CCD尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)的圖像獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 本文由888王磊888貢獻(xiàn) doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 ·機(jī)械制造與研究· 江潔·CCD 尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)的圖像獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì) CCD 尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)的圖像獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì) 江潔 1， 2 ( 1 浙江工業(yè)大學(xué)， 浙江 杭州 310032; 2 麗水學(xué)院 機(jī)電建工學(xué)院， 浙江 麗水 323000) 摘 要: 零件尺寸精度檢測(cè)技術(shù)手段的創(chuàng)新與提升能是降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵 之一。主要介紹了基于 CCD 的尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)的圖像獲取系統(tǒng)裝置的設(shè)計(jì)， 包括獲取系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)， 圖像系統(tǒng)照明方案的設(shè)計(jì)， 并利

2、用系統(tǒng)軟件對(duì)零件尺寸進(jìn)行檢測(cè)， 同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做 了誤差分析。 關(guān)鍵詞: CCD; 尺寸檢測(cè); 圖像獲取 5276( 2010) 04000703 中圖分類(lèi)號(hào): TH12; TP391 41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: B 文章編號(hào): 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 Construc

3、tion 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

4、 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 計(jì) 出 一 套 圖 像 獲 取 系 統(tǒng) ， 流 程如 圖 1 所 其 示。在圖 1 中， 圖像采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)將 隨著電子技術(shù)、 光學(xué)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展， 基于 固態(tài) C

5、CD 圖像傳感技術(shù)的圖像測(cè)量系統(tǒng)得到 了很快的發(fā)展， 形成了 一種新的測(cè)量技術(shù) 圖像測(cè)量技術(shù)。圖像獲取系統(tǒng)在 整個(gè)圖像處 理系統(tǒng) 中 具 有 重 要 的 作 用。它 負(fù) 責(zé) 將 現(xiàn) 實(shí) 中 的物體圖像通過(guò)輸入設(shè)備采集下來(lái)， 將圖像的 模擬信號(hào)轉(zhuǎn) 換為數(shù)字信號(hào)， 最終輸入計(jì)算機(jī)， 為計(jì)算機(jī)處理程序庫(kù)提 供準(zhǔn)備處理的現(xiàn)場(chǎng)采 集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)， 并在輸出設(shè)備中顯示 出來(lái)。圖 像獲取系統(tǒng)直 接 影 響 采 集 到 的 圖 像 品 質(zhì) 和 后 續(xù) 的圖像處理效果。在此設(shè)計(jì)了一套工件圖 像獲取裝置。 1 圖像獲取系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 在工業(yè)圖像處理應(yīng)用系統(tǒng)的最初始端便是 圖像獲取 系統(tǒng)， 它主要由攝像機(jī)、 圖像采集卡

6、和光源組成。對(duì)圖像 有用信息的獲取是工件尺 寸自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)首要關(guān)鍵問(wèn)題。 由于現(xiàn)場(chǎng)拍攝 所得的工件表面圖像受環(huán)境、 照明以及攝像 機(jī) 本身等因素的影響， 會(huì)使圖像出現(xiàn)降質(zhì)現(xiàn)象。圖 像的噪 聲對(duì)后期識(shí)別中紋理、 形態(tài)、 色度特征的 提取有重大影響， 直接關(guān)系到識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確 度， 因此必須選擇合理的圖像 獲取結(jié)構(gòu)。 在參考國(guó)內(nèi)外關(guān)于零件尺寸在線自動(dòng)檢測(cè) 系 統(tǒng) 和 相 關(guān)的工業(yè)檢測(cè) 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 基 礎(chǔ) 上， 設(shè) Machine Building A utomation，A ug 2010， 4) : 7 9 39( ·7· ·機(jī)械制造與研究· 江潔&#

7、183;CCD 尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)的圖像獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì) 待測(cè)工件圖像采用 CCD 攝像機(jī)獲取， 圖像采集 卡將視頻 模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字圖像井輸入計(jì)算 機(jī)， 以備后續(xù)對(duì)圖像 作進(jìn)一步的處理。伴隨數(shù) 字技術(shù)的發(fā)展， 數(shù)碼攝像機(jī)性能 的提高， 也可以 直接采用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)完成圖像的采集。 圖1 圖像獲取系統(tǒng)流 程圖 根據(jù)設(shè)計(jì)的工件圖像獲取系統(tǒng)流程圖， 設(shè)計(jì) 的工件尺 寸在線檢測(cè)裝置的圖像獲取系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 如圖 2 所示。 工件尺寸檢測(cè)系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)圖 該系統(tǒng)主要由照明裝置、 圖像采集裝置及初 步處理系 圖2 作者簡(jiǎn)介: 江潔( 1981 ) ， 浙江麗水人， 女， 講師， 本科， 主要從機(jī)械設(shè)計(jì)和液壓傳動(dòng)教學(xué)工作

8、。 Machine Building A utomation，A ug 2010， 4) : 7 9 39( ·7· ·機(jī)械制造與研究· 江潔·CCD 尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)的圖像獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì) 統(tǒng)等三個(gè)部分組成。系統(tǒng)硬件由測(cè)量平臺(tái) 6、 CCD 攝像機(jī) 4、 圖像采集卡 5、 計(jì)算機(jī) 7 等組成。平臺(tái)以圖像 傳感器為 測(cè)量探頭， 采用分布式多探頭的布局 與同時(shí)采樣的策略， 主要采用機(jī)械定位系統(tǒng)、 圖像傳感器測(cè)座、 數(shù)字圖像處理 技術(shù)， 對(duì)于不 同的測(cè)量項(xiàng)目， 采用不同的組合方案， 在流水 線 產(chǎn)品變化時(shí)， 只要按新的工件測(cè)量要求， 重新布 局標(biāo)定 后

9、即可工作。測(cè)量平臺(tái)上表面放置待檢 測(cè)工件， 光源采用 白色 LED 環(huán)形冷光源。 圖像采集系統(tǒng)是由 CCD 攝像機(jī)和圖像采集 卡組成。 CCD 的工作原理是通過(guò)光學(xué)成像系 統(tǒng)將景物圖像成在 CCD 的像敏面上， 像敏面 將照在每個(gè)像敏單元上的圖像 照度信號(hào)通過(guò) 光電效應(yīng)， 將物體的反射光線按亮度強(qiáng)弱轉(zhuǎn) 變 成相應(yīng)數(shù)目的載流子， 在某一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)， CCD 器件 在轉(zhuǎn)移脈沖的作用下將門(mén)極上收集 到的電子量轉(zhuǎn)移到 CCD 的移位寄存器中， 在 圖像采集卡作中， 通過(guò)放大電路 對(duì)信號(hào)進(jìn)行放 大， 再經(jīng)過(guò) A /D 轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)的一系列 有 目的性的處理轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)保 存到計(jì) 算機(jī)或

10、者其他處理器進(jìn)行圖像或圖形的 處理， 從而獲取相 關(guān)的信息和數(shù)據(jù)。圖 3 是基 于 CCD 與鏡頭的視覺(jué)系統(tǒng)成 像原理圖。CCD 與圖像采集卡工作流程如圖 4 所示。 存， 也可以是計(jì)算機(jī)內(nèi)存。 系統(tǒng)的工作原理 如 下: 由 照 明 系 統(tǒng) 的 LED 光 源 發(fā) 出 的光均勻地照射到檢測(cè)平臺(tái)上面的 工件上， 透射光經(jīng)過(guò)光 學(xué)成像系統(tǒng)將工件圖像 成像在 CCD 攝像機(jī)上。CCD 將接 受到的光信 息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)， 并通過(guò)視頻線輸入計(jì)算機(jī)內(nèi) 的圖像采集卡中， 圖像采集卡對(duì) CCD 攝像機(jī)傳 送來(lái)的視 頻信號(hào)進(jìn)行放大、 濾波、 采樣、 量化、 編碼等處理， 得到數(shù)字 圖像信號(hào)， 并將其寫(xiě)入 計(jì)算機(jī)

11、內(nèi)存中， 然后進(jìn)行產(chǎn)品評(píng)價(jià) 圖3 CCD 與鏡頭的視覺(jué)系統(tǒng)成像 原理圖 圖4 CCD 與圖像采集卡工 作流程 對(duì)于圖像采集卡， 視頻圖像信號(hào)經(jīng)多路切換 A /D 變換器， 將數(shù)字化的圖像數(shù) 器、 解碼 器、 據(jù)送到數(shù)據(jù)緩沖器， 經(jīng)裁剪、 比例壓縮及數(shù)據(jù) 格式轉(zhuǎn)換后， 由內(nèi)部控制圖形覆 蓋與數(shù)據(jù)傳 輸， 數(shù)據(jù)傳輸目標(biāo)位置由軟件確定， 可以是顯 ·機(jī)械制造與研究· 江潔·CCD 尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)的圖像獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)的預(yù)處理， 完成尺寸測(cè)量所需的邊沿特征 量的提取， 處理、 評(píng)價(jià)、 數(shù)據(jù)庫(kù)管理?？蓪?duì)標(biāo) 準(zhǔn)工件和被測(cè)工件逐一 進(jìn)行測(cè)量， 保存測(cè)量結(jié) 果。最后輸出被測(cè)工

12、件相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn) 件的尺寸偏 差。 2 2 1 照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 檢測(cè)光源 定性差以及雜光過(guò)大等 不利影響?？紤]到使用 壽命、 成本價(jià)格等其他因素， 設(shè)計(jì) 的尺寸檢測(cè) 系統(tǒng)選用白色環(huán)狀 LED 光源作為照明光源。 2 2 照明方式 光源可分為自然光源和人造光源兩類(lèi)。自 然光源使 用不方便且其發(fā)光特性不容易控制， 一般不適合用作圖像 采集系統(tǒng)的照明光源。在 工業(yè)檢測(cè)應(yīng)用中， 常常使用人造 光源。人造光 源有許多種， 諸如鹵素?zé)簟?熒光燈、 日光燈、 LED 照明光源、 激光、 高頻熒光燈等。各種光源 特性如表 1 所示， 選用時(shí)一般根據(jù)環(huán)境狀況來(lái)定。 表1 燈類(lèi) 光色 各類(lèi)光源的比較 壽命 /h 特點(diǎn)

13、 鹵素?zé)?白色、 偏黃 便宜 熒光燈 000 LED 光源 紅黃綠白藍(lán) 體， 形狀多 電致發(fā)光管 000 5 000 7 000 發(fā)熱多， 較 6 000 7 白色、 偏綠 便宜 6 000 10 000 發(fā)熱少， 固 由發(fā)光頻率定 5 000 7 發(fā)熱小， 較便宜 LED 是現(xiàn)今在工業(yè)檢測(cè)中比較常用的發(fā)光 光源。由 于它具有體積小、 重量輕、 光源單色 性好、 發(fā)光亮度高、 度便于集中調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)， 亮 目前正廣泛應(yīng)用于數(shù)字儀表顯示 和 CCD 應(yīng)用 技術(shù)中。LED 作為半導(dǎo)體光源， 它光譜分布 與半導(dǎo)體光電接收器光譜響應(yīng)相匹配， 這既能 節(jié)省能量， 又能減少多余能量而造成的熱穩(wěn) ·

14、8 · 目前， 常用的光源照射方式有背光照、 前光 照、 同軸光 照 3 種方式， 如圖 5 所示。其中， 背 光照是指光源放在物體 的后面， 被測(cè)物體放在 光源和攝像機(jī)之間， 它的優(yōu)點(diǎn)是能夠 產(chǎn)生比較 清晰、 明確的邊緣， 能獲得高對(duì)比度的圖像， 見(jiàn) 圖 5( a) 。前光照指的是從攝像機(jī)的角度看光源放 在物體前 面， 光源和攝像機(jī)位于被測(cè)物體的同 側(cè)面， 光源產(chǎn)生具有一 定方向性的光線從物體 正面的某一角度對(duì)物體進(jìn)行照射， 能夠產(chǎn)生必 要的陰影， 并且很容易實(shí)現(xiàn)， 但是也可能產(chǎn)生一 些不必要的陰影， 并且對(duì)物體的照明可能不均 勻， 但這種方式便于安裝， 見(jiàn)圖 5( b) ; 同軸

15、光 法是指將 燈源置于被測(cè)物與攝像機(jī)之間， 這種 類(lèi)型的光源對(duì)檢測(cè)高 反射的物體有幫助， 高密 度的 LED 陣列發(fā)射出高強(qiáng)度均 勻光， 該光源 具有非常均勻的光分布， 適合于工件表面劃 痕 的檢測(cè)， 見(jiàn)圖 5( c) 。 檢測(cè)系統(tǒng)在生產(chǎn)實(shí)際中要對(duì)多個(gè)種類(lèi)多種 系列零件 的各種尺寸與形狀精度進(jìn)行檢測(cè)， 考 慮到圖像處理中要求 背景灰度值高且均勻， 物 體目標(biāo)邊緣灰度值低， 反差較大， 易于提取物 體邊緣等因素， 擬采用圖 5( a) 與圖 5( c) 組合 的方式， 在測(cè)量平臺(tái)下面設(shè)置下光源， 上光源與 CCD 同軸 安裝， 這種方式能適應(yīng)各種類(lèi)型單向 器的尺寸與表面劃痕 http: ZZHD

16、 chinajournal net cn E-mail: ZZHD chainajournal net cn機(jī)械制造與自動(dòng)化 ·機(jī)械制造與研究· 江潔·CCD 尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)的圖像獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì) 測(cè)量領(lǐng)域。其測(cè)量原理是通過(guò)對(duì)被測(cè)物體圖像邊緣的處 理和計(jì)算從而獲得物體的幾何參數(shù)， 實(shí)現(xiàn)對(duì) 物體的 精確 測(cè)量。 圖5 照明方式 圖6 獲取的工件局部圖像 的檢測(cè)， 可以使工件圖像目標(biāo)邊緣特征得到增強(qiáng)， 在后續(xù) 圖像處理中可以比較容易地將目標(biāo)特征進(jìn)行提取并識(shí)別 出來(lái)。 照明光源采用白色環(huán) 通過(guò)圖 2 設(shè)計(jì)的圖像獲取系統(tǒng)， 形 LED 光源， 將工件移動(dòng)到圖像的視場(chǎng)中， 通

17、過(guò)采樣命令 將圖像與工作臺(tái)坐標(biāo)值讀入計(jì)算機(jī)， 再由圖像采集系統(tǒng)將 工件的局部放大圖形采樣后讀入圖像處理計(jì)算機(jī)， 得到的 圖像如圖 6 所示， CCD 所采集的圖像， 經(jīng) 灰度不均勻、 物 體邊緣模糊， 很難直接達(dá)到測(cè)試的要求， 經(jīng)過(guò)灰度過(guò)濾處 理、 二值化處理等必要的數(shù)字圖像處理后， 得到理想的二 值圖像如圖 7 所示， 邊界清晰， 灰度分明。 圖7 工件二值圖形 3 測(cè)量數(shù)據(jù)及誤差分析 圖像測(cè)量技術(shù)就是將數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用到精密 表2 本臺(tái)檢測(cè)系統(tǒng)主要用于檢測(cè)軸類(lèi)零件的幾何尺寸， 完 成軸段的直徑、 高度、 倒角寬、 倒角高的測(cè)量， 并可進(jìn)行測(cè) 量數(shù)據(jù)的處理、 報(bào)表打印、 自動(dòng)對(duì)焦等功能。

18、通過(guò)計(jì)算機(jī) 可監(jiān)控測(cè)量全過(guò)程， 實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、 存儲(chǔ)及結(jié) 果處理等。以階梯軸為例， 測(cè)量數(shù)據(jù)如表 2 所示。 階梯軸關(guān)鍵尺寸影像測(cè)量檢測(cè)結(jié)果 各段軸徑 測(cè)量參數(shù) 人工測(cè)量值 圖像測(cè)量值 絕對(duì)誤差 相對(duì)誤差 軸徑 d1 14 98 mm 15 001 mm 0 021 0 140% 軸徑 d2 29 95 mm 29 973 mm 0 023 0 077% 軸徑 d3 39 97 mm 40 001 mm 0 031 0 078% 軸徑 d4 31 92 mm 31 947 mm 0 027 0 085% 軸徑 d5 22 97 mm 22 948 mm 0 022 0 096% 軸徑 d6 15 96 mm 15 938 mm 0 02