基于CCD的藥柱尺寸測量裝置的設計與實現

董 偉

（三門峽職業技術學院，三門峽 472000）

管狀發射藥柱是武器發射系統的重要部件，一般通過壓伸成型工藝生產，藥柱在切割過程中會發生變形，使管狀柱體的幾何尺寸變得不一致[1]。由于藥柱的內、外徑等尺寸的一致性直接關系武器發射系統的性能，因此生產企業和使用部門都非常重視對管狀發射藥柱幾何尺寸的檢測。傳統的測量方法是采用千分尺人工分別測量從每批藥柱中抽取的樣品，如果該批藥柱中抽檢的藥型平均尺寸偏差超過指標要求，則該批樣品就得全部報廢。

近年來，隨著CCD固體攝像器件的發展，基于CCD的圖像測量技術成為國內外研究的熱點。由于其具有高分辨率、高靈敏度和像素位置準確等特性，所以在光電檢測中用CCD傳感器作為接收器件對物體幾何尺寸進行非接觸測量的技術得到了越來越廣泛的應用[2]。本設計將CCD技術應用于管狀發射藥柱的尺寸測量，其檢測效率和測量精度等都有很大的提高。

1 系統設計原理

圖像測量原理是通過光學系統將藥型的端面尺寸以固定的、準確的倍率成像于CCD光敏面上，對CCD輸出信號進行提取并進行A/D轉換，送往計算機[3]。再用軟件對端面的內外輪廓進行識別，確定內外圓圓心，計算出內外徑尺寸及壁厚差，并與標準值進行對比，自動判別藥柱尺寸是否合格。測量系統的設計流程如圖1所示。

圖1 設計流程

2 圖形采集

2.1 系統標定

在機器視覺中對所獲得的圖像處理都是基于像素的，要想得到零件的實際尺寸，就要對攝像機進行標定，使像素值和實際尺寸聯系起來[4]。零件的實際尺寸=零件圖像所占得像素數×實際尺寸和像素值的比例系數。系統標定要求定塊的前表面與藥柱安裝后的前端面在同一平面內，這樣才能保證標定結果及測量結果的準確性。系統標定界面如圖2所示。

圖2 系統標定界面

2.2 圖像采集與處理

2.2.1 圖像采集

圖像采集即將視頻信號轉換成計算機識別的數字格式。圖像采集系統即環境光（陽光或照明光）由目標反射，反射光通過鏡頭匯聚，使得目標圖像聚焦在CCD攝像元件上，通過視頻處理器及驅動電路在計算機上顯示出來。圖像采集系統如圖3所示。

圖3 圖像采集

圖像采集系統的關鍵是使藥柱端面的幾何中心與攝像機鏡頭的中心處于同一水平直線上，即所謂的對中定位。由于藥柱安裝后，不宜對其進行調整，人們將攝像機鏡頭安裝在遙測設備的一端，通過控制按鈕，控制攝像機鏡頭上下、左右、前后移動，方便其進行對焦，使得藥柱端面的幾何中心與控制軟件的藍色十字線交點重合，可以得到較為理想的圖像，便于計算機軟件的識別，得到精確的測量結果。

在實際的測量過程中，由于采用的攝像機鏡頭為定焦距，根據藥柱的外圓最大尺寸即可確定視場的大小，從而調節鏡頭與藥柱端面之間的距離，在計算機軟件的窗口得到合理的畫面。

2.2.2 圖像二值化處理

圖像處理系統主要對CCD攝像機采集的藥柱端面圖像進行分析，實現對管狀藥柱參數的檢測。首先需要將藥柱的內、外輪廓檢測出來，圖像閾值分割主要是利用圖像中要提取的目標和背景在灰度特征上的差異，選擇一個合適的閾值，判斷圖像中的每一個像素點的灰度特征是否滿足閾值要求來確定圖像中該像素點是屬于目標還是應該屬于背景，從而產生二值圖像。而邊緣檢測算法是利用灰度差來檢測邊緣的，只要灰度變化達到一定程度就會被當作邊緣檢測出來。對于管狀發射藥柱來說，藥柱端面灰度有較大變化，如果采用邊緣檢測算法，只要灰度變化達到一定程度就會被當作邊緣檢測出來，有可能會產生大量虛假邊緣，加大邊緣檢測難度。因此，本文采用先將圖像進行閾值分割，然后對二值化圖像進行輪廓跟蹤的算法實現藥柱內、外輪廓的檢測。

在圖像的處理過程中，需要使用二值圖像，二值圖像的每個像素只有兩個可能值的數字圖像，即每個像素值不是1就是0，其灰度值沒有中間過渡的圖像[5]。當采集到的藥柱端面圖像經驅動電路傳到計算機后，運用軟件將圖像進行二值化處理，設置背景及藥柱內部和藥柱圓環處理為不同的顏色，便于圖像的邊緣提取。在此系統中，藥柱端面圖像只有一個目標和背景，而且目標與背景的灰度分布都比較均勻，故可以選用某一閾值Th，把圖像的像素分成大于Th的像素群（背景）和小于Th的像素群（目標）兩部分。設F（X，Y）表示對圖像二值化的輸出，即：

此處圖像二值化將目標點的灰度值置為0，背景點的灰度值置為1。經處理后得到的二值化圖像如圖4所示。

圖4 二值化圖像

2.2.3 圖像邊緣檢測

在圖像二值化處理的基礎上，人們可以得到藥柱端面的圓環圖像，還需進行圖像的邊緣檢測來獲得圓環的內外圓邊界。二值圖像邊界跟蹤一般方法的具體步驟如下：利用光柵掃描，如果像素值由1變為0，就將當前的像素Ps的坐標（i，j）記錄下來，從像素（i，j）開始逆時針方向計算8個鄰接像素，當第一次出現的像素值為1，就記為P1，同時記錄P1的坐標[6]。同上，逆時針方向用已有的Pk-1去計算其8個鄰接像素，一旦遇到當前像素值為0，就記為Pk，同時記錄Pk的坐標。當Pk=Ps時，整個輪廓邊緣掃描結束。經過二值化處理后的圖像，計算軟件會自動檢測到圓環的內外圓，并將其擬合，顯示在窗口上。邊緣檢測后得到的端面圖像輪廓如圖5所示。

圖5 端面圖像輪廓

3 數據采集與計算

3.1 軟件設計

檢測系統的設計目的是對藥柱的內、外徑尺寸進行測量。對測量軟件提出的具體設計要求如下：計算機軟件處理藥柱端面圖像，需要識別出端面的內外圓，找出內外圓圓心并判斷圓心之間的距離，若兩圓心之間的距離大于0.1mm，認為該產品不合格，若小于0.1mm，進一步測量出外圓直徑的Dmax和Dmin，內圓直徑的dmax和dmin，檢測其是否在允許的公差范圍內（用來判斷內外圓的橢圓度）。再以內圓圓心為圓心將圓周若干等分，測量內外圓之間的壁厚差Δmax和Δmin，檢測其是否符合要求。試驗過程中獲得的藥柱端面內、外圓半徑尺寸如圖6所示。

圖6 內外圓半徑尺寸

2.2 數據采集

利用CCD攝像機攝取藥柱圖像，分別對五根藥柱進行檢測，并同標準值進行對比，表1為測量結果。由測量結果可知，采用本文方法測量誤差小于0.02mm。

表1 藥柱直徑測量結果

4 結論

利用圖形二值化技術對CCD相機采集的藥柱圖形進行處理，可以實現藥柱外形尺寸的精確檢測，檢測效率高，同時擺脫了人為因素的干擾，本文的方法還可以檢測任意管狀物體的尺寸。

[1]張樂娟.基于圖像處理的快速尺寸檢測技術研究[D].太原：中北大學，2007：9.

[2]蘇波，王紀龍，王云才.CCD高精度測徑系統的研究[J].太原理工大學學報，2002，33（5）：506-509.

[3]蔣定定，尚頂洪，呂曉國.基于線陣CCD的判讀鏡鏡頭直徑的精確測量[J].上海計量測試，2005，（3）：24-25.

[4]劉科文，周平，付斌斌.基于機器視覺的圓環形零件形位尺寸自動測量[J].工業控制計算機，2010，23（7）：1-3.

[5]張曉穎.電能表數字圖像識別技術研究與實現[D].上海：上海交通大學，2007：11.

[6]吳雪剛.二值圖像邊緣提取的新算法[J].科技創新導報，2007，（35）：224-225.