：以外接矩形的中心为圆心，中心距待测物体轮廓的最大像素值为半径作标准圆，进一步求出所有沿所述标准圆半径方向下，待测物体轮廓与标准圆之间的像素距离d _i， i代表1,2,3,4…N；

S7、数据处理，求像素距离d _i 的平均值µ及标准差σ，利用式CV = σ/µ求得变异系数，利用变异系数评价第j张图片似球度，似球度S _j = （1 - CV）× 100%，其中j为待测物体图像张数，j=1,2,3…， S_j的平均值为最终球度值；

标准差 平均值/>

公式中：

d _i 为外接矩形的中心与轮廓每个像素的距离与标准圆半径之差；所述i与像素有关，像素越大，i越多；N为d _i 中，i所能取到的最大值；

CV为变异系数，S_j为似球度值，σ为像素距离d _i 的标准差，µ为像素距离d _i 的平均值。