基于图像的零件长度检测系统设计(编辑修改稿)

基于图像的零件长度检测系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

影响。 需要根据具体项目的特点选择合适的采集系统以及软件平台。 文献 6研究电盘尺寸的测量，采用两个 75681 象素的 CCD 传感器分别采集电盘两个侧面的图像，通过轮廓跟踪、直线分割、和亚象素定位获得工件的尺寸。 在系统精度达到正负 毫米的同时，每个工件检测只需花费的时间约。 文献 7基于计算机视觉的活塞环闭间隙测量系统。 同样采用 795*595 象素数的 CCD传感器，根 据活塞环本身几何参数的特点推导出了活塞环各个参数之间的关系。 整个系统武汉理工大学毕业设计（论文） 3 使用了对图像边缘的亚像素定位技术对 300 微米的开口进行测量，测量系统的测量精度到达177。 47 微米。 文献 8研究的图像处理在线测量系统测量的范围是从十几丝到 30 毫米工件的外轮廓，经过实验观察，在同一状态下长时间测量同一工件误差只有177。 3 微米。 总而言之，在高精度的尺寸测量领域中图像处理技术有着很大的应用前景。 随着机器视觉硬件制造技术的不断发展和硬件成本的逐步降低，图像处理技术在现代化生产中的应用的将越来越广泛，其测量精度也将逐渐提高 9。 虚拟仪器技术 虚拟仪器 (virtualInstrument)技术是日益发展的计算机硬、软件和总线技术在向其它相关技术领域密集渗透的过程中，通过仪器仪表技术、测试技术密切结合共同出的一项全新的成果 。 输出结果以多种形式展示，而后利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。 虚拟仪器技术是现代计算机技术和仪器技术在更深层次结合的产物，也是计算机辅助测试 (CAT)领域的一项重要技术。 虚拟仪器技术可利用计算机强大的图形环境和在线帮助功能，构成既有 普通仪器的基本功能又有一般仪器所没有的特殊功能的既高档又廉价的新型仪器。 它可通同时建立中英文界面的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析和显示，它深刻的改变了传统仪器的使用方式，使仪器的使用功能和使用效率明显提高，大幅度降低了仪器的价格，使用户可以根据自己需要定义仪器的新功能。 在虚拟仪器系统设计中，硬件系统仅仅是为了解决信号的输入输出，软件系统才是整个仪器的关键，基于软件系统体系的结构可以大大节省开发和维护费用。 虚拟仪器的品种多、功能强、自动化程度高、具有良好的人机界面，但它与传统仪器的功能是相同的：采集 数据，对数据分析处理以及对数据的结果处理。 它们之间重要区别之一就是灵活性方面。 虚拟仪器可由用户自己定义，这就意味着用户可以自由地组合计算机平台、系统硬件、系统软件以及各种完成应用设计系统所需要的附件，而这种灵活性在由供应商定义、功能固定的传统仪器中是无法做到的。 因此，虚拟仪器是仪器发展史上的一场重要革命，代表着仪器发展的最新方向，并且是信息技术发展的一个重要领域，对科学技术的发展和工业生产发展将产生巨大的作用，也必将成为仪器发展的方向和趋势。 武汉理工大学毕业设计（论文） 4 课题的背景和意义 伴随着我国经济的持续增长和工业产品精 密程度的提高，以及对产品数量和产片质量要求的提高，传统的尺寸测量手段己经不能满足现代生产的需要。 卡尺、量规等检测手段虽然简便、快捷，但测量数据较少、精度很低；万能工具显微镜、轮廓仪等检测手段虽然有较高的检测精度，但要求在特定的设备以及特定的环境下进行检测，不但劳动强度大，效率极低，而且最大的不足是检测过程同生产过程是分离的，这与现代工业所要求的在线检测、实时控制的要求不符。 图像处理检测则可以高速、可靠和不间断地对工业产品的质量问题进行准确的检测，所以能取代以往费时费神但又无法保证检测质量的人工检测方法。 基于虚拟仪器的视觉测量系统融合了最新的传感器、电子测量和计算机等技术，使得视觉检测设备具有前所未有的速度、灵活性、测量精度和资源的可重用性。 CCD 摄像设备的分辨率和成像速度等技术性能的不断提高，数字图像处理技术的逐步完善，以及计算机的性能和性价比的迅速提高，为这一领域的研究提供了相当有利的条件。 此外，采用先进的虚拟仪器技术还可以大大缩短产品的开发周期，通过计算机网络可获得的丰富信息亦有助于我们解决各种各样的技术问题。 鉴于现在图像处理在产品测量中应用的现状，本课题针对图像处理在机械加工中零件尺寸检测的 应用进行研究。 课题的目标是利用图像处理在工业检测中的优势对工业产品中基本的直线和圆形特征进行检测。 本课题的目标是研究开发基于图像处理的柔性好、效率高的工件长度检测系统。 本文的研究有助于提高我国机器视觉检测系统的开发应用水平，提高工业检测的质量和效率以及对突破国外公司对我国机器视觉市场的技术垄断都具有现实意义，并且所研究的机器视觉系统具有一定的经济价值。 武汉理工大学毕业设计（论文） 5 论文 的主要内容 本文在查阅大量国内外文献的基础上设计基于虚拟仪器和 图像处理 技术的零件 长度 测量 系统。 从理论上对 图像处理 尺寸检测进行研究，设 计适合课题要求、与硬件设备配套使用的视觉检测程序。 本课题具体的工作内容包括： （ 1） 机器视觉系统的总体构建与实施方案设计，按照机器视觉系统 的结构，分析系统的组成和硬件的参数以及性能，这些硬件包括：镜头、 光源、相机、图像采集卡，选择各软件模块，搭建一套基于个人计算机的机器视觉测量平台，完成整个系统的整体设计。 （ 2） 对图像处理方法进行研究，对常用的图像滤波和边缘检算法进行研究。 通过试验比较它们对机械加工零件图像的处理效果，找到适合零件图像的预处理方法 以及长度检测算法方案。 （ 3） 研究 基于 LabVIEW 的 标定方法 ， 可以很有效的消除图像中线性与非线性的畸变，操作简单，测量精度高， 利用标定获得的内参数校正采集到的图像的畸变，提高测量效果。 （ 4） 编制软件程序实现图像的采集、图像处理、特征提取和参数计算 以及数据处理和数据写入 Access 数据库 等功能。 （ 5） 基于搭建的系统进行试验。 利用本文的机器视觉系统对零件进行测量，对系统的性能进行分析。 武汉理工大学毕业设计（论文） 6 第 2 章 基于图像的 零件长度 检测 系统 总体 设计 零件长 度 检测系统 设计要求 在现代化生产 过程中测量零件的尺寸，要求测量系统必须要具备 高速、 高精度、 稳 定、安全、可移植等特点 ，应能满足现代工业快速测量需求。 本系统 采用 工业相机、背照式光源 、图像采集卡 为零件图像 采集 装置 ，将采集 到的图像传送到以 LabVIEW 为 软件处理平台的上位机上， 经过一系列的图像处理算法，得到零件长度数据。 以 Access 数据库为存储方式，将 零件的长度数据保存，方 便后期查询。 零件长度 检测 系统 硬件 设计 方案 通常， 传统 的机器视觉系统由以下 几 个部分 —— 光源、相机、图像采集卡和图像处理软件组成，如图 所示。 图 典型的机器视觉系 统 基于 PC 机的机器视觉系统一般由图像采集、图像分 析处理、结果输出与执行几个部分组成。 其中，图像采集部分的硬件主要包括：光源、镜头、相机、图像采集卡。 图像采集部分的任务是将目标物体的特征信息进行光学成像，然后通过图像传感器将光信号转换为电信号传递给计算机的图像数据采集卡。 本文通过对一系列硬件资料 的分析总结后，根据 各个 硬件的参数及其选用原则选择了一套适合本文研究需要 的硬件，其功能以及达到测量需要，包括相机、光源、镜头、图像采集卡， 并使用 这 些硬件搭建了机器视觉系统。 武汉理工大学毕业设计（论文） 7 光源选择 光源是成像系统生成图像的关键模块，光源的质量会直接关系到拍摄图 像的画质和清晰度，一个好的光源采集的图像能够使测量精度更加精确，并且很有可能简化系统软硬件的设计，提高图像检测精度。 以获取高品质、高对比度的图像。 选择光源的目标就是： （ 1） 增强待处理的物体特征 （ 2） 减弱不需要关注的物体和噪声的干扰 （ 3） 不会引入额外的干扰。 按照明方式的不同，光源可以分为： （ 1）直接照明光源 （ 2）射照明光源 （ 3）背光照明光源 （ 4） 同 轴照明光源 （ 5） 特殊照明光源。 本系统采用背光照明光源，光源均匀的从被检测物体的背面，可以获得高 清晰的轮廓，突出 物体外形检测、尺寸检测等等，如图 所示。 图 背光照明方式及其成像实例 武汉理工大学毕业设计（论文） 8 相机 选择 工业相机（亦称作机器视觉相机）由两大基本部件组成：图像感光芯片和数字化的数据接口。 图像感光芯片由数十万至数百万个像素组成。 像素把光线的强度转换为电压输出。 这些像素的电压被以灰度值的形式输出，所有像素放在一起就形成了图 像， 发送给计算机。 数据接口主要有 USB 、和千兆以太网三种。 工业相机也不例外，按照芯片类型可以分为 ； （ 1） CCD 相机、 CMOS 相机； （ 2） 按照传感器的结构特 性可以分为线阵相机、面阵相机； （ 3） 按照扫描方式可以分为隔行扫描相机、逐行扫描相机； （ 4） 按照分辨率大小可以分为普通分辨率相机、高分辨率相机； （ 5） 按照输出信号方式可以分为模拟相机、数字相机； （ 6） 按照输出色彩可以分为单色（黑白）相机、彩色相机； （ 7） 按照输出信号速度可以分为普通速度相机、高速相机； （ 8） 按照响应频率范围可以分为可见光（普通）相机、红外相机、紫外相机等。 目前市面上工业相机大多是基于 CCD （ Charge Coupled Device ）或 CMOS（ Complementary Metal Oxide Semiconductor）芯片的相机。 典型的 CCD/相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟数字信号处理电路组成。 CCD 作为一种功能器件，与真空管相比，具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点。 广泛应用于工业生产线在线检测、智能交通，机器视觉，科研，军事科学，航天航空等众多领域，比 CMOS 数字相机，无论是静态采集还是动态采集，均可以得到无变形的高质图像。 相机的选择要根据系统的要求综合考虑镜头和图像采集卡的情况来选择相机的参数。 在实际工业应用中， 通常采用 CCD 摄像机作为的图像传感器。 本文是检测 零件长度信息，所以选用黑白面阵 CCD 数字相机。 本系统在惊醒实验时，采用普通的 USB 摄像头。 摄像头为罗技 C170 网络摄像头。 镜头选择 镜头选择要根据相机的传感器尺寸、支座接口形式以及被测量的零件尺寸等进行综合考虑。 镜头的成豫应能够完全覆盖镜头的传感器表面；镜头和相机的联接接口形式应该尽量相同；镜头的视场和景深应该满足被测量的零件的尺寸要求。 武汉理工大学毕业设计（论文） 9 下面是镜头几个主要参数的解释； （ 1）场就是整个系统能够观察物体的尺寸范围，也就是与图像传感上所成图像对应的场景的大小。 （ 2）工作距离：工作距离就 是物距，即：物体到镜头的距离。 （ 3）分辨率：分辨率描述的是光学系统能够分辨的最小物体的距离一般用成对的黑白相叫线来标定镜头的分辨率，即：每毫米多少线对 (1plmm)。 （ 4）景深：沿光轴方向上物体的尺、 J 或运动在一定范围内所成的图像是清晰的，这个范围称为景深。 （ 5）光圈：光学系统中光线经过折射、反射等最后到达像而．在这个传输过程中，并不是所有进入系统的光线最后都能通过，而是有一部分被阻挡。 为了能够调节透过的光强度，般镜头中都设置了光嘲，也就是一个多叶片的机械装置组成的直径可变的圆孔，调整时这个孔的 直径可以连续变化，从而改变镜头的有效 7L 径。 镜头光圈的大小一般用 F 数来表示。 （ 6） F 数：假定光学系统的有效孔径是 d，焦距是 f 那么， Ff／ d。 这个参数描述了光学系统的采光能力。 有效孔径越大，能收集到和通过的光线越多，而焦距越短，这些光线能到达像面的可能性越大。 在实际工业应用中，应根据相机的选择，整体系统方案来选择合适的工业镜头。 图像采集卡选择 图像信号的传输是大数据量快速传输。 当图像采集卡的信号输入速率较高时，如果使用个人计算机，图像采集卡通常采用的 PCI 接口的理论带宽峰值为 132MB／ S。 在实际使用中， PCI 接口的平均传输速率为 50～ 90MB／ S，有可能在传输瞬间不能满足高传输率的要求。 因此，这一任务通常使用图像采集卡来完成。 图像采集卡是一块可插入计算机或脱离计算机独立使用的板卡，图像采集卡将数字信号经过处理送入计算机，是图像采集部分和图像处理部分的接口。 为了避免与其他 PCI 设备产生冲突时丢失数据，一般在图像采集卡上应有数据缓存。 一些图像采集卡还提供数字I／ O 的功能。 图像采集卡的技术参数主要有以下几个： （ 1）图像传输格式：图像采集卡需要支持系统中相机所采用的输出信号格式。 其中 ，LVDS、 CameraLink 和千兆以太网等几种图像传输形式在机器视觉工程中应用较为广泛。 武汉理工大学毕业设计（论文） 10 （ 2）图像格式：图像格式也被称为像素格式，分为灰度和彩。