图像处理技术在平面度检测中的应用

王平均 王梅琴 / 淮安市计量测试中心

0 引言

随着机械工业的飞速发展，机械行业的工厂实验室、计量检测实验室对平面度的检测量也随之加大。在机械加工中，平面度误差是评定工件表面平整度的重要指标。因此，平面度误差测量技术是精密测试技术中重要研究内容之一。在测试过程中，选择合适的仪器设备是准确快捷测量的关键。测量数据的处理方法简单、便利、快捷，是今后相当长一段时间内必不可少的工作方向和目标。

1 平面度检测系统原理

目前国内外对平面度检测的方法有很多，如间隙法、光轴法、自准直仪测量法等。本文采用自准直仪和计算机构成的数据采集处理系统，对平面度进行检测。它是在传统自准直仪测量平面度原理的基础上，为自准直仪扩展了一个可读写数据存储器（FRAM）和一个控制面板，利用单片机自动记录测量数据，通过串口通信将数据传入计算机，经过数据处理评定平板平面度误差，并且自动判定平板的等级。测量方法与自准直仪测量平面度方法相同，采用节距法，测量点采用对角线分布，将被测截面分成若干段，如图1所示。将观测反射镜放置在平板各被测截面的一端，根据所选跨距依次将观测反射镜沿直线从平板的对角线的一端移至另一端，在图像采集系统上读取每个位置的示值，经计算求得被测截面各测量点对端点连线的偏差，然后根据平面度评定方法，计算求得工作面各截面测量点对评定基准的偏差。偏差中最大值与最小值之差即为平板的平面度。使用VC++语言编写的软件程序，实现了由图像采集系统输入的数据的坐标转换和处理，并能绘制出被测平板平面的三维起伏形状图，对评定的实际平面度误差和平板允许的误差范围进行比较，判断平板等级，输出评定结果。

图1 测量点位置分布

2 平面度检测系统的组成

基于图像处理的平面度检测系统，由图像采集模块、图像处理模块、数据处理模块及图像成像模块组成，如图2所示。

图2 平面度检测系统

2.1 平面度检测系统

运用光源，通过CCD工业摄像机摄取平面测试件反射光线图像，经USB接口输出，进入MATLAB图像处理系统，完成图像滤波、去噪、二值化和特征参数提取等处理过程，最后由操作界面显示测量结果数据和被测平面三维示意图。

图像处理算法设计，包括图像预处理（滤波、去噪、二值化等）、图像特征参数提取等。对重要算法进行仿真并对结果进行分析。

应用MATLAB数字图像处理技术，完成GUI操作界面设计，实现测量结果可视化。

2.2 平面度检测系统工作原理

平面度检测系统工作原理如图3所示。

该平面度检测系统工作时，观测反射镜与图像采集系统在同一被测平板上，图像采集系统中照明系统发出激光束，通过调节观测反射镜将激光束反射回图像采集系统中，出射光与入射光的夹角即为平面上两点间的角度值，在图像采集系统中以格值形式显示出示值，待示值稳定后，由摄像头摄取图像信息，通过图像采集卡将图像信息送至图像处理系统。

1）图像采集模块

图3 平面度检测系统原理

完成图像成像模块所显示刻线的采集工作，将采集到的图像数据进行去除噪声干扰、图像锐化、灰度变换预处理，确定图像中信号，将无用的信息去除，增强有用的特征信息，将不完整的特征信息修复复原。

2）图像处理模块

将预处理完成的图像再进行图像处理，通过去噪声、去干扰，增强处理、图像复原将原始图像加工成便于计算机识别的图像，之后通过图像识别对图像处理后的可用图像进行特征提取、分类、分析。

3）数据处理模块

图像处理后的数据由数据采集卡送至数据处理模块，数据处理模块将图像处理后的数据通过平面度计算公式，计算出各采集点相对于理想平面的距离偏差，并算出平面度误差值，同时数据处理模块中由三位图像拟合，直观看出平面的误差分布情况。

3 数据处理与分析

平面度的评定方法有贴切法、简易法、最小二乘法和最小区域法。贴切法只适用于小平面；简易法评定平面度误差，数据处理简单，但得到的平面度误差值偏大；最小区域法评定平面度误差，完全符合平面度的定义，但过程比较麻烦；最小二乘法来评定平面度误差，所得结果比最小区域法要稍大一些，但比简易法却要准确得多，而且计算机编程易实现。因此拟采用最小二乘法进行数据处理。表1是本项目前期工作中实际测量的一组数据。

表1中的z是各测量点到理想平面的偏差。

平面度的测量方法有直接测量法和间接测量法。直接测量法是将被测实际表面与理想平面直接进行对比，两者之间的线值距离即为平面度误差，如用于测量小平面的平晶干涉法。

本设计拟采用间接测量法，即通过测量实际表面上若干个点的相对高度差或相对倾斜角，然后再换算成以线值表示的平面度误差。也就是先给出一个参考基准平面，然后再测量出工件待测平面上的一系列点相对于基准参考平面的高度差值，再对这些数值进行数据处理以求出满足或近似满足平面度定义的平面度误差值。

同样以表1为例，图4是采用最小二乘法拟合出的工件表面实际三维图像，工件表面平整度三维逼真再现，从而使平面度的检测更加便捷、准确。

图4 实际表面拟合三维图

4 结语

随着计算机技术和光电技术的发展，基于视觉图像的检测技术运用得越来越多。通过基于计算机视觉的非接触自动测量技术，将光学仪器和图像传感器相结合，人们研制了许多基于机器视觉的新型光电测量仪器。图像传感器在测试领域中的应用成为现行检测方法的必然趋势，它能为用户带来直观、准确的检测结果，并节约时间，提高检测效率。