基于CCD的起重機吊鉤檢測系統改進方法的研究

劉延川 于靜

摘 要：本文針對國家質檢總局科技項目基于CCD的起重機吊鉤檢測系統中存在的（1）吊鉤鉤身扭轉變形度無法測量問題；（2）三個危險斷面中垂直斷面磨損量測量誤差值過大問題；（3）陰影對吊鉤邊緣測量結果的影響問題，提出了相應的解決方案，為后續軟件程序的編寫提供了重要的理論基礎。

關鍵詞：CCD；吊鉤；危險斷面；亞像素算法

0 引言

針對起重機械定期檢驗過程中，吊鉤各部分磨損量需要進行測量，以判別是否達到報廢標準。需要測量的尺寸包括：（1）開口度變形尺寸，（2）吊鉤鉤身的扭轉變形度，（3）吊鉤危險斷面的磨損量，（4）吊鉤鉤柄腐蝕后的尺寸。對于傳統的檢驗方法測量精度不高，效率低，可靠性差。在國家質檢總局科技項目中，提出了一種基于面陣CCD的起重機吊鉤測量系統，它是利用光學原理測量吊鉤的圖像，再把圖像經過一定的處理讓邊緣清晰可見，提高可測量性。再將檢測到的各部分尺寸傳輸到計算機中，計算機從數據庫中提取出所測零件的原始尺寸，再與所測量的尺寸進行比對，通過比對結果，輸出吊鉤各部位的磨損量。該測量方法具有高速度、非接觸、動態范圍大、信息量豐富、測量結果具有可追溯性等優點，非常適合傳統方法難以測量的場合。

1 存在問題

在實際的應用中系統存在如下問題：

（1）原系統未涉及到吊鉤扭轉變形度的測量。原因是扭轉變形是一個空間量，一個相機、一個視圖無法檢測出扭轉變形的度數，只有通過至少兩個方向上的視圖才能夠準確的測量出吊鉤鉤身的扭轉變形度。

（2）三個危險斷面中垂直斷面磨損量測量誤差值過大。系統采用Matlab軟件對危險斷面的磨損量進行測量。

采用的方法為：首先測量吊鉤鉤柄直徑，然后根據鉤柄直徑確定中心線，以該中心線為基準，測量垂直斷面的磨損量。采用這種方法測量出的結果為垂直斷面中的一條垂直線。而磨損量是由無數條這樣的垂直線組成。顯然用一條線來估算磨損量是不夠準確的。

（3）陰影對吊鉤邊緣測量結果的影響。本系統采取的邊緣像素定位方法是閾值法，它的特點是：首先設定一個合理的閾值，將各像素點的灰度值與之進行比較，小于閾值的設為白的，大于閾值的設為黑點，經過此種變換，生成相對應的二值圖像，通過此二值圖像便可得到物體邊緣的清晰的輪廓。由于該系統圖像中只含有吊鉤一個測量對象，且圖像形狀不復雜，測量過程側重物體邊緣輪廓的定位，只要不產生偽邊緣，且不漏檢真邊緣，就可滿足要求。然而由于檢測過程中吊鉤陰影的存在，系統誤將陰影當做吊鉤的一部分，使得檢測結果不準確。雖然采用平行光照射吊鉤，弱化吊鉤陰影區，但是在光線不足的情況下，僅通過外光源的照射，很難完全消除陰影，這就對測量結果造成一定的影響。

2 解決方法

（1）針對吊鉤鉤身扭轉變形度的測量問題，本文采用的方法為：一個相機拍照，相機不動，將所測吊鉤旋轉90°的方法測量。首先通過主視圖進行測量，然后將吊鉤旋轉90°，得到側視圖，在側視圖中前鉤身中心線OA與后鉤身中心線OB之間的夾角α就是所需測量的吊鉤鉤身的扭轉變形度。

（2）針對三個危險斷面中垂直斷面磨損量測量誤差值過大的問題，本文采用定積分的方法計算求得。如果一個物體不是旋轉體，但卻知道該物體上垂直于一定軸的各個截面的面積，那么，這個物體的體積就可以用定積分來計算。

取上述定軸為x軸，并設該吊鉤在過點x=-6.5、x=6.5（五噸吊鉤所選鋼絲繩直徑為13mm）且垂直于x軸的兩個平面之間。以A（x）表示過點x且垂直于x軸的截面面積。A（x）為x的已知的連續函數。這時取x為積分變量，它的變化區間為【-6.5，6.5】；物體中相應于【-6.5，6.5】上任一小區間[x，x+dx]的一薄片體積，近似于底面積為A（x）、高為dx的扁柱體的體積，即體積元素dV=A（x）dx

以A（x）dx為被積表達式，在閉區間【-6.5，6.5】上作定積分，變得所求物體的體積，該計算結果便為吊鉤垂直斷面磨損量。

A（x）的面積計算：A（x）為長方形截面的面積，其中長為寬為吊鉤的寬度，查表為40mm，所以

（3）針對系統中存在的陰影對吊鉤邊緣測量結果的影響問題，本文引入亞像素算法。它是通過經典邊緣檢測算法作為基礎，再通過周圍圖像像素的灰度值作為判斷的補充條件，使圖像邊緣定位在更加精確、清晰的位置。最早應用的亞像素算法是重心法，后來又提出了空間矩法、插值法等，這里采用的是最小二乘法。

首先，給定一點列（xi，yi），用最小二乘法擬合函數f（x），就是該曲線到給定點的均方誤差達到最小。如對二次拋物曲線，設給定點的數目為m，未知系數為n，并且m>n，則可得到矩形式的超定方程BG=Y，其中

則各數據點的誤差列向量可以寫作：

E=Y-BC （1）

用豪斯荷爾德變換將矩陣B進行QR分解，即

B=QR

其中：Q為m×n正交矩陣，R為m×n的上三角陣。

用QT乘以式（1）的兩邊得：

QTE=QTY-QTBC=QTY-RC。

若令其中：F為n維列向量，G為m-n維列向量，R1為n×n上三角矩陣，則可得。

顯然當F=R1C時，上式最小。這樣只需求解線性方程R1C=F來得到各系數值。

3 結束語

本文在前期研究的基礎上，針對系統中存在的（1）無法測量吊鉤鉤身扭轉變形度的問題；（2）三個危險斷面中垂直斷面磨損量測量誤差值過大問題；（3）陰影對吊鉤邊緣測量結果的影響問題，提出了相應的解決方案，為后續軟件程序的編寫提供了理論基礎。

參考文獻

[1] 劉延川，關壽崇.基于CCD的起重機零件檢測系統.起重運輸機械2011.05：54-56.

[2] 劉延川，趙希軍.基于面陣CCD的起重機吊鉤檢測系統的研制.起重運輸機械.2015.02：67-68.

[3] 于忠黨，王龍山.基于圖像處理的零件參數檢測研究.渤海大學學報.2006.03：61-65.

[4] M.Elbum，P.Diamen.Estimation of image centroid，sikze and orientation with laser radar[J].Applied optics，1977（6）：2438-2440.

[5] 于起峰，陸宏偉，等.基于圖像的精密測量與運動測量[M].北京科學出版社，2002：134-139.

[6] 吳曉波，鐘先信，等.應用多項式插值函數提高面陣CCD尺寸測量的分辨力[J].儀器儀表學報，1996，17（2）：154-158.