一种管板孔径和节距测量方法技术

本发明专利技术公开了一种管板孔径和节距测量方法，该方法包括步骤：首先，由多个摄像机拍摄管板；其次基于目标像素多种统计量筛选有效对象；随后采用基于大津法和灰度统计值方法结合的局部二值化方法实现准确阈值分割；进而，采用椭圆环带迭代逼近真实边缘的方法，准确定位真实边缘，拟合椭圆中心和匹配；基于立体视觉，计算椭圆中心三维坐标，并拟合测量视场的局部平面，计算出各孔边缘三维坐标信息；对于多摄像机、多视场等产生的冗余的测量数据，利用拟合残差、理论值等评价体系，最终获得最好的测量数据。本发明专利技术能够实现高效、精确的大尺寸管孔的孔径与节距测量。

A method to measure the diameter and pitch of tubesheet

【技术实现步骤摘要】
一种管板孔径和节距测量方法
本专利技术属于机器视觉测量领域，具体涉及一种管板孔径和节距测量方法。
技术介绍
机械零件的尺寸检测是机械加工领域工业生产的重要环节之一，其检测结果直接会影响到产品的质量，甚至会对之后的再加工和装配质量起决定性作用。传统的机械零件尺寸检测工具主要包括卡尺、量规、万能工具显微镜以及轮廓仪等完成检测环节。目前，大多数厂商对工业零部件尺寸的测量，仍采用人工检测的方法。人工检测存在劳动强度大、人力成本高、检测速度慢、主观性强等缺点，不仅影响生产线的工作效率，而且浪费了大量的劳动资源，检测人员的工作状态对检测结果有很大影响。随着工业现代化的进一步发展，传统的检测手段已不能完全满足现代化工业生产对机械零件尺寸检测的精度和速度上的要求。在现代大型电站设备中，凝汽器是凝汽式汽轮机辅机设备最主要的设备之一，其作用是利用循环冷却水使汽轮机排出的蒸汽凝结，在汽轮机排汽空间建立并维持所需真空。其中管板是凝汽器重要部分，管板决定凝汽器管束排列形式，管束排列形式对凝汽器性能影响很大。管板检测的关键尺寸是圆孔直径和节距。目前，管板检测常用的方法是人工塞规法，即通过人力利用塞规挨个测量，检测一块大型管板平均耗时长达3-4天。人工塞规法劳动强度大、人力成本高、自动化程度低、效率低，而且易受人主观因素影响，容易出现漏检和错检的情况，无法满足大规模自动化生产的需要。传统的孔径测量技术，通常借助圆孔边缘像素梯度变化，定位边缘像素，但由于管板表面质量差、测量视场内成像亮度不均匀、孔边缘毛刺多、倒角不规范以及内壁反光等原因，传统的边缘定位方法难以准确定位管孔的真是边缘，造成较大的测量误差，同时由于对于多摄像机、多视场重叠产生的多测量数据的筛选与剔除也是一个关键问题之一。因此，设计一种针对复杂场景下的高效高精度的尺寸测量方法具有非常重大的意义和价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种管板孔径和节距测量方法。本专利技术采用如下技术方案来实现的：一种管板孔径和节距测量方法，包括以下步骤：1)图像采集与干扰特征剔除利于两个或两个以上摄像机采集管板图像，进行目标孔的识别与分离，为后续边缘的准确提取做准备；2)阈值分割基于大津法和灰度统计值方法相结合的局部二值化方法实现目标孔对象的准确二值化；3)目标孔边缘准确提取利用亚像素边缘提取方法结合椭圆环带滤波法，准确提取二值化处理后的数字图像目标孔的倒角内边缘，并利用孔边缘拟合各孔的椭圆中心；4)目标孔匹配与局部平面确定基于平面射影变换和极线约束，将各摄像机所提取出的孔中心进行一一对应匹配，并去除未匹配的孔；基于立体视觉原理以及已标定的系统参数，计算匹配孔中心各点的三维坐标；利用目标孔及其邻近孔中心的三维坐标，拟合目标孔所在的局部平面；5)孔边缘三维坐标计算通过目标孔图像坐标及其所在局部平面方程，计算出孔边缘三维坐标信息，并利于两个或两个以上摄像机获得多组孔边缘的三维坐标值；6)孔径和节距的确定将管孔边缘的三维坐标进行拟合，得到直径和节距，通过从多组测量数据中优化选择，确定最终测量数据。本专利技术进一步的改进在于，步骤1)中，采用无效孔及噪声剔除的方法，使图像中的有效孔对象得以准确识别与分离，提高了后续边缘检测算法的执行效率和准确性，具体步骤为：有效孔对象识别与分离方法分为三步：首先对目标对象进行像素数进行统计，去除超出最小和最大像素数阈值的对象；其次，去除不完整的对象，求出目标对象像素数与其边缘拟合得到的完整像素数之比，根据设定阈值，占比大于此阈值时视为有效对象，否则视为无效对象，予以剔除；最后，基于二值化边缘进行椭圆拟合，根据拟合残差的标准差，小于设置阈值时视为有效对象，否则视为无效对象。本专利技术进一步的改进在于，步骤2)中，采用基于大津法和灰度统计值方法结合的局部二值化方法实现孔对象的准确二值化，具体过程为：将摄像机采集的数字图像根据对象大小和亮度均匀程度均分为多个部分，每部分先采用大津法进行二值化，再重新拼接成完整的二值化图像；经有效孔对象识别与分离后，对单个孔对象的二值化边缘进行椭圆拟合，当椭圆度小于设定阈值或拟合残差大于设定阈值时，利用灰度直方图统计法进行二值化，选择合适灰度阈值使孔对象区域尽可能地饱满，并重新计算椭圆度和拟合残差，有改善则替代原二值化结果，否则保留原二值化结果。本专利技术进一步的改进在于，步骤3)中，采用基于椭圆环带迭代逼近真实边缘的方法，准确定位到管孔倒角的内边缘，具体步骤为：采用椭圆环带收缩方法对每个目标孔的亚像素边缘提取结果逼近其倒角内边缘并剔除噪点，即，首先分别对根据权利要求3分离的单个孔二值化图进行形态学的膨胀、腐蚀处理获得两张图像，膨胀像素小于腐蚀像素数，再将膨胀图像减去腐蚀图像获得一个椭圆环带图像；进而，将该椭圆环带与目标孔的亚像素边缘提取结果相与，获得初始孔边缘；再对此孔边缘进行椭圆拟合并由拟合参数生成新的二值化椭圆图；对新的二值化椭圆图重新进行膨胀、腐蚀处理，重复上述过程，从而逐步减小椭圆拟合边缘，最终将目标孔边缘定位为孔倒角的内边缘。本专利技术进一步的改进在于，步骤6)中，采用冗余测量结果精细化择优选取方法，具体步骤为：计算两个或多个摄像机所得到的管孔直径数据的平均值，计算测量残差，建立目标孔的椭圆度、离心率、椭圆拟合残差、测量残差的综合评价方法，将超过设定阈值的测量数据剔除，剩余测量数据求取均值，作为孔径的最终测量数据，若测量数据较好，则保存当前拟合的局部平面，若均未能获得较好的测量数据，则使用之前保留的较好的局部平面重新进行数据处理环节，最终获得较好的测量数据。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益的技术效果：本专利技术针对于实际管板产品中目标孔存在倒角精度差、边缘毛刺较多、表面质量差、表面平面度较差等问题，提出了一种有效识别目标孔、提出干扰特征以及准确提取目标孔倒角内真实边缘的边缘检测方法，大幅提高了孔径和节距检测的算法的抗噪能力、检测效率和精度，并对测量结果进行精细化评判，不仅保证了管孔测量精度，还提高了测量系统的稳定性。进一步，在步骤1)中，传统阈值化难以区分被测物体表面大量锈蚀与污渍等产生的干扰特征，本方法首先采用基于像素占比，剔除大于或小于目标孔的特征，进一步针对近似于目标孔的特征，采用椭圆拟合的手段，剔除占比近似但为干扰的特征，有效提高对目标孔的有效识别和分离的能力。进一步，在步骤2)中，由于单个或多个相机在不同视角下拍摄得到的管板图像，因此图像亮度分布不均，同时由于内壁、倒角等反光，造成目标孔与周围像素灰度分布近似，传统的全局或局部自适应阈值分割手段难以奏效。本文方法基于图像亮度分布，将其划分为多个子区域，采用自适应阈值方法，初步得到子区域阈值分割图像，最终合成完整图像；其次，由于内壁强反光或因此而造成的目标孔阈值分割异常，如目标孔内部被腐蚀或明显偏离常规形状，本文通过将拟合目标孔为椭圆，利用椭圆度评价阈值分割效果，针对效果较差的情况，对目标孔进行直方图阈值分割，直至满足正常的椭圆度，最终能够有效解决传统方法难以解决的相似灰度分布下目标孔特征提取的难题。进一步，在步骤3)中，传统的边缘提取方法由于基于梯度确定特征边缘，而面对倒角或内壁反光时，往往将边缘定位与倒角处甚至内壁处，无法得到真实边缘。本文方法基于步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种管板孔径和节距测量方法，其特征在于，包括以下步骤：1)图像采集与干扰特征剔除利于两个或两个以上摄像机采集管板图像，进行目标孔的识别与分离，为后续边缘的准确提取做准备；2)阈值分割基于大津法和灰度统计值方法相结合的局部二值化方法实现目标孔对象的准确二值化；3)目标孔边缘准确提取利用亚像素边缘提取方法结合椭圆环带滤波法，准确提取二值化处理后的数字图像目标孔的倒角内边缘，并利用孔边缘拟合各孔的椭圆中心；4)目标孔匹配与局部平面确定基于平面射影变换和极线约束，将各摄像机所提取出的孔中心进行一一对应匹配，并去除未匹配的孔；基于立体视觉原理以及已标定的系统参数，计算匹配孔中心各点的三维坐标；利用目标孔及其邻近孔中心的三维坐标，拟合目标孔所在的局部平面；5)孔边缘三维坐标计算通过目标孔图像坐标及其所在局部平面方程，计算出孔边缘三维坐标信息，并利于两个或两个以上摄像机获得多组孔边缘的三维坐标值；6)孔径和节距的确定将管孔边缘的三维坐标进行拟合，得到直径和节距，通过从多组测量数据中优化选择，确定最终测量数据。

【技术特征摘要】
1.一种管板孔径和节距测量方法，其特征在于，包括以下步骤：1)图像采集与干扰特征剔除利于两个或两个以上摄像机采集管板图像，进行目标孔的识别与分离，为后续边缘的准确提取做准备；2)阈值分割基于大津法和灰度统计值方法相结合的局部二值化方法实现目标孔对象的准确二值化；3)目标孔边缘准确提取利用亚像素边缘提取方法结合椭圆环带滤波法，准确提取二值化处理后的数字图像目标孔的倒角内边缘，并利用孔边缘拟合各孔的椭圆中心；4)目标孔匹配与局部平面确定基于平面射影变换和极线约束，将各摄像机所提取出的孔中心进行一一对应匹配，并去除未匹配的孔；基于立体视觉原理以及已标定的系统参数，计算匹配孔中心各点的三维坐标；利用目标孔及其邻近孔中心的三维坐标，拟合目标孔所在的局部平面；5)孔边缘三维坐标计算通过目标孔图像坐标及其所在局部平面方程，计算出孔边缘三维坐标信息，并利于两个或两个以上摄像机获得多组孔边缘的三维坐标值；6)孔径和节距的确定将管孔边缘的三维坐标进行拟合，得到直径和节距，通过从多组测量数据中优化选择，确定最终测量数据。2.根据权利要求1所述的一种管板孔径和节距测量方法，其特征在于，步骤1)中，采用无效孔及噪声剔除的方法，使图像中的有效孔对象得以准确识别与分离，提高了后续边缘检测算法的执行效率和准确性，具体步骤为：有效孔对象识别与分离方法分为三步：首先对目标对象进行像素数进行统计，去除超出最小和最大像素数阈值的对象；其次，去除不完整的对象，求出目标对象像素数与其边缘拟合得到的完整像素数之比，根据设定阈值，占比大于此阈值时视为有效对象，否则视为无效对象，予以剔除；最后，基于二值化边缘进行椭圆拟合，根据拟合残差的标准差，小于设置阈值时视为有效对象，否则视为无效对象。3.根据权利要求2所述的一种管板孔径和节距测量方法，其特征在于，步骤2)中，采用基于大津法和灰度统...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄军辉，王昭，段琼琼，孙云飞，高建民，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61