基于机器视觉的小模数齿轮检测过程中图像拼接的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于机器视觉的小模数齿轮检测时，进行图像拼接的方法，属于 精密测试技术以及齿轮检测技术领域。
【背景技术】
[0002] 小模数齿轮通常指模数小于Imm的齿轮，常用于精密仪器仪表中的传动装置中。 而机器视觉检测，就是利用机器视觉来代替人眼做测量和判断，并将图像当作检测和传递 被测目标信息的手段和载体的检测方法。将机器视觉应用到齿轮精度的检测中，可以避免 人员误差，保证测量重复性，解决了传统测量存在的许多难题。随着精密制造业的飞速发 展，对小模数齿轮精度的要求也越来越高，研究基于图像的非接触式机器视觉的齿轮检测 装置以及齿轮几何参数评定方法具有重大的意义。
[0003] 在检测高精度小模数齿轮时，测量分辨率的要求较高，机器视觉受视野限制不能 一次成像完成采图，需要使用分步采图以及图像拼接来完成图像的采集。而现有的图像处 理技术是通过图像特征结构匹配实现图像拼接，在实际检测过程中，要保证每幅图像具有 明显特征结构并准确的获取这些特征十分困难。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述问题，本发明提供一种基于机器视觉的小模数齿轮检测过程中，进 行图像拼接的方法，该方法进行图像拼接时有很好的准确度以及稳定性。本发明的基本思 想如下：
[0005] 设计一个固定的光源系统和机器视觉系统，搭建一个二维精密运动平台。将待检 测的小模数齿轮固定在二维精密运动平台上，平台将按照逐行扫描的方式移动，完成图像 的采集。运动平台配备有光栅尺，使平台的控制系统构成闭环。计算机也会和二维运动平 台的控制器连接上，通过计算机就能控制平台的移动。
[0006] 平台在移动过程中，实际移动的位移与指令要求移动的理论位移之间存在误差， 采用以下方式修正平台运动过程中的误差：
[0007] 平台每次移动结束时，计算机读取X，Y轴上光栅反馈的位置信号，记录当前平台 的位置。将当次移动前、后得到的位置信息（Xl，yi)、（X2，y 2)做差，得到当次平台移动的实 际距离x、y为：
[0008] (1)
[0009] 将平台实际位移量同指令要求的理论位移量X。、y。作比较，计算出平台移动产生 的误差Δχ、Ay为：
[0010]
[0011] 设每次相机拍摄的图像大小为η Xm，A、B表示平台移动前、后采集的图像，其灰度 矩阵可以分别表示为：
[0012]
[0013]
[0014] 结合平台实际移动的位移来确定图像间的平移矢量，通过仿射变换将两图像的坐 标转换到同一坐标系下，完成图像A、B的拼接：具体转换公式为：
[0015]
[0016] 其中：R为尺度因子，R值取1 ; Θ为旋转角度，旋转角度视为〇 ;
[0017] (X，Y)为图像A中的点坐标；
[0018] (X'，Y'）为图像B中的点坐标；
[0019] (ΑΧ，ΔΥ)是平台沿X轴和Y轴方向的平移量，即平移矢量。
[0020] 坐标转换后，在两图像的重叠区域中进行图像融合，从而完成图像拼接。
[0021] 与现有技术相比，本发明的优点是：
[0022] 1、运用机器视觉进行检测，测量时间短，同时也避免了人员误差，保证了重复性和 稳定性。
[0023] 2、通过二维精密运动平台进行逐行扫描的方式完成图像采集，可以通过光栅反馈 的位置信号来完成图像拼接，解决了现有的图像处理技术带来的选取特征结构的困难。
【附图说明】
[0024] 图I (a)和图I (b)为图像横向拼接不意图；
[0025] 图2为实施例的装置结构示意图；
[0026] 图中1.手动位移台，2.相机固定架，3.相机机座，4.工业相机，5.远心镜头，6.支 撑臂，7.压板，8.二维运动平台，9.五角棱镜，10.棱镜底座，11.支架，12.光管夹持器底 座，13.光管夹持器，14. LED平行光管，15.基座。
[0027] 图3为系统上位机软件流程图。
【具体实施方式】
[0028] 以下结合附图对本发明做进一步说明：
[0029] 如图2所示，本实施例所采用的装置：工业相机4通过相机固定架2和相机机座3 固定在支撑臂6上，可以拍摄放置在二维运动平台8上的齿轮图像。通过手动位移台1可 以调节相机和齿轮间的物距，相机上配置的远心镜头5可以在一定物距范围内，得到放大 倍率相同的图像，压板7可以固定平台上的齿轮。系统的光源是LED平行光管14,光源通过 五角棱镜9的折射后可以按垂直于基座的方向照向二维运动平台8,运动平台8的中央采用 镂空结构，并且装有光学玻璃，从而完成了一个固定的机器视觉、光源系统。光管夹持器底 座12、光管夹持器13和棱镜底座10可以固定光源和五角棱镜，同时也可以对光路的投射方 向做调整。支架11固定在基座15上，基座使用的是花岗岩材料制成，可以起到隔震作用。
[0030] 平台在移动过程中由于受到电机丢步，空转等因素的影响，实际移动的位移与指 令要求移动的理论位移之间存在误差。为此计算机需要获得平台上光栅反馈的位置信号， 通过计算机程序修正平台运动过程中的误差。具体的修正技术方案如下：
[0031] 平台每次移动结束时，计算机将读取X，Y轴上光栅反馈的位置信号，记录当前平 台的位置。将当次移动前、后得到的位置信息（Xl，yi)、（x2，y 2)做差，就能得到当次平台移 动的实际距离x、y为：
[0032]
[0033] 将平台实际位移量同指令要求的理论位移量X。、y。作比较，就能计算出平台移动 产生的误差Δ X、Δ y为：
[0034]
[0035] 假设每次相机拍摄的图像大小为nXm，如图1(a)和图1(b)中所示为图像的横向 拼接示意图，其中A、B表示平台移动前、后采集的图像。其灰度矩阵可以分别表示为：
[0036]
[0037]
[0038] 结合平台实际移动的位移来确定图像间的平移矢量，通过仿射变换将两图像的坐 标转换到同一坐标系下，完成图像A、B的拼接。具体转换公式为：
[0039]
[0040] 其中：
[0041] R为尺度因子，因图像采集都是由同一个固定的高性能定焦工业相机完成的所以 坐标转换中R值取1 ;
[0042] Θ为旋转角度，相机的生产工艺确保其拍摄图像中缩放和畸变可以忽略不计时， 旋转角度可视为〇 ;
[0043] (X，Y)为图像A中的点坐标；
[0044] (X'，Y'）为图像B中的点坐标；
[0045] (ΑΧ，ΔΥ)是平台沿X轴和Y轴方向的平移量，即平移矢量。
[0046] 坐标转换后，在图像的重叠区域中进行图像融合，完成图像拼接。而平台移动方向 的不同，图像的重叠区域也会不同，在图1(a)中，A、B两图的重叠区域在图像A中用灰度矩 阵可以表示为：
[0050] 图1(b)中A、B两图的重叠区域在图像A中用灰度矩阵可以表示为：
[0051]
[0054] 利用横向拼接的方法，也可以完成纵向的图像拼接。
[0055] 在实际测量时，工业相机连接上计算机，计算机的控制程序就能控制相机采集齿 轮的图像，在接收到相机的图像信息后，通过图像处理就能获得该图像上齿轮轮廓的坐标 信息。同时计算机也会和二维运动平台8的驱动控制器连接上，使计算机能够控制运动平 台对齿轮进行逐行扫描。系统使用的是MPC08SP运动控制卡，向运动控制卡发送相应指令， 就能读取平台相对于初始位置的编码器反馈的实际位置值。再将相邻两次运动后获取的实 际位置值做差，就能计算出平台实际移动的位移量。为了节省内存资源，软件采用乒乓算法 来保存平台运动的位置信号。最后将采集到的齿轮轮廓坐标信息统一在一个世界坐标系 下，就能实现图像的拼接。之后上位机的软件将根据图3所示流程，对小模数齿轮的单个齿 距偏差、齿距累积偏差、齿距累积总偏差、齿廊总偏差等参数进彳丁精度评定。
[0056] 本实施实例中平台的X、Y轴配置有雷尼绍RGH22S光栅尺，分辨率为Ium ;而物理 尺寸和相机的像素比值为I. lum/pixel。故通过光栅反馈的位置信号来修正误差精度可以 达到1个像素以内。
[0057] 以上所述，仅为本发明的【具体实施方式】，并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技 术人员在本专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保 护范围之内。
【主权项】
1.基于机器视觉的小模数齿轮检测过程中图像拼接的方法，其特征在于： 设计一个固定的光源系统和机器视觉系统，搭建一个二维精密运动平台；将待检测的 小模数齿轮固定在二维精密运动平台上，平台将按照逐行扫描的方式移动，完成图像的采 集；平台配备有光栅尺，使平台的控制系统构成闭环； 平台在移动过程中，实际移动的位移与指令要求移动的理论位移之间存在误差，采用 以下方式修正平台运动过程中的误差： 平台每次移动结束时，计算机读取X，Y轴上光栅反馈的位置信号，记录当前平台的位 置；将当次移动前、后得到的位置信息（Xl，yi)、（x2，y2)做差，得到当次平台移动的实际距离 x、y为：将平台实际位移量同指令要求的理论位移量X。、y。作比较，计算出平台移动产生的误 差Ax、Ay为：设每次相机拍摄的图像大小为nXm，A、B表示平台移动前、后采集的图像，其灰度矩阵 可以分别表示为：结合平台实际移动的位移来确定图像间的平移矢量，通过仿射变换将两图像的坐标转 换到同一坐标系下，完成图像A、B的拼接：具体转换公式为：其中：R为尺度因子，R值取I;Q为旋转角度，旋转角度视为〇 ; (X，Y)为图像A中的点坐标； (X'，Y'）为图像B中的点坐标； (AX，AY)是平台沿X轴和Y轴方向的平移量，即平移矢量； 坐标转换后，在两图像的重叠区域中进行图像融合，从而完成图像拼接。
【专利摘要】本发明公开了一种基于机器视觉的小模数齿轮检测过程中图像拼接的方法。该方法是使用二维精密运动平台实现图像的分步采集，并将二维运动平台上光栅的位置反馈信号发送给计算机，通过计算机中来修正运动过程中产生的误差，实现图像拼接。本发明解决了现有图像拼接技术中获取图像特征匹配结构的困难，提高了检测速度，具有较高的精度。
【IPC分类】G06T3/40
【公开号】CN105046650
【申请号】CN201510407696
【发明人】朱维斌, 叶树亮, 周泽恒
【申请人】中国计量学院
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年7月12日