基于機(jī)器視覺的火花塞間隙檢測技術(shù)

華才健 蹇紅梅 張 燕

（1.四川理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 自貢 643000；2.企業(yè)信息化與物聯(lián)網(wǎng)測控技術(shù)四川省（高校）重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 自貢 643000）

基于機(jī)器視覺的火花塞間隙檢測技術(shù)

華才健1，2， 蹇紅梅1， 張 燕1

（1.四川理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 自貢 643000；2.企業(yè)信息化與物聯(lián)網(wǎng)測控技術(shù)四川省（高校）重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 自貢 643000）

針對火花塞間隙人工檢測不足，提出一種基于機(jī)器視覺技術(shù)的自動檢測方法。采用背光源、遠(yuǎn)心鏡頭和CCD面陣相機(jī)搭建圖像采集系統(tǒng)，攝像機(jī)校準(zhǔn)和火花塞模板創(chuàng)建后，采用形狀匹配算法找出火花塞圖像，基于亞像素邊緣輪廓測量出火花塞間隙尺寸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：視覺檢測結(jié)果與人工測量結(jié)果一致，可用于火花塞間隙尺寸的自動判別和定量檢測。

機(jī)器視覺；火花塞間隙；自動檢測；圖像處理

0 引 言

火花塞是汽油發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的重要零件，中心電極與側(cè)電極的間隙是否符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求直接影響點(diǎn)火系統(tǒng)的放電品質(zhì)、發(fā)動機(jī)性能和排放[1-2]。傳統(tǒng)的火花塞成品自動化生產(chǎn)線，火花塞間隙檢測主要依賴于人工采用卡規(guī)的方法，該方法在批量生產(chǎn)檢測中已凸顯出效率低下、標(biāo)準(zhǔn)不一致和易誤判等嚴(yán)重不足。

隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的飛速提高和圖像處理理論的快速發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)也得到了快速發(fā)展，在現(xiàn)代化生產(chǎn)檢測中顯示出較傳統(tǒng)方法更為有效、快速、客觀等優(yōu)勢。機(jī)器視覺技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)[3-4]、表面缺陷檢測[5]、外觀檢測[6]、檢定裝置[7]、形狀及尺寸檢測[8]和缺陷檢測[9]等方面。在火花塞間隙檢測方面，王偉[10]對傳統(tǒng)火花塞間隙手工檢測工藝進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，提出采用視覺系統(tǒng)替代人工在線檢測的方法，但未對視覺檢測系統(tǒng)的成像手段和圖像處理方法進(jìn)行描述。

本文使用遠(yuǎn)心鏡頭、平行背光源和電荷耦合元件（charge-coypled device，CCD）面陣相機(jī)構(gòu)建機(jī)器視覺系統(tǒng)，采集火花塞圖像；通過攝像機(jī)標(biāo)定、模板創(chuàng)建匹配和火花塞邊緣提取等圖像處理方法，測量火花塞中心電極與側(cè)電極的間隙尺寸，并判斷該間隙是否在允許公差范圍內(nèi)；根據(jù)檢測結(jié)果，判斷是否采取如剔除當(dāng)前火花塞等適當(dāng)動作。

1 機(jī)器視覺系統(tǒng)組成

基于機(jī)器視覺的火花塞間隙自動檢測，就是通過計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和圖像處理手段，采集并處理火花塞圖像，測量火花塞中心電極與側(cè)電極的間隙尺寸，并判斷該間隙是否在允許公差范圍內(nèi)。本文構(gòu)建的機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)，由照明系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)控制平臺組成。

在火花塞檢測系統(tǒng)中，為了避免圖像的透視變形，首先，對精確測量帶來的影響，選用遠(yuǎn)心攝像機(jī)模型，面陣圖像傳感器；其次，為了得到非常銳利的火花塞邊緣輪廓的圖像，避免火花塞在攝像機(jī)側(cè)的反射，視覺系統(tǒng)使用平行背光源作為照明。旋轉(zhuǎn)控制平臺則采用步進(jìn)電機(jī)控制載物臺旋轉(zhuǎn)，通過外觸發(fā)定點(diǎn)采集火花塞圖像。

2 火花塞間隙檢測原理

機(jī)器視覺系統(tǒng)中，視覺信息的處理主要是圖像處理，包括圖像增強(qiáng)、幾何變換、圖像分割、特征提取、邊緣提取和模板匹配等內(nèi)容；經(jīng)過這些處理改善了圖像的視覺效果，便于計(jì)算機(jī)對圖像進(jìn)行分析、處理和目標(biāo)識別。

本文把待測火花塞放在旋轉(zhuǎn)工作臺上的特定檢測區(qū)內(nèi)，在近似均勻散射光的背光源照射下，CCD攝像頭采集火花塞表面圖像并送入計(jì)算機(jī)；在對該圖像進(jìn)行一系列圖像處理運(yùn)算后，根據(jù)中心電極和側(cè)電極間隙尺寸的計(jì)算來判定該間隙是否在允許的誤差范圍內(nèi)，從而判斷該火花塞是否合格。具體的檢測原理和圖像處理算法如下：

首先對攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，確定攝像機(jī)內(nèi)部和外部參數(shù)；然后創(chuàng)建模板并采用魯棒的形狀匹配算法找到火花塞；在這基礎(chǔ)上，根據(jù)匹配姿態(tài)，對被測量的感興趣區(qū)域進(jìn)行調(diào)準(zhǔn)；最后提取火花塞輪廓的一維邊緣，計(jì)算其間隙尺寸，判斷是否在允許的誤差范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)該火花塞間隙的檢測。

2.1 攝像機(jī)標(biāo)定

為消除鏡頭畸變，并以公制單位表示火花塞間隙，需對標(biāo)定板采集的不同位置下清晰的多幅圖像進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定，確定攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)。本文采用張正友[11]標(biāo)定算法對攝像進(jìn)行標(biāo)定，計(jì)算出攝像機(jī)的5個(gè)內(nèi)部參數(shù)。

標(biāo)定時(shí)，假定標(biāo)定模板平面在世界坐標(biāo)系Z=0的平面上，則

式中：K——攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣；

[XY1]T——模板平面上點(diǎn)的齊次坐標(biāo)；

[u ν1]T——模板平面上點(diǎn)投影到圖像平面上

對應(yīng)點(diǎn)的齊次坐標(biāo)；

[r1r2r3]，t——攝像機(jī)坐標(biāo)系相對于世界坐標(biāo)

系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。其中，

根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣性質(zhì)，即r1Tr2=0和‖r1‖=‖r2‖=1，每副圖像可以獲得以下兩個(gè)對內(nèi)參數(shù)矩陣的基本約束：

由于攝像機(jī)有5個(gè)未知內(nèi)參數(shù)，所以當(dāng)所攝圖像數(shù)目≥3時(shí)，就可以線性唯一求解出5個(gè)未知內(nèi)參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)中，共獲取了15副不同位姿的標(biāo)定板圖像，計(jì)算出攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)后，可得到相機(jī)中每個(gè)CCD像素對應(yīng)的實(shí)際尺寸（即像素當(dāng)量），當(dāng)計(jì)算出待測火花塞中心電極和側(cè)電極兩邊緣間的像素?cái)?shù)時(shí)再利用該像素當(dāng)量便可得到間隙的精確尺寸。

2.2 模板匹配

火花塞在圖像上的位置通過使用魯棒的模板匹配算法確定。本文采用基于形狀的匹配算法，首先從模板圖像中建立相應(yīng)的火花塞模板輪廓，然后基于模板輪廓從火花塞圖像中匹配出火花塞的中心電極位置。

在線檢測過程中，使用形狀模型在獲取圖像上匹配找到火花塞，根據(jù)找到的火花塞位置，創(chuàng)建測量用矩形。首先對匹配的位姿進(jìn)行二維剛性變換，使得模型與圖像中的火花塞重合，然后利用得到的變換對測量矩形中心的相對位置進(jìn)行變換，最后使矩形方向與火花塞方向一致。

2.3 亞像素邊緣輪廓檢測

火花塞間隙檢測中，測量矩形區(qū)域邊緣輪廓的檢測和定位精度是間隙測量精度的關(guān)鍵，本文采用亞像素邊緣檢測方法，其步驟為：1）用經(jīng)典Canny邊緣檢測器粗略定位邊緣；2）為得到較精確的邊緣，綜合考慮定位精度和抗噪能力，本文使用雙線性插值法，對粗略邊緣進(jìn)行亞像素級定位，得到不失真的邊緣輪廓。亞像素邊緣輪廓檢測如圖1所示，包括測量矩形構(gòu)建和亞像素邊緣輪廓提取。

圖1 亞像素邊緣輪廓檢測

3 實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)機(jī)器視覺系統(tǒng)采用維視圖像公司的VS1600機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)平臺，轉(zhuǎn)速可調(diào)，可外觸發(fā)定點(diǎn)圖像采集。采用維視圖像公司的GigE CCD彩色工業(yè)數(shù)字相機(jī)，其像元尺寸為3.75 μm×3.75 μm，分辨率為1280×960，幀速為30fps。鏡頭為AFT vision ZML1001小型變倍縮放工業(yè)鏡頭，物距為48mm×354 mm，視場為3.5mm×2.6mm～48mm×36mm；光源為AFT-BL200W白色LED背光源，發(fā)光面為200mm×20mm，亮度可調(diào)。圖像處理平臺基于Halcon11.0。火花塞間隙檢測實(shí)例如圖2所示，根據(jù)公差范圍，檢測結(jié)果分為間隙過大、間隙過小和合格3類。

圖2 火花塞間隙檢測實(shí)例

實(shí)驗(yàn)中對大量的火花塞隨機(jī)抽取5個(gè)，采用機(jī)器視覺測量其間隙尺寸，并與人工卡規(guī)測量進(jìn)行比較，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，視覺測量和人工測量的誤差范圍在0.5%～1.9%，比較結(jié)果一致，說明機(jī)器視覺測量完全可以替代人工測量。自動化生產(chǎn)在線檢測時(shí)，可根據(jù)檢測結(jié)果自動將火花塞間隙分成3類，即：合格、大于上差、小于下差。

表1 火花塞間隙測量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)束語

本文基于機(jī)器視覺技術(shù)對火花塞間隙檢測的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了火花塞間隙的非接觸、高精度的視覺測量和檢測。視覺系統(tǒng)使用遠(yuǎn)心鏡頭、平行背光源和CCD攝像頭采集圖像。首先標(biāo)定攝像機(jī)；然后采用魯棒的匹配算法在圖像中找到火花塞，根據(jù)匹配的姿態(tài)，對被測量的感興趣區(qū)域進(jìn)行調(diào)準(zhǔn)；最后，對火花塞間隙進(jìn)行一維邊緣提取得到灰度輪廓，從而進(jìn)行間隙的準(zhǔn)確測量。實(shí)驗(yàn)表明：本文設(shè)計(jì)的機(jī)器視覺系統(tǒng)完全可以替代人工對火花塞間隙進(jìn)行自動準(zhǔn)確檢測，根據(jù)測量結(jié)果，自動化設(shè)備可采取如剔除當(dāng)前不合格火花塞等適當(dāng)?shù)膭幼鳌?/p>

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[11]Zhang Z Y.A flexible camera calibration by viewing a plane from unknown orientations[C]∥ICCV’99，1999（1）：666-673.

Method of spark plugs inspection based on machine vision

HUA Cai-jian1，2，JIAN Hong-mei1，ZHANG Yan1
（1.School of Computer Science，Sichuan University of Science and Technology，Zigong 643000，China；2.Sichuan Provincial Key Lab of Enterprise Information and Internet of Things Measuring and Control Technology，Zigong 643000，China）

To overcome the shortcomings of the manual sparkplugs gap inspection，an automatic inspection method was proposed based on the machine vision technology.An image acquisition system was built to automatically capture the spark plug image using backlight，telocentric lens and CCD area array camera.Camera calibration and template of spark plugs were created.The spark plugs image was found out based on template matching algorithm，and the sub-pixel edge was detected to measure the size of the spark plugsgap.Experimentalresultsshow thatvisual inspection results are consistent with artificial measurement results and the proposed method can be used in automatic and quantitative inspection of spark plugs gap.

machine vision；spark plugs gab；automatic inspection；image processing

TP391.41；TK413.9+5；TP75；TM930.12

：A

：1674-5124（2014）05-0108-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.028

2014-02-11；

：2014-04-04

四川省教育廳項(xiàng)目（13ZB0139）企業(yè)信息化與物聯(lián)網(wǎng)測控技術(shù)四川省（高校）重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（2013WYY04）四川理工學(xué)院人才引進(jìn)項(xiàng)目（2012RC22）

華才健（1977-），男，四川自貢市人，講師，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)器視覺與模式識別。