CN112629424B - 高精度夹芯阀外径动态视觉测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

高精度夹芯阀外径动态视觉测量系统，包括光源、相机、检测平台和控制装置，相机将采集的待测夹芯阀的照片发送到控制装置，控制装置根据照片判断出待测夹芯阀的实际外径。本发明的测量方法，通过采用连通域分析和最小包围圆算法，实现夹芯阀轮廓ROI的动态获取；采用轮廓检测的方法求夹芯阀轮廓点的方差和梯度，去除毛刺干扰；最终采用最小二乘法对剔除干扰后的边缘进行圆拟合得到夹芯阀外径值。

Description

高精度夹芯阀外径动态视觉测量系统及方法

技术领域

本发明属于数字图像处理技术领域领域，具体涉及一种高精度夹芯阀外径动态视觉测量系统及方法。

背景技术

夹芯阀作为一种常见的橡胶密封件，通常用作动车组内的空气制动系统中的密封器件，其外形如图1所示。目前，夹芯阀由人工使用卡规测量外径尺寸，再由人工目视检查毛刺，以此判断夹芯阀是否符合要求。然而这种方法存在诸多缺点：人工测量时卡规需对准测量点 (凸台圆弧中心)，容易操作不当无法对准，导致错检；卡规随着使用次数的增加也会产生不同程度的磨损，使人工检测的精度无法保证(如图2所示)；除此之外，巨大的人力成本也是不可忽视的一个问题。

目前，机器视觉技术因其非接触、自动化程度高、检测精度高的优点在工业在线检测、测量方面的应用越来越广泛。如“董富强.基于机器视觉的零件轮廓尺寸精密测量系统研究[D]. 天津科技大学,2014.”提出了一种基于机器视觉的零件轮廓尺寸精密测量系统，该系统测量高度落差较大的工件时，提取的外部轮廓尺寸能够达到0.01mm的绝对精度；但其所针对的工件类型具有较大的局限性、使用的图像处理算子没有考虑到高度落差较大时带来的失焦情况。如“戴凤强,刘涛,王宏波,沈晓东.基于机器视觉的工件边缘毛刺检测系统研究[J].农业装备与车辆工程,2018,56(07):43-47.具技术,2018,52(11):147-149.”等提出了累计概率霍夫变换拟合轮廓曲线，筛选并分离毛刺的方法，该方法能精确测量压铸件边缘毛刺的尺寸；但是其所开发的毛刺检测算子仅能针对少数情况，且对工件材质、表面工艺等需求较高，对本发明要处理的工件不具备适用性。如“傅骏.基于机器视觉的汽车换热器尺寸测量及外观检测系统设计[D]. 南京理工大学,2014.”提出了一种基于机器视觉的汽车换热器尺寸测量及外观检测系统，该系统能够测量汽车换热器上部分区域的尺寸和缺陷；但是该系统的定位误差较大且测量算法只进行了重复精度的测试并没有进行实际人工测量。如“赵萍.基于机器视觉的砂轮廓形测量系统研究[D].沈阳工业大学,2013.”研究了一种基于机器视觉的砂轮廓形测量系统，该系统的重复精度达到了±0.005mm；但是该实验系统仅能在实验室环境下使用，且其图像检测算子并不能消除边缘毛刺的影响。

发明内容

[技术问题]

现有的夹芯阀外径测量方法成本高、精度差、操作不便，难以克服边缘毛刺对检测精度的影响。

[技术方案]

本发明的目的是提供一种高精度夹芯阀外径动态视觉测量系统，通过机器视觉的检测技术对高精度夹芯阀进行外径测量，以克服现有技术存在的缺陷。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：

高精度夹芯阀外径动态视觉测量系统，包括光源、相机、检测平台和控制装置，检测平台的台面是透明的，待测夹芯阀放置于透明台面上，光源位于台面下，相机位于台面上部，相机与控制装置相连，相机将采集的待测夹芯阀的照片发送到控制装置，控制装置根据照片判断出待测夹芯阀的实际外径。

优选的，所述光源为背光板。

优选的，所述相机为面阵相机。

优选的，相机的镜头为远心镜头。

优选的，所述检测平台位于检测镜头的正下方，所述相机的光心参考线与检测平台的中垂线重合。

优选的，所述控制装置包括工控机、PLC和光源控制器，所述相机、PLC分别与工控机相连，光源控制器与PLC相连。

优选的，还包括上料装置和下料装置，上料装置用于将待测夹芯阀放置于检测平台中心，下料装置根据检测结果是否合格将待测夹芯阀分别移动到不同位置。

本发明还提供了一种夹芯阀外径测量方法，包括：

S1：将待测夹芯阀放置于检测平台的中心位置，通过相机拍摄获得原始图像S，再对图像S进行处理得到夹芯阀的平面轮廓点集M₁；

S2：对平面轮廓点集M₁进行最小包围圆拟合，在得到最小包围圆⊙₀后，通过比对所有轮廓点与圆心的距离，根据筛选阈值，得到粗选凸台轮廓点集M₂；

S3：通过图像细化，计算得到凸台的端点A、B的坐标；根据端点A、B的坐标计算得出线段AB中垂线的表达式；计算凸台轮廓点集所拟合的圆弧与线段AB中垂线两者的交点就可以得到近似的凸台中心点P；

S4：以P为起点沿着轮廓线方向，向两边搜索，根据梯度值和距离值特征筛选去除完毛刺干扰，剔除掉偏差较大的坏点，得到正常轮廓点集M₃，将满足公式(3)的轮廓点筛选出来，进行最小包围圆拟合，得到⊙₁

0＜(A-x_p)²+(B-y_p)²＜r² (3)

其中，A、B分表代表轮廓点的X、Y值，x_p、y_p分别表示点P的X、Y值，r表示距离阈值，由夹芯阀的尺寸来确定；

S5：求得⊙₁后，计算点P到⊙₁圆心的距离d₀，再计算每一个点到⊙₁圆心的距离d_i，将满足以下条件(4)的点筛选出来，组成凸台轮廓点集M₄

其中，

是该轮廓点的梯度值，d_min、d_max分别指代该尺寸的夹芯阀允许的外径上下偏差值；

S6：根据凸台的正常轮廓点集M₄，对其进行圆拟合从而获得外径像素值；计算点 m_i(x_i，y_i)∈M₄到圆心的距离的平方和半径平方的差为σ²，再依据拉伊达准则对含有粗大误差值的坏值进行剔除，对剩下的值进行累加，得到函数Q(a，b，c)；计算Q(a，b，c)得拟合圆的圆心坐标值和半径值；将拟合后的圆弧的外径像素值乘以标定系数，即可得到夹芯阀的实际外径值。

优选的，所述步骤S1具体包括：将待测夹芯阀放置于检测平台的中心位置，通过相机拍摄获得原始图像S；再对图像S进行二值化处理、连通域搜索，通过面积筛选，去除掉部分橡胶颗粒所组成的小连通域区域，得到夹芯阀的平面轮廓点集M₁。

优选的，所述步骤S4具体包括：以P为起点沿着轮廓线方向，向两边搜索，根据梯度值和距离值特征筛选得到正常轮廓点集M₃；第一个特征值是轮廓点的梯度值

，另一个是轮廓点到⊙₀圆心的距离值D；具体公式如下：

其中，x₀、y₀为⊙₀圆心的坐标值，x_i、y_i为各轮廓点的坐标值。

是梯度值，而m则代表步长的增量；

将M₂中的轮廓点按顺序从端点A到端点B重排列，计算每个点的距离值以及梯度值；将与理想曲线梯度值的差值小于一定阈值的轮廓点筛选出来，通过比对距离值的方差S_d以及与理想曲线距离值差值的平均值

，最终可以将各类毛刺分开，并且选出正常轮廓点，得到轮廓点集M₃；

在去除完毛刺干扰之后，剔除掉偏差较大的坏点，将满足公式(3)的轮廓点筛选出来，进行最小包围圆拟合，得到⊙₁

0＜(A-x_p)²+(B-y_p)²＜r² (3)

其中，A、B分表代表轮廓点的X、Y值，x_p、y_p分别表示点P的X、Y值，r表示距离阈值，由夹芯阀的尺寸来确定。

[有益效果]

相比于人工检测，本发明提供的高精度夹芯阀外径测量方法具有更高的检测速度，并且拥有良好的重复性，避免了人工测量带来的人为误差；同时，本发明提供的高精度夹芯阀外径动态视觉测量系统的软件接口能够很好地与计算机连接，发展和改良空间巨大，可以有效地代替人工检测；本系统在获取夹芯阀ROI时，采用连通域分析和最小包围圆提取算子，能够精确提取目标；针对各类型毛刺，可以通过对轮廓点梯度值以及距离值的方差的分析来去除；在检测实时性和精度方面，人工检测使用的工具具有较大系统误差和磨损误差，而本发明所述系统不仅避免了上述误差的出现，而且运行效率高、抗干扰能力强、准确度高。

附图说明

图1是夹芯阀工件照片。

图2是夹芯阀手工测量误差示意图。

图3是是本发明的高精度夹芯阀外径动态视觉测量系统结构示意图。

图4是基于连通域分析和轮廓点搜索的图像处理流程图。

图5是夹芯阀毛刺去除实验结果图，其中(a)是方差折线图，(b)是平均值折线图。

图6是夹芯阀外径测量对比实验结果，其中(a)是本发明的系统与螺旋测微器测量结果对比图，(b)是本发明的系统重复精度测试结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。为了验证本发明提出的毛刺去除算法的有效性和稳定性，挑选了具有各类型毛刺的夹芯阀和正常夹芯阀若干，再通过本设备完成图像采集进行试验。

实施例1

如图3所示，一种高精度夹芯阀外径动态视觉测量系统，包括光源、相机、检测平台和控制装置，检测平台的台面是透明的，待测夹芯阀放置于透明台面上，光源位于台面下，相机位于台面上部，相机与控制装置相连，相机将采集的待测夹芯阀的照片发送到控制装置，控制装置根据照片判断出待测夹芯阀的实际外径。光源为背光板，相机为面阵相机，相机的镜头为远心镜头。检测平台位于检测镜头的正下方，相机的光心参考线与检测平台的中垂线重合。控制装置包括工控机、PLC和光源控制器，相机、PLC分别与工控机相连，光源控制器与PLC相连。还包括上料装置和下料装置，上料装置用于将待测夹芯阀放置于检测平台中心，下料装置根据检测结果是否合格将待测夹芯阀分别移动到不同位置。

实施例2

如图4所示，一种高精度夹芯阀的外径测量方法，通过采用连通域分析和最小包围圆算法，实现夹芯阀轮廓ROI的动态获取；采用轮廓检测的方法求夹芯阀轮廓点的方差和梯度，去除毛刺干扰；最终采用最小二乘法对剔除干扰后的边缘进行圆拟合得到夹芯阀外径值。

首先，对指定区域进行拍摄得到原始图像S。再对图像S进行二值化处理、连通域搜索，通过面积筛选，去除掉部分橡胶颗粒所组成的小连通域区域，得到夹芯阀的平面轮廓点集M₁。然后对平面轮廓点集M₁进行最小包围圆拟合。在得到最小包围圆⊙₀后，通过比对所有轮廓点与圆心的距离，根据预先设定的筛选阈值，得到粗选凸台轮廓点集M₂。

接着，提取凸台中心点P，以P为起点向两边搜索，根据梯度值和距离值特征筛选得到正常轮廓点集M₃；第一个特征值是轮廓点的梯度值

，另一个是轮廓点到⊙₀圆心的距离值 D。具体公式如下：

其中，x₀、y₀为⊙₀圆心的坐标值，x_i、y_i为各轮廓点的坐标值。

是梯度值，而m则代表步长的增量。

将M₂中的轮廓点按顺序从凸台端点A到端点B重排列后，计算每个点的距离值以及梯度值。将与理想曲线梯度值的差值小于一定阈值的轮廓点筛选出来，通过比对距离值的方差S_d以及与理想曲线距离值差值的平均值

，最终可以将各类毛刺分开，去除毛刺干扰，并且选出正常轮廓点，得到轮廓点集M₃。

再接着，为保证拟合圆的结果更加贴合凸台中心处的圆弧，剔除掉偏差较大的坏点，将满足公式(3)的轮廓点筛选出来，进行最小包围圆拟合，得到⊙₁。

0＜(A-x_p)²+(B-y_p)²＜r² (3)

其中，A、B分表代表轮廓点的X、Y值，x_p、y_p分别表示点P的X、Y值，r表示距离阈值，由夹芯阀的尺寸来确定。

最后，通过计算轮廓点到⊙₁圆心的距离，将满足以下条件(4)的点筛选出来，获得凸台的正常轮廓点集M₄。

式中，

是该轮廓点的梯度值，d_min、d_max分别指代该尺寸的夹芯阀允许的外径上下偏差值。

按照本发明算法流程，采用设备采集到的正常夹芯阀、凸台完全存在毛刺、凸台局部存在毛刺和凸台两端存在毛刺的夹芯阀各20个进行试验。试验配置为：Intel(R)Core(TM)i7-4790 CPU,8G内存PC机，Win10操作系统，开发环境为Visual Studio 2010。得到的结果如图5(a)、 6(b)所示。从图5中可以看到，综合比对各类的方差值和平均值，基本上能够将正常夹芯阀、凸台两端带有毛刺的夹芯阀与其余各类区分开来。而凸台完全存在毛刺的夹芯阀与凸台局部存在毛刺的夹芯阀这两类则不需要再进行细分，可以直接归为坏料。

根据上述步骤获取到的凸台的正常轮廓点集M₄，对其进行圆拟合从而获得外径像素值。计算点m_i(x_i，y_i)∈M₄到圆心的距离的平方和半径平方的差为σ²，再依据拉伊达准则对含有粗大误差值的坏值进行剔除，对剩下的值进行累加，得到函数Q(a，b，c)。对Q(a，b，c)计算关于a、b、 c的偏导，三式联立。令三个偏导式等于0，解得拟合圆的圆心坐标值和半径值。将拟合后的圆弧的外径像素值乘以标定系数，即可得到夹芯阀的实际外径值。

按照本发明算法流程，采用设备采集到的60张各尺寸的夹芯阀图片进行试验。再使用螺旋测微器对每个工件进行了多次规范测量再取其平均值，将以上结果进行做差处理，得到的差值折线图如图6(a)所示；再随机挑选三种类型的夹芯阀各一个，使用本系统进行10次测量，得到的重复精度折线图如图6(b)所示。实验结果表明，在三种尺寸类型的夹芯阀的测量过程中，本发明所设计的系统具有较高的精度，三类夹芯阀的绝对精度平均值分别为 0.004mm、0.008mm和0.01mm，重复精度分别为0.003mm、0.005mm、0.006mm，完全能够满足测量需求。

本发明的一种高精度夹芯阀外径动态视觉测量系统，通过基于连通域分析的夹芯阀轮廓动态跟踪方法，能够快速动态跟踪夹芯阀轮廓ROI；针对夹芯阀凸台轮廓存在的打磨误差以及卡规磨损导致的系统误差，本发明的轮廓点搜索算法，能够剔除偏差较大的轮廓点；针对夹芯阀凸台周围存在毛刺的问题，本发明的毛刺干扰去除算法，能够极大程度地消除毛刺对测量结果的干扰。

本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡是在本发明构思的精神和原则之内，本领域的专业人员能够做出的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种夹芯阀外径测量方法，其特征在于，应用了高精度夹芯阀外径动态视觉测量系统，所述高精度夹芯阀外径动态视觉测量系统包括光源、相机、检测平台和控制装置，检测平台的台面是透明的，待测夹芯阀放置于透明台面上，光源位于台面下，相机位于台面上部，相机与控制装置相连，相机将采集的待测夹芯阀的照片发送到控制装置，控制装置根据照片判断出待测夹芯阀的实际外径；

所述夹芯阀外径测量方法包括如下步骤：

S1：将待测夹芯阀放置于检测平台的中心位置，通过相机拍摄获得原始图像S，再对图像S进行处理得到夹芯阀的平面轮廓点集M₁；

S2：对平面轮廓点集M₁进行最小包围圆拟合，在得到最小包围圆⊙₀后，通过比对所有轮廓点与圆心的距离，根据筛选阈值，得到粗选凸台轮廓点集M₂；

S3：通过图像细化，计算得到凸台的端点A、B的坐标；根据端点A、B的坐标计算得出线段AB中垂线的表达式；计算凸台轮廓点集所拟合的圆弧与线段AB中垂线两者的交点就可以得到近似的凸台中心点P；

S4：以P为起点沿着轮廓线方向，向两边搜索，根据梯度值和距离值特征筛选去除完毛刺干扰，剔除掉偏差较大的坏点，得到正常轮廓点集M₃，将满足公式(3)的轮廓点筛选出来，进行最小包围圆拟合，得到⊙₁

0＜(A-x_p)²+(B-y_p)²＜r² (3)

其中，A、B分表代表轮廓点的X、Y值，x_p、y_p分别表示点P的X、Y值，r表示距离阈值，由夹芯阀的尺寸来确定；

S5：求得⊙₁后，计算点P到⊙₁圆心的距离d₀，再计算每一个点到⊙₁圆心的距离d_i，将满足以下条件(4)的点筛选出来，组成凸台轮廓点集M₄

其中，

是该轮廓点的梯度值，d_min，d_max分别指代该尺寸的夹芯阀允许的外径上下偏差值；

S6：根据凸台的正常轮廓点集M₄，对其进行圆拟合从而获得外径像素值；计算点m_i(x_i，y_i)∈M₄到圆心的距离的平方和半径平方的差为σ²，再依据拉伊达准则对含有粗大误差值的坏值进行剔除，对剩下的值进行累加，得到函数Q(a，b，c)；计算Q(a，b，c)得拟合圆的圆心坐标值和半径值；将拟合后的圆弧的外径像素值乘以标定系数，即可得到夹芯阀的实际外径值。

2.根据权利要求1所述的夹芯阀外径测量方法，其特征在于，所述光源为背光板。

3.根据权利要求1所述的夹芯阀外径测量方法，其特征在于，所述相机为面阵相机。

4.根据权利要求1所述的夹芯阀外径测量方法，其特征在于，所述相机的镜头为远心镜头。

5.根据权利要求1所述的夹芯阀外径测量方法，其特征在于，所述检测平台位于检测镜头的正下方，所述相机的光心参考线与检测平台的中垂线重合。

6.根据权利要求1-5任一所述的夹芯阀外径测量方法，其特征在于，所述控制装置包括工控机、PLC和光源控制器，所述相机、PLC分别与工控机相连，光源控制器与PLC相连。

7.根据权利要求6所述的夹芯阀外径测量方法，其特征在于，还包括上料装置和下料装置，上料装置用于将待测夹芯阀放置于检测平台中心，下料装置根据检测结果是否合格将待测夹芯阀分别移动到不同位置。

8.根据权利要求7所述的夹芯阀外径测量方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：将待测夹芯阀放置于检测平台的中心位置，通过相机拍摄获得原始图像S；再对图像S进行二值化处理、连通域搜索，通过面积筛选，去除掉部分橡胶颗粒所组成的小连通域区域，得到夹芯阀的平面轮廓点集M₁。

9.根据权利要求8所述的夹芯阀外径测量方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：以P为起点沿着轮廓线方向，向两边搜索，根据梯度值和距离值特征筛选得到正常轮廓点集M₃；第一个特征值是轮廓点的梯度值

另一个是轮廓点到⊙₀圆心的距离值D；具体公式如下：

其中，x₀、y₀为⊙₀圆心的坐标值，x_i、y_i为各轮廓点的坐标值，

是梯度值，而m则代表步长的增量；

将M₂中的轮廓点按顺序从端点A到端点B重排列，计算每个点的距离值以及梯度值；将与理想曲线梯度值的差值小于一定阈值的轮廓点筛选出来，通过比对距离值的方差S_d以及与理想曲线距离值差值的平均值

最终可以将各类毛刺分开，并且选出正常轮廓点，得到轮廓点集M₃；

在去除完毛刺干扰之后，剔除掉偏差较大的坏点，将满足公式(3)的轮廓点筛选出来，进行最小包围圆拟合，得到⊙₁

0＜(A-x_p)²+(B-y_p)²＜r² (3)

其中，A、B分表代表轮廓点的X、Y值，x_p、y_p分别表示点P的X、Y值，r表示距离阈值，由夹芯阀的尺寸来确定。

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