基于机器视觉的柔性环形零件特征尺寸测量方法

摘要

本发明公开了一种基于机器视觉的柔性环形零件特征尺寸测量方法，步骤如下：步骤1、对柔性环形零件的整体图像进行二值化处理；步骤2、对上述图像进行去噪处理；步骤3、对去噪后的图像利用面积法求解柔性环形零件的内径；步骤4、对柔性环形零件的局部图像，利用中垂线法求解截面直径。本发明依据面积法及中垂线法，实现了对柔性环形零件内径、截面直径的微米级测量，具有重复精度高、计算速度快、鲁棒性强的优点。

说明书

技术领域

本发明属于数字图像处理与机器视觉领域，具体涉及一种基于机器视觉的柔性环 形零件特征尺寸测量方法。

背景技术

柔性环形零件的特征尺寸包括内径尺寸和截面直径，当前，柔性环形零件尺寸参 数的测量方法可分为接触式测量和非接触式测量两大类。常用的传统接触式测量方法有卡 尺测量法、锥棒测量法、柔性尺测量法、改装百分表测量法等；非接触式测量主要采用大型 投影仪、工具显微镜、断面自动测量仪以及截面切片投影等。由于柔性环形零件材料具有弹 性，采用接触式测量会使其产生变形，因此，接触式测量方法的测量精度不高，测量效率较 低。非接触式测量能克服接触式测量产生形变的干扰，但上述四种非接触测量方法中，采用 大型投影仪或工具显微镜测量时，由于柔性环形零件自由状态的轮廓与标准圆周有一定的 差异，所以只测一条直径会产生较大误差，通常要测量三条以上不同方向的直径然后取平 均值，这样使得测量过程中人工干预较多，测量效率低，测量结果易受主观因素影响，且受 量程限制，无法测量规格较大的柔性环形零件；而断面自动测量仪测量成本高；截面切片投 影法属于破坏性测量，只能用于抽检截面尺寸。

近年来，随着视觉图像技术的发展，利用机器视觉技术构建专用的测量或检测系 统，成为工业检测领域的一种革新手段。利用视觉图像技术的非接触性，测量过程中，柔性 环形零件不产生弹性变形，首先从对被测对象的影响方面保证了测量结果的可靠性；利用 图像处理技术，可实现对柔性环形零件特征参数的精密计算。

在利用视觉图像技术进行柔性环形零件特征尺寸测量方面，有相关文献对此进行 过一定研究，如文献“O形密封圈尺寸视觉精密测量技术”采取的办法是：先对密封圈边缘点 进行亚像素定位，根据已采集图像移动相机实现对密封圈轮廓的自动跟踪，最后通过多帧 图像的拼接获得完整的密封圈边缘，多次拟合求得密封圈的内径、外径尺寸。这种方法在测 量标准圆形零件时能获得较高的精度，但对于密封圈等柔性零件特征尺寸的测量，其测量 误差与重复精度均不太理想，主要原因在于密封圈轮廓并非是一个标准圆。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于机器视觉的柔性环形零件特征尺寸测量方法，用 于实现存在一定图像背景噪声条件下柔性环形零件特征尺寸的精密测量。

实现本发明的技术解决方案为：一种基于机器视觉的柔性环形零件特征尺寸测量 方法，方法步骤如下：

步骤1、对柔性环形零件的整体图像进行二值化处理。

步骤2、对上述图像进行去噪处理。

步骤3、对去噪后的图像利用面积法求解柔性环形零件的内径。

步骤4、采集上述柔性环形零件的局部图像，进行二值化处理，再对其进行去噪处 理，利用中垂线法求解截面直径。

所述步骤1中，柔性环形零件的整体图像的来源途径包括相机单次采集获得或由 相机采集的多幅弧段序列图像拼接而成。

若步骤1中的柔性环形零件的整体图像由多幅弧段序列图像拼接而成，步骤4中直 接选取任意一幅弧段序列图像，进行二值化处理，再对其进行去噪处理，利用中垂线法求解 截面直径。

所述步骤2中，图像去噪处理为基于轮廓连通域思想，提取出噪声的轮廓并进行填 充，从而消除噪声干扰。

所述步骤3中，面积法具体步骤如下：统计柔性环形零件外圈轮廓像素面积及柔性 环形零件的面积，再根据圆面积与直径关系，得到柔性环形零件的内径。

所述步骤4中，中垂线法步骤如下：选取不同圆弧段上的弦，作出弦对应的中垂线， 所述中垂线与柔性环形零件的内、外轮廓分别存在交点，得到两个交点之间的间距，将不同 位置的弦对应的交点间距的平均值作为柔性环形零件的截面直径。

上述步骤3和步骤4顺序可对调。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)依据面积法及中垂线法，实现了对 柔性环形零件内径、截面直径的微米级测量。

(2)其测量精度高、对硬件的性能要求低、算法鲁棒性强。

附图说明

图1是本发明基于机器视觉的密封圈特征尺寸测量方法的流程图。

图2是本发明处理过程中的密封圈整体图像，其中(a)为原始密封圈整体图像，(b) 为对图(a)二值化处理后的图像，(c)为消除噪声后的密封圈整体图像。

图3是本发明处理过程中的密封圈弧段图像，其中(a)为原始密封圈弧段图像，(b) 为对图(a)二值化处理后的图像，(c)为消除噪声后的密封圈弧段图像。

图4是中垂线法原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1和图4，一种基于机器视觉的柔性环形零件特征尺寸测量方法，方法步骤 如下：

步骤1、对柔性环形零件的整体图像进行二值化处理，具体方法如下：

柔性环形零件的整体图像的来源包含两种途径：当柔性环形零件的外轮廓直径小 于相机视野范围时，相机单次采集得到柔性环形零件的整体图像；当柔性环形零件的外轮 廓直径大于相机视野范围时，相机先采集柔性环形零件的弧段图像，然后通过拼接获取柔 性环形零件的整体图像。

再对上述柔性环形零件的整体图像进行二值化处理。

步骤2、对上述图像进行去噪处理：借助轮廓连通域的思想，提取出噪声的轮廓，并 对噪声的轮廓进行填充，即改变噪声的轮廓的像素灰度，以消除图像中不需要的灰度噪声 小块。

步骤3、对去噪后的柔性环形零件整体图像，统计柔性环形零件外轮廓所包含的像 素面积S₂及柔性环形零件本身的像素面积S₁，两者相减，得到柔性环形零件内轮廓所包含的 像素面积S₀＝S₂-S₁，再根据圆面积与直径关系S₀＝π(d/2)²，得到柔性环形零件的内径d，实 测柔性环形零件内径物理尺寸d_c＝δ×d，δ为图像像素当量值。当柔性环形零件存在变形 时，柔性环形零件内轮廓像素面积保持不变，故由其获得的柔性环形零件的内径精度高。

步骤4、采集上述柔性环形零件的局部图像，进行二值化处理，再对其进行去噪处 理，利用中垂线法求解截面直径：

任意选取一段柔性环形零件，由于柔性环形零件内轮廓上任意一点均存在一个内 切圆，内切圆圆弧与其对应的柔性环形零件内轮廓局部重合，故任意一段柔性环形零件的 内轮廓近似为圆弧，再利用中垂线法求解柔性环形零件截面直径，中垂线法步骤如下：选取 不同圆弧段上的弦，作出弦对应的中垂线，所述中垂线与柔性环形零件的内、外轮廓分别存 在交点，得到两个交点之间的间距，将不同位置的弦对应的交点间距的平均值作为柔性环 形零件的截面直径。

若步骤1中的柔性环形零件的整体图像由多幅弧段序列图像拼接而成，步骤4中直 接选取任意一幅弧段序列图像，进行二值化处理，再对其进行去噪处理，利用中垂线法求解 截面直径。

上述选取的柔性环形零件长度不超过1/4内轮廓的周长。

上述步骤3和步骤4顺序可对调。

实施例1

结合图1至图4，一种基于机器视觉的柔性环形零件特征尺寸测量方法，步骤如下：

步骤1、对柔性环形零件(即O形密封圈)的整体图像进行二值化处理，具体方法如 下：

将柔性环形零件置于透明玻璃平台上，透明玻璃平台下方放置远心平行光源，相 机置于柔性环形零件正上方，远心平行光源、柔性环形零件和相机三者共轴设置，打开远心 平行光源，相机采集到柔性环形零件的整体图像，并对柔性环形零件的整体图像进行二值 化处理。(如图2(a)和图2(b)所示)。

步骤2、对上述图像进行去噪处理，借助轮廓连通域的思想，提取出噪声的轮廓，并 对噪声的轮廓进行填充，即改变噪声的轮廓的像素灰度，以消除图像中不需要的灰度噪声 小块。(如图2(c)所示)

步骤3、对去噪后的图像，统计柔性环形零件外轮廓所包含的像素面积S₂＝ 790776，柔性环形零件本身的像素面积S₁＝294568，两者相减，得到柔性环形零件内轮廓所 包含的像素面积S₀＝S₂-S₁＝496208，再根据圆面积与直径关系S₀＝π(d/2)²，得到柔性环形 零件的内径δ＝0.0183mm。由此计算出柔性环形零件内径实测尺寸d_c＝δ×d＝ 14.546mm。

对该柔性环形零件进行多次测量，得到的结果如表1。

表1内径测量数据表

从表1数据可知，测量的内径数据中最大值与最小值之差为0.005mm，表明该算法 已具有较高的测量精度。

步骤4、任意选取一段上述柔性环形零件，采集上述柔性环形零件的局部图像：

将柔性环形零件置于透明玻璃平台上，透明玻璃平台下方放置远心平行光源，相 机置于柔性环形零件正上方，远心平行光源、柔性环形零件和相机三者共轴设置，打开远心 平行光源，相机采集到柔性环形零件的弧段图像，并对采集到的图像进行二值化处理。(如 图3(a)和图3(b)所示)。

对上述图像进行去噪处理，借助轮廓连通域的思想，提取出噪声的轮廓，并对噪声 的轮廓进行填充，即改变噪声的轮廓的像素灰度，以消除图像中不需要的灰度噪声小块。 (如图3(c)所示)

当柔性环形零件形状为标准圆形时，则其内圆的任意弦的中垂线均与其一条直径 方向重合，柔性环形零件截取的长度即为其截面直径。当柔性环形零件发生一定变形时，此 时，内轮廓不再是圆形，弦的中垂线不再经过圆心，但内轮廓上的任意一点均存在一个与其 内切的圆，将内轮廓局部近似为圆弧段，该圆弧段的圆心与切点的连线所截取的柔性环形 零件的宽度即为柔性环形零件的截面直径。

中垂线法的原理如图4所示，首先，建立图像像素坐标系，设定二值图像左上角像 素为坐标原点O(0，0)，图像高度记为H，图像宽度记为W。然后，选择图像中固定的一点P(x₁, y₁)，过P点作任意一条与柔性环形零件内外轮廓相交的直线L₁，记其斜率为K₁。以点P为圆心 将直线L₁旋转一定角度(不超过1/4内轮廓的周长)，记此时直线L₂，斜率为K₂。直线L₁与直线 L₂分别与柔性环形零件内轮廓相交于点D₁、D₂。直线D₁D₂即为柔性环形零件内弧的弦，作该弦 的中垂线，所述中垂线与柔性环形零件内轮廓、外轮廓分别相交于点B(x_B,y_B)、C(x_C,y_C)。则 柔性环形零件截面直径物理尺寸

结合图3(c)，其截面直径计算过程及数据如下：

确定点P(x₁,y₁)，其像素坐标为：x₁＝5H/6＝1000，y₁＝W/2＝800。如图4所示，设置 K₁＝－0.5，K₂＝－3～－5，K₂的变化间隔为0.2，求得的值如表2，L表示柔性环形零件的截面 直径，L_cr为K₁＝－0.5情况下不同位置求得的截面直径的均值。

表2K₁＝－0.5时测量数据表

与K₁＝－0.5时方法类似，设置K₁＝0.5，K₂＝3～5，K₂的变化间隔为0.2，测量数据 如表3，L_cl为K₁＝0.5情况下不同位置求得的截面直径的均值。

表3K₁＝0.5时测量数据表

因此，柔性环形零件截面直径L_c＝(L_cr+L_cl)/2＝1.919mm，对同一个柔性环形零件 的多个弧段进行了处理，测量数据如表4，L为柔性环形零件截面直径均值。

表4同一柔性环形零件不同弧段测量数据表

依照上述方法，对同一柔性环形零件进行了多次测量，得到的结果如表5。

表5柔性环形零件多次测量数据表

由表5可知，测量数据中截面直径最大值与最小值之差为0.007mm，表明该算法求 得的截面直径已具有较高的测量精度。通过表4可以分析出，加工成型后的该柔性环形零件 各弧段并非是均匀的，而是有一定的尺度变化范围，通过该测量算法可以获得该柔性环形 零件截面直径的上下偏差带。