霍 磊 葛廣乾 趙洪濤

（濮陽市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗測試中心 河南濮陽457000）

鋼卷尺是一種應(yīng)用非常廣泛的長度計量器具，它的準(zhǔn)確性會直接影響測量精度，并且用于貿(mào)易結(jié)算的鋼卷尺屬強(qiáng)制檢定計量器具，因此鋼卷尺在使用期間必須進(jìn)行檢定。目前計量檢定機(jī)構(gòu)大多采用傳統(tǒng)鋼卷尺檢定裝置，依據(jù)JJG4-2015鋼卷尺檢定規(guī)程對鋼卷尺進(jìn)行檢定，鋼卷尺檢定裝置由鋼卷尺檢定臺、讀數(shù)顯微鏡與標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺組成，采用鋼卷尺檢定裝置需手工操作完成對鋼卷尺的檢測，在鋼卷尺檢定臺上用顯微鏡對比被測鋼卷尺和標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺的誤差。在檢定過程中每次都需人眼仔細(xì)瞄準(zhǔn)與估讀，手寫記錄數(shù)據(jù)，工作量較大，人眼容易疲勞及出現(xiàn)計算錯誤。

針對目前傳統(tǒng)鋼卷尺檢定裝置中所存在問題，研制了一套分布式圖像鋼卷尺檢定系統(tǒng)，實現(xiàn)了鋼卷尺整米線紋的同時快速、自動檢定。

1 分布式圖像鋼卷尺檢定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)在傳統(tǒng)鋼卷尺檢定臺上的標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺整米位置加裝5個四維機(jī)械調(diào)整機(jī)構(gòu)（工業(yè)相機(jī)安裝支架），用于安裝工業(yè)相機(jī)，依據(jù)鋼卷尺刻線成像放大要求選擇相應(yīng)光學(xué)鏡頭及工業(yè)相機(jī)，在工業(yè)相機(jī)安裝后分別由調(diào)整機(jī)構(gòu)使鋼卷尺刻線成像清晰。由工業(yè)相機(jī)將采集的標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺和被檢鋼卷尺各整米處的圖像傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由上位機(jī)中的圖像處理軟件對各整米位置圖片進(jìn)行處理，并對相機(jī)采集到的鋼卷尺刻線圖像進(jìn)行實時分析并獲取刻線位置，同時自動計算偏差及輸出數(shù)據(jù)報告，實現(xiàn)了鋼卷尺整米線紋的同步快速自動檢定，檢定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 檢定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 四維機(jī)械調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計

四維機(jī)械調(diào)整機(jī)構(gòu)主要用于安裝工業(yè)相機(jī)，設(shè)計了燕尾槽滑動導(dǎo)軌，實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的前后、左右移動，以保證工業(yè)相機(jī)可以正確對準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺和被檢鋼卷尺的整米位置。采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)實現(xiàn)工業(yè)相機(jī)的升降，進(jìn)而帶動工業(yè)相機(jī)進(jìn)行正確調(diào)焦，保證工業(yè)相機(jī)和鋼卷尺之間的適當(dāng)距離。將工業(yè)相機(jī)鏡頭固定在Φ28 mm孔徑的夾持件內(nèi)，可以實現(xiàn)圖像傳感器的轉(zhuǎn)動，以保證工業(yè)相機(jī)處于獲取標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺和被檢鋼卷尺的各整米處圖像的最佳位置，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 四維機(jī)械調(diào)整升降機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3 鋼卷尺圖像采集部分設(shè)計

根據(jù)實際工作需要和減少測量誤差，考慮測量操作便捷性和系統(tǒng)通用性，進(jìn)行工業(yè)相機(jī)、鏡頭及照明光源的選擇[1]。系統(tǒng)所用的5臺工業(yè)相機(jī)都選用以 CMOS芯片作為圖像傳感器的 MV-UB130M的130萬黑白USB2.0工業(yè)相機(jī)，用于獲取標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺和被檢鋼卷尺的圖像。鏡頭選用焦距為16 mm的 X16-3MP定焦鏡頭，經(jīng)過選擇不同像距，實現(xiàn)線紋成像放大倍數(shù)約0.2倍，則CMOS圖像傳感器上一個象元尺寸代表線紋長度為：

即選用的工業(yè)相機(jī)圖像處理裝置分辨率為 0.026 mm，接近檢定鋼直尺的分辨率，確保系統(tǒng)的準(zhǔn)確度符合鋼卷尺檢定要求。照明光源選用HX7040白光 LED光源，光源類型為環(huán)型光源/圓形光源，發(fā)光區(qū)面積為：

外環(huán)直徑×內(nèi)環(huán)直徑=Φ70 mm×Φ40 mm可以滿足鋼卷尺圖像的采集要求。

4 鋼卷尺圖像處理軟件設(shè)計

該系統(tǒng)圖像處理軟件是由 MATLAB語言進(jìn)行開發(fā)，其主要有功能模塊選擇、手動和自動測量模式選擇、圖像實時顯示、參數(shù)設(shè)置、檢測結(jié)果顯示、數(shù)據(jù)處理及自動存儲數(shù)據(jù)、自動生成Word原始記錄等功能，軟件界面如圖3所示。

圖3 鋼卷尺圖像處理軟件界面

該系統(tǒng)是利用工業(yè)相機(jī)拍攝鋼卷尺整米區(qū)域，將所采集圖像傳輸?shù)接嬎銠C(jī)并進(jìn)行圖像識別和圖像處理的過程，在進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)時，主要考慮以下幾個方面。

4.1 圖像預(yù)處理

由于圖像是由光反射形成的，常出現(xiàn)光源在景物上照射不均勻現(xiàn)象，致使光照強(qiáng)的部分較亮，光照弱的部分較暗，這對后續(xù)邊緣檢測、模式識別等工作造成較大影響[2]。實際檢定鋼卷尺工作中，有些鋼卷尺表面污損，導(dǎo)致圖像成像不清圖像自動識別困難。故軟件設(shè)計需可以目視手動測量和自動測量線紋偏差功能，首先對圖像預(yù)處理圖像預(yù)處理，為了提高檢測精度，盡可能地利用原圖像的信息,這里采用維納濾波，使得原來處于亮度較高部分的刻線更加清晰了。

4.2 圖像二值化處理

采用最優(yōu)閾值變換算法二值化處理，將原始灰度圖轉(zhuǎn)化為黑白二值圖像。閾值變換是圖像處理中非常重要的一種手段,通過選擇一個閾值(0～1)， 能把工業(yè)相機(jī)采集進(jìn)來的灰度圖變成黑白二值圖,方便隨后的圖像處理和識別。 對于閾值的選取經(jīng)多次實驗取值為0.4。具體來說可采用matlab語言：

線紋中心點則為通過灰度極小值獲取后采用附近點最小二乘擬合求取獲得，同時刻度線位置可預(yù)先確定。該部分同時設(shè)置了目視手動屏幕取點功能，對于鋼卷尺磨損或結(jié)構(gòu)設(shè)置使得線紋圖像模糊，難以實現(xiàn)計算機(jī)自動處理的情況可以直接在屏幕上鼠標(biāo)采點確定線紋尺寸偏差位置[3]。

4.3 原始記錄Word文檔輸出設(shè)計

鋼卷尺檢定工作，數(shù)據(jù)量大且需累計計算，故圖像處理軟件中設(shè)計了采集數(shù)據(jù)自動存儲與 Word輸出功能。

5 結(jié)語

基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的分布式鋼卷尺檢定系統(tǒng)使鋼卷尺刻線的瞄準(zhǔn)準(zhǔn)確度由 0.1 mm提升到0.05 mm，實現(xiàn)了鋼卷尺圖像自動讀取和自動處理，很好地解決了目前鋼卷尺檢定中所存在的需人眼仔細(xì)瞄準(zhǔn)與估讀、手寫記錄數(shù)據(jù)和工作量較大等問題，實現(xiàn)了鋼卷尺的快速、自動化檢定，大大提高鋼卷尺的檢定效率。

[1]謝小光,計時鳴,張利,等.數(shù)字識別技術(shù)在鋼卷尺自動檢定系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機(jī)電工程,2008,25(9):62-64.

[2]趙保亞，魏彩喬.基于邊緣檢測的鋼卷尺圖像二值化方法[J].現(xiàn)代制造工程,2012(12):101-104.

[3]魏彩喬,王曉光,康會峰.基于圖像處理的鋼卷尺自動檢定系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2012(6):88-90.