球面孔系坐标的检测方法

    1　引言

    一系列半径从50mm到85mm表面光洁度较高的铝制半球壳上密布3至5的通孔,且所有孔的轴线均过球心。测量孔系之间的相对转角的关键技术在于检测圆孔的圆心位置。本文所介绍的测量系统,采用面阵CCD和线阵CCD相结合的方法,以图像分析、图像识别为基础,实现对圆孔中心的快速、准确的检测。针对此系统所采集的图像的特殊性,提出一种新颖的圆孔中心检测算法,该算法较标准Hough圆检测算法方法更简捷、速度更快、效率更高。

    2　测量系统基本原理

    测量系统的原理如图1所示。测量系统经过校准后,物镜的轴线通过球体的球心。灯头光源发出的高亮度光照射于球体表面,小孔经过反射后通过物镜放大5倍后成像在线阵CCD所在的水平面上。通过低分辨率的面阵CCD的观察可以粗略地判断孔的轴线是否与物镜的轴线重合。

    测量装置中的线阵CCD及光栅尺在步进电机驱动下往返运动从而实现对放大后的圆孔图像的采集。光栅尺保持与线阵CCD采集同步,记录线阵CCD每一行对应采集位置。完成图像的采集后,计算机利用从采集卡的SRAM中读出的CCD数据合成一幅灰度图像。利用数字图像处理的方法对灰度图像进行分析,检测出圆孔的中心坐标,结合步进电机驱动球体的转角即可得到孔系之间的转角。

    3　圆孔中心的检测

    小孔经过物镜放大5倍后成像在线阵CCD所在的水平面上,采集后的图像如图2所示。经过中值滤波、二值化预处理后,孔的区域为黑色(灰度值为0),而其它区域为白色(灰度值为225)。因采集行距比CCD像元间距大的多,图像中的孔就不显示为一个圆,但图像中的任一像素点的实际位置可由CCD像元间距和像素所在行对应的光栅值得到。因此,对此图像的分析具有一定的特殊性,不宜采用Hough等常规算法进行几何特征的提取与分析,本文提出如下所述的算法。

    对于一个圆,分别作平行于X轴的M条水平线H₁…H_M,以及平行于Y轴的N条垂直线V₁…V_N。H_i(i=1~M)与圆相交得到两个交点S_iL(x_iL,y_iL)和S_iR(x_iR,y_iR),V_i(i=1~N)与圆相交得到两个交点TiB(x_iB,y_iB)和TiT(x_iT,y_iT),如图3所示。对于一个理论上的圆,由任一条平行于X轴的弦SiLSiR就可得到圆的X方向的中心坐标:(xiL+xiR)/2,由任一条平行于Y轴的弦TiLT_iR就可得到圆的Y方向的中心坐标:(y_iL+y_iR)/2。由于球体加工精度或采集时光源的不稳定的影响,采集的图像中的圆孔就不是一个理论上的圆了,若只取一对X和Y方向的弦进行计算则可能产生较大的误差,所以应取尽量多的弦来进行计算并取其平均值。则圆孔的中心坐标为: