謝天賜　朱強　胡楊琪　王正一　李凌霄

摘? 要：本文提出了一種基于線結(jié)構(gòu)光的磁石質(zhì)量新型檢測方案。這是一種主動光學(xué)監(jiān)控方法，具有非接觸、高精度的優(yōu)點。檢測系統(tǒng)主要利用磁石表面曲率固定來判定不良品，首先進行相機標定，然后通過CCD相機采集磁石表面激光條紋，利用最小二乘法擬合激光條紋函數(shù)。用MATLAB求出條紋函數(shù)的曲率和平均曲率，然后根據(jù)曲率判斷不良品，最后通過分離裝備分離出不良品。

關(guān)鍵詞：線結(jié)構(gòu)光;相機標定;最小二乘法;曲率

引言

磁石在工業(yè)中是一個重要的原料，隨著我國制造業(yè)的快速發(fā)展，磁石廣泛應(yīng)用于工業(yè)和商業(yè)上，其中包括醫(yī)藥、制造業(yè)到重工業(yè)。然而，在磁石的生產(chǎn)過程中磁石表面的完整性檢測是一個重要部分，在傳統(tǒng)的磁石測量方法中大多數(shù)都為接觸式測量，其中三坐標測量儀是接觸式測量中技術(shù)最成熟和應(yīng)用最廣泛的工具。由于三坐標測量儀測量時必須與被測物體接觸，有可能會對磁石表面造成一定的損傷。針對傳統(tǒng)測量的弊端，本文提出一種基于線結(jié)構(gòu)光的磁石質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。

1測量基本原理

在由激光源和相機組成的結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)中，通過激光源對被測物體表面掃描，再由CCD相機同步采集經(jīng)過物體表面激光條紋圖像，通過對采集的條紋圖像的擬合函數(shù)曲率判定產(chǎn)品是否合格，再根據(jù)系統(tǒng)標定中得到的相位和三維坐標的關(guān)系獲得磁石的坐標，最后通過分離設(shè)備分離出不良品。

1.1線結(jié)構(gòu)光測量的基本原理

在本文中線結(jié)構(gòu)光測量的基本原理如下圖1.1.1所示，通過線結(jié)構(gòu)光對磁石表面進行掃描，CCD相機對圖像進行采集。首先需要把線結(jié)構(gòu)光源位置和CCD相機位置相對固定好，然后進行CCD相機標定，通過線結(jié)構(gòu)光對流水線上的磁石進行實時掃描，CCD相機采集磁石表面的激光條紋圖像，利用MATLAB對采集到的圖像進行灰度處理，圖像增強。最后獲得激光條紋的曲率變化，由于正常表面的曲率是固定的，磁石當(dāng)磁石表面有損壞時，照射在磁石表面的結(jié)構(gòu)光條紋的曲率和平均曲率就會發(fā)生變化，當(dāng)磁石表面損壞越大曲率偏離范圍越大，本文根據(jù)磁石表面曲率變化來判斷磁石是否合格，從而達到利用線結(jié)構(gòu)光對流水線上磁石質(zhì)量實時監(jiān)控的目的。

1.2相機標定

1.2.1 CCD相機標定

在相機標定過程中需要了解四個坐標系的轉(zhuǎn)化，如圖1.2.1所示，世界坐標系是在真實空間中建立的坐標系，世界坐標系經(jīng)過剛體變換轉(zhuǎn)化為以關(guān)心為參考點的相機坐標系，相機坐標系利用三角相似的原理轉(zhuǎn)化為成像圖面的圖像坐標系，最后圖像坐標系根據(jù)原點，單位的換算變?yōu)橛脩舻南袼刈鴺讼怠?/p>

1.2.2張正友平面模板算法

相機標定算法的好壞影響到磁石的位置坐標，如果相機標定不準確就會導(dǎo)致磁石的位置坐標產(chǎn)生誤差，使得磁石監(jiān)控系統(tǒng)的準確率降低，所以要選擇一個精度高的相機標定算法。張正友算法和DLT算法相比，由于DLT算法相對簡單，沒有考慮鏡頭成像過程中的畸變，導(dǎo)致標定精度低。同時張正友標定法比Tsai算法簡單，成本低。綜上所述，張正友標定算法具有實現(xiàn)容易，成本低，精度高的優(yōu)點，所以本文相機標定采用的是張正友平面模板算法。

本文中對相機標定采用的軟件為MATLAB，如圖1.2.1為采用張友正標定法標定相機的誤差分析，平均誤差為0.5。同時得到CCD相機的內(nèi)、外參數(shù)，以及畸變參數(shù)。由于每個鏡頭的畸變程度各不相同，通過相機標定可以校正這種鏡頭畸變矯正畸變，生成矯正后的圖像。通過相機標定能夠提高像素坐標對應(yīng)世界坐標的準確性，使得分離設(shè)備在分離不良品時能夠更精確的分離坐標。

2線結(jié)構(gòu)光曲率提取

本文中線結(jié)構(gòu)光的提取是結(jié)構(gòu)光測量的關(guān)鍵一步，直接影響到最終監(jiān)控結(jié)果的準確性。首先，CCD相機對流水線上的磁石進行實時采集，CCD相機將采集到的照片上傳到PC端，PC端利用MATLAB對圖像進行灰度二值化處理和圖像分割，利用最小二乘法將圖像分割得到的線結(jié)構(gòu)光圖形擬合成一個函數(shù)方程，最后利于MATLAB提取出線結(jié)構(gòu)光的曲率和平均曲率。

2.1圖像灰度二值化處理

在工業(yè)應(yīng)用中需要對流水線上采集的圖像進行實時分析判斷，并且需要對不合格的產(chǎn)品進行分揀，所以需要更高的處理速率和系統(tǒng)低延時。如圖2.1.1所示，對CCD采集到的照片進行灰度二值化處理和圖像分割，不僅能到達減少數(shù)據(jù)量和程序運算量的結(jié)果，到達監(jiān)控系統(tǒng)低延時的作用，同時還能凸顯出目標輪廓為下面的擬合函數(shù)做基礎(chǔ)。

2.2亞像素邊緣檢測

本文采用亞像素邊緣檢測方法，此種方法先經(jīng)過傳統(tǒng)模板算子確定邊緣的大致位置，然后用曲線擬合方法求出邊緣的精確位置，經(jīng)過粗、精兩次定位，在不犧牲速度的情況下，就可獲得亞像素級的定位精度。

圖像邊緣檢測大幅度地減少了數(shù)據(jù)量，并且剔除了可以認為不相關(guān)的信息，保留了圖像重要的結(jié)構(gòu)屬性。在本文中通過圖像邊緣檢測能夠精確的測量和定位，意味著磁石能夠被定位和測量，包括磁石的像素坐標和邊緣輪廓，從磁石像素的邊緣輪廓坐標分割圖像來減少圖像處理時的信息冗余量，進一步提高磁石檢測的速率。

2.3最小二乘法擬合激光條紋

最小二乘法是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)。它通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。利用最小二乘法可以簡便地求得未知的數(shù)據(jù)，并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小。最小二乘法還可用于曲線擬合，其他一些優(yōu)化問題也可通過最小化能量或最大化熵用最小二乘法來表達。在針對只有一些已測數(shù)據(jù)而不太清楚最小乘二擬合函數(shù)時，采取先打印出已知數(shù)據(jù)的散點圖，然后觀察散點圖大概分布趨向，再確定擬合函數(shù)，也可以確定多個，最后比較殘差選擇最優(yōu)最小乘二擬合函數(shù)，本文研究中通過建立坐標系獲得激光條紋的位置坐標，然后通過最小二乘法擬合出激光條紋的函數(shù)方程，用MATLAB計算出擬合函數(shù)的曲率和平均曲率。

3結(jié)論

由于傳統(tǒng)的接觸式測量會對磁石的表面造成損壞，本文提出了一種基于線結(jié)構(gòu)光的磁石質(zhì)量的新型檢測方案。檢測系統(tǒng)主要利用合格磁石表面曲率固定不變來判定磁石質(zhì)量是否合格，根據(jù)像素坐標和世界坐標的對應(yīng)關(guān)系，來確定磁石的位置坐標，當(dāng)判斷出不良品時，分離設(shè)備根據(jù)相應(yīng)的延時分離出不良品。

采用本文提出的新型檢測方案，對磁石測量過程中到達了零損壞的結(jié)果，這點是傳統(tǒng)的接觸式測量所無法實現(xiàn)的。同時，在實驗中線結(jié)構(gòu)光的檢測準確率到達99.9%，符合工業(yè)生產(chǎn)的需求。但是，在算法分析上可以做進一步優(yōu)化，提高算法效率，到達在一秒內(nèi)可以處理更多幀的圖像，提高工業(yè)檢測的效率。

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