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摘  要：本文提出了一种基于线结构光的磁石质量新型检测方案。这是一种主动光学监控方法，具有非接触、高精度的优点。检测系统主要利用磁石表面曲率固定来判定不良品，首先进行相机标定，然后通过CCD相机采集磁石表面激光条纹，利用最小二乘法拟合激光条纹函数。用MATLAB求出条纹函数的曲率和平均曲率，然后根据曲率判断不良品，最后通过分离装备分离出不良品。

关键词：线结构光;相机标定;最小二乘法;曲率

引言

磁石在工业中是一个重要的原料，随着我国制造业的快速发展，磁石广泛应用于工业和商业上，其中包括医药、制造业到重工业。然而，在磁石的生产过程中磁石表面的完整性检测是一个重要部分，在传统的磁石测量方法中大多数都为接触式测量，其中三坐标测量仪是接触式测量中技术最成熟和应用最广泛的工具。由于三坐标测量仪测量时必须与被测物体接触，有可能会对磁石表面造成一定的损伤。针对传统测量的弊端，本文提出一种基于线结构光的磁石质量监控系统。

1测量基本原理

在由激光源和相机组成的结构光测量系统中，通过激光源对被测物体表面扫描，再由CCD相机同步采集经过物体表面激光条纹图像，通过对采集的条纹图像的拟合函数曲率判定产品是否合格，再根据系统标定中得到的相位和三维坐标的关系获得磁石的坐标，最后通过分离设备分离出不良品。

1.1线结构光测量的基本原理

在本文中线结构光测量的基本原理如下图1.1.1所示，通过线结构光对磁石表面进行扫描，CCD相机对图像进行采集。首先需要把线结构光源位置和CCD相机位置相对固定好，然后进行CCD相机标定，通过线结构光对流水线上的磁石进行实时扫描，CCD相机采集磁石表面的激光条纹图像，利用MATLAB对采集到的图像进行灰度处理，图像增强。最后获得激光条纹的曲率变化，由于正常表面的曲率是固定的，磁石当磁石表面有损坏时，照射在磁石表面的结构光条纹的曲率和平均曲率就会发生变化，当磁石表面损坏越大曲率偏离范围越大，本文根据磁石表面曲率变化来判断磁石是否合格，从而达到利用线结构光对流水线上磁石质量实时监控的目的。

1.2相机标定

1.2.1 CCD相机标定

在相机标定过程中需要了解四个坐标系的转化，如图1.2.1所示，世界坐标系是在真实空间中建立的坐标系，世界坐标系经过刚体变换转化为以关心为参考点的相机坐标系，相机坐标系利用三角相似的原理转化为成像图面的图像坐标系，最后图像坐标系根据原点，单位的换算变为用户的像素坐标系。

1.2.2张正友平面模板算法

相机标定算法的好坏影响到磁石的位置坐标，如果相机标定不准确就会导致磁石的位置坐标产生误差，使得磁石监控系统的准确率降低，所以要选择一个精度高的相机标定算法。张正友算法和DLT算法相比，由于DLT算法相对简单，没有考虑镜头成像过程中的畸变，导致标定精度低。同时张正友标定法比Tsai算法简单，成本低。综上所述，张正友标定算法具有实现容易，成本低，精度高的优点，所以本文相机标定采用的是张正友平面模板算法。

本文中对相机标定采用的软件为MATLAB，如图1.2.1为采用张友正标定法标定相机的误差分析，平均误差为0.5。同时得到CCD相机的内、外参数，以及畸变参数。由于每个镜头的畸变程度各不相同，通过相机标定可以校正这种镜头畸变矫正畸变，生成矫正后的图像。通过相机标定能够提高像素坐标对应世界坐标的准确性，使得分离设备在分离不良品时能够更精确的分离坐标。

2线结构光曲率提取

本文中线结构光的提取是结构光测量的关键一步，直接影响到最终监控结果的准确性。首先，CCD相机对流水线上的磁石进行实时采集，CCD相机将采集到的照片上传到PC端，PC端利用MATLAB对图像进行灰度二值化处理和图像分割，利用最小二乘法将图像分割得到的线结构光图形拟合成一个函数方程，最后利于MATLAB提取出线结构光的曲率和平均曲率。

2.1图像灰度二值化处理

在工業应用中需要对流水线上采集的图像进行实时分析判断，并且需要对不合格的产品进行分拣，所以需要更高的处理速率和系统低延时。如图2.1.1所示，对CCD采集到的照片进行灰度二值化处理和图像分割，不仅能到达减少数据量和程序运算量的结果，到达监控系统低延时的作用，同时还能凸显出目标轮廓为下面的拟合函数做基础。

2.2亚像素边缘检测

本文采用亚像素边缘检测方法，此种方法先经过传统模板算子确定边缘的大致位置，然后用曲线拟合方法求出边缘的精确位置，经过粗、精两次定位，在不牺牲速度的情况下，就可获得亚像素级的定位精度。

图像边缘检测大幅度地减少了数据量，并且剔除了可以认为不相关的信息，保留了图像重要的结构属性。在本文中通过图像边缘检测能够精确的测量和定位，意味着磁石能够被定位和测量，包括磁石的像素坐标和边缘轮廓，从磁石像素的边缘轮廓坐标分割图像来减少图像处理时的信息冗余量，进一步提高磁石检测的速率。

2.3最小二乘法拟合激光条纹

最小二乘法是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。最小二乘法还可用于曲线拟合，其他一些优化问题也可通过最小化能量或最大化熵用最小二乘法来表达。在针对只有一些已测数据而不太清楚最小乘二拟合函数时，采取先打印出已知数据的散点图，然后观察散点图大概分布趋向，再确定拟合函数，也可以确定多个，最后比较残差选择最优最小乘二拟合函数，本文研究中通过建立坐标系获得激光条纹的位置坐标，然后通过最小二乘法拟合出激光条纹的函数方程，用MATLAB计算出拟合函数的曲率和平均曲率。

3结论

由于传统的接触式测量会对磁石的表面造成损坏，本文提出了一种基于线结构光的磁石质量的新型检测方案。检测系统主要利用合格磁石表面曲率固定不变来判定磁石质量是否合格，根据像素坐标和世界坐标的对应关系，来确定磁石的位置坐标，当判断出不良品时，分离设备根据相应的延时分离出不良品。

采用本文提出的新型检测方案，对磁石测量过程中到达了零损坏的结果，这点是传统的接触式测量所无法实现的。同时，在实验中线结构光的检测准确率到达99.9%，符合工业生产的需求。但是，在算法分析上可以做进一步优化，提高算法效率，到达在一秒内可以处理更多帧的图像，提高工业检测的效率。

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