1、（論文） i 畢業設計（論文）畢業設計（論文） 基于機器視覺技術發動機曲軸軸瓦分級檢測系 統應用研究 based on machine vision technology engine crankshaft bearing grade detection system application ： ： 本 科 ： 電氣與信息學院 ： 自動化 ： ： 講 師 助理實驗師 ： 2008 年 6 月 20 日 學生姓名 學歷層次 所在系部 所學專業 指導教師 教師職稱 完成時間 （論文） ii 摘摘 要要 機器視覺技術已成為一門新興的綜合技術,在社會諸多領域得到廣泛應用， 大大提 高了裝備的智能化、自

2、動化水平,提高了裝備的使用效率、可靠性等性能。本設計就是 針對汽車發動機曲軸軸瓦裝配重要工藝環節，利用氣缸表面字符特征不一致，采用機 器視覺技術對曲軸軸瓦的不同型號進行檢測，保證安裝準確；主要應用了模式識別與 圖像處理技術，以 vc為開發平臺，設計出曲軸軸瓦自動檢測系統，對軸瓦的類型 進行匹配，然后進行自動識別，進而完成檢測任務。通過實驗驗證，在正常情況下， 識別誤差是可以避免的，所以可以達到預期目標，充分滿足了實際生產的需求。 關鍵詞 機器視覺 閾值分割 字符識別 abstract： the technology of machine vision has become an emergin

3、g comprehensive technology and obtains the widespread application in many social domains. greatly enhanced the equipments intellectualization and automated level, the using efficiency and reliability is also raised. this paper is designed for an important part of the automotive engine crankshaft bea

4、ring assembly of the cylinder and by the different characters of surface characteristics, using machine vision technology to test the different models of crankshaft bearing and ensure the accuracy installation. mainly applied pattern recognition and image processing technology,based on the vc+ to de

5、sign a system of crankshaft bearing automatic detection and match the type of bearing,and then automatically identify and complete the detection task . it can be avoid the identification errors through experimental verification which under normal circumstances, and so we can achieve the desired obje

6、ctive and fully meet the actual needs of production. keywords: machine vision threshold segmentation character recognition （論文） iii 目 錄 1 引言.1 1.1 背景分析.1 1.2 技術引進.2 2 系統總體方案的確定.3 2.1 系統總體方案分析.3 2.2 方案論證.3 3 系統硬件設計.5 3.1 硬件的組成.5 3.2 工控機.6 3.3 控制系統的 i/o 子系統.6 3.4 圖像采集單元.9 3.5 傳感器和執行機構.12 4 數字圖像處理.14 4

7、.1 圖像.14 4.2 數字圖像.15 4.3 圖像數字化.15 4.4 數字圖像處理.15 5 曲軸軸瓦的檢測識別原理.17 5.1 機器視覺檢測原理.17 5.2 氣缸表面字符檢測原理.18 5.3 字符識別的基本原理.18 5.4 氣缸表面字符區域提取.19 6 圖像預處理與分析.24 6.1 圖像分割.25 （論文） iv 6.2 二維 otsu曲線閾值分割算法.29 6.3 字符細化處理.31 6.4 hilditch細化算法.32 6.5 字符特征提取.33 7 汽缸表面字符識別.35 8 系統軟件算法的實現.36 8.1 軟件系統的設計.37 8.2 visual c+ 應用算

8、法和界面.37 9 總 結.38 參考文獻.40 致 謝.41 附錄一：.42 附錄二：.48 附錄三：.54 （論文） 1 1 引言 1.1 背景分析 視覺是人類觀察世界、認知世界的重要功能手段。人類從外界獲得的信息約有 75%來 自視覺系統。這既說明視覺信息量巨大，也表明人類對視覺信息有較高的利用率。人類的視 覺過程可看作是一個復雜的從感覺到知覺的過程。人類視覺所具有的強大功能和完美的信息 處理方式引起了智能研究者的極大興趣。1每個人都能體會到，眼睛對人來說是非常重要的。 有研究結果表明，人類視覺細胞數量的數量級大約為 108，是聽覺細胞的 300 多倍，是皮膚 感覺細胞的 100 多倍，

9、從這個角度也可以看出視覺系統的重要性。視覺是人類觀察世界、認 知世界的重要功能手段。視覺系統從外界獲取圖像，就是在眼睛視網膜上獲得周圍世界的光 學成像，然后由視覺接受器將光圖像信息轉化為視網膜的神經活動電信號，通過視神經纖維， 把這些圖像信息傳送入大腦，由大腦獲得圖像感知，并對獲取的圖像進行分析和理解，通過 圖像獲得對周圍世界感知的信號和識別。2 視覺技術的最大優點是與被觀測對象無接觸,因此,對觀測與被觀測者都不會產生任何損 傷,十分安全可靠,這是其它感覺方式無法比擬的. 理論上,人眼觀察不到的范圍機器視覺也可 以觀察,例如紅外線、微波、超聲波等,而機器視覺則可以利用這方面的傳感器件形成紅外線

10、、 微波、超聲波等圖像. 另外,人無法長時間地觀察對象,機器視覺則無時間限制,而且具有很高 的分辨精度和速度. 所以,機器視覺應用領域十分廣泛,可分為工業、科學研究、軍事和民用 4 大領域。3在現代工業自動化生產中，視覺檢測往往是不可缺少的環節。它涉及到各種各樣 的檢查、測量和識別的應用，例如藥品包裝的正誤，ic 字符印刷的質量，電路板焊接的好 壞，汽車零配件尺寸的檢查和自動裝配的識別裝配等，這類應用的共同特點是連續大批量生 產安裝，對產品質量和準確度的要求非常高。通常這種帶有高度重復性和智能性的工作靠人 工檢測來完成，我們經常在一些工廠的現代化流水線的后面看到數以百計甚至逾千的檢測工 人來執

11、行這道工序，給工廠增加巨大的人工成本和管理成本。而這些完全由人眼的檢測，長 時間反復的工作會使人眼產生視覺疲勞，難以避免產品錯位、漏檢等情況的出現，仍然不能 保證 100%的檢驗合格率（即“零缺陷”） 。而當今企業之間的競爭，已經不允許哪怕是 0.1% 的缺漏的存在。另外，許多檢測的工序不僅僅要求外觀的檢測，同時需要準確獲取檢測數據， 比如零件的寬度，圓孔的直徑，以及基準點的坐標等等，這些工作則是很難靠人眼快速完成。 通常，為了減輕視覺系統的負擔，人們總是盡可能地改善外部環境條件，對視角、照明、物 體的放置方式做出某種限制，但更重要的還是加強視覺系統本身的功能和使用較好的信息處 理方法。隨著電

12、子信息技術的興起，人們逐漸認識到基于機器視覺開發的檢測系統，能在產 品質量的檢測過程中用機器代替人眼來做測量和判斷，降低了人為因素對產品質量的影響， 在零配件識別和裝配的技改方面滿足了企業的需求，這一技術的興起，掀起了工業過程自動 （論文） 2 化技術的新篇章。 在本設計中，我們主要運用了機器視覺系統對發動機曲軸軸瓦自動識別安裝這一道工藝 環節，進行系統分析研究。本工序中輔助物流系統將不同種類的曲軸軸瓦傳送至正確擺放位 置，然后裝配工人根據氣缸表面的字符提示，將軸瓦裝配在正確的位置，從而保證了裝配線 總體生產節奏。然而由于裝配線在極短時間內可能進行多種軸瓦的裝配。裝配線計算機系統 雖然可進行快

13、速響應，但人工方式的裝配過程時常發生軸瓦混淆現象，即對應于一臺發動機 五個軸瓦發生錯裝。錯裝后的軸瓦在同一發動機內將造成車輛運行過程中曲軸各項性能指標 下降，導致發動機整體性能下降。曲軸軸瓦裝錯現象雖然不常見，一旦發生，后果嚴重。傳 統的檢測方法由人工完成，即下一道工序人工肉眼目測，這種方法由于工人長時間工作導致 肉眼疲勞，無法從根本上避免安裝事故的發生。所有不正確安裝，在下一道工序缸體倒置后， 將不能直觀目測，輕者造成返修，重者發生事故。以一汽大眾集團為例，為了對曲軸軸瓦裝 配質量進行在線監控，專門從德國引進了專用檢測設備，但該設備僅限于幾種固定型號的曲 軸軸瓦，隨著市場的發展，原有的設備越

14、來越不能滿足制造過程柔性化的需要，針對工廠的 實際問題，開展了此課題的研究工作，提出了基于計算機視覺技術的在線檢測方案，對軸瓦 的型號進行匹配，然后進行自動識別，進而完成檢測任務提高了制造過程的柔性化以及裝配 的效率。 1.2 技術引進 機器視覺（machine vision） ，又稱計算機視覺（computer vision）, 是用攝像機和計算 機代替人眼對目標進行識別、跟蹤和測量。主要著重研究圖像的三維重建、運動圖像分析和 圖像識別、分析與理解。而機器視覺系統，是將被攝取的目標轉換成圖像信號，傳送給專用 的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信號，轉變成數字信號，圖像系統對這些信 號

15、進行各種運算來抽取目標的特征，在根據判斷的結果控制現場的設備。 早期的計算機視覺研究集中在那些以平面為表面的多面體的世界，而在此之前都是基于 二維的。roberts 首先用程序成功地對三維積木世界進行解釋，在其后類似的研究中， gunman 在視覺處理研究中引入了符號化處理和啟發式方法，以后，huffmanclowes 以及 waltz 等人對積木世界進行了研究并分別解決了由線段解釋景物和處理陰影等問題。積木世 界的研究反映了視覺早期研究中的一些特點，即從簡化的世界出發進行研究。這些工作對視 覺研究的發展起了促進作用，但對于稍微復雜的景物便難以奏效。近期的視覺研究開始于 20 世紀 70 年代

16、中期，以 marr 等人為代表的一些研究者提出了一整套視覺計算的理論來 描述視覺過程，其核心是從圖像恢復物體的三維形狀。marr 視覺計算理論立足于計算機科 學，是迄今為止最系統化的視覺理論。marr 建立的視覺計算理論，使計算機視覺研究有了 一個比較明確的體系，并大大推動了計算機視覺研究的發展。4 目前，實際應用中有許多具體的視覺應用工程問題，如零件的識別、缺陷的檢查、工件的定 （論文） 3 位等等，這些問題具有很重要的工程應用價值，視覺是解決它們的有效手段。雖然視覺經過 20 多年的研究，己經有了很大的發展，但無論是從視覺生理的角度，還是從實際應用的角 度來看，現有的視覺技術還處于十分不成

17、熟的階段。要構造出類似于人類視覺的通用立體視 覺系統也不是近期內可以達到的，需要用不同的技術手段對其進行深入的研究。由于其廣泛 的應用領域和巨大的應用前景，對視覺技術的研究不但對揭示人類自身視覺奧妙具有重要意 義，而且對于推動立體視覺的應用具有重要的實用價值。 近年來發展迅猛的機器視覺技術解決了這一問題。機器視覺系統一般采用 ccd 照相機 攝取檢測圖像并轉化為數字信號，再采用先進的計算機硬件與軟件技術對圖像數字信號進行 處理，從而得到所需要的各種目標圖像特征值，并由此實現模式識別，坐標計算，灰度分布 圖等多種功能。然后再根據其結果顯示圖像，輸出數據，發出指令，配合執行機構完成位置 調整，好壞

18、篩選，數據統計等自動化流程。與人工視覺相比較，機器視覺的最大優點是精確， 快速，可靠，以及數字化。5 機器視覺技術經過 20 年的發展,已成為一門新興的綜合技術,在社會諸多領域得到廣泛應 用. 大大提高了裝備的智能化、自動化水平,提高了裝備的使用效率、可靠性等性能. 隨著新 技術、新理論在機器視覺系統中的應用,機器視覺將在國民經濟的各個領域發揮更大的作用. （論文） 4 2 系統總體方案的確定 2.1 系統總體方案分析 本設計是一個針對發動機曲軸軸瓦分級安裝的自動化調控系統，并引進現在國內領先技術 機器視覺技術，以數字圖像處理為研究基礎的識別算法。在整個發動機曲軸軸瓦的安裝檢 測線上，要對幾種

19、型號的大批量軸瓦進行分級安裝，這就需要一個機器視覺系統。本設計以識 別兩種型號的軸瓦為例，簡述整個識別過程。曲軸軸瓦通常是固定在汽缸上，通過檢測后送至 發動機上進行安裝。檢測系統將攝像機采集到軸瓦的字符（字母）圖像反饋至內存，然后計算 機對所采集的圖像進行處理、識別，從而顯示出識別到的圖像是否與標準模式相匹配，匹配則 放行進行液壓安裝，否則揚聲器會及時發出報警信號，再由工作人員進行改正。由此可見，利 用機器視覺技術既可以解決許多工業難題，又能提高檢測效率和自動化水平，構成一個帶有視 覺環節的反饋控制系統，并能廣泛適用于實際工業生產中。 2.2 方案論證 系統總體方案的確定，是進行系統設計最重要

20、、最關鍵的一步，直接影響到整個控制系統 的性能、安全運行等因素的參數選定，使設計能夠有序、正確的進行。為更好的擬定一份準確、 可靠的總體方案，可以采用“多選一”的形式： 方案一： 檢測目標 光源 觸發電路 鏡頭ccd 相機圖像采集 執行機構 顯示器 圖像處理 圖 2-1 系統組成原理框圖 此方案采用線性光源以產生照明能量集中，光線分布均勻的一條光帶；采用多個 ccd 相機 對汽缸表面進行多方向的拍照，以保證檢測的全面性，采用外觸發模式使各個方向的圖像分通 道進入圖像采集單元；經過處理單元對各通道的圖像進行復雜的表面檢測運算，如果發現任何 一個通道的圖像與標準安裝位置不符，則立即繪出控制信號，使

21、執行單元在錯誤汽缸通過時將 其剔除，并報警給予提示；系統顯示器實時顯示各通道圖像及其檢測結果，并給出錯誤的分析 結果。系統設計原理框圖如圖 2-1 所示。 系統的圖像采集單元包括圖像采集、d/a 轉換卡、光源、ccd 相機、圖像處理單元，以 plc 控制系統控制執行單元。此方案的特點是設計周密，使用性強，但多個相機多方向拍照， 必會大大占用內存空間，為系統增加負擔。 （論文） 5 方案二： 此方案采用 led 陣列照明光源對目標物體進行亮度和距離的調節，便于圖像的采集、處理。 采用 ccd 相機對汽缸表面的字符（字母）進行識別檢測的圖像捕捉拍照，采集到的圖像傳輸到 工控機中存儲、處理、識別，如

22、果發現與標準圖像字符不匹配的，則立即繪出控制信號，是執 行機構上的止動器卡住汽缸，并發出報警信號，工作人員依照顯示器的分析提示后到場進行糾 正安裝，系統識別到正確的圖像后生產線恢復運行。系統設計原理框圖如圖 2-2 所示。 工控機 執行機構 顯示器 圖像處理軟件 i/o 卡 圖像采集卡ccd 相機 揚聲器 檢測目標 光源 圖 2-2 系統組成原理框圖 系統的圖像采集單元包括圖像采集卡、ccd 相機、led 光源，工控機作為圖像處理單元， 用 visual c+作為軟件處理和對執行機構的控制單元。此方案的特點是以實際使用性能為出發 點，比較方案一來說更節省系統內存空間，在使用中有較強的隨機應變能

23、力。 以上兩種方案都是為了完成對圖像的采集、識別功能，其使用方式有所差別。根據上述種 種分析得出，方案二為本設計中的最佳方案。計算機控制系統由計算機和控制系統兩部分組成， 其中計算機部分包括硬件和軟件，控制部分包括驅動電路和執行單元等。系統的硬件結構上， 盡可能的選用性能較高，現在市場上領先技術且適用于設計中協調運作的元器件。在軟件流程 上，引用 visual c+高級匯編語言來支持各環節算法的處理，與其他輔助設備做好良好的聯接 控制，使整個系統能及時相互響應，并由控制界面和報警設備給予工作人員提示。 （論文） 6 3 系統硬件設計 3.1 硬件的組成 汽缸固定在隨行的夾具之上，隨行夾具自動滑

24、線運行將汽缸送到檢測工位。發出到位信號， 計算機檢測到信號；工位液壓止動器抬起，夾具及工件停止運動，ccd 攝像機將汽缸圖像采集 至內存，然后計算機對圖像進行處理。操作者按檢測結果裝配曲軸軸瓦，如果操作者安裝錯誤， 揚聲器報警，工人依報警信息糾錯并安裝完畢。最后系統控制止動器下降，汽缸放行。如圖 3-1 所示。 圖 3-1 系統硬件組成 系統的硬件結構主要由工控機，i/o 接口子系統，圖像采集單元，輔助執行機構等幾部分 組成。控制對象的被測參數經傳感器、放大器轉換成統一信號，再經 i/o 開關量卡送到圖像視頻 采集卡進行 a/d 轉換，轉換后的數字量通過接口送入計算機。計算機經處理后，經開關量

25、輸出， 對被測參數進行輸出控制。 3.2 工控機 在整個控制系統是以計算機為核心的測量和控制系統，它將來自各傳感器的檢測信號與外 部輸入命令進行集中、存儲、分析、轉換，對參數進行巡回檢測，執行數據處理、計算和邏輯 判斷、報警處理等，并根據信息處理結果，按照一定的程序和節奏發出相應的指令，控制整個 系統有目的的運行。由于這類控制器主要用于設備控制、過程控制，必須與生產過程的機械設 （論文） 7 備相匹配，因此通常稱為工業控制機（簡稱工控機） 。它的基本功能應包括以下幾點： 實時的信息轉換和控制功能。 人機交互功能。 和機電部件接口的功能。 對控制軟件運行的支持功能。 由此可見，工控機的任務是用于

26、實時過程的檢測和控制。因此，對工控機中的存儲代碼和 數據供 cpu 或其他設備讀寫外，還有如下要求： 可靠性高 即抗干擾能力強，能在惡劣的工業現場環境下準確進行讀寫操作。 實時性好 能滿足工業控制系統對存儲器訪問的要求。 功耗低 降低自然造成的溫升，并可用電池供電。 數據存儲器非易失性，這并不是對全局存儲器的要求，但系統中至少有局部非易失數據 段或程序代碼段，以便能長期保存數據，并在系統突然停電后再重新啟動時能迅速恢復現場運 行。 另外，工業控制系統研制成功投入運行后，軟件通常相對固定，很少變更，這和數據處理 機有很大不同。因此，其應用軟件常常采用固化運行的方法，即將程序固化在 rom 中，程

27、序的 運行基于 rom，只保留較少容量的 ram 用于存放工作數據。還有，在工業控制系統中，除管 理級計算機以外，其控制系統的計算機軟件量通常不會太大，一般不采用海量存儲器。目前， 半導體存儲器更符合工業控制器對存儲器的各項要求。尤其是 flash 存儲器，由于成本低、非易 失性、電可擦除、有只讀方式（用于寫保護）及獨特的操作方式，它不但可以組成 ram 盤，也 可以形成 rom。它可以組成容量很大的半導體盤，其內容不易被破壞，也不容易被程序干擾， 且由于容量大、成本低，它大有取代硬盤之勢。 由于半導體存儲器沒有機械轉動部分，也沒有磨損（包括退磁磨損）問題，與各種微處理 器芯片兼容，可直接接口

28、，簡化了控制電路和接口電路，減少了器件數目，提高了可靠性，而 且存取簡捷；訪問時間快（100ns 左右） ，從而提高了實時性。功耗遠比帶驅動機的方式（如軟、 硬磁盤）低，尤其是 cmos 半導體存儲器功耗極低。 3.3 控制系統的 i/o 子系統 控制器除了基本系統外，還應包括各種檢測、控制量的輸入輸出接口，這部分功能稱為 i/o 子系統。按其物理量的形式來分，一般可分為開關量（數字量）i/o，模擬量 i/o 兩大類。 開關量（數字量）i/o 工業控制機需要處理的最基本的輸入/輸出信號是開關信號。開關 信號包括：儀器儀表的 bcd 碼、開關狀態的閉合和釋放、電動機的起動和停止、晶閘管的通和 斷

29、、閥門的開和閉，以及脈沖信號的計數和定時信號等等。這些信號的共同特征是以二進制的 邏輯“1”和“0”出現，故稱為開關信號。這些開關信號的電器接口最簡單的是 ttl 電平接口，通 常只用于與工業控制機本身共電源的輸出指示燈控制、操作面板上的開關狀態的輸入及驅動帶 （論文） 8 電氣隔離的功率輸出模塊。而由于工業現場環境惡劣，存在電磁干擾、噪聲等影響，常采用光 耦合器件來解決控制機與其他獨立設備的接口。光耦合器件由于輸出信號與輸入信號在電氣上 完全隔離，抗干擾能力強，且無觸點，耐沖擊，壽命長，可靠性高，響應速度快，易與邏輯電 路配合，因而是開關量 i/o 中最有效、最常用的隔離措施。另外，開關量輸

30、出接口往往還要加以 適當的驅動能力。 模擬 i/o 模擬量輸入輸出是控制系統的重要組成部分，也是微處理機與控制對象之間一 種非常重要的接口方式。溫度、壓力、流量、位移等物理量往往經傳感器變成連續變化的電壓、 電流或電阻等信號后必須再變換成數字量，即 a/d 轉換，才能被計算機識別；這些變換后的數 字量經計算機處理，其輸出結果通過 d/a 轉換器再變成模擬的電壓或電流信號，送到執行機構， 達到控制某種過程的目的。有時，只對某些參數進行監測即為數據采集，也可能只對系統進行 開環控制，這些都離不開 a/d 和 d/a 技術。由于傳感器把非電的物理量變換成電量后并不一定 適合 a/d 直接應用，有時還

31、必須經放大濾波、線性化補償、隔離保護等措施，才能送 a/d 轉換 器；d/a 轉換器將數字量轉換為電壓信號，許多情況下還必須經功率放大、隔離等其他措施。 一般稱這一系列措施為信號調理。6 通信模塊完成檢測系統與上位機和數據庫的雙向通信及統計數據上報的功能。這里采用 idaq-5730 32 通道隔離數字量 i/o 卡為例來說明(兼容華研 pcl730)： idaq-5730 隔離數字 i/o 卡 1)產品簡介 idaq-5730 是一個隔離數字 i/o 卡，它是用于 ibm at 兼 容機的緊湊型插卡。idaq-5730 提供 16 路隔離輸入和隔 離輸出通道。隔離的通道適合工業環境的應用。另

32、外 有 16 路非隔離的數字輸入 和輸出通道。它使用戶可以更加靈活的使用此卡。 idaq-5730 提供雙中斷請求。一個是由外部數字信 （論文） 9 號產 生的，另一個是由 8254 定時器產生的。雙中斷請求 在看門狗和觸發信號監測等工業應用中非常 有用。7 2)產品規格 隔離數字量 i/o 光隔離輸入通道 通道數: 16 電壓：524vdc 輸入電阻：1.2k，0.5w 隔離電壓：2500vrms 隔離電壓：2500vrms 吞吐量：10khz ttl 數字 i/o(dio) 32 路 ttl 兼容輸入和輸出 輸入電壓：低：0-0.8v 高：最小 2.0v 輸入負載：低：+0.5v，-0.4

33、ma 高：+2.7v，+0.05ma 輸出電壓：低：0-0.4v（最大值） 高：2.4v（最小值） 驅動能力低：+0.5v，8ma 高：+2.7v，0.4ma(最小值) 光隔離輸出通道 通道數: 16 輸出設備: td62003 集電極開路:540vdc(需外部電源) 灌電流：最大 200ma 吞吐量：10khz 可編程計數器 設備: 8254 a/d 定時觸發器: 32 位時鐘(二個 16 位計數器), 帶一個 2mhz 的時基 計數器: 一個 16 位計數器, 帶一個 2mhz 的時基 定時觸發器輸出:0.00046hz-0.5mhz 一般特性 i/o 基址: 8 個連續的地址位置 接口：

34、一個 37 芯 d 型接頭 工作溫度：0+60 儲存溫度：-20+80 （論文） 10 工作濕度：595% 無凝結 功耗：+5v ， 360ma ( 典型值)450ma (最大) 尺寸：緊湊型, 163mm123mm 32 路數字輸入(16 路隔離和 16 路 ttl 輸入) 3)產品特性 32 路數字輸出(16 路隔離和 16 路 ttl 輸出) 2,500vrms 高電壓隔離 高輸出驅動能力和 200ma 最大灌電流 高達 24v 的隔離輸入電壓保護 板上內部定時觸發器觸發 中斷由內部定時器或外部信號控制 雙中斷觸發源 一個 37 芯接口和兩個 20 芯插頭 3.4 圖像采集單元 圖像采集

35、也就是圖像數字化的過程，即將圖像采集到計算機的過程，主要涉及到成像及模 數轉換（a/d converter）技術，它能直接影響到系統的穩定性及可靠性。圖像的采集實際上是 將被測物體的可視化圖像和內在特征轉化成能被計算機處理的數據，主要通過 ccd 攝像頭與計 算機的圖像采集卡直接相連來完成圖像采集，而圖像捕捉控制是由相關的軟件開發包工具來實 現的。捕捉軟件可以按每秒 125 幀（pal 制）或 130 幀（n 制）來捕捉存貯在幀緩存或計 算機內存里以備預處理系統調用，可以是實時在監控圖像中抓取到含有軸瓦型號字符的圖像。 圖像采集單元包括圖像視頻采集卡、光源、ccd 相機。 3.4.1 ccd

36、ccd 的全稱為 charge coupled devices，它的主要部分為位于單個集成電路芯片上的一組線 性或矩形光傳感器陣列，并包含能讀出由入射圖像產生的充電電荷的必要電路。采用 ccd 器件 構成攝像機，其基本原理是通過光學系統將自然圖像成像在 ccd 的像敏面上，像敏面將照在每 一個像敏單元的圖像照度轉換為少數載流子數密度信號存儲在像敏單元中，然后在轉移到 ccd 的移位寄存器中，在驅動脈沖的作用下順序地移出器件，形成強弱不同的電信號。ccd 圖像傳 感器分為線陣和面陣。線陣 ccd 是將一維光信號進行電轉換的器件，為了得到二維圖像就必須 采用機械掃描的方法來實現，而攝像機采用的是面

37、陣 ccd。 掃描方式有逐行掃描和隔行掃描之分。在隔行掃描里，掃描分為奇偶兩場進行。奇數場的 掃描行為奇數行，偶數場的掃描行為偶數行，兩場合為一幅圖像，即為一幀。因此在隔行掃描 中，無論是攝像機還是 crt 顯示器，獲取或顯示一幅圖像都要掃描兩遍才能得到一幅完整的圖 像。 由視覺傳感器得到的電信號，經過 a/d 轉換成數字信號，稱為數字圖像。一般地，一個畫 面可以分成 256*256 像素、512*512 像素或 1024*1024 個像素，像素的灰度可以用 4 位或 8 位二 （論文） 11 進制數來表示。一般情況下，這么大的信息量對機器人系統來說是足夠的。要求比較高的場合， 還可以通過彩色

38、攝像系統或在黑白攝像管前面加上紅、綠、藍等濾光器得到顏色信息和較好的 反差。 3.4.2 led 陣列照明光源 視覺系統能直接把景物轉化成圖像輸入信號，因此取景部分應當能根據具體情況自動調節 光圈和焦點，以便得到一幅容易處理的圖像。為此應能調節以下幾個參量： 1） 焦點能自動對準要看的物體。 2） 根據光線強弱自動調節光圈。 3） 自動轉動攝像機，使被攝物體位于視野中央。 4） 根據目標物體的顏色選擇濾光器。 此外，還應當調節光源的方向和強度，使目標物體能夠看得更清楚。為了滿足上述條件， 特采用 led 陣列照明光源。 高密度的 led 陣列置于緊湊的、框形斜射光照明單元中，屬于 ldl/ld

39、q 系列，其突出特 點是照明光源角度幾乎可被自由地設成任意角度，并且四面的每個角度都可被獨立設置，適用 于金屬板表面檢測、標簽檢測、陶制品的外部和裂縫檢測等，使所獲得的圖像給后期圖像的處 理、分析和識別帶來了很大的方便。8 圖 3-3 led 陣列照明光源 3.4.3 視頻采集卡 視頻采集卡是機器視覺系統中的關鍵部件，用于將模擬攝像機傳送來的模擬視頻圖像信號轉 換為數字視頻圖像信號。視頻質量的好壞往往與視頻采集卡有直接的關系。 視頻采集卡的種類有很多，視覺系統一般采用非專業級的視頻采集卡。如果使用無壓縮的視 頻壓縮卡，控制系統則必須采用軟件進行視頻壓縮，這將耗費計算機資源。因此，視覺系統一 般

40、采用壓縮視頻采集卡，當前流行的是 mpeg-4 壓縮卡。視頻采集卡由下列部件組成：視頻輸 入、視頻通道多路轉換器、a/d 轉換、視頻壓縮、視頻幀存、音頻輸入、音頻壓縮等。一塊卡 （論文） 12 往往支持 1 路到 4 路視頻采集壓縮和 1 路到 4 路音頻采集壓縮。視頻與音頻之間一般具有同步 的關系。視頻輸入一般支持多種制式；音視頻的壓縮采用專用壓縮芯片。 根據上述視頻采集系統的特點需要，這里我們選用 mv-8000 4 路高清圖像采集卡. 1)產品介紹： 該系列產品是陜西維視數字圖像技術有限公司采用最新的數字視頻處理芯片，嵌入公司自 主知識產權的 h.264 壓縮算法及多路圖像處理的技術，形

41、成了從 cif 到 half d1、full d1 所 有圖像質量等級、具有極高性價比的 mv-1500 系列產品。此 dsp 數字信號處理芯片是 philips 在原來 dsp 系列產品基礎上的升級換代產品，在許多的主要性能上均有明顯的提升。 由于我們獨特的開發技術路線，保證了更優良的視頻圖像質量和更高的實時性。 mv-8000 4 路高清圖像采集卡 高清晰度工業圖像采集卡，10 位 a/d，分辨率 768576，25/30 幀/s，支持 dicrtshow，采用自適應梳狀濾波，動態采集圖像流暢細膩，實時完 成文字/字符/圖形疊加, 可實現單幀/單場/黑白灰度采集，消除運動圖像毛刺、脫影、拉

42、毛現象。 支持 vb、vc、delphi 二次開發，提供開發實例源代碼。帶軟壓存儲軟件，支持多種操作系統。 應用于機器視覺、醫學影像、電子警察、生物識別、交通抓拍、安全監控、工業流水線檢測、 智能交通收費、安全監控等。9 圖 3-4 mv-8000 4 路高清圖像采集卡 2) 主要性能指標： 4 路 pal，ntsc 彩色或黑白視頻信號同時輸入，同時顯示。 mv-8000 4 通道實時圖像采集卡采用 10bit 高清晰度圖像芯片，圖像色彩更真實，清 晰度更高。 圖像分辨率最高：768 x 576 x 32bit; ntsc 640 x 480 x 32bit。 mv-8000 4 通道實時圖像

43、采集卡亮度、對比度、色調、色飽和度軟件可調。 mv-8000 4 通道實時圖像采集卡支持計算機內容與圖像同屏顯示。 支持任意形狀的圖像采集，支持裁剪與比例壓縮模式。 mv-8000 4 通道實時圖像采集卡可在圖象上實時疊加字符、圖形、文字功能 （論文） 13 支持 rgb8888、rgb888、rgb565、rgb555 及 256 色模式。 mv-8000 4 通道實時圖像采集卡支持單場、單幀、連續場、連續幀的采集方式，支持 單機多卡。 mv-8000 工業高清圖像采集卡可在外部視頻上疊加文字和圖像，實時顯示在計算機屏 幕上； 可以和 mv-800 系列圖像采集卡同時使用，開發好的系統軟件不

44、用做任何改動。 mv-8000 工業高清圖像采集卡底層程序穩定，功能豐富、開發簡便、便于程序移植， 供貨穩定，無需擔心停產。 硬件兼容性能好，工作穩定可靠，可在兼容機、原裝機/工控機、甚至在高溫、電弧焊 接、石油勘探現場等惡劣環境下都能良好地穩定工作。 3.5 傳感器和執行機構 在整個控制系統中，除了圖像識別這一重要環節之外，還需要使用傳感器把各種被測參數 轉變成為電量信號，經過中間變換器放大輸出，再轉換成統一電平送到計算機中。同時需要使 用各種接口電路和執行機構，以計算機的輸出去控制對象。常用的執行機構有電子開關、液壓 電動機和氣動電磁閥等各種控制設備。 3.5.1 光傳感器 由于光傳感器的

45、發展，光控電路在自動控制、工農業生產及家用電器等領域都得到了廣泛 的應用。 當載有汽缸的傳輸帶行進到 ccd 面前時，需要暫停一下，便于 ccd 進行拍照采集。這就 需要一個光控開關電路來感應到汽缸的到達，并及時動作暫停發送信號進行下一道工序采 集。這里我們采用光敏三極管光控制電路，如圖 3-5 所示。 vz1 vz2 +c1 r1 r5 r3 r4 r2 vt1 rp r7 r6 vd vt2 ur l n hl t 220 + n ka 36v u門門 b a 圖 3-5 光敏三極管光控制電路 工作原理：發光器為白熾燈，受光器為光電晶體管。白熾燈的電源直接由變壓器 t 的副邊 所得，而開關

46、電路的工作電源是在變壓器降壓后，通過整橋 ur 整流，電容 c1濾波后提供的， 光電開關的門限電壓是由電阻 r3、r4分壓所得，即 u門限=r4ucc/（r3+r4） 。當無被測體接近時， （論文） 14 白熾燈 hl 照射到光敏三極管 vt1，此時光敏三極管飽和導通，a 點電位低于比較器 n 的門限 電壓u門限，比較器 n 輸出低電平，穩壓二極管 vz1 截止，使晶體管 vt2截止，繼電器 ka 不 動作。當有檢測體接近時，白熾燈燈光被遮擋，照射到光電晶體管的光線減弱，光電晶體管 vt1由導通狀態變為截止狀態，使 a 點電位升高接近電源電壓值，uaub，比較器 n 輸出高電 平，使穩壓二極管

47、 vz1 擊穿導通，晶體管 vt2由截止狀態變為飽和導通狀態，繼電器 ka 動作 10。使液壓止動器抬起，并延時 3 秒便于圖像采集。 3.5.2 液壓控制安裝電路 在圖像處理系統識別完畢后，型號正確的汽缸將會繼續前行，送到規定的位置（完成分類、 安裝工序） 。在接近目的安裝位置時，需要有一個液壓控制來快速給汽缸一個推力，使汽缸準確 無誤的安裝到發動機的指定位置之上。 圖 3-6 是裝置的功能結構圖，此裝置是基于負階躍力的動態力發生裝置，裝置由測力液壓缸， 工作液壓缸、力傳感器、液壓系統及微機電控制系統等組成。根據帕斯卡原理，測力液壓缸 2 將具有標準質量的的砝碼 1 所產生的標準油壓經油管傳

48、遞至活塞 5 上產生標準靜態力。該標準 動態力通過卸荷部件 6 及墊塊 7 給力傳感器 8，然后在沖桿 10 上施加沖擊力 f(t)，使卸荷部件并 同時使施加于力傳感器上的力撤消，力傳感器因而受到負荷階躍力的作用。11 圖 3-6 力源裝置結構原理圖 （論文） 15 4 數字圖像處理 4.1 圖像 圖像包含兩層含義，即“圖”和“像”。所謂“圖”，就是物體透射或者反射的光的分布；“像”是 人的視覺系統接受圖的信息而在大腦中形成的印象或認識。前者是客觀存在的，而后者是人的 感覺，圖像應該是兩者的結合。從廣義上說，圖像是自然界景物的客觀反映，照片、各種類型 的繪畫、電視畫面等等就是圖像的最直觀的例子

49、。它是用各種觀測系統以不同形式和手段觀測 客觀世界而獲得的，可以直接或間接作用于人眼并進而產生視知覺的實體。人的視覺系統就是 一個觀測系統，通過它得到的圖像就是客觀景物在人眼中形成的影像。圖像信息不僅包含光通 量分布，而且也還包含人類視覺的主觀感受。然而，除了這些能被人眼觀察到的各種平面圖像 以外，它還包括視覺無法觀察的其他用物理圖像和空間物理圖像。例如，溫度、壓力、高度等 物理量的平面或空間分布，就是無法直接用人眼進行觀察的圖像。 此外，我們所討論的圖像還包括用數字函數和離散數據所描述的抽象的連續或離散圖像。 客觀世界在空間上是三維（3-d）的，但一般從客觀景物得到的圖像是二維(2-d)的。

50、一幅圖像可 以用一個 2-d 數組 f(x, y)來表示，這里 x 和 y 表示 2-d 空間 xy 中一個坐標點的位置，而 f 則代 表圖像在點(x, y)的某種性質 f 的數值。例如常用的圖像一般是灰度圖，這時 f 表示灰度值，它 常對應客觀景物被觀察到的亮度值。 常見圖像是連續定義的，即 f(x, y)的值可以是任意實數。為了能用數字計算機對圖像進行加 工處理，需要把連續的圖像在坐標空間 xy 和性質空間 f 都進行離散化。這種離散化了的圖像 就是數字圖像，可以用 i(r, c)來表示。這里 i 代表離散化后的 f(r, c)代表離散化后的(x, y)，其中 r 代表圖像的行（row）

51、。c 代表圖像的列(column)。這里 i, c, r 的值都是整數， f(x, y)代表數字圖 像。 4.2 數字圖像 常用的模擬圖像是連續的，為了便于數字傳輸和計算機處理，需要在坐標空間和屬性空間 都進行離散化，以數字量的形式記錄和傳輸，這種離散化后的圖像就稱為數字圖像。數字圖像 通常用矩陣函數的形式來表示，如式（4-1）所示。 （4-1） 11121 21222 12 ( , ) n n m nm n mmmn fff fff ff x y fff 其中：表示處物體的屬性值，0，1，2，m-1；0，1，2，n-( , )f x y( , )x yx y 1；m 表示圖像在水平方向上的點

52、數，n 表示圖像在垂直方向上的點數。 （論文） 16 式（4-1）的矩陣中的元素在圖像中稱為像素（或像元） ；各個元素的值，即為相應像素的 屬性值（如灰度值等） 。也可以將數字灰度圖像看成一個由像素灰度值組成的二維數組。 4.3 圖像數字化 將模擬的圖像轉變成離散的數字圖像的過程稱為圖像的數字化，它包括兩個部分： 圖像采樣，即圖像平面坐標的離散化； 圖像量化，即圖像灰度值的離散化。 通過圖像采樣和量化這兩個技術過程得到數字圖像上的最小單元，即像素。通過圖像的數 字化處理可將一幅連續的光學圖像轉變成用矩陣表示的離散的數字圖像，從而建立了連續圖像 和離散圖像之間相互聯系的橋梁，利用計算機進行圖像的

53、處理。 4.4 數字圖像處理 數字圖像處理是從 20 世紀 60 年代以來隨著計算機技術和 vlsi 的發展而生產、發展和不 斷成熟起來的一個新興技術領域，它在理論上和實際應用上都取得了巨大的成就，并引起各方 面人士的廣泛重視。視覺是人類最重要的感知手段，圖像又是視覺的基礎。因此數字圖像成為 心理學、生物醫學、計算機科學等諸多方面的學者研究視覺感知的有效工具。 數字圖像處理，又稱計算機圖像處理（computer image processing）是研究由物體到圖像并 進行處理的一類理論技術，通常是把一幅圖像變換成另外一幅圖像。實用的數字圖像系統是一 個包括硬件和軟件的復雜系統，其功能模型如圖

54、4-1 所示，從圖中可以看出，數字圖像處理系統 主要由圖像輸入/輸出、存取/通信、存儲控制和圖像處理五部分構成，從而完成采集、顯示、儲 存、通信、處理和分析的功能： 圖像輸入是圖像處理系統的輸入單元，它可以接受各種圖像輸入設備所采集的圖像信息， 其應用不同，因而存在多種工作方式。常使用的圖像輸入設備有 ccd 攝像機、數字照相機和掃 描儀等。 圖像輸出是圖像處理系統的輸出單元，可以與各種圖像輸出設備相連接。常用的設備有 crt 熒光屏顯示器、打印機和繪圖儀等。 圖像存儲和控制單元主要負責執行存儲和控制功能。其中控制功能是指在圖像處理中對 圖像處理單元所完成的控制。通常使用鍵盤、鼠標等。存儲設備

55、有各種 ram，rom 鍵盤、光 盤等，主要用于圖像處理過程中的相關信息的存儲。 存取/通信設備可以通過網絡將存儲在遠端計算機硬盤或光盤中圖像信息送入圖像處理單 元以便做進一步處理，當然也可以進行本地操作。 圖像處理設備是圖像處理系統的核心。它包括了各種硬件和用于圖像處理的各種通用或 專用的軟件。 （論文） 17 存取/通信 主圖像處理 （計算機硬件/軟件） 圖像輸入圖像輸出 控制、存儲 圖 4-1 數字圖像處理系統模型 數字圖像處理的研究內容主要涉及到圖像數字化、圖像增強、圖像恢復、圖像編碼和圖像 特征描述等各個方面。其中圖像的攝取與數字化，是研究如何進行圖像獲取并轉換成適合計算 機或數字圖

56、像設備處理的數字信號；圖像增強，是將增強圖像中的有用信息，削弱干擾和噪聲， 以便對圖像進一步的處理和分析；圖像恢復，是將退化或模糊了的圖像復原；圖像編碼，是為 便于圖像存儲和傳輸，在滿足一定的保真度要求下，簡化圖像的表示，從而大大壓縮表示圖像 的數據；圖像特征描述是提取圖像特征并予以描述，為圖像識別、分析和理解奠定基礎。它與 機器視覺的區別在于，機器視覺主要研究圖像的三維重建、運動圖像分析和圖像識別、分析與 理解，而數字圖像處理重點強調的是對圖像的處理，使之更適合于人眼觀察或儀器檢測的圖像。 由于圖像技術近年來得到極大的重視和長足的進展，出現了許多新理論、新方法、新算法、 新手段、新設備。眾所

57、周知，工程是指將自然科學的原理應用到工業部門而形成的各學科的總 稱。圖像工作者普遍認為需對圖像和它們的處理技術進行綜合研究和集成應用，這個工作的框 架就形成了圖像工程。圖像工程學科是將數學、光學等基礎科學的原理，結合在圖像應用中積 累的技術經驗而發展起來的。12 根據抽象程度和研究方法等的不同，以圖像識別為目的的計算機視覺可分為 三個階段：即 圖像處理、圖像分析和圖像識別。圖像識別的基本模型如圖 4-2 所示： （論文） 18 圖像預處理去 噪聲，灰度修 正，圖像增強、 集合糾正 圖像分割、 邊緣提取、 二值化 提取目標特 征形成參數 描述，建立 模式矢量 圖像模式識別分類器、統計分類器、 模

58、糊分類器 分類識別結果 輸入圖像 圖 4-2 圖像識別的基本模型 圖像處理著重強調在圖像之間進行的變換。雖然人們常用圖像處理泛指各種圖像技術，但 是，比較狹義的圖像處理主要在于滿足對圖像進行各種加工，以改善圖像的視覺效果，并為自 動識別打下基礎，或對圖像進行壓縮編碼，以減少所需存儲空間或傳輸空間、傳輸通道的要求。 圖像分析則主要是對圖像中感興趣的目標進行檢測和測量，以獲得它們的客觀信息，從而 建立對圖像的描述。如果說圖像處理是一個從圖像到圖像的過程，圖像分析則是一個從圖像到 數據的過程。這里，數據可以是對目標特征測量的結果，或是基于測量的符號標號，它們描述 了圖像中目標的特點和性質。13 圖像

59、識別的重點則是在圖像分析的基礎上，進一步研究圖像中各目標的性質和它們之間的 相互聯系，并根據圖像分析中提取的各個目標特征，利用模式識別技術對其進行分類識別。 綜上所述，圖像處理、圖像分析和圖像識別是處在三種不同抽象程度和數據量各有特點的 不同層次上。圖像處理是比較低層的操作，它主要在圖像像素級上進行處理，處理的數據量非 常大。圖像分析則進入了中層，分割和特征提取把原來以像素描述的圖像轉變成比較簡潔的非 圖形式的描繪。圖像識別則是主要是高層操作，基本上是對從描述抽象出來的符號進行運算， 其處理過程和方法與人類的思維和推理有許多類似之處。在這里，隨著抽象程度的提高，數據 量是逐漸減少的，具體說來，

60、原始圖像數據經過一系列的處理過程逐漸轉化為更有組織和用途 的信息。在這個過程中，語義不斷引入，操作對象發生變化，數據量得到了壓縮。另一方面， 高層操作對低層操作有指導作用，能提高低層操作的效能。 5 曲軸軸瓦的檢測識別原理 5.1 機器視覺檢測原理 機器視覺檢測的基本原理就是用計算機來代替人的眼睛和大腦對客觀世界進行感知和理解 以完成特定的目的。其檢測的基本過程是通過 ccd 攝像頭獲取圖像并輸入計算機，采用一定的 （論文） 19 算法完成圖像預處理和圖像特征提取，應用模式識別方法來達到對分割完的單元進行識別、分 類等，從而完成對圖像的分析和理解。 5.2 氣缸表面字符檢測原理 本系統采用的檢