在汽車(chē)零配件組裝生產(chǎn)線(xiàn)上，視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)是不可或缺的重要組成部分。自動(dòng)化裝配線(xiàn)具有批量生產(chǎn)，各道工序之間依賴(lài)性強(qiáng)，精度、穩(wěn)定性要求高的特點(diǎn)。因此，生產(chǎn)環(huán)境、被測(cè)對(duì)象的特征、可以預(yù)計(jì)及不可預(yù)計(jì)的偶然因素在很大程度上影響了視覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，需要仔細(xì)分析和檢驗(yàn)測(cè)量算法的合理性和精確性。
在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，一方面生產(chǎn)部門(mén)會(huì)提出標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品允許的誤差范圍，另一方面視覺(jué)系統(tǒng)有自身可以達(dá)到的精度水平。只有當(dāng)視覺(jué)系統(tǒng)所能達(dá)到的精度水平高于標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的精度要求時(shí)，視覺(jué)檢測(cè)才是有效的。本文將以彈簧組件的尺寸檢測(cè)為例，研究分析視覺(jué)檢測(cè)中的精度問(wèn)題，并提出相應(yīng)的解決方案。背景
1 系統(tǒng)描述
視覺(jué)系統(tǒng)用于檢測(cè)彈簧組件的組裝質(zhì)量。整個(gè)檢測(cè)過(guò)程使用雙攝像鏡頭，成90°夾角設(shè)置于兩側(cè)。當(dāng)彈簧組件運(yùn)動(dòng)到鏡頭前，鏡頭從兩個(gè)方向同時(shí)采集圖像，經(jīng)專(zhuān)用視覺(jué)軟件計(jì)算得出測(cè)量數(shù)據(jù)，在LCD顯示屏上顯示產(chǎn)品質(zhì)量狀況為OK或NG，并給出各個(gè)參數(shù)的測(cè)量值。如果質(zhì)量為OK, 繼續(xù)執(zhí)行之后的工序；如果為NG，工作站將報(bào)警并暫停工作等待處理。
2 系統(tǒng)功能
視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)各產(chǎn)品類(lèi)型的主輔兩種彈簧組件的加工尺寸和組裝質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。主要指標(biāo)包括：彈簧的外徑、活塞的外徑以及同心度的測(cè)量。嚴(yán)格將各個(gè)指標(biāo)控制在質(zhì)量要求的誤差范圍內(nèi)，最后綜合評(píng)定產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，以達(dá)到質(zhì)量控制的功能。 視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1搭建視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)通常包括以下步驟
● 搭建光學(xué)系統(tǒng)，獲取質(zhì)量良好的圖像。圖像要能夠突出被測(cè)對(duì)象的特征，方便對(duì)象提取，這是決定系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的先決條件。
● 圖像預(yù)處理。過(guò)濾圖像噪聲，通過(guò)二值化、邊緣銳化等圖像處理算法提取對(duì)象特征。
● 位置調(diào)整和定標(biāo)。定位感興區(qū)域并進(jìn)行像素單位到毫米單位的轉(zhuǎn)換。
● 檢測(cè)算法設(shè)計(jì)。針對(duì)具體應(yīng)用設(shè)計(jì)外觀尺寸測(cè)量、字符讀取、二維碼讀取等檢測(cè)算法，對(duì)特殊應(yīng)用場(chǎng)合編程設(shè)計(jì)軟件擴(kuò)展模塊。
● 系統(tǒng)測(cè)試。對(duì)于大批量檢測(cè)任務(wù)，需要對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度進(jìn)行試生產(chǎn)測(cè)試。分析誤判、漏判等異常狀況，改進(jìn)前述步驟，統(tǒng)計(jì)視覺(jué)檢測(cè) 的成功率，直至滿(mǎn)足生產(chǎn)要求為止
2 光源、鏡頭選取及成像效果
由于被測(cè)量是彈簧組件的外觀尺寸，所以采用LED背光源可以有效地突出被測(cè)物體的邊緣。另外，考慮到鏡頭、物體和光源組成的光學(xué)系統(tǒng)的安裝位置受機(jī)器上的預(yù)留空間限制，因此采用12mm焦距的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。被測(cè)物體最大長(zhǎng)度在100mm左右，即要求取景視野要大于100mm，物距大致在200mm附近。調(diào)小光圈，抑制金屬表面的反光，微調(diào)鏡頭、物體和光源的相對(duì)距離，可以得到物體邊緣清晰的圖像。
3 圖像預(yù)處理
對(duì)于外觀尺寸檢測(cè)，邊緣的清晰程度直接影響檢測(cè)的精度。為此該系統(tǒng)中采用3×3的邊緣銳化模板處理原始圖像。
4 位置調(diào)整和定標(biāo)
由于每件產(chǎn)品出現(xiàn)在鏡頭前的位置會(huì)有微小變化，經(jīng)鏡頭放大后被測(cè)物可能偏出預(yù)設(shè)的ROI，所以需要相應(yīng)調(diào)整ROI的位置。首先在圖像中找到特征明顯且穩(wěn)定的一部分，如彈簧中部的3個(gè)螺紋，然后根據(jù)該部分的位置調(diào)整其他ROI的位置。圖1顯示了調(diào)整后的效果。 
圖1 （a） 選取用于定位的模板 （b） 偏移的測(cè)量區(qū)域 （c） 經(jīng)過(guò)位置調(diào)整后的測(cè)量區(qū)域 定標(biāo)實(shí)現(xiàn)了像素單位到毫米單位的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換系數(shù)由公式1計(jì)算得出。
 (1)
在此，實(shí)際長(zhǎng)度為活塞的外徑，加工精度精確到0.1mm，而像素長(zhǎng)度從預(yù)測(cè)量結(jié)果中讀出，精確到0.01個(gè)像素，即所謂的子像素級(jí)。
5 測(cè)量方法
在外觀尺寸測(cè)量中，所用視覺(jué)檢測(cè)軟件提供了Gauging函數(shù)庫(kù)，并且采用子像素測(cè)量技術(shù)，軟件測(cè)量精度可達(dá)到0.01個(gè)像素，足以滿(mǎn)足產(chǎn)品最高0.1mm級(jí)的精度要求。在彈簧組件檢測(cè)中，各被測(cè)物的測(cè)量目的有所區(qū)別，精度要求也就不同。另外，活塞為規(guī)則的圓柱體，而彈簧為不規(guī)則的螺旋體。綜合考慮以上因素，測(cè)量工具需要依據(jù)對(duì)象特征擇優(yōu)選取。
● 活塞外徑檢測(cè)
通過(guò)檢測(cè)灰度跳變可以很容易地檢測(cè)到活塞的邊緣，并以?xún)蓷l直線(xiàn)間的最小距離作為活塞的外徑。
● 彈簧外徑檢測(cè)
由于彈簧的輪廓為鋸齒形，所以先檢測(cè)鋸齒尖端輪廓，然后將三段邊緣擬合為一條直線(xiàn)，從而可以如同活塞外徑一樣以?xún)蓷l直線(xiàn)間的最短距離作為彈簧的外徑。圖2說(shuō)明了這個(gè)過(guò)程。 
圖2 （a） 彈簧輪廓 （b） 擬合彈簧輪廓得到的直線(xiàn) （c） 將彈簧和活塞外邊緣作為測(cè)量對(duì)象 （d） 彈簧和活塞外徑的測(cè)量結(jié)果
● 同心度檢測(cè)方法
同心度定義為兩圓圓心的接近程度，一般以?xún)蓤A心之間的距離作為量度。然而，在該系統(tǒng)中需要從側(cè)面觀察，并檢測(cè)活塞和彈簧的同心度。在此提出了兩種解決方案。
方案一 ：間距測(cè)量法。計(jì)算彈簧邊緣與活塞邊緣的兩側(cè)間隙，如該空隙寬度在規(guī)定的公差范圍內(nèi)，即認(rèn)為活塞和彈簧的同心度合格。
方案二 ：中心線(xiàn)測(cè)量法。嘗試尋找彈簧和活塞的中心線(xiàn)，并計(jì)算兩條中心線(xiàn)的夾角，如該夾角在規(guī)定的公差范圍內(nèi)，即認(rèn)為活塞和彈簧的同心度合格。
① 間距測(cè)量法
沿用測(cè)量活塞和彈簧外徑的邊緣檢測(cè)算法，可以方便的計(jì)算出彈簧邊緣與活塞邊緣的間隙寬度。由于采用成90°的雙攝像鏡頭，故進(jìn)一步推算得出兩圓心間的距離。在此假定彈簧的傾斜程度很小，可以認(rèn)為彈簧頂面和活塞頂面平行，彈簧和活塞的位置如圖3。推算圓心間距的公式2如下： 
圖3 同心度測(cè)量的幾何模型
 (2)
為說(shuō)明測(cè)量的精度，簡(jiǎn)單采集10個(gè)樣本圖像，得到表1中列出的樣本數(shù)據(jù)。
② 中心線(xiàn)測(cè)量法
首先選取彈簧鋸齒形輪廓上的尖端作為特征點(diǎn)（見(jiàn)圖4），由此計(jì)算出有限個(gè)中點(diǎn)。然后采用最小二乘法擬合這些中點(diǎn)，得出彈簧中心線(xiàn)。另外，由于活塞外壁有很高的加工精度，所以可以只取兩個(gè)中點(diǎn)連接成活塞的中心線(xiàn)，再計(jì)算出兩條擬合直線(xiàn)（見(jiàn)圖5）的夾角。這里采用與方案一中相同的樣本圖像，并在表2中給出相應(yīng)的θ值。
 圖4 提取彈簧和活塞邊緣上的特征點(diǎn)
 圖5 MATLAB仿真的彈簧和活塞中心線(xiàn)的擬合效果
比較兩種方案，我們可以看出：
● 在測(cè)量精度方面，間距測(cè)量法更適用于彈簧輕微傾斜的情況。如果彈簧傾斜角很大，就不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為彈簧上表面在做水平的平移，彈簧上表面和活塞上表面將不再是同一個(gè)平面，必然導(dǎo)致誤差急劇增大。此時(shí)一種替代的方法將得到應(yīng)用，即不再計(jì)算d的準(zhǔn)確值，而是簡(jiǎn)單地考慮a1、a2、b1、b2是否大于一個(gè)公差下限，用以判斷產(chǎn)品是否合格。相比之下，中心線(xiàn)測(cè)量法適合于彈簧任何情況的傾斜，并能給出精確的傾斜角θ。
● 在編程方面，間距測(cè)量法更容易實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榉桨敢恢挥玫搅艘恍┮曈X(jué)檢測(cè)軟件中都包含的基本圖像處理算法，無(wú)須對(duì)編寫(xiě)擴(kuò)展模塊，縮短了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)間。而且方案一運(yùn)算簡(jiǎn)單，程序運(yùn)行時(shí)間短，可有效提高生產(chǎn)效率。對(duì)于中心線(xiàn)測(cè)量法，一般的視覺(jué)檢測(cè)軟件的數(shù)值運(yùn)算功能較弱，往往需要另行開(kāi)發(fā)軟件擴(kuò)展模塊，這無(wú)疑增加了編程難度。如果是對(duì)于工序耗時(shí)要求低，測(cè)量精度要求高的情況，中心線(xiàn)測(cè)量法更具優(yōu)勢(shì)。
● 共同的問(wèn)題。兩種方案都只利用了對(duì)象邊緣的局部信息，而沒(méi)有考慮對(duì)象的整體特征。利用全局特征計(jì)算對(duì)象主軸的圖像處理算法還有很多，比如利用K-L展開(kāi)的特征向量擬合，這也正是最小二乘法擬合的不同之處。不過(guò)特征向量擬合的復(fù)雜度更高。 | 
