几何特征信息定位算法的研究及在齿轮测量中的应用

摘要

随着目前智能技术和计算机技术的不断提高，机器视觉技术也越来越受到广泛的应用。机器视觉可以实现质量检测、文字识别、定位等功能。齿轮作为一种重要的传动零件，对它的精度要求非常高，而利用机器视觉和图像处理可以实现对齿轮参数的测量，并达到一定的测量精度。 本文着重研究了齿轮测量视觉定位的关键技术，应用图像采集卡实现对图像的采集，并对获取的齿轮源图像进行滤波去噪、阈值分割、区域形状表示与描述等处理，将各种算法应用到所开发出的图像处理软件中，可以方便的对齿轮源图像进行各种图像处理。根据所开发的几何特征算法实现物体的边缘检测，通过动态测量定位增加检测范围，并利用PCB板中的圆形环进行算法验证。最后实现齿轮一系列参数的测量，还实现了对齿轮进行自动化测量的系统。本文的研究内容主要有： （1）分析齿轮在工业生产中的重要性和齿轮国内外的测量技术现状，根据实际条件的限制、系统要求和选型规则完成了对本齿轮测量体系中的工业相机、镜头、光源种类和照明方式的选择，并对相机进行标定，完成系统软件的总体设计规划。 （2）分析研究了针对齿轮图像的各种图像处理技术，依次采用滤波算法、阈值分割、边缘检测、形状描述等，对不同的齿轮图像采用不同的处理方法，对这些处理算法进行实验对比并选取处理效果最佳的算法，最终选用中值滤波、高斯滤波结合的滤波算法和最大熵的分割算法作为齿轮的预处理算法，为了进一步摒弃图像中的噪声，基于区域特征进行了筛选，并设计了图像处理的软件。 （3）对齿轮的齿顶圆和齿根圆的精确定位，传统的霍夫变换不能达到所要求的精度。实现了基于物体边缘垂直特征的边缘检测，获得一系列边缘数据点并采用改进的随机抽样一致算法进行边缘拟合，同时为了增大边缘的检测范围，采用模板匹配进行初定位，以此实现动态测量。利用PCB板上的圆形区域进行算法验证，实验表明该检测算法能很好的测量出物体边缘。 （4）实现齿轮一系列参数的测量，其中齿顶圆和齿根圆测量采用上述方法。通过获得的齿数图像，对连通域计数来计量齿数。其他基础参数利用一系列相关公式来获得。其次还获得了齿轮的齿距偏差、齿廓偏差和公法线变动误差。随后采用不同的齿轮对该算法进行实验验证，从获取的实验数据中看出，该算法能很好的实现参数的测量，并且误差在一定的范围内。 （5）为了更方便的实现对齿轮的采集、相机的标定、齿轮参数的测量，开发出一套齿轮测量的实验测量软件。

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摘 要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 齿轮测量技术研究现状

1.2.2 机器视觉技术研究现状

1.2.3 机器视觉在齿轮测量中的应用现状

1.3 本文研究的主要内容和章节安排

2 齿轮视觉系统设计及硬件选型

2.1 机器视觉系统概念及组成

2.2 齿轮视觉系统硬件选型

2.2.1 工业相机选择

2.2.2 光源的选择

2.2.3 镜头的选择

2.3 相机标定

2.3.1 几种坐标系的关系

2.3.2 相机畸变

2.4 齿轮测量系统软件设计

2.4.1 软件开发工具介绍

2.4.2 软件系统总体设计

2.5 本章小结

3 齿轮图像预处理算法

3.1 图像滤波去噪

3.1.1 均值滤波去噪

3.1.2 高斯滤波去噪

3.1.3 中值滤波去噪

3.1.4 双边滤波去噪

3.1.5 形态学滤波

3.2 齿轮图像分割

3.2.1 图像阈值分割

3.2.2 图像边缘检测的分割

3.3 齿轮图像表示与描述

3.3.1 齿轮区域标识

3.3.2 区域形状表示与描述

3.4 本章小结

4 几何特征信息定位算法

4.1 边缘检测

4.1.1 直线边缘检测

4.1.1 圆形边缘检测

4.2 边缘拟合

4.2.1 直线拟合

4.2.2 圆拟合

4.3 动态测量定位

4.4 算法实验验证

4.4.1 PCB板验证算法

4.4.2 齿轮齿顶圆验证算法

4.5 本章小结

5 齿轮参数测量方案

5.1 齿顶圆直径与齿根圆直径的测量

5.1.1 齿顶圆测量

5.1.2 齿根圆测量

5.2 齿轮其他基础参数的测量

5.2.1 齿数的确定

5.2.2 模数和分度圆的确定

5.3 齿轮齿面偏差

5.3.1 齿距偏差

5.3.2 渐开线方程

5.3.3 齿廓偏差

5.4 齿轮公法线的测量

5.4.1 公法线测量原理

5.4.2 应用机器视觉实现公法线测量

5.5 本章小结

6 实验测量结果与误差分析

6.1 齿轮测量实验

6.1.1 现场测量与待测齿轮

6.1.2 测量结果

6.2 误差分析

6.2.1 图像采集设备误差

6.2.2 光照误差

6.2.3 算法误差

6.3 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要研究工作

7.2 研究展望

参考文献

附录A：创建测量矩形类C++源码

附录B：圆测量算法类定义C++源码

附录C：部分图像处理算法和系统测量平台界面

附录D：齿轮2到齿轮6偏差测量结果

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