工件多角度视觉测量方法_师平
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[4] 储珺, 姚晓春, 缪君, 等. 基于图像的角度检测系统研究 [J]. 光电技术应用, 2009, 30(6): 940-942, 946. Chu Jun, Yao Xiaochun，Miao Jun et al. Study on image based angle inspecting system [J]. Semiconductor Optoelectronics, 2009, 30(6): 940-942, 946.
工件多角度视觉测量方法
Multi-angle work piece angle measuring method by vision technology 师 平1，沈宝国1，尹建军2
SHI Ping1, SHEN Bao-guo1, YIN Jian-jun2
（1. 江苏省联合职业技术学院 镇江分院，镇江 212003； 2. 江苏大学 现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室，镇江 212013）
a1=(end_y1-start_y1)/(end_x1-start_x1)；
b1=(start_y1*end_x1- start_x1*end_y1)/(end_ x1-start_x1)；
a2=(end_y2-start_y2)/(end_x2-start_x2)；
b2=(start_y2*end_x2- start_x2*end_y2)/(end_ x2-start_x2)。
2
417.90 41.24
50.00
50.10
-0.10
3 1067.81 135.18 60.00
60.01
-0.01
4 1372.00 45.06
45.00
44.94
0.06
5
461.37 148.14 30.00
30.08
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582.08 110.97 70.00
71.02
-1.02
7 1304.76 218.24 20.00
[5] 王植, 贺赛先. 一种基于Canny理论的自适应边缘检测方 法[J].中国图象图形学报，2004，9( 8)：957-962. Wang Zhi, He Saixian. An adaptive Edge-detect ion Method Based on Canny Algorithm [J]. Journal of I mage and Graphics, 2004, 9(8): 957-962.
[2] 周峰, 倪俊芳. 工件角度的图像测量法研究[J]. 苏州大学 学报 (工科版 ), 2008, 28(1): 59-62. Zhou Feng, Ni Junfang. Research on the Approach of I mage Measurement of workpiece angle[J]. Journal of Suzhou University(Engineering Science Edition), 2008, 28(1): 59-62.
收稿日期：2011-09-20 基金项目：国家自然科学基金资助项目（50805067） 作者简介：师平（1969－），男，副教授，研究方向为机械制造与自动化。
第34卷 第4期 2012-4(下) 【41】
(m，b)，且满足 y=mx+b；最后通过统计特性来检 测各个线段特征。
从 在 严 格 的 意 义 讲， 由 于 加 工 表 面 不 平 整， 从而造成工件的边缘并不是一条线段，而是一条 凸凹不平的曲线段。每个凸点或凹点将把一条线 段分成两条或多条线段，其检测结果如图 3 所示。
2) 线段 1 的直线方程为：y=a1*x+b1 ； 线段 2 的直线方程为：y=a21*x+b2。 3）顶点坐标为（peak_x，peak_y），则有 peak_x =-1/(a1-a2)*(b1-b2)； peak_y=(a1*b2-b1*a2)/(a1-a2)。 其工件的各个角的角度值在原图像中标记如 图 5 所示。其中，角度值为两线段或其延长线的 夹角或其夹角的补角的大小。
的对应角度值，实现了快速测量；同时其绝对误差在±0.1°内，可以满足当前工件角度检测
要求。
关键词： 工件；线段；多角度；视觉技术；霍夫变换
中图分类号：TP242.6
文献标识码：A
文章编号：1009-0134(2012)4(下)-0041-03
Doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2012.4(下).12
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ຐ 图6 角度检测流程图
图7 角度块规
图9 70°块规的原始图像
表1 顶点坐标与角度值
序号
顶点坐标
X坐标 /pixel
Y坐标 /pixel
理论值 /°
角度值
测量值 /°
绝对误差 /%
1 1071.50 45.48
40.00
40.02
-0.02
实角度，须使图像传感器光轴垂直于被测工件的 平面。采集设备获得的图像为 4000×3000、JPG 格式的彩色图像。
1.2 边缘检测 边缘是图像的最基本特征。边缘检测通常是
机器视觉系统处理图像的第一个阶段。
本文边缘检测须满足三个要求：1）边缘定位 精度高；2）滤除噪声即是滤除不是边缘上的散点； 3）可不考虑边缘出现间断或漏检现象。基于以上 三点，采用了阈值较大的 Canny 算子。它是最佳 边缘检测算，在边缘检测方面具有良好的效果 [5]。 将原始图像（如图 1 所示）转化为灰度图像，利用 Canny 检测算子提取灰度图像的边缘，得到边缘检 测二值图像，如图 2 所示。
试验所用的部分图像处理效果如图 8 所示， 角度视觉测量结果如表 1 所示。
从表 1 数据来看，可以获取顶点坐标值，从 而确定角的位置；角度值由理论值、测量值及绝 对 误 差 三 部 分 组 成。 在 所 验 证 的 角 度 值 中， 除
ਸ๔
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第34卷 第4期 2012-4(下) 【43】
图5 角度值及顶点位置
图4 三条线段检测
3 顶点坐标及角度的获取
在三角形工件中，须获取三个角度值并确定 角度值与角的对应关系，即确定∠ A 的角度值， 同理确定∠ B、∠ C 的角度值。三个角度值可由 图 4 中的线段 1、线段 2 和线段 3 间的倾斜率差的 绝对值确定；角的顶点可由任两线段或其延长线 的交点确定。
图3 多条线段检测
2.2 删除斜率相等的线段 从 图 3 可 以 看 出， 图 像 中 检 测 出 6 条 线 段。
为了后续的夹角提取，须保留且只能保留相应的 3 条线段，即在线段 1、2 保留其一、在线段 3、4、 5 中保留其一与线段 6 组成工件的三条边所在的线 段，检测结果如图 4 所示。
1）由 线 段 1、 线 段 2 的 端 点 坐 标（start_x1， start_y1），（end_x1，end_y1）、（start_x2，start_ y2），（end_x2，end_y2）；可确定两条线段的斜率 a 和截距 b，分别为：
[3] 刘珍, 包晓艳, 赛娜. 大型工件角度的视觉测量方法[J]. 电子测量技术, 2008, 31(8): 106-108, 122. Liu Zhen, Bao Xiaoyan, Sai Na. Large work piece angle measuring method by vision method[J]. Electronic Measurement Technology, 2008, 31(8): 106-108, 122.
本 文 以 三 角 形 工 件 为 研 究 对 象， 首 先 利 用 Canny 算子实现工件边缘检测，然后利用 Hough 变换获取图像中的多条线段特征，经处理获取三 条边对应的线段特征，最后同时确定三个角的位 置及角度值，从而实现了工件多角度自动化测量。
1 工件的边缘检测
1.1 图像采集 为了保证从图像中测量的角度反映工件的真
顶点位置的确定可由 3 步完成：
【42】 第34卷 第4期 2012-4(下)
4 算法验证
为便于验证算法的准确性和有效性，采集角 度块规图像进行验证，其检测算法流程如图 6 所 示。本文采用哈尔滨量具刃具厂生产的角度块规。 它是一种角度计量基准，如图 7 所示。三角形角 度块规只有一个工作角，所以在角度值提取的过 程，虽然获取了三个角度值，但最后验证算法时 只使用了工作角作为角度值的理论值。
图1 原始图像
图2 边缘检测
2 三条线段的检测
霍夫变换是从图像中识别几何形状的基本方 法之一，应用广泛。最基本的霍夫变换是从二值 图像中检测直线 ( 线段 )。线段特征提取的准确程 度将影响着后续工件角度值的提取。
2.1 多条线段的检测 霍夫变换是把图像空间中的一条线对应 Hough
空间中的一个点即给定点 (x，y) 集，找出所有的
摘 要： 角度视觉测量是一项基于图像处理的角度测量技术，可实现快速和非接触式测量，同时克服
了人为因素。以三角形工件为研究对象，首先利用Canny算子实现工件边缘检测，然后利用
Hough变换获取图像中的多条线段特征，经处理获取三条边对应的线段特征，最后确定三个角
的位置及角度值，从而实现了工件多角度自动化测量。试验表明，该算法可以同时获取三个角
20.03
-0.03
Βιβλιοθήκη Baidu
70°块规外，其他的绝对误差在 ±0.1°内；而 70°块规的绝对误差为 -1.02。经分析，70°块规 存在较大误差的主要原因是：在采集图像时，工件 的边缘出现了模糊现象，其原始图像图 9 所示。
图8 试验所用的部分图像
5 结论
本文提出的工件多角度视觉测量技术以三角 形工件为研究对象，实现了工件多角度自动化测 量。它可以应用在一般的角度测量中，有效地对 工件实现快速、非接触角度测量，具有较好的检 测精度，克服了人为误差。
参考文献：
[1] 鲁昌华, 韩静, 刘春. 基于 hough变换的角度检测和特征 识别[J]. 电子测量与仪器学报, 2005, 19(5): 45-49. Lu changhua, Han Jing, Liu chun. Angle detection and feature recognition based on Hough Transform [J]. Journal of Electronic Measurement and Instrument, 2005, 19(5): 45-49.
0 引言
传统工件角度测量主要有万能角度尺、正弦 规、角度块规等方法，存在读数过程繁琐、效率 低、人为误差大等不足；而角度视觉测量是一项 基于图像处理的角度测量技术，可实现对工件进 行 快 速、 非 接 触 式 测 量， 同 时 克 服 了 人 为 因 素。 当前研究主要集中于单个角度的自动测量 [1~3] 和 多角度交互测量 [4]，前者与传统测量方法相比体 现不出测量效率的优势，后者无法实现图像采集、 处理和测量的自动化作业。
工件多角度视觉测量方法
Multi-angle work piece angle measuring method by vision technology 师 平1，沈宝国1，尹建军2
SHI Ping1, SHEN Bao-guo1, YIN Jian-jun2
（1. 江苏省联合职业技术学院 镇江分院，镇江 212003； 2. 江苏大学 现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室，镇江 212013）
a1=(end_y1-start_y1)/(end_x1-start_x1)；
b1=(start_y1*end_x1- start_x1*end_y1)/(end_ x1-start_x1)；
a2=(end_y2-start_y2)/(end_x2-start_x2)；
b2=(start_y2*end_x2- start_x2*end_y2)/(end_ x2-start_x2)。
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71.02
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7 1304.76 218.24 20.00
[5] 王植, 贺赛先. 一种基于Canny理论的自适应边缘检测方 法[J].中国图象图形学报，2004，9( 8)：957-962. Wang Zhi, He Saixian. An adaptive Edge-detect ion Method Based on Canny Algorithm [J]. Journal of I mage and Graphics, 2004, 9(8): 957-962.
[2] 周峰, 倪俊芳. 工件角度的图像测量法研究[J]. 苏州大学 学报 (工科版 ), 2008, 28(1): 59-62. Zhou Feng, Ni Junfang. Research on the Approach of I mage Measurement of workpiece angle[J]. Journal of Suzhou University(Engineering Science Edition), 2008, 28(1): 59-62.
收稿日期：2011-09-20 基金项目：国家自然科学基金资助项目（50805067） 作者简介：师平（1969－），男，副教授，研究方向为机械制造与自动化。
第34卷 第4期 2012-4(下) 【41】
(m，b)，且满足 y=mx+b；最后通过统计特性来检 测各个线段特征。
从 在 严 格 的 意 义 讲， 由 于 加 工 表 面 不 平 整， 从而造成工件的边缘并不是一条线段，而是一条 凸凹不平的曲线段。每个凸点或凹点将把一条线 段分成两条或多条线段，其检测结果如图 3 所示。
2) 线段 1 的直线方程为：y=a1*x+b1 ； 线段 2 的直线方程为：y=a21*x+b2。 3）顶点坐标为（peak_x，peak_y），则有 peak_x =-1/(a1-a2)*(b1-b2)； peak_y=(a1*b2-b1*a2)/(a1-a2)。 其工件的各个角的角度值在原图像中标记如 图 5 所示。其中，角度值为两线段或其延长线的 夹角或其夹角的补角的大小。
的对应角度值，实现了快速测量；同时其绝对误差在±0.1°内，可以满足当前工件角度检测
要求。
关键词： 工件；线段；多角度；视觉技术；霍夫变换
中图分类号：TP242.6
文献标识码：A
文章编号：1009-0134(2012)4(下)-0041-03
Doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2012.4(下).12
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ຐ 图6 角度检测流程图
图7 角度块规
图9 70°块规的原始图像
表1 顶点坐标与角度值
序号
顶点坐标
X坐标 /pixel
Y坐标 /pixel
理论值 /°
角度值
测量值 /°
绝对误差 /%
1 1071.50 45.48
40.00
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-0.02
实角度，须使图像传感器光轴垂直于被测工件的 平面。采集设备获得的图像为 4000×3000、JPG 格式的彩色图像。
1.2 边缘检测 边缘是图像的最基本特征。边缘检测通常是
机器视觉系统处理图像的第一个阶段。
本文边缘检测须满足三个要求：1）边缘定位 精度高；2）滤除噪声即是滤除不是边缘上的散点； 3）可不考虑边缘出现间断或漏检现象。基于以上 三点，采用了阈值较大的 Canny 算子。它是最佳 边缘检测算，在边缘检测方面具有良好的效果 [5]。 将原始图像（如图 1 所示）转化为灰度图像，利用 Canny 检测算子提取灰度图像的边缘，得到边缘检 测二值图像，如图 2 所示。
试验所用的部分图像处理效果如图 8 所示， 角度视觉测量结果如表 1 所示。
从表 1 数据来看，可以获取顶点坐标值，从 而确定角的位置；角度值由理论值、测量值及绝 对 误 差 三 部 分 组 成。 在 所 验 证 的 角 度 值 中， 除
ਸ๔
܁ൽၟ
Չᇹॠ֪!)Dbooz໙ጱ*
ܠ၍ॠ֪!)ऊސՎ࣑*
第34卷 第4期 2012-4(下) 【43】
图5 角度值及顶点位置
图4 三条线段检测
3 顶点坐标及角度的获取
在三角形工件中，须获取三个角度值并确定 角度值与角的对应关系，即确定∠ A 的角度值， 同理确定∠ B、∠ C 的角度值。三个角度值可由 图 4 中的线段 1、线段 2 和线段 3 间的倾斜率差的 绝对值确定；角的顶点可由任两线段或其延长线 的交点确定。
图3 多条线段检测
2.2 删除斜率相等的线段 从 图 3 可 以 看 出， 图 像 中 检 测 出 6 条 线 段。
为了后续的夹角提取，须保留且只能保留相应的 3 条线段，即在线段 1、2 保留其一、在线段 3、4、 5 中保留其一与线段 6 组成工件的三条边所在的线 段，检测结果如图 4 所示。
1）由 线 段 1、 线 段 2 的 端 点 坐 标（start_x1， start_y1），（end_x1，end_y1）、（start_x2，start_ y2），（end_x2，end_y2）；可确定两条线段的斜率 a 和截距 b，分别为：
[3] 刘珍, 包晓艳, 赛娜. 大型工件角度的视觉测量方法[J]. 电子测量技术, 2008, 31(8): 106-108, 122. Liu Zhen, Bao Xiaoyan, Sai Na. Large work piece angle measuring method by vision method[J]. Electronic Measurement Technology, 2008, 31(8): 106-108, 122.
本 文 以 三 角 形 工 件 为 研 究 对 象， 首 先 利 用 Canny 算子实现工件边缘检测，然后利用 Hough 变换获取图像中的多条线段特征，经处理获取三 条边对应的线段特征，最后同时确定三个角的位 置及角度值，从而实现了工件多角度自动化测量。
1 工件的边缘检测
1.1 图像采集 为了保证从图像中测量的角度反映工件的真
顶点位置的确定可由 3 步完成：
【42】 第34卷 第4期 2012-4(下)
4 算法验证
为便于验证算法的准确性和有效性，采集角 度块规图像进行验证，其检测算法流程如图 6 所 示。本文采用哈尔滨量具刃具厂生产的角度块规。 它是一种角度计量基准，如图 7 所示。三角形角 度块规只有一个工作角，所以在角度值提取的过 程，虽然获取了三个角度值，但最后验证算法时 只使用了工作角作为角度值的理论值。
图1 原始图像
图2 边缘检测
2 三条线段的检测
霍夫变换是从图像中识别几何形状的基本方 法之一，应用广泛。最基本的霍夫变换是从二值 图像中检测直线 ( 线段 )。线段特征提取的准确程 度将影响着后续工件角度值的提取。
2.1 多条线段的检测 霍夫变换是把图像空间中的一条线对应 Hough
空间中的一个点即给定点 (x，y) 集，找出所有的
摘 要： 角度视觉测量是一项基于图像处理的角度测量技术，可实现快速和非接触式测量，同时克服
了人为因素。以三角形工件为研究对象，首先利用Canny算子实现工件边缘检测，然后利用
Hough变换获取图像中的多条线段特征，经处理获取三条边对应的线段特征，最后确定三个角
的位置及角度值，从而实现了工件多角度自动化测量。试验表明，该算法可以同时获取三个角
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70°块规外，其他的绝对误差在 ±0.1°内；而 70°块规的绝对误差为 -1.02。经分析，70°块规 存在较大误差的主要原因是：在采集图像时，工件 的边缘出现了模糊现象，其原始图像图 9 所示。
图8 试验所用的部分图像
5 结论
本文提出的工件多角度视觉测量技术以三角 形工件为研究对象，实现了工件多角度自动化测 量。它可以应用在一般的角度测量中，有效地对 工件实现快速、非接触角度测量，具有较好的检 测精度，克服了人为误差。
参考文献：
[1] 鲁昌华, 韩静, 刘春. 基于 hough变换的角度检测和特征 识别[J]. 电子测量与仪器学报, 2005, 19(5): 45-49. Lu changhua, Han Jing, Liu chun. Angle detection and feature recognition based on Hough Transform [J]. Journal of Electronic Measurement and Instrument, 2005, 19(5): 45-49.
0 引言
传统工件角度测量主要有万能角度尺、正弦 规、角度块规等方法，存在读数过程繁琐、效率 低、人为误差大等不足；而角度视觉测量是一项 基于图像处理的角度测量技术，可实现对工件进 行 快 速、 非 接 触 式 测 量， 同 时 克 服 了 人 为 因 素。 当前研究主要集中于单个角度的自动测量 [1~3] 和 多角度交互测量 [4]，前者与传统测量方法相比体 现不出测量效率的优势，后者无法实现图像采集、 处理和测量的自动化作业。