模板法排布金剛石磨粒中磨粒漏排的檢測方法

張慶果， 余旭東， 黃國欽

(華僑大學 制造工程研究院，福建 廈門 361021)

隨著圖像處理和工業相機制造技術的不斷發展和進步，機械視覺技術迅速發展，同時隨著工業向高精尖技術的發展，也極大地促進著機械視覺的發展[1]。模板法是金剛石顆粒實現磨粒有序排布的一種方法，機械視覺技術的發展為如何檢測模板法排布金剛石顆粒的情況提供了一種可能。

Labview和NI Vision Assistant軟件的結合可以快速地編寫相應的程序框圖，應用到自動化生產或用于各種設備的數據采集和控制。利用Labview和Vision軟件平臺可以有效地對圖像進行處理，進而檢測出金剛石顆粒在模板上排布的效果[2-4]。

1 視覺平臺的搭建

1.1 平臺的硬件組成

(1)CCD工業相機。視覺平臺搭建采用的工業相機為普通的工業相機。

(2)光學鏡頭。光學鏡頭主要用于聚焦成像，調節焦距檢測物體的細節。選擇工業相機時主要應考慮相機焦距，焦距的選擇決定了相機拍攝范圍和細節檢測。

(3)LED光源。由于金剛石顆粒和模板所采用的鋼板都對光有一定的反射效應，本實驗平臺所采用的光源為條形光源和方形光源。

(4)計算機。本試驗平臺采用的計算機為安裝有Labview軟件和NI Vision Assistant軟件的聯想臺式機，可以通過USB數據線與工業相機進行連接。

(5)黑色亞克力。排除外部光源的干擾，只需內部光源對拍攝的圖片產生影響，進而確定光源的強度和角度。

視覺平臺的搭建如圖1所示。

1.2 軟件組成

檢測系統采用軟件Labview2016和NI Vision assistant進行編寫程序，在Labview軟件下安裝NI-IMAQdx軟件實現驅動USB工業相機，此外還需要Vision模塊對圖形進行采集和處理。

1.3 工作原理

模板法是實現金剛石顆粒有序排布的方法之一，其原理是利用模板孔徑與金剛石粒徑之間的關系[5]。原理如圖2所示。

圖2 模板法Fig.2 The template method1-材料基體;2-金剛石顆粒;3-鋼板;4-有序排布模板

模板的孔徑為定值，當模板孔內有金剛石顆粒時拍攝的透光面積會減小。即檢測孔內是否有金剛石顆粒，就是孔的透光的面積是否減小。當不銹鋼板孔的透光面積減小，說明此孔中含有金剛石顆粒。通過NI-IMAQdx軟件驅動工業相機拍攝圖片，圖片通過USB數據線傳送到Labview中進行圖形處理，圖像處理的過程運用的是圖像分割、亮度、顏色、提取、過濾和灰色形態等圖像等處理手段，并且提取所需要的特征。提取出透光面積，過濾掉透光面積減小的孔，即可檢測出模板排布后沒有金剛石顆粒的孔徑個數和位置。

2 圖像采集

驅動工業相機是圖像采集的基礎，采集到的圖片對后續的處理和檢測有著很重要的影響。程序為實時采集圖片進行處理，即當運行開始后，工業相機接受到觸發脈沖，處于實時采集圖像的狀態，直到操作者結束運行程序。圖像采集程序如圖3所示。

圖3 圖像采集程序Fig.3 The image acquisition program

圖像采集的程序操作流程如下所示。

第一步：IMAQdx Session，選取相應的相機，為后續的驅動相機做鋪墊。

第二步：IMAQdx open camera，獲取相機的信息并進行驅動，排除驅動其他相機的可能。

第三步：IMAQdx Configure Grab VI，配置和開始圖像采集。驅動相機進行一次拍攝，也可用VI進行高速驅動采集，拍攝的照片只能在緩沖區內循環，只有用IMAQdx Grab VI才可以將圖片從緩沖區里取出來。

第四步：IMAQdx Grab VI，獲取緩沖區里最新的圖像。如果工業相機拍攝的圖像類型與相機視頻的格式不匹配，則此VI可以將圖像類型更改為相匹配的格式。

第五步：IMAQdx Close Camera VI，關閉相應的相機，并刪除其中采集到的圖片與相關資料，釋放其中的內存。

第六步：IMAQ Dispose VI ，破壞相應的圖像并釋放由圖像所占用的內存，要求擁有調色板進行圖像管理和NI視覺開發模塊。

第七步：通用錯誤處理器VI，用于對操作過程中出現錯誤的反饋。如果操作不當或者程序執行時產生錯誤，將對這些錯誤進行詳解或者顯示相應的解釋對話框。

圖像采集的程序實現了相機的驅動對圖像進行采集，并將采集到的圖像傳送到相應的儲存位置和圖像處理的程序中去，同時還可以在軟件界面顯示采集到的圖片。

3 圖像處理

本文采用的不銹鋼的孔徑為700μm。模板的孔徑為定值，即拍攝圖形中孔的透光面積為定值。如果有金剛石顆粒掉進孔里，透光面積必然會減小，這是給檢測金剛石顆粒提供的一種思路。

3.1 圖像采集及預處理

由工業相機拍攝的圖像為原始圖像，對原始圖像進行預處理即調節Brightness值，Brightness處理可以調節圖像的亮度、對比度和伽瑪值等[6]。圖像處理前后對比如圖4所示。

圖像預處理降低圖片紅色平面的亮度、增加圖片紅色平面對比度和校正圖像紅色平面的伽瑪。

3.2 圖片顏色處理

圖片顏色處理包括抽取彩色平面和設置閾值。

抽取彩色平面是從圖像中抽取三種顏色平面(RGB、HSV或HSL)，由于工業相機拍攝的圖像為彩色圖像，點擊此函數即可將彩色圖片轉化為灰度圖像。本文采用RGB-Blue Plane從圖像中抽取藍色平面，將金剛石的顏色進行抽取，處理后的圖像如圖5所示。

圖4 圖像處理前后對比Fig.4 the comparison between the original image and the processed image

圖5 抽取彩色平面Fig.5 Extracting color plane

設置閾值即為二值化處理，就是將抽取彩色平面后的圖像的像素點的灰度值設置為0或255[7]。處理后的圖像如圖6所示.

圖6 二值化處理Fig.6 Binarization processing

我們可以從二值化處理后的圖像中看出，紅色凸顯的部分就是我們所要檢測的目標，即透光面積。

3.3 圖像粒子處理

圖像粒子處理包括粒子過濾和粒子分析。粒子過濾，通過設置不同的條件對粒子進行篩選，將這些滿足設置條件的粒子進行去除或保留。本文選擇透光面積減小的部分進行去除，處理后的圖像如圖7所示。

圖7 粒子過濾Fig.7 Particle filter

粒子分析，從圖像中提取與粒子相關的信息，比如粒子數量、面積和位置等，也可以調出相應的Excel表格，把數據導到Excel表格里。

圖像處理的流程是在NI Vision Assistant軟件下調試完成的，圖像經過上述的處理后即可得到我們想要的處理結果。在軟件界面導出相應的處理程序，程序框圖如圖8所示。

圖8 圖像處理程序Fig.8 The image processing program

圖像處理用Vision Assistant軟件進行，圖像進行一系列處理檢測出透光度減小的孔，進而去除。剩余的孔即為不含金剛石顆粒的孔，進而檢測出剩余孔的位置和數量。

4 結論

(1)本文選用模板有序排布的金剛石顆粒為研究對象，首先通過CCD工業相機采集圖像；然后利用NI Vision Assistant 2016軟件對圖像進行合適的預處理，從而實現對模板法排布的金剛石顆粒進行檢測；最后采用Labview2016軟件和IMAQ Vision工具包進行編寫程序，完成上述的各種圖像處理方法和顆粒的識別。

(2)根據金剛石和模板法的特點，本文采取圖像亮度、抽取彩色平面、二值化、粒子過濾和粒子分析等方法對圖像進行處理。通過綜合使用Labview軟件和Vision Assistant軟件，對圖像實時采集和處理進行了研究，實現了對模板法粒子排布金剛石顆粒的檢測，并建立了一套完善的基于Labview的系統對模板排布金剛石的實時檢測系統。