基于图像的尺寸测量应用研究

张娓娓 陈乐瑞



基于图像的尺寸测量应用研究

张娓娓1陈乐瑞2

(1.河南工业职业技术学院 河南南阳 473000；2.郑州铁路职业技术学院 郑州 450001）

零件尺寸测量是生产中一个十分常见而重要的项目。利用摄像机等硬件和图像处理算法等程序共同构成图像尺寸测量系统，在这个平台上完成尺寸测量工作。通过标定试验，得到像素当量为0.119 8 mm/pixel，测量范围为0.119 8～42.169 mm。通过试验数据分析，测量精确度达到±0.09 mm。仪器在试验室环境下工作正常，达到设计要求。

组合滤波 大津阈值分割 系统标定 尺寸测量

尺寸测量必须由测量工具来完成，测量工具先后经历了机械式、光学式和电感式等几个阶段。尺寸测量工具进入计算机辅助阶段后，借助计算机视觉和数字图像信息处理技术，融合机械、激光和自动控制等科学技术，形成了集光、电、机为一体的图像尺寸测量技术[1]，智能化和自动化水平迅速提高。

对于小尺寸，传统的接触式测量容易破坏工件表面和改变其相对位置，从而影响测量的精度；对于曲面轮廓，测量的速度跟不上；对于大批量生产只能采用抽样检测，在抽样检测中，用样品的质量来估计整批产品的质量，这样往往会存在漏检。同时，长时间的工作会造成人眼和身体的疲劳，这又带来测量稳定性的问题，而恶劣的工作环境还会影响操作人员的身体健康和情绪波动。由此可见，在测量的速度、精度、自动化程度和安全性方面，传统的测量方法无法满足现代制造业实时在线、非接触测量、高速度高精度的发展需求[2]。

图像尺寸测量技术具有实时在线监测的优点，提供了一条质量控制的可实现途径[3]。目前，如何提高零件尺寸的测量精度，依然是机械加工及安装的重要课题，图像测量技术在现代生产中的质量保证以及成本控制等方面都具有很大的研究和应用价值。

1 组合滤波

图像在采集和传输过程中，由于受到温度、光照以及系统自身等各种因素[4]的影响，不可避免地受到外界噪声的污染。图像中的噪声往往不是单一噪声，而是多种噪声混合的结果，因此有必要采用两种及其两种以上的滤波方法[5]组合起来共同滤除噪声。先用中值滤波除去大的噪声点，再利用均值滤波平滑图像，可以有效地抑制大部分的噪声，获得信噪比较高和视觉效果较好的图像。组合滤波前后对比图像如图1(a)～(c)所示。

(a) 原图像

(b) 含有高斯和椒盐噪声的图像

(c) 组合滤波后的图像

2 大津阈值分割

大津阈值分割是一种自适应的阈值确定方法[6]。这种方法用一个灰度阈值把图像灰度级分成两部分，两类灰度级之间存在一个方差，可以反映两类灰度级的差异程度，也反映了一幅图像背景和目标差别的程度。方差越大，说明背景和目标分割的越接近实际情况，因此使这个方差最大的分割阈值，理论上便是最好的阈值。此方法不管图像的直方图有无明显的双峰，都能得到较好的分割结果，这种方法是优化的全局阈值自动选择方法。大津阈值分割前后对比图像如图2(a)、(b)所示。

(a) 原图像 (b) 大津阈值分割后图像

3 圆的拟合

作为一种数学优化方法，最小二乘法常用于曲线拟合[7]。当误差的平方和最小时，便认为这组数据找到了最佳函数匹配。下面分析圆的拟合推导过程。

像素定位后得到的点坐标为(i,i)，i=1,2……N，对于圆及圆弧的拟合，采用定位点到最小二乘半径的平方的残差平方和最小的策略。

圆零件边缘坐标点的拟合结果如图3(a)、(b)所示。

(a) 原图像 (b) 边缘拟合轮廓

4 系统标定

将以像素为单位的尺寸转换为空间中的物理尺寸，这一过程由系统标定来完成[8]。具体步骤如下：

(1)选取一个尺寸已知的标准件，尺寸大小为S；

(2)当测量系统正常工作和测量环境稳定不变时，利用测量系统对此标准件进行测量，获得以像素为单位的尺寸：p；

(3)由公式=/p计算标定系数。表达了测量系统中像素尺寸和实际物理尺寸之间的变换关系。

在本试验标定环境下，=0.119 8 mm/pixel，用于测量圆直径时的像素当量。由于CCD摄像机采集的图像尺寸为：宽352像素，高288像素。由此也可以算出标定系数下的系统量程上限为：宽42.169 mm，高34.502 mm。

5 试验结果及分析

试验环境所需图像由CCD摄像机和PCI视频卡获得，基于VC++编写图像测量界面和图像测量(滤波、图像分割、圆的拟合等)算法。CCD摄像机和PCI视频卡如图4所示。

图4 CCD摄像机和PCI视频卡

图像测量界面包含拍照、读图、组合滤波和大津阈值分割4个按钮以及系统标定和尺寸测量2个模块。拍照是利用CCD摄像机获得圆零件的图像，读图是把采集到的图像读到内存中以进行图像数据的处理。图像测量界面如图5所示。

图5 图像测量界面

对圆形零件直径进行了10组测量。测量结果及数据分析如表1所示。由表1可以看出，圆形零件直径测量[9]的相对误差最大值0.722 7%，最小值为0.087 3%，可以算出相对误差的平均值为0.31%，标准偏差小于 0.09 mm。也就是说系统在圆形零件直径测量上准确度较高[10]，受系统误差的影响比较小，精确度在±0.09 mm范围内。

表1 圆形零件直径测量结果及数据分析 mm

6 结语

利用CCD摄像机、PCI视频卡和PC机构建图像尺寸测量系统，基于VC6.0集成开发环境，设计测量界面和编写图像处理算法程序，在系统标定的基础上，对圆零件进行了直径的测量，精确度在±0.09 mm范围内。采用图像尺寸测量技术可以极大地提高圆零件尺寸测量的精度和速度，最大程度避免人为误差，保证产品质量，提高生产效率。图像测量技术具有实时在线监测的优点，满足非接触无损自动测量的要求，使制造业中圆零件的加工、检测和控制融为一体成为可能。

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