一种用于刀角生产加工的视觉检测装置及方法与流程

本发明涉及图像识别，更具体地说，本发明涉及一种用于刀角生产加工的视觉检测装置及方法。

背景技术：

1、在硬质合金刀具的批量磨削生产中，对刀刃楔角、前角、后角等几何参数的检测，已普遍采用基于机器视觉的非接触式光学测量方法替代传统样板目视比对，基本过程为：待测刀具在夹具上定位后，通过平行背光源获得刃口投影轮廓，由工业相机采集图像，再经图像处理提取刃口边缘并拟合出直线或轮廓线，最终计算出刀角数值。由于刀角参数直接影响切削性能与刀具寿命，生产中要求在数十微米级精度内实现全检，并具备适应产线连续运行的稳定性。

2、然而，在现场视觉检测实践中发现，由于硬质合金刀具的刃面具有较高光学反射率，经夹具、防护结构等非预期镜面反射会在图像中形成紧邻真实刃边的次级虚影，该次级虚影的强度及位置受工件表面状态和检测环境变动影响，常规的固定阈值或一次性背景校正方式难以将其与真实刃口边缘稳定区分，由此导致亚像素边缘定位过程中参与拟合的数据点被虚影误导而产生偏移，使得同一刀具在相邻检测中得到的角度测量值出现不可忽略的波动，导致合格品被误判或实际角度偏差未能被检出。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种用于刀角生产加工的视觉检测装置及方法以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种用于刀角生产加工的视觉检测方法，包括如下步骤：

4、s1：采集刀具刃口在平行背光源照明下由工业相机获取的原始灰度图像；

5、s2：对原始灰度图像进行梯度方向场计算，生成梯度方向图谱，梯度方向图谱中每个像素具有对应的梯度方向；

6、s3：调节平行背光源的发光强度，获取至少两幅不同照明强度下的图像并生成对应的梯度方向图谱，对各像素提取其邻近区域在不同照明强度下的梯度方向分布向量，计算两梯度方向分布向量之间的分布相异度作为虚影响应评估参量；

7、s4：将虚影响应评估参量映射为相异度标量场，计算相异度标量场中各像素位置处沿其梯度方向与垂直其梯度方向的主曲率，将主曲率组合呈现脊状特征且相异度标量值低于邻域均值的像素判定为对应真实刃边的像素并予以保留，剔除其余像素，得到对应真实刃边的像素集；

8、s5：对对应真实刃边的像素集进行刃口边缘拟合，并基于拟合所得刃口直线计算刀角。

9、进一步地，s1包括：

10、将待测刀具装夹于检测工位的夹具上，开启平行背光源，使平行背光源发出的平行光束投射至刀具刃口并形成投影轮廓；

11、由工业相机对投影轮廓进行曝光采集，获得包含真实刃边投影和由夹具或防护结构反射形成的次级虚影的原始灰度图像。

12、进一步地，s2包括：

13、对原始灰度图像逐像素计算水平方向梯度与垂直方向梯度；

14、由水平方向梯度与垂直方向梯度的比值取反正切求得初始梯度方向角；

15、将初始梯度方向角归算至预设的角度区间内；

16、对归算后的梯度方向角进行局部非极大值抑制得到各像素对应的梯度方向；

17、将所有像素的梯度方向汇总构成梯度方向图谱。

18、进一步地，s3包括：

19、在保持刀具装夹状态不变的条件下，将平行背光源的发光强度调节至第一强度值，触发工业相机采集第一照明强度图像，对第一照明强度图像执行梯度方向场计算得到第一梯度方向图谱，再将平行背光源的发光强度调节至与第一强度值不同的第二强度值，触发工业相机采集第二照明强度图像，对第二照明强度图像执行梯度方向场计算得到第二梯度方向图谱；

20、对第一梯度方向图谱中每个像素，统计以对应像素为中心的预设邻域窗口内所有像素的梯度方向落入各方向区间的频数，构建第一梯度方向分布向量，对第二梯度方向图谱中相同像素位置，统计以对应像素为中心的相同尺寸邻域窗口内所有像素的梯度方向落入相同各方向区间的频数，构建第二梯度方向分布向量；

21、对每个像素，计算其第一梯度方向分布向量与第二梯度方向分布向量之间的巴氏距离，将巴氏距离作为对应像素对应的虚影响应评估参量。

22、进一步地，构建第一梯度方向分布向量和构建第二梯度方向分布向量包括：将预设的角度区间等分为若干方向区间，对预设邻域窗口内每个像素的梯度方向进行方向区间归属判定，统计落入每个方向区间的像素数量，以各方向区间的像素数量构成向量元素，依序排列生成梯度方向分布向量，第一梯度方向分布向量与第二梯度方向分布向量采用相同的方向区间划分方式和相同的向量元素排列顺序。

23、进一步地，s4包括：

24、将每个像素的虚影响应评估参量数值直接赋值作为对应像素的相异度标量值，所有像素的相异度标量值共同构成相异度标量场；

25、对相异度标量场中每个像素位置，构建以对应像素位置为中心的局部邻域窗口，在局部邻域窗口内拟合二次曲面，由二次曲面在梯度方向上的二阶偏导数得到沿梯度方向的主曲率，由二次曲面在垂直梯度方向上的二阶偏导数得到垂直梯度方向的主曲率；

26、遍历相异度标量场中所有像素，将同时满足沿梯度方向的主曲率为负值且垂直梯度方向的主曲率绝对值小于沿梯度方向的主曲率绝对值且相异度标量值低于局部邻域窗口内全部像素相异度标量值的平均值的像素判定为对应真实刃边的像素，将对应真实刃边的像素逐一归入像素集，将判定为不满足的像素剔除。

27、进一步地，计算沿梯度方向的主曲率和垂直梯度方向的主曲率包括：对局部邻域窗口内各像素的相异度标量值进行最小二乘曲面拟合，得到二次曲面方程系数，由二次曲面方程系数构建hessian矩阵，对hessian矩阵进行特征值分解，将梯度方向单位向量和垂直梯度方向单位向量分别代入二次型表达式，得到沿梯度方向的主曲率和垂直梯度方向的主曲率。

28、进一步地，s5包括：

29、提取对应真实刃边的像素集中全部像素的坐标，对坐标进行主成分分析；

30、将最大特征值对应特征向量的方向作为初始刃口方向；

31、计算各像素坐标到沿初始刃口方向拟合所得初始直线的距离，剔除距离超出预设阈值的像素，对剩余像素坐标再次进行主成分分析并拟合直线；

32、重复执行剔除与拟合直至像素坐标集合不再变化，得到刃口直线，将刃口直线与预先标定的基准方向之间的夹角作为刀角。

33、进一步地，剔除距离超出预设阈值的像素包括：计算各像素坐标到初始直线的垂直距离，将所有垂直距离的中位数与中位绝对偏差进行加权组合，将加权组合结果作为阈值，将垂直距离大于阈值的像素坐标判定为偏离点并予以剔除。

34、另一方面，本发明提供一种用于刀角生产加工的视觉检测装置，包括以下模块：

35、图像采集模块，用于采集刀具刃口在平行背光源照明下由工业相机获取的原始灰度图像；

36、方向生成模块，用于对原始灰度图像进行梯度方向场计算，生成梯度方向图谱，梯度方向图谱中每个像素具有对应的梯度方向；

37、参量评估模块，用于调节平行背光源的发光强度，获取至少两幅不同照明强度下的图像并生成对应的梯度方向图谱，对各像素提取其邻近区域在不同照明强度下的梯度方向分布向量，计算两梯度方向分布向量之间的分布相异度作为虚影响应评估参量；

38、像素筛选模块，用于将虚影响应评估参量映射为相异度标量场，计算相异度标量场中各像素位置处沿其梯度方向与垂直其梯度方向的主曲率，将主曲率组合呈现脊状特征且相异度标量值低于邻域均值的像素判定为对应真实刃边的像素并予以保留，剔除其余像素，得到对应真实刃边的像素集；

39、拟合计算模块，用于对对应真实刃边的像素集进行刃口边缘拟合，并基于拟合所得刃口直线计算刀角。

40、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

41、1.通过调节平行背光源的发光强度并计算不同照明条件下梯度方向分布的相异度，将次级虚影对光照变化的非线性响应转化为可量化的虚影响应评估参量，使得紧邻真实刃边的寄生像斑被赋予区别于真实几何边缘的数值特征，从而为后续精确分离提供了可靠依据，将虚影响应评估参量转化为相异度标量场并沿梯度方向与垂直梯度方向提取主曲率，借助真实刃边在相异度标量场中固有的带状低值延伸形态和脊状曲率响应，以曲率极性与幅值关系联合标量值约束完成像素级筛选，避免了单纯依赖灰度阈值或固定模板在处理镜面反射引起的缓变虚影时出现的误判。

42、2.真实刃边的像素集在空间分布上保留了刃口的真实走向与轮廓，排除了位置随照明波动的虚影像素，使得后续刃口边缘拟合过程不受寄生反射的干扰，拟合所得刃口直线能够稳定反映切削刃的实际几何方位，在连续生产检测中面对夹具表面状态变化和检测环境波动时，无需重新标定或人工设定掩膜，即可在不同检测时刻获得一致的刀角测量结果，减少了因次级虚影误导而造成的角度测量波动和误判，提升了视觉检测系统在硬质合金刀具批量生产场景下的测量可信度。