机器视觉中工件轮廓精确提取方法的研究

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1、 机器视觉中工件轮廓精确提取方法的研究 重庆大学硕士学位论文 （学术学位） 学生姓名：董玉廷 导师姓名：廖 强 专 业：机械电子工程 学科门类：工 学 重庆大学机械工程学院 二 O 一三年五月 Research on the Accurate Outline Extraction Method of Work-piece Based on Machine Vision A Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Masters Degree of Eng

2、ineering By Dong Yuting Supervised by Liao Qiang Specialty: Mechanical /关闭总中断，INTM=1 asm(“ SETC SXM”); /SXM 置 1，符号扩展位有效 asm(“ CLRC OVM”);/OVM 清 0，累加器中结果正常溢出 asm(“ CLRC CNF”);/片内 RAM 块 B0 被配置为数据存储空间 SCSR1 = 0x00FC; /系统输入时钟频率为 10MHz，输出为 4 倍频输入 WDCR = 0x0068; /关闭看门狗功能 IMR = 0x003F; /开放所有 CPU 核级中断 IFR =

3、 0x003F; /向所有中断标志位写 1，以清除所有中断请求 WSGR = 0x0080; /IO 空间加 2 个等待状态 3.3.2 中断服务程序 PWM中断 现场保护 关闭捕获中断 10ms测速 速度环PID，得到q轴电流 对Ua、Ub、Uc进行 限幅，填写占空比 确定磁极位置 计算d轴电流给定值 旋转变换、2/3变换 清楚捕获中断标志位 电流环PID 开捕获中断 恢复现场 中断返回 图 3. 9 PWM 中断服务程序方框图 Fig3. 9 The flow chart of interrupt service routine of PWM 重庆大学硕士学位论文 3 机器视觉定位系统的设

4、计与实现 24 中断服务程序包括：PWM 中断服务程序，故障中断服务程序等。伺服系统的 功率等级一般在几十千瓦以上，PWM 调制频率一般都在 10kHz 以上，也就是说 PWM 中断每 100s出现一次，考虑到必须为其它中断服务程序和主程序的运 行留出必要的时间，因此，PWM 中断服务程序的运行时间一般不超过 50s。 PWM 中断服务程序主要完成电流环等实时性要求较高的控制算法，速度环 和其它任务可以放到定时器中断服务程序中完成。 所以 PWM 中断服务程序采用汇 编语言编程，并使用定点算法。这样在编程过程中，就需要根据不同变量的实际 变化范围，恰当地选择数据的格式。其中断服务程序的方框图如

5、图 3.9 所示。 3.3.3 位置控制子程序 本文中采用混合式光电编码器测量电动机输出的角位移和转速等信息，作为 闭环控制的反馈量，如图 3.10 所示。混合式码盘是一种同时具有绝对式和增量式 两种技术方式的一种光电码盘。利用混合式码盘中绝对式编码信号的跳变沿，可 以实现电机转角的精确定位；配合增量式编码信号，便可以克服单独使用绝对式 码盘时码道不足的问题。 捕获中断程序 保护现场 鉴别跳变沿信号 第一次？ 置初始位置 采集增量计数器的值并计算 与沿脉冲对应值得差 差 0？差 -180？ 计数值减1计数值加1 恢复现场 中断返回 N Y N N NN Y Y Y Y 图 3. 10 混合式码

6、盘应用软件的编程框图 Fig3. 10 The flow chart of application program of combined encoding disk 为了实现精确定位，本文用增量计数器的值来作为磁极位置信息，具体做法： 重庆大学硕士学位论文 3 机器视觉定位系统的设计与实现 25 在电机启动后根据绝对式码道的脉冲沿完成第一次校准后，在每个绝对式码道的 脉冲沿来临时，对增量式码盘的增量计数器的值加 1 或减 1，知道它所代表的位置 和脉冲沿所代表的位置间的误差小于一定值时，这种校正才会停止。 在具体实现方案中，混合式码盘的绝对式码道的 3 路输出信号分别接到 DSP 的 3 个

7、复用 PIO 口 IOPA3/CAP1、IOPA4/CAP2、IOPA5/CAP3，它们被设置成捕获 方式，以引起捕获中断；增量式的两路正交输出信号分别接到 DSP 的码盘接口 IOPE7/QEP3、 IOPF0/QEP4。 对增量式计数器的增 1 或减 1 是在捕获中断中完成的。 3.4 本章小结 本章首先对检测系统的硬件部分如相机、镜头和三维运动平台进了详细地介 绍，并给出了它们的设计参数，为后面的控制系统设计提供了实验依据。控制系 统是整个检测与定位系统的关键环节，详细介绍了基于 DSP 的交流伺服控制系统 的组成和工作原理，并以 TMS320LF240A 处理器为核心设计了伺服控制电路

8、及其 外围接口电路如 PWM 接口电路和电流电压检测电路。在 DSP 及其控制电路的基 础上，设计了其对永磁同步交流伺服电机的控制软件，并给出了主程序、中断服 务程序和位置控制子程序的流程框图。 重庆大学硕士学位论文 4 图像预处理与边缘检测算法的研究 26 4 图像边缘检测算法的研究 机器视觉的核心内容是图像的处理与识别40。图像处理是对机器视觉系统相 机捕获的图像进行某些变换，从而得到计算机能够识别的数据。在视觉检测系统 中，视觉信息的处理主要依靠图像处理方法，包括图像增强、数据编码和传输、 滤波平滑、边缘锐化、图像分割、特征提取、图像识别和理解等内容。而边缘检 测在图像分割、图像分析、模

9、式识别、文理分析以及视觉测量等应用中起着重要 的作用，是图像分析与识别的重要基础。 在主动视觉二维精密测量任务中，为了实现被测物体的定位与特征尺寸的测 量，需要提取零件的边缘特征。而直接由镜头获取的原始图像存在着大量的噪声 和干扰，这就要求对图像进行滤波、增强等处理来改善图像的质量。由于噪声和 边缘同属高频信号，平滑滤波虽能抑制噪声，但也不可避免地导致边缘模糊，使 检测出的边缘存在着真假与定位问题。因此，选择合适的滤波方法和边缘检测算 法是至关重要的。 本章主要围绕基于分数阶微分与卡尔曼滤波相结合方法的 Canny 边缘检测算法来做具体的理论研究与实验分析。 4.1 边缘检测算法的性能分析与选

10、择 图像的边缘是被测目标尺寸测量的重要参数，在图像处理和分析中，第一步 就是边缘检测。通常，根据灰度变化的具体情况，边缘类型可分为三类，如图 4.1 所示，分别为阶跃型边缘、屋脊型边缘、和脉冲型边缘41。 a) 阶跃型边缘b) 屋脊型边缘c) 脉冲型边缘 图 4. 1 图像理想边缘类型 Fig4. 1 The Types of Ideal Image Edge 由于在实际图像采集中，图像传感器件的分布特性和光学衍射效应等，使得 真实图像边缘在有限宽度范围内呈现陡峭的斜坡状， 如图 4.2 所示。 在实际应用中， 重庆大学硕士学位论文 4 图像预处理与边缘检测算法的研究 27 多数灰度变化表现为

11、阶跃性，而且从图 4.2 可以看出，其它两类边缘模型是阶跃边 缘的扩展，因此在研究边缘检测算法时，以阶跃边缘为研究对象。 a) 阶跃型边缘b) 屋脊型边缘c) 脉冲型边缘 图 4. 2 图像实际边缘类型 Fig4. 2 The Types of Real Image Edge 图像的边缘有方向和幅度两个属性，沿边缘方向像素变化平缓，而垂直于边 缘的方向像素变化剧烈。边缘上的这种变化可以用微分算子检测出来，通常用一 阶或两阶导数来检测边缘31，如图 4.3 所示为图像阶跃边缘的一阶微分和二阶微 分。这时图像边缘上的亮度一阶导数的幅度最大，而二阶导数值为零，但在其左 右分别有一正一负两个峰值。 a

12、) 阶跃边缘一阶导数b) 阶跃边缘二阶导数 图 4. 3 阶跃边缘的一阶导数和二阶导数 Fig4. 3 The First and Second Derivative of Step Edge 4.1.1 边缘检测算法分析 关于边缘检测， 迄今已有许多算法， 基于一阶导数的边缘检测算子包括 Roberts 算子、Sobel 算子、Prewitt 算子、Kirsch 算子以及基于二阶微分边缘检测算子如 Laplace 算子、Log 算子等。在算法的实现过程中，通过卷积模板作为核与图像中 的每个像素点做卷积和运算，然后选取合适的阈值以提取边缘。每种算子都有各 自的优缺点31： 重庆大学硕士学位论文

13、 4 图像预处理与边缘检测算法的研究 28 Roberts 算子。该算子利用局部差分算子寻找边缘，边缘定位精度高，但容 易丢失一部分边缘，同时不具备抑制噪声的能力。 Sobel 算子和 Prewitt 算子。都是对图像先做加权平滑处理，然后在做微分 运算，对噪声具有一定的抑制能力，但不能完全排除检测结果中出现虚假边缘， 容易出现多像素宽度。 Laplace 算子。是不依赖于边缘方向的二阶微分算子，边缘点定位准确，但 是对噪声很敏感，它使噪声成分得到加强。这两个特性使得该算子容易丢失一部 分边缘的方向信息，造成一些不连续的检测边缘，同时抗噪声能力比较差。 Log 算子。 又称马尔算子， 该算子首

14、先用高斯函数对图像作平滑滤波处理， 然后再使用拉普拉斯算子检测边缘。应用 Log 算子时，高斯函数中的分布参数 决定了高斯滤波通频带的宽度。 越大，通频带越宽，可以检测到图像更高频率的 细节，但对噪声抑制能力下降；反之， 越小，对高频噪声抑制作用越大，但同时 信号的边缘也被平滑了，造成边缘点丢失。 Canny 算子。是一种基于最优化算法的边缘检测算子，但在实际应用时， 因为高频噪声的存在，检测效果并不一定是最优的。该算子采用高斯函数对图像 进行平滑处理，之后使用双阈值算法检测和连接边缘，其在多尺度检测和方向性 搜索方面比 Log 算子要好。 以灰度图像 Lena 为例，分别采用前面几种边缘检测

15、算法检测图像的纹理，其 结果如图 4.4 所示。从图中可明显看出，Canny 算法较其它算法具有明显的优势， 显示出更多的细节，不过对噪声也比较敏感。 a) Lena原图 b) Roberts算子检测 c) Sobel算子检测 重庆大学硕士学位论文 4 图像预处理与边缘检测算法的研究 29 d) Prewitt算子检测 e) Log算子检测 f) Canny算子检测 图 4. 4 不同边缘检测算子处理后的效果对比图 Fig4. 4 Contrast of Image Dealt With Different Filtering Method 4.1.2 Canny 边缘检测算法 经过对以上算法

16、的比较分析，本论文采用 Canny 边缘检测算子，该算子在抗 噪声干扰和精确定位之间寻求最佳折中方案。并给出了评价边缘检测性能优劣的 三个指标42： 最优的边缘检测性能，即边缘误检率和漏检率要最少。 假设( )h x是边界, 滤波器的脉冲响应，()Gx代表边缘函数，为高斯 噪声的均方差。较优的边缘检测性能可用性噪比来衡量，信噪比越大，提取的边 缘质量越高。其信噪比定义如下： 2 () ( ) ( ) ( ) Gx h x dx SNR h hx dx （4.1） 好的定位性能，即检测出的边缘要点尽可能在实际边缘中心，其定义如下： 2 () ( ) ( ) Gx h x dx L hx dx （4.2） 其中，()Gx 和( )h x分别为( )G x和( )h x的一阶导数。 单边缘响应准则，即要保证一个边缘只有一个响应。检测算子的脉冲响应 导数的零交叉点之间的平均距离( )