背景
1 系統描述
 視覺(jué)系統用于檢測彈簧組件的組裝質(zhì)量。整個(gè)檢測過(guò)程使用雙攝像鏡頭，成90°夾角設置于兩側。當彈簧組件運動(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)軟件計算得出測量數據，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)參數的測量值。如果質(zhì)量為OK, 繼續執行之后的工序；如果為NG，工作站將報警并暫停工作等待處理。
2 系統功能
視覺(jué)系統對各產(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)監控。主要指標包括：彈簧的外徑、活塞的外徑以及同心度的測量。嚴格將各個(gè)指標控制在質(zhì)量要求的誤差范圍內，最后綜合評定產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，以達到質(zhì)量控制的功能。

視覺(jué)檢測系統設計
1搭建視覺(jué)檢測系統通常包括以下步驟
● 搭建光學(xué)系統，獲取質(zhì)量良好的圖像。圖像要能夠突出被測對象的特征，方便對象提取，這是決定系統設計成敗的先決條件。
● 圖像預處理。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象特征。
● 位置調整和定標。定位感興區域并進(jìn)行像素單位到毫米單位的轉換。
● 檢測算法設計。針對具體應用設計外觀(guān)尺寸測量、字符讀取、二維碼讀取等檢測算法，對特殊應用場(chǎng)合編程設計軟件擴展模塊。
● 系統測試。對于大批量檢測任務(wù)，需要對系統的穩定性和精度進(jìn)行試生產(chǎn)測試。分析誤判、漏判等異常狀況，改進(jìn)前述步驟，統計視覺(jué)檢測  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
由于被測量是彈簧組件的外觀(guān)尺寸，所以采用LED背光源可以有效地突出被測物體的邊緣。另外，考慮到鏡頭、物體和光源組成的光學(xué)系統的安裝位置受機器上的預留空間限制，因此采用12mm焦距的標準鏡頭。被測物體最大長(cháng)度在100mm左右，即要求取景視野要大于100mm，物距大致在200mm附近。調小光圈，抑制金屬表面的反光，微調鏡頭、物體和光源的相對距離，可以得到物體邊緣清晰的圖像。
3 圖像預處理
對于外觀(guān)尺寸檢測，邊緣的清晰程度直接影響檢測的精度。為此該系統中采用3×3的邊緣銳化模板處理原始圖像。
4 位置調整和定標
由于每件產(chǎn)品出現在鏡頭前的位置會(huì )有微小變化，經(jīng)鏡頭放大后被測物可能偏出預設的ROI，所以需要相應調整ROI的位置。首先在圖像中找到特征明顯且穩定的一部分，如彈簧中部的3個(gè)螺紋，然后根據該部分的位置調整其他ROI的位置。圖1顯示了調整后的效果。

圖1  （a） 選取用于定位的模板

（b） 偏移的測量區域

（c） 經(jīng)過(guò)位置調整后的測量區域

定標實(shí)現了像素單位到毫米單位的轉換，轉換系數由公式1計算得出。

       (1)

在此，實(shí)際長(cháng)度為活塞的外徑，加工精度精確到0.1mm，而像素長(cháng)度從預測量結果中讀出，精確到0.01個(gè)像素，即所謂的子像素級。
5 測量方法
在外觀(guān)尺寸測量中，所用視覺(jué)檢測軟件提供了Gauging函數庫，并且采用子像素測量技術(shù)，軟件測量精度可達到0.01個(gè)像素，足以滿(mǎn)足產(chǎn)品最高0.1mm級的精度要求。在彈簧組件檢測中，各被測物的測量目的有所區別，精度要求也就不同。另外，活塞為規則的圓柱體，而彈簧為不規則的螺旋體。綜合考慮以上因素，測量工具需要依據對象特征擇優(yōu)選取。

● 活塞外徑檢測
通過(guò)檢測灰度跳變可以很容易地檢測到活塞的邊緣，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
由于彈簧的輪廓為鋸齒形，所以先檢測鋸齒尖端輪廓，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量對象

（d） 彈簧和活塞外徑的測量結果
● 同心度檢測方法
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，在該系統中需要從側面觀(guān)察，并檢測活塞和彈簧的同心度。在此提出了兩種解決方案。
方案一 ：間距測量法。計算彈簧邊緣與活塞邊緣的兩側間隙，如該空隙寬度在規定的公差范圍內，即認為活塞和彈簧的同心度合格。
方案二 ：中心線(xiàn)測量法。嘗試尋找彈簧和活塞的中心線(xiàn)，并計算兩條中心線(xiàn)的夾角，如該夾角在規定的公差范圍內，即認為活塞和彈簧的同心度合格。
① 間距測量法
沿用測量活塞和彈簧外徑的邊緣檢測算法，可以方便的計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  同心度測量的幾何模型

  (2)

為說(shuō)明測量的精度，簡(jiǎn)單采集10個(gè)樣本圖像，得到表1中列出的樣本數據。

② 中心線(xiàn)測量法
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：
● 在測量精度方面，間距測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，必然導致誤差急劇增大。此時(shí)一種替代的方法將得到應用，即不再計算d的準確值，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，間距測量法更容易實(shí)現。因為方案一只用到了一些視覺(jué)檢測軟件中都包含的基本圖像處理算法，無(wú)須對編寫(xiě)擴展模塊，縮短了項目開(kāi)發(fā)時(shí)間。而且方案一運算簡(jiǎn)單，程序運行時(shí)間短，可有效提高生產(chǎn)效率。對于中心線(xiàn)測量法，一般的視覺(jué)檢測軟件的數值運算功能較弱，往往需要另行開(kāi)發(fā)軟件擴展模塊，這無(wú)疑增加了編程難度。如果是對于工序耗時(shí)要求低，測量精度要求高的情況，中心線(xiàn)測量法更具優(yōu)勢。
● 共同的問(wèn)題。兩種方案都只利用了對象邊緣的局部信息，而沒(méi)有考慮對象的整體特征。利用全局特征計算對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)特征向量擬合的復雜度更高。