CCD尺寸在线检测系统的图像获取系统设计

CCD尺寸在线检测系统的图像获取系统设计.txt∞-一人行,必会发情 二人行,必会激情 三人行,必有奸情 就不会被珍惜。真实的女孩不完美，完美的女孩不真实。得之坦然，失之淡然，顺其自然，争其必然。 本文由888王磊888贡献

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江洁·CCD 尺寸在线检测系统的图像获取系统设计 CCD 尺寸在线检测系统的图像获取系统设计 江洁 1， 2

( 1． 浙江工业大学， 浙江 杭州 310032; 2． 丽水学院 机电建工学院， 浙江 丽水 323000) 摘 要: 零件尺寸精度检测技术手段的创新与提升能是降低生产成本和提高产品品质的关键 之一。主要介绍了基于 CCD 的尺寸在线检测系统的图像获取系统装置的设计， 包括获取系统 的结构， 图像系统照明方案的设计， 并利用系统软件对零件尺寸进行检测， 同时对实验数据做 了误差分析。 关键词: CCD; 尺寸检测; 图像获取 5276( 2010) 04000703 中图分类号: TH12; TP391． 41 文献标志码: B 文章编号: 1671-

Design of Image Acquisition System for CCD Size Online Inspection 2 JIANG Jie1， ( 1． Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，China; 2． School of Mechanoelectronic and Construction Engineering，Lishui University，Lishui 323000，China)

Abstract: The innovation and upgrade of Part size precision detection are able to reduce the product cost and improve the product quality． This paper introduces the design of image acquisition system for CCD size online inspection， including the design of the system structure and the image system lighting method， uses the system software to detect the part size，and then analyzes the measurement error． Key words: CCD; dimension detection; image acquisition 0 引言

计 出 一 套 图 像 获 取 系 统 ， 流 程如 图 1 所 其 示。在图 1 中， 图像采集系统负责将

随着电子技术、 光学检测技术的发展， 基于 固态 CCD 图像传感技术的图像测量系统得到 — 了很快的发展， 形成了 一种新的测量技术— — 图像测量技术。图像获取系统在 整个图像处 理系统 中 具 有 重 要 的 作 用。它 负 责 将 现 实 中 的物体图像通过输入设备采集下来， 将图像的 模拟信号转 换为数字信号， 最终输入计算机， 为计算机处理程序库提 供准备处理的现场采 集的实时数据， 并在输出设备中显示 出来。图 像获取系统直 接 影 响 采 集 到 的 图 像 品 质 和 后 续 的图像处理效果。在此设计了一套工件图 像获取装置。 1 图像获取系统的结构

在工业图像处理应用系统的最初始端便是 图像获取 系统， 它主要由摄像机、 图像采集卡 和光源组成。对图像 有用信息的获取是工件尺 寸自动检测系统首要关键问题。 由于现场拍摄 所得的工件表面图像受环境、 照明以及摄像 机 本身等因素的影响， 会使图像出现降质现象。图 像的噪 声对后期识别中纹理、 形态、 色度特征的 提取有重大影响， 直接关系到识别结果的准确 度， 因此必须选择合理的图像 获取结构。 在参考国内外关于零件尺寸在线自动检测 系 统 和 相 关的工业检测 系 统 设 计 基 础 上， 设 Machine Building A utomation，A ug 2010， 4) : 7 ～ 9 39( ·7·

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待测工件图像采用 CCD 摄像机获取， 图像采集 卡将视频 模拟信号转变为数字图像井输入计算 机， 以备后续对图像 作进一步的处理。伴随数 字技术的发展， 数码摄像机性能 的提高， 也可以 直接采用数字摄像机完成图像的采集。 图1

图像获取系统流 程图

根据设计的工件图像获取系统流程图， 设计 的工件尺 寸在线检测装置的图像获取系统结构 如图 2 所示。

工件尺寸检测系统 结构图 该系统主要由照明装置、 图像采集装置及初 步处理系 图2

作者简介: 江洁( 1981—

) ， 浙江丽水人， 女， 讲师， 本科， 主要从机械设计和液压传动教学工作。 Machine Building

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统等三个部分组成。系统硬件由测量平台 6、 CCD 摄像机 4、 图像采集卡 5、 计算机 7 等组成。平台以图像 传感器为 测量探头， 采用分布式多探头的布局 与同时采样的策略， 主要采用机械定位系统、 图像传感器测座、 数字图像处理 技术， 对于不 同的测量项目， 采用不同的组合方案， 在流水 线 产品变化时， 只要按新的工件测量要求， 重新布 局标定 后即可工作。测量平台上表面放置待检 测工件， 光源采用 白色 LED 环形冷光源。 图像采集系统是由 CCD 摄像机和图像采集 卡组成。 CCD 的工作原理是通过光学成像系 统将景物图像成在 CCD 的像敏面上， 像敏面 将照在每个像敏单元上的图像 照度信号通过 光电效应， 将物体的反射光线按亮度强弱转 变 成相应数目的载流子， 在某一个时钟周期内， CCD 器件 在转移脉冲的作用下将门极上收集 到的电子量转移到 CCD 的移位寄存器中， 在 图像采集卡作中， 通过放大电路 对信号进行放 大， 再经过 A /D 转换将模拟信号的一系列 有 目的性的处理转变成为数字信号。数字信号保 存到计 算机或者其他处理器进行图像或图形的 处理， 从而获取相 关的信息和数据。图 3 是基 于 CCD 与镜头的视觉系统成 像原理图。CCD 与图像采集卡工作流程如图 4 所示。 存， 也可以是计算机内存。 系统的工作原理 如 下: 由 照 明 系 统 的 LED 光 源 发 出 的光均匀地照射到检测平台上面的 工件上， 透射光经过光 学成像系统将工件图像 成像在 CCD 摄像机上。CCD 将接 受到的光信 息转换成电信号， 并通过视频线输入计算机内 的图像采集卡中， 图像采集卡对 CCD 摄像机传 送来的视 频信号进行放大、 滤波、 采样、 量化、 编码等处理， 得到数字 图像信号， 并将其写入 计算机内存中， 然后进行产品评价 图3

CCD 与镜头的视觉系统成像 原理图 图4

CCD 与图像采集卡工 作流程 对于图像采集卡， 视频图像信号经多路切换 A /D 变换器， 将数字化的图像数 器、 解码 器、 据送到数据缓冲器， 经裁剪、 比例压缩及数据 格式转换后， 由内部控制图形覆 盖与数据传 输， 数据传输目标位置由软件确定， 可以是显 ·机械制造与研究·

江洁·CCD 尺寸在线检测系统的图像获取系统设计 数据的预处理， 完成尺寸测量所需的边沿特征 量的提取， 处理、 评价、 数据库管理。可对标 准工件和被测工件逐一 进行测量， 保存测量结 果。最后输出被测工件相对于标准 件的尺寸偏 差。 2 2． 1 照明系统的设计 检测光源

定性差以及杂光过大等 不利影响。考虑到使用 寿命、 成本价格等其他因素， 设计 的尺寸检测 系统选用白色环状 LED 光源作为照明光源。 2． 2 照明方式 光源可分为自然光源和人造光源两类。自 然光源使 用不方便且其发光特性不容易控制， 一般不适合用作图像 采集系统的照明光源。在 工业检测应用中， 常常使用人造 光源。人造光 源有许多种， 诸如卤素灯、 荧光灯、 日光灯、 LED 照明光源、 激光、 高频荧光灯等。各种光源 特性如表 1 所示， 选用时一般根据环境状况来定。 表1 灯类 光色 各类光源的比较 寿命 /h 特点

卤素灯 白色、 偏黄 便宜 荧光灯 000 LED 光源 红黄绿白蓝 体， 形状多 电致发光管 000 5 000 － 7 000 发热多， 较 6 000 － 7 白色、 偏绿 便宜 6 000 － 10 000 发热少， 固 由发光频率定 5 000 － 7 发热小， 较便宜

LED 是现今在工业检测中比较常用的发光 光源。由 于它具有体积小、 重量轻、 光源单色 性好、 发光亮度高、 度便于集中调整等优点， 亮 目前正广泛应用于数字仪表显示 和 CCD 应用 技术中。LED 作为半导体光源， 它光谱分布 与半导体光电接收器光谱响应相匹配， 这既能 节省能量， 又能减少多余能量而造成的热稳 ·8 ·

目前， 常用的光源照射方式有背光照、 前光 照、 同轴光 照 3 种方式， 如图 5 所示。其中， 背 光照是指光源放在物体 的后面， 被测物体放在 光源和摄像机之间， 它的优点是能够 产生比较 清晰、 明确的边缘， 能获得高对比度的图像， 见 图 5( a) 。前光照指的是从摄像机的角度看光源放 在物体前 面， 光源和摄像机位于被测物体的同 侧面， 光源产生具有一 定方向性的光线从物体 正面的某一角度对物体进行照射， 能够产生必 要的阴影， 并且很容易实现， 但是也可能产生一 些不必要的阴影， 并且对物体的照明可能不均 匀， 但这种方式便于安装， 见图 5( b) ; 同轴光 法是指将 灯源置于被测物与摄像机之间， 这种 类型的光源对检测高 反射的物体有帮助， 高密 度的 LED 阵列发射出高强度均 匀光， 该光源 具有非常均匀的光分布， 适合于工件表面划 痕 的检测， 见图 5( c) 。 检测系统在生产实际中要对多个种类多种 系列零件 的各种尺寸与形状精度进行检测， 考 虑到图像处理中要求 背景灰度值高且均匀， 物 体目标边缘灰度值低， 反差较大， 易于提取物 体边缘等因素， 拟采用图 5( a) 与图 5( c) 组合 的方式， 在测量平台下面设置下光源， 上光源与 CCD 同轴 安装， 这种方式能适应各种类型单向 器的尺寸与表面划痕 http: ∥ZZHD． chinajournal． net． cn E-mail: ZZHD@ chainajournal． net． cn《机械制造与自动化》 ·机械制造与研究· 江洁·CCD 尺寸在线检测系统的图像获取系统设计 测量领域。其测量原理是通过对被测物体图像边缘的处 理和计算从而获得物体的几何参数， 实现对 物体的 精确 测量。 图5

照明方式 图6 获取的工件局部图像 的检测， 可以使工件图像目标边缘特征得到增强， 在后续 图像处理中可以比较容易地将目标特征进行提取并识别 出来。 照明光源采用白色环 通过图 2 设计的图像获取系统， 形 LED 光源， 将工件移动到图像的视场中， 通过采样命令 将图像与工作台坐标值读入计算机， 再由图像采集系统将 工件的局部放大图形采样后读入图像处理计算机， 得到的 图像如图 6 所示， CCD 所采集的图像， 经 灰度不均匀、 物 体边缘模糊， 很难直接达到测

试的要求， 经过灰度过滤处 理、 二值化处理等必要的数字图像处理后， 得到理想的二 值图像如图 7 所示， 边界清晰， 灰度分明。 图7 工件二值图形 3

测量数据及误差分析

图像测量技术就是将数字图像处理技术应用到精密 表2

本台检测系统主要用于检测轴类零件的几何尺寸， 完 成轴段的直径、 高度、 倒角宽、 倒角高的测量， 并可进行测 量数据的处理、 报表打印、 自动对焦等功能。通过计算机 可监控测量全过程， 实现测量数据的自动采集、 存储及结 果处理等。以阶梯轴为例， 测量数据如表 2 所示。

阶梯轴关键尺寸影像测量检测结果 各段轴径

测量参数 人工测量值 图像测量值 绝对误差 相对误差 轴径 d1 14． 98 mm 15． 001 mm 0． 021 0． 140% 轴径 d2 29． 95 mm 29． 973 mm 0． 023 0． 077% 轴径 d3 39． 97 mm 40． 001 mm 0． 031 0． 078% 轴径 d4 31． 92 mm 31． 947 mm 0． 027 0． 085% 轴径 d5 22． 97 mm 22． 948 mm 0． 022 0． 096% 轴径 d6 15． 96 mm 15． 938 mm 0． 022 0． 138% 可见测量结果基本满足技术要求。数字图像测量系 统的测量精度， 主要与所使用的 CCD 设备的分辨率、 被测 零件的大小以及 CCD 的充满度相关。如果采用高分辨率 的 CCD 摄像机， 则零件的测量精度可达到更高的水平， 即 可满足一般工业生产中高精度测量的要求。可见， 采用先 进的测量设备， 配置合适的实验对象， 就可达到相应的测 量精度要求。 参考文献:

［ 1］容观澳． 计算机图像处理［ ． 北京: 清华大学出版社， M］ 2002． ［ 2］霍宏涛， M］ 林小竹， 何薇． 数字图像处理［ ． 北京: 北京理工大 2002． 学出版社， ［ 3］夏良正． 数字图像处理［ ． 南京: 东南大学出版社， M］ 1999． ［ 4］张文景， 张文渊， 苏键峰， 计算机视觉检测技术及其在机 等． J］ 1999， 33 械零件检测中的应用［ ． 上海: 上海交通大学学报， ( 5) : 635638． ［ 5］单艳华． 基于 CCD 的轴类零件尺寸测量的研究［ ． 北京: 北 M］ 2006． 京科技大学， 4 结论

本检测系统应用到生产实际后， 产品品质数据 的采 集、 保存、 统计分析等工作能顺利有效地进行， 为提高品质 管理水平提供了良好的条件， 将使公司的质量管理水平更 上一个台阶。

收稿日期: 2009 － 11 － 23 Machine Building

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