基于機(jī)器視覺的預(yù)警機(jī)雷達(dá)結(jié)構(gòu)件檢測(cè)方法研究

程 鵬， 丁寶平， 郎 寧， 劉凌霄， 武斌功， 陳 橋

（1.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心， 北京 100044； 2.中國電子科技集團(tuán)公司 第三十八研究所， 安徽 合肥 230088）

0 引言

面對(duì)國家利益擴(kuò)展、空間安全、海洋安全和網(wǎng)絡(luò)安全等嚴(yán)峻情況， 軍事電子設(shè)備能為國家和部隊(duì)?wèi)?yīng)對(duì)各種安全威脅，多樣化的軍事斗爭任務(wù)提供支持，滿足軍種轉(zhuǎn)型為信息化發(fā)展戰(zhàn)略的要求， 適應(yīng)高技術(shù)信息化作戰(zhàn)條件下的作戰(zhàn)風(fēng)格變化，保證國家的安全利益不會(huì)受到損害。總的來說，軍工電子設(shè)備力量是國家地位的重要支柱，是作為國家利益的重要保障，是贏得世界政治、軍事和經(jīng)濟(jì)的一種重要保障。 在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，預(yù)警機(jī)經(jīng)常用來對(duì)數(shù)十萬平方公里的空中和海上目標(biāo)實(shí)施警戒監(jiān)視， 并指揮和控制對(duì)方的作戰(zhàn)行動(dòng)。 此外，除了預(yù)警飛機(jī)可以與電子戰(zhàn)飛機(jī)合作以消除電子干擾外， 還可以作為信息綜合處理中心和信息分發(fā)平臺(tái)， 進(jìn)行綜合信息和聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)等。 預(yù)警機(jī)搭載的遠(yuǎn)距離警戒雷達(dá)在高空探測(cè)各種目標(biāo)，由于飛行高度較高，能夠很大地克服由于地球的曲率和降落對(duì)長距離低海拔目標(biāo)的阻擋作用。 因此，預(yù)警機(jī)雷達(dá)在低空突防目標(biāo)時(shí)，搜索和預(yù)警能力要比地面雷達(dá)強(qiáng)，可以贏得有效的防御時(shí)間，從而贏得有效的防御。與地基雷達(dá)相比，預(yù)警機(jī)有良好的功能性，可以在作戰(zhàn)地區(qū)靈活部署，為遠(yuǎn)海交戰(zhàn)或進(jìn)入敵方空間作戰(zhàn)提供信息支持。預(yù)警機(jī)能夠獨(dú)立執(zhí)行領(lǐng)空放哨任務(wù)， 也能與地面雷達(dá)站構(gòu)成強(qiáng)大的警網(wǎng)。根據(jù)美國空軍的計(jì)算，預(yù)警機(jī)巡邏率是一般戰(zhàn)機(jī)20～30 倍的巡邏率。 由于預(yù)警機(jī)能夠獲取和控制自己的力量，能夠全面、快速地獲取信息，能夠作戰(zhàn)、協(xié)同交斗能力以及網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的中央節(jié)點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)， 因此被稱為“空中帥府”。綜上，預(yù)警機(jī)在國防安全方面擔(dān)當(dāng)了重要作用，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，預(yù)警機(jī)一定要承擔(dān)重大的使命，也是極其關(guān)鍵。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

機(jī)器視覺就是模擬人的視覺，用來判斷識(shí)別，機(jī)器視覺技術(shù)于1950 年左右出現(xiàn)，主要以模式統(tǒng)計(jì)方法為基礎(chǔ)[1]，即結(jié)合概率理論進(jìn)行模式識(shí)別，當(dāng)時(shí)的圖像分析以二維形式進(jìn)行分析，圖像識(shí)別主要以二維形式進(jìn)行。 60 年代以來，通過Robert 對(duì)“塊世界”的研究，機(jī)器視覺進(jìn)入了三維空間，標(biāo)志著機(jī)器視覺進(jìn)入了一個(gè)三維。 80 年代早期，Davidmarr[2]教授將計(jì)算機(jī)與心理物理、數(shù)學(xué)和神經(jīng)心理結(jié)合起來，使機(jī)器視覺研究達(dá)到了一個(gè)新高度，他的理論也為當(dāng)時(shí)許多研究者提供了一種新的觀點(diǎn)。 直到上世紀(jì)90年代，隨著電腦等高科技處理工具的迅速發(fā)展，同時(shí)還為機(jī)器視覺的發(fā)展創(chuàng)造了很好的條件[3]。自21 世紀(jì)以來，機(jī)器視覺在人們的日常生活中應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域， 開啟了機(jī)器視覺應(yīng)用的時(shí)代。 將機(jī)器視覺應(yīng)用于產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)也是其主要發(fā)展趨勢(shì)之一， 機(jī)器視覺測(cè)量系統(tǒng)隨之而產(chǎn)生，測(cè)量系統(tǒng)的性能和它的硬件及算法有直接的聯(lián)系；測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，在生活、工業(yè)眾多領(lǐng)域出現(xiàn)了機(jī)器視覺測(cè)量系統(tǒng)的影子， 而且有的系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)測(cè)量而且還可以起到控制的作用， 大大方便了人們的日常生活。

機(jī)器視覺技術(shù)采用視覺方法和圖像處理結(jié)合， 實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)和量度的，集成了硬件、軟件，并在相機(jī)配合下能夠自行檢測(cè)，這樣就明顯得提升生產(chǎn)方面的效率，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)的智能化。 德國提出的4.0 工業(yè)方式意味著一種智能和信息化工業(yè)生產(chǎn)的形成。 中國提出了 “中國制造2025”[4]，建設(shè)智能工廠，加強(qiáng)獲取信息和處理信息的智能性。 在中國，機(jī)器視覺技術(shù)廣泛的被應(yīng)用于智能設(shè)備，如工業(yè)機(jī)器人檢測(cè)[5]等，機(jī)器視覺應(yīng)用也從低端向高端轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了在線和高精度測(cè)量[4，7]。由于以機(jī)器視覺為基礎(chǔ)的研究方法高精度，效率好，實(shí)時(shí)性良好，其發(fā)展情況正在穩(wěn)步變好。機(jī)器視覺增加了機(jī)器的視覺功能，并在視覺軟件或圖像處理軟件等配合下實(shí)現(xiàn)工業(yè)目標(biāo)。 將機(jī)器視覺介入檢測(cè)領(lǐng)域，能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行高精度測(cè)量[4，6]，遠(yuǎn)高于人工處理的速度。 將機(jī)器視覺技術(shù)劃分為三維信息重建和通用的視覺信息系統(tǒng)，即機(jī)器視覺系統(tǒng)的功能類似于人的視覺功能，如智能機(jī)器人。利用視覺測(cè)量法可以明顯地提高測(cè)量速度，節(jié)省了大量人工測(cè)量所占據(jù)的時(shí)間，其精確度遠(yuǎn)高于人工測(cè)量所占據(jù)的精確度，生產(chǎn)費(fèi)用降低，因此在大量工業(yè)生產(chǎn)中機(jī)器視覺技術(shù)將發(fā)揮重要作用[6，7]。

典型的機(jī)械視覺系統(tǒng)有：工控器、相機(jī)、鏡頭、光源，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，圖像處理軟件等一定機(jī)械結(jié)構(gòu)，見參考文獻(xiàn)[8，9]。 其運(yùn)作步驟如下：第一步，通過攝像機(jī)獲得產(chǎn)品的目標(biāo)圖片， 然后將目標(biāo)圖像由模擬信號(hào)變換為數(shù)字訊號(hào)；第二步，將數(shù)字信號(hào)發(fā)送給圖像處理軟件，然后根據(jù)整個(gè)或局部像素的高低，特殊形狀，突出色彩甚至是明顯的噪聲，通過一系列方法提取產(chǎn)品目標(biāo)的特點(diǎn)，最后按輸出結(jié)果執(zhí)行下一步的操作[10，11]。機(jī)器視覺是一門綜合性技術(shù)，其中包括：數(shù)字圖像處理技術(shù)、光學(xué)工程技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、機(jī)械工程技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等[12，13]。

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，所有的步驟是密切相關(guān)的，任何步驟都沒有使用先進(jìn)工藝，將會(huì)成為產(chǎn)業(yè)制造的屏障。零件檢查是所有精密部件的生產(chǎn)過程中必須經(jīng)歷的一個(gè)步驟，同時(shí)也是質(zhì)量的保證關(guān)鍵。基于機(jī)器視覺的尺寸測(cè)量方法，在過去取得了長足的進(jìn)展，是精密度測(cè)量技術(shù)不可分割的一個(gè)組成部分。

2 檢測(cè)方法

機(jī)器視覺技術(shù)是利用視覺的方法與圖像處理相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)與測(cè)量的， 針對(duì)預(yù)警機(jī)雷達(dá)結(jié)構(gòu)件常見的孔、槽類特征，對(duì)檢測(cè)算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，算法主要包括：二值化處理、形態(tài)學(xué)濾波、雙邊、邊緣提取、 最小二乘擬合等步驟。

2.1 視覺檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

圖1 自主研發(fā)預(yù)警機(jī)雷達(dá)結(jié)構(gòu)件檢測(cè)平臺(tái)Fig.1 Detection platform for radar structural parts of early warning aircraft

考慮待測(cè)零件結(jié)構(gòu)特征、 加工工藝特點(diǎn)、操作人員的方便性和舒適性，兼顧設(shè)備成本、人力成本、能源成本、場地成本、管理成本以及設(shè)備柔性等因素提出一種基于多傳感器信息融合的預(yù)警機(jī)雷達(dá)結(jié)構(gòu)件檢測(cè)平臺(tái)。 以三坐標(biāo)測(cè)量儀為主體，搭載觸針，白光共聚焦傳感器、工業(yè)相機(jī)三種傳感器，實(shí)現(xiàn)預(yù)警機(jī)雷達(dá)結(jié)構(gòu)件的快速測(cè)量。本文算法在此平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)平臺(tái)配備1 億像素工業(yè)相機(jī)進(jìn)行圖像采集， 選擇焦距為170mm 施耐德工業(yè)鏡頭。相機(jī)工作距離設(shè)為WD=100mm，相機(jī)視野范圍FOV=25mm×20mm，相機(jī)感光靶面尺寸H×V=43.80mm×32.87mm，單像素物理尺寸為0.0018mm。

2.2 算法原理及流程

算法流程如圖2 所示，針對(duì)通孔、盲孔等圓形特征，視覺測(cè)量算法流程如下：（1） 設(shè)置閾值進(jìn)行二值化提取；（2）取反獲得目標(biāo)區(qū)域；（3）降噪去除多余噪聲；（4）利用canny 算子提取目標(biāo)區(qū)域邊緣；（5） 利用最小二乘算法進(jìn)行圓擬合。 擬合過程如下：首先通過式（1）建立圓方程，（x，y）代表邊緣點(diǎn)，（xc，yc）代表圓心坐標(biāo)，R 為圓孔直徑，其次通過式（2），（3），（4）將方程轉(zhuǎn)化為函數(shù)求解過程，分別通過（6）～（14）計(jì)算函數(shù)偏導(dǎo)值，最終求取得到擬合圓的圓心坐標(biāo)及直徑。

圖2 檢測(cè)流程Fig.2 Algorithm detection process

槽類特征檢測(cè)流程與類檢測(cè)特征類似： ①設(shè)置閾值進(jìn)行二值化提取；②取反獲得目標(biāo)區(qū)域；③降噪去除多余噪聲；④提取目標(biāo)區(qū)域邊緣；⑤向指定方向投影；⑥去除干擾邊緣；⑦利用最小二乘算法擬合；⑧圓心距與兩半徑之和即為槽長，擬合得到的圓直徑即為槽寬。

3 實(shí)驗(yàn)分析

系統(tǒng)及算法設(shè)計(jì)完成后，利用C 語言結(jié)合opencv 算法庫編寫程序并實(shí)現(xiàn)運(yùn)算， 選取圖3 中2 種零件上的7種特征進(jìn)行尺寸測(cè)量試驗(yàn)。 試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

圖3 預(yù)警機(jī)雷達(dá)結(jié)構(gòu)件Fig.3 Radar structural parts of early warning aircraft

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果（單位：毫米mm）Tab.1 Experimental results（unit：mm）

圖4、圖5 分別對(duì)結(jié)構(gòu)件表面槽、孔檢測(cè)過程進(jìn)行了展示，實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的預(yù)警機(jī)結(jié)構(gòu)件尺寸測(cè)量算法測(cè)量精度均在在0.01mm 范圍以內(nèi)，且可具有較好的抗噪能力。

圖4 結(jié)構(gòu)件孔檢測(cè)過程圖Fig.4 Inspection process chart of structural part hole

圖5 結(jié)構(gòu)件槽特征檢測(cè)過程圖Fig.5 Process chart of structural groove feature detection

4 結(jié)論

本文為解決預(yù)警機(jī)雷達(dá)結(jié)構(gòu)件尺寸測(cè)量的問題，采用機(jī)器視覺技術(shù)采集圖像，經(jīng)過二值化處理、腐蝕和膨脹處理、邊緣提取、最小二乘擬合等步驟實(shí)現(xiàn)孔、槽的特征值提取， 并在在團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。 結(jié)果顯示，它可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的尺寸測(cè)量。 該系統(tǒng)也可以有效應(yīng)用到其他小型零件的尺寸檢測(cè)中， 也可以為其他系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)提供借鑒。