基于單相機旋轉平臺的螺紋目標三維重建系統(tǒng)

謝衛(wèi)容，王心怡，程龍飛，吳慶華，陳久印，何 濤

（1湖北工業(yè)大學現(xiàn)代制造質(zhì)量工程重點實驗室，湖北 武漢430068；2湖北工業(yè)大學機械工程學院，湖北 武漢430068）

國內(nèi)外螺紋檢測方法大多數(shù)以接觸式檢測為主，測量過程耗時費力，并且對檢測人員要求較高，檢測精度受人為因素影響較大。針對以上問題，本文提出基于單相機旋轉平臺的三維重建的檢測方法。該方法操作簡單，穩(wěn)定性高，檢測結果可視化，直觀明了，可同時檢測螺紋的多種參數(shù)。

1 系統(tǒng)方案設計

單相機旋轉平臺的螺紋目標三維重建測試系統(tǒng)主要由旋轉工作臺、微型計算機、平板光源、CCD相機以及DMC2410運動控制卡等組成（圖1）。

圖1 三維重建測試系統(tǒng)原理配置圖

結合系統(tǒng)要求，對該旋轉工作臺進行整體優(yōu)化設計，確保旋轉工作平臺能夠每次按指定的角度準確旋轉，并且觸發(fā)光電傳感器，使CCD相機準確拍取每個旋轉角度下的螺紋圖像。該三維重建測試系統(tǒng)利用圖像裁剪，二值化、腐蝕、濾波、提取輪廓等技術獲取螺紋點的三維坐標信息，進行螺紋面的三維重建。通過上位機程序進行螺紋缺陷的動態(tài)顯示、處理以及存儲。

2 系統(tǒng)的標定

由于CCD相機在實際成像過程中會產(chǎn)生圖像幾何畸變，因此如何準備獲取CCD實際參數(shù)直接影響到成像質(zhì)量以及三維測試系統(tǒng)的精度。以像素為單位的尺寸轉換為實際空間中以mm為單位的尺寸，被稱為機器視覺系統(tǒng)的標定。大部分商業(yè)用機器視覺軟件包通常都使用系統(tǒng)標定將像素坐標轉換為物理坐標，如Adept公司的 Hex Sight軟件、MVTec公司的HALCON軟件等。本文采用相對標定方法，即通過測得標準件的像素尺寸，而標準件的實際尺寸已知，從而得到像素與mm換算的比例關系。在實驗室環(huán)境下，為了提高圖像的分辨率，用30萬像素分辨率CCD對活塞環(huán)局部拍照獲局部照片，獲取活塞環(huán)局部圖，對某一型號活塞環(huán)進行測量；在相同的照明、圖像采集等條件下標定，像素與mm的換算關系為k＝74.671 pixels／mm，重復測量的精度達到0.08～0.19像素。實驗結果如表1所示。

實驗表明實驗表明，通過標定后，測量精度高達0.005 mm，完全滿足系統(tǒng)檢測要求。

表1 標定定結果

3 系統(tǒng)的軟件設計

本三維重建測試系統(tǒng)使用MFC編程，其三維重建測試系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 三維重建測試系統(tǒng)流程圖

4 測試結果分析

用30萬像素分辨率CCD獲取管螺紋圖片，在相同的檢測環(huán)境下，通過寬度分別為14.000 mm和8.500 mm的標定塊進行標定，像素與mm的換算關系為29.747 pixels／mm，重復測量的精度達到0.15～0.30像素。表2為某一螺紋的檢測結果。

表2 某一螺紋檢測結果

實驗表明，通過標定后，測量的精度達到0.006 mm，在4 000次螺紋外觀缺陷識別試驗中，合格品為3 800個，有表面破損的不合格品為200個。合格品判斷為不合格的情況只出現(xiàn)5次，不合格品判斷為合格品的次數(shù)為0，存在螺紋外觀缺陷的產(chǎn)品可100%識別，其過判率小于0.1%。

5 結束語

本三維重建檢測系統(tǒng)采用單相機旋轉平臺的方法。該方法硬件成本相對低廉，檢測速度快，檢測結果直觀明了。經(jīng)驗證，該方法準確率高。

［1］韓九強.機器視覺技術及應用［M］.北京：高等教育出版社，2009：2－15.

［2］夏良正.數(shù)字圖像處理［M］.南京：東南大學出版社，1999.

［3］李 健，劉先林，劉鳳德.基于雙立體同步攝影的面部三維重建與量測［J］.測繪科學，2002（02）：43－45.