計算機視覺檢測技術及其在機械零件檢測中的應用

1、泰山職業(yè)技術學院2006級畢業(yè)論文目 錄摘要1 1自動檢測的原理和方法21.1檢測和檢驗的不同意義21.2統(tǒng)計質(zhì)量控制基礎32計算機視覺檢測技42.1 AVI技術42.2機械零件的AVI52.3基于CAD的AVI62.4 AVI技術展望7 參考文獻8致謝9泰山職業(yè)技術學院2006級畢業(yè)論文計算機視覺檢測技術及其在機械零件檢測中的應用張文景， 張文淵， 蘇鍵鋒， 許曉鳴摘 要：基于計算機視覺檢測(AVI)技術在檢測系統(tǒng)的智能化、柔性、快速性等方面較接觸式檢測方法具有更大的優(yōu)越性，綜述了其基本原理和分類以及近年來此方面的研究成果.分析了利用AVI技術對機械零件進行檢測的一般方法和系統(tǒng)構成，并探討了

2、基于CAD的AVI的關鍵環(huán)節(jié).最后對AVI技術的發(fā)展趨勢提出了作者的觀點.關鍵詞：計算機視覺；計算機視覺檢測；計算機輔助設計；機械零件中圖分類號：TP 391 文獻標識碼：AAutomated Visual Inspection and Its Application on Inspection of MachinedPartsZHANG Wen-jing,ZHANG Wen-yuan，SU Jian-feng, XU Xiao-mingDept. of Automation, Shanghai Jiaotong Univ., Shanghai 200030, ChinaAbstract： W

3、ith development of computer vision,automated visual inspection (AVI) has more applications in a variety of fields in industry.AVI takes more advantages in intelligence,flexibility and speed of inspection system than contacted inspection.The recent achievemens researched by international scholars in

4、the field of AVI were surveyed.Principle and classification of inspection techniques were introduced.The analysis for general methods and system of AVI of machined parts was presented.Key technology of AVI based on CAD was also discussed.Some opinions aboutdevelopment of AVI were proposed at last.Ke

5、y words： computer vision;automated visual inspection(AVI);computer aided design(CAD);machine parts1泰山職業(yè)技術學院2006級畢業(yè)論文1自動檢測的原理與方法檢測和檢驗是制造過程中最基本的活動之一。通過檢測和檢驗活動提供產(chǎn)品及其制造過程的質(zhì)量信息，按照這些信息對產(chǎn)品的制造過程實施控制進行修正和補償活動，使廢次品與返修品率降到最低程度，保證產(chǎn)品質(zhì)量形成過程的穩(wěn)定性及其產(chǎn)出產(chǎn)品的一致性。 傳統(tǒng)的檢測和檢驗主要依賴人，并主要靠手工方式完成。它既費時又耗資，使生產(chǎn)周期增長，生產(chǎn)成本增加。同時，傳統(tǒng)的檢驗和檢

6、測活動主要是在加工制造過程之后進行，一旦檢出廢次品，其損失已發(fā)生。此外，基于人工檢測的信息，經(jīng)常包含有人的誤差（人差）的影響，按這樣的信息控制制造過程，不僅要在過程后才可實施，而且也會引入人差的誤差。因此，不能依賴這種信息實現(xiàn)實時或在機過程控制。 新的檢測和檢驗常常是以多種先進的傳感技術為基礎的，且易于同計算機系統(tǒng)結合。在合適的軟件支持下，這類自動化檢測或檢驗系統(tǒng)可以自動地完成數(shù)據(jù)采集、處理、特征提取和識別，以及多種分析與計算。1.1. 檢測（Inspection）和檢驗（Testing） 在大多數(shù)情況下，檢測和檢驗有不同的含義。 （檢測是指為了確定產(chǎn)品、零件、組件和部件或原材料是否滿足設計規(guī)

7、定的質(zhì)量標準和技術要求目標值而進行的測試測量等質(zhì)量檢測活動。例如：按設計圖樣規(guī)定的有關標準對機械零件的尺寸、形狀和相互位置精度、表面粗糙度與表面質(zhì)量等指標的目標值滿足狀況進行測量、數(shù)據(jù)處理和評價的相關質(zhì)量檢測活動。 檢測的目標是： 1）實際測定產(chǎn)品（含零、部件）的規(guī)定質(zhì)量特性及其指標的量值。 2）根據(jù)測得值的偏離狀況，判定產(chǎn)品的質(zhì)量水平（等級），確定廢次品。 3）認定測量方法的正確性和對測量活動簡化是否會影響對規(guī)定特征的控制。檢測活動的實踐中，第3）個目標的示例是：認定采用多種過不過量 2泰山職業(yè)技術學院2006級畢業(yè)論文規(guī)控制孔徑、螺紋副加工質(zhì)量是否滿足產(chǎn)品質(zhì)量標準的要求。 對規(guī)定的檢測項目

8、進行實際測量可獲取制造過程各輸入與輸出階段或工序的實測值，并可根據(jù)這些信息時序?qū)崪y值數(shù)列，確定其趨勢與變動狀況，調(diào)整制造過程，使生產(chǎn)能修正偏差，恢復正常的質(zhì)量狀態(tài)。采用簡化測量，如用量規(guī)時，只能確定可否接受，但不能提供調(diào)整所需的信息，故不能實現(xiàn)質(zhì)量控制。簡化測量檢測的目的是節(jié)約測量時間，降低測量費用。檢驗又稱試驗，它是對產(chǎn)品功能和性能進行評定的一種質(zhì)量控制方法。檢驗指的是在實際工作環(huán)境（現(xiàn)場條件）或設計規(guī)定的工作條件下，對產(chǎn)品的功能、性能和壽命進行測定、試驗和評價的質(zhì)量控制活動。通常只有通過檢驗的產(chǎn)品才能上市供應用戶。檢驗分為兩類：一類是破壞性試驗，如高壓破壞試驗；另一類是無損檢測試驗，如高壓

9、容器的無損探傷等。產(chǎn)品的檢驗評價是設計改進或修改、制造過程改善的依據(jù)，特別是要求安全認證的產(chǎn)品，如汽車、摩托車、壓力容器、家電與炊事用具等，必須重視安全檢驗的評價。 上述兩類質(zhì)量控制法，過去多以人為主體來完成，為減少檢測、檢驗的工作量，降低成本，從60年代以來，工業(yè)發(fā)達國家中的企業(yè)多采用質(zhì)量控制法，并配置了多種先進、有效的自動檢測裝置與系統(tǒng)。1.2 統(tǒng)計質(zhì)量控制（SQC）基礎3泰山職業(yè)技術學院2006級畢業(yè)論文任何一個制造工序必然存在偏差，利用足夠精度且可靠的測量器具和正確的測量方法可以發(fā)現(xiàn)任何兩個已加工工件或零件間的差異。根據(jù)誤差理論，這種差異或偏差可分為兩類 隨機偏差：它是由隨機因素引起的

10、不確定性。例如：原材料或毛坯件的加工余量、材料的可加工性、材料的缺陷和硬度的不均勻性等的變化、加工參數(shù)和設備調(diào)整及運行中的變動性、加工過程的變動性（振動、力與熱效應的影響）及參與者的人因（即人的因素）的變化等，就是引起隨機偏差的因素。這類偏差的表現(xiàn)規(guī)律是：單個偏差（又稱誤差）的絕對值及其符號有不確定性和無法預測的特征，而對其樣本總體的統(tǒng)計則服從分布的規(guī)律。最常見和最典型的隨機偏差趨向于服從正態(tài)分布。前蘇聯(lián)國家計量院與其他國家專家學者的研究結論是：大多數(shù)計量器具的測量誤差的分布同正態(tài)分布相差甚遠。甚至有的專家研究后認為：沒有一種實際情況會導致一個真正的正態(tài)分布。鑒于這些研究結果，美國把基于非正態(tài)

11、分布和計算機的新型控制圖技術列為90年代的國家研究的課題。試圖以它代替基于手工的計算，假定服從正態(tài)分布的現(xiàn)行質(zhì)量過程控制圖技術。2計算機視覺檢測技術隨著CIMS的推廣應用，企業(yè)在向柔性化、自動化發(fā)展的進程中，提出了對計算機輔助質(zhì)量(CAQ)系統(tǒng)的需求.目前，計算機輔助檢測計劃(CAIP)系統(tǒng)已成為CAQ系統(tǒng)的重要組成部分，它的核心問題是解決如何檢測零件.在柔性制造中坐標測量機(CMM)是重要的檢測手段，在制造企業(yè)中得到廣泛的應用.隨著柔性制造系統(tǒng)(FMS)的推廣，人們對檢測系統(tǒng)的智能化、柔性、快速性等方面提出了更高的要求，以適應多品種、小批量生產(chǎn)的需要.計算機視覺技術得到不斷發(fā)展，由于計算機視

12、覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，且易于同設計信息及加工控制信息集成，用于工況監(jiān)視、現(xiàn)場監(jiān)控的計算機視覺系統(tǒng)已廣泛地應用在工業(yè)、商業(yè)等領域.計算機視覺作為一種檢測手段已經(jīng)越來越引起人們的重視，逐步形成一種新的檢測技術計算機視覺檢測(Automated Visual Inspection, AVI)技術. 本文綜合了國內(nèi)外在AVI方面的研究成果，總結了利用AVI技術檢測機械零件的一般方法和系統(tǒng)構成，并對視覺系統(tǒng)與CAD系統(tǒng)的集成進行了有益的探討，提出了發(fā)展AVI技術的一些看法.4泰山職業(yè)技術學院2006級畢業(yè)論文2.1 AVI技術AVI是一種以計算機視覺方法為基礎，綜合運用圖像處理、精密測量以及模式識

13、別、人工智能等技術的非接觸檢測方法.其基本原理是對由計算機視覺系統(tǒng)得到的被測目標圖像進行分析，從而得到所需要的測量信息，并根據(jù)已有的先驗知識，判斷被測目標是否符合規(guī)范(即合格或不合格).從80年代開始，AVI系統(tǒng)在美國制造業(yè)中廣泛應用，最為廣泛的是那些重復性檢測相同部件或產(chǎn)品的場合.電子工業(yè)是AVI應用最活躍、最為成功的行業(yè)，其中印刷電路板(PCB)和集成電路芯片的自動檢測已廣泛采用AVI技術，其他工業(yè)如汽車、木材、紡織和包裝等都有各自專用的AVI系統(tǒng).視覺檢測按其所處理的數(shù)據(jù)類型可分為二值圖像、灰度圖像、彩色圖像和深度圖像的視覺檢測.另外，還有X射線檢測、超聲波檢測和紅外線檢測.Mogant

14、i等將PCB視覺檢測算法分為基于參考的檢測方法、非參考型檢測方法和混合檢測方法.雖然這些方法目前主要應用于PCB檢測，但對其他目標的檢測也有借鑒意義.(1)基于參考的視覺檢測.該方法采用點對點(或特征對特征)比較，它利用了檢測目標的完整知識.這類方法主要有：剪影法、模板匹配法、樹法、句法方法和圖匹配方法.(2)非參考型檢測方法.該方法利用的是待檢測目標的一般特性，而不是特定的一個檢測目標的知識.它不需要任何參考模式，如果模式不符合設計的規(guī)則，就認為不合格或有缺陷，因此也稱為設計-規(guī)則驗證方法.該方法依據(jù)工件設計規(guī)則判斷工件是否有缺陷，無須逐點比較待測工件圖像和標準圖像.(3)混合檢測方法.上述

15、兩類方法各有其優(yōu)缺點，混合檢測方法的思想是采兩者之長，避兩者之短.其典型方法有：一般方法、用邊界分析的模式檢測、射線匹配算法、形狀比較法、圓形模式匹配法等.(4)基于CAD的檢測方法.近年來，迅猛發(fā)展的CAD/CAM技術為建立物體的幾何模型提供了幾何描述基礎，產(chǎn)生了三維物體幾何模型，稱為CAD模型.計算機視覺和CAD技術相結合，有著廣闊的發(fā)展前景.22 機械零件的AVI機械零件的自動檢測是制造企業(yè)中CAQ系統(tǒng)的一個重要組成部分，是實現(xiàn)企業(yè)柔性制造自動化的關鍵環(huán)節(jié).研究機械零件視覺檢測首先是把三維物體圖像 5泰山職業(yè)技術學院2006級畢業(yè)論文化，即得到二維的平面圖像，然后再根據(jù)圖像去分析和理解三

16、維空間物體.在大部分機械零件中，直線和圓是構成零件幾何元素的基本要素，系統(tǒng)對于各幾何元素的測量基本上都可歸結到對直線和圓的測量.對于直線與圓(圓弧)的檢測，通常采用測量點序列進行最小二乘法擬合以得到直線或圓參數(shù)的估計值.對于任意的零件幾何元素的檢測，Mundy和Noble等提出了一種有約束的優(yōu)化模型：minf1(x),且滿足h(x)=0.其中：f1(x)為實測數(shù)據(jù)與幾何元素模型的最小二乘擬合誤差總和；h(x)為元素模型之間所應滿足的幾何約束關系.在他們的實體模型中，每一個幾何元素分別采用獨立的參數(shù)表示，這樣，在他們的優(yōu)化模型中，至少含有2n個變量和n個約束方程(n為元素實體個數(shù)).Chen等提

17、出了一種無約束最優(yōu)化模型：minf2(x).由于該模型采用四個具有全局特征的參數(shù)(表示平移、旋轉(zhuǎn)和尺度)來描述數(shù)據(jù)擬合的誤差，大大簡化了數(shù)據(jù)擬合的復雜性.對于最優(yōu)化模型的求解，一些常用的最優(yōu)化方法已經(jīng)得到應用，如最小二乘法和Lagrangian松馳法、梯度下降法、非線性最小二乘法和單純形法等.近年來，遺傳算法由于其全局最優(yōu)的收斂性，已被成功地應用到各種優(yōu)化問題，Chen等將遺傳算法應用于無約束最優(yōu)化模型中的參數(shù)尋優(yōu)，得到了令人滿意的結果.一個完整視覺檢測系統(tǒng)包括：圖像采集、圖像分割、零件識別、模型匹配和9決策判斷.Newman等描述了利用深度圖像進行零件檢測的AVI系統(tǒng)，具有一定的代表性.圖1

18、所示為該系統(tǒng)的處理流程.圖1 一個典型的AVI系統(tǒng)Fig.1 A typical AVI system2.3基于CAD的AVI基于CAD的計算機視覺是Bir Bhanu首次提出的，到目前已成為計算機視覺的研究熱點.基于CAD的AVI的關鍵是視覺系統(tǒng)和CAD數(shù)據(jù)庫的集成，即如何在自動制造環(huán)境下利用已有的CAD模型建立適合于視覺檢測的視覺模型，并把CAD數(shù)據(jù)作為上層知識生成智能檢測規(guī)劃.盡管視覺系統(tǒng)和CAD系統(tǒng)都依賴于物體的幾何模型，但它們在知識表達、數(shù)據(jù)共享等方面仍得不到統(tǒng)一.視覺檢測要求計算機能從CAD系統(tǒng)中獲取零件精確的數(shù)學模型，而這種模型往往要用構成零件幾何元素的解析表達式來表示.當前CA

19、D系統(tǒng)中零件的模型還不能完全以解析形式表示，而只能以幾何元素的特征值(如長度、角度、半徑、位置等)表示.因此，一些學者已開始研究如何從CAD模型提取視覺模型的方法.Chen等利用CAD數(shù)據(jù)提供的邊界特征(包括交點、邊、 6泰山職業(yè)技術學院2006級畢業(yè)論文夾角)建立了一個由直線段和圓弧組成的零件剖面圖的解析表達式，并由些對檢測到的數(shù)據(jù)點進行擬合.同樣，視覺檢測要實現(xiàn)與CIMS的集成，也必須建立智能的視覺檢測規(guī)劃，以便控制機器人對零件進行操作，可稱之為“基于CAD的視覺檢測規(guī)劃生成”.Park和Marefat等在這方面做了一些有益的探討，提出了視覺規(guī)劃的模型.他們用CAD數(shù)據(jù)庫中的邊界特征及其幾

20、何關系建立了一種智能檢測規(guī)劃，為視覺檢測提供了必要的信息.這些信息包括可見特征列表、可能的視角方向和攝像機位置以及在每一個視角和位置上的可見邊.為了在CAD系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)之間進行有效的數(shù)據(jù)傳遞，必須建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式和標準.一種面向CMM的標準規(guī)范目前已經(jīng)形成，即尺寸測量接口規(guī)范(Dimensional Measuring Interface Specification,DMIS).DMIS的目標是作為一套計算機系統(tǒng)和測量設備之間檢測數(shù)據(jù)雙向通信的標準.它提供一套詞匯表將檢測規(guī)程和CAD系統(tǒng)數(shù)據(jù)(尺寸、公差等)提供給檢測設備以及將檢測設備的檢測結果傳遞給接受系統(tǒng).如何建立面向視覺檢測的DMIS

21、已成為發(fā)展基于CAD的計算機視覺檢測技術的一個關鍵環(huán)節(jié).2.4，AVI技術展望AVI技術是一種很有發(fā)展前途的自動檢測技術，可以實現(xiàn)智能化、柔性、快速和低成本的檢測目標，而CIMS的普及與發(fā)展已給基于CAD的AVI技術提供了廣闊的應用前景.作者認為AVI技術今后的發(fā)展應集中在以下幾個方面：隨著計算機視覺技術自身的成熟和發(fā)展，AVI技術必將在現(xiàn)代和未來制造企業(yè)中得到越來越廣泛的應用.7泰山職業(yè)技術學院2006級畢業(yè)論文參考文獻：1 阮秋琦.圖像處理和計算機視覺技術在美國J.北方交通大學學報，1992，16(3)：814.2 Newman T S,Jain A K.A survey of automated visual inspectionJ.Computer Vision and Image Understanding,1995,61(2):231262. 3 祝世平.大型工件特征點空間坐標視覺檢測方法研究D.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，1997.4 Wu Wen-Yen,Wang Mao-Jiun,Lui Chi-Ming.Automated inspection of prin