摘要：基于對(duì)PVC 塑鋼門(mén)窗斷面測(cè)量的研究,提出了一種對(duì)二維平面中大量直線特征的自動(dòng)識(shí)別方法。從被測(cè)斷面圖像中提取邊緣特征，根據(jù)型材中各直線的圖紙坐標(biāo)，和圖紙、圖像坐標(biāo)間的關(guān)系，可識(shí)別出斷面邊緣圖像中的多條直線特征。將這些直線的數(shù)據(jù)存儲(chǔ), 就可用于斷面幾何參數(shù)的測(cè)量。針對(duì)斷面尺寸偏離圖紙公稱尺寸的情況和噪聲的存在，給出了識(shí)別正確性的理論分析。最后，根據(jù)圖像中識(shí)別出的直線上各點(diǎn)的坐標(biāo)，擬合出了直線方程。
關(guān)鍵詞：圖像處理；特征識(shí)別；尺寸測(cè)量
圖像測(cè)量技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新的測(cè)量技術(shù)。它以光學(xué)為基礎(chǔ),融光電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為一體,組成光、機(jī)、電綜合的測(cè)量系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量對(duì)象的實(shí)時(shí)、在線、非接觸測(cè)量。用CCD 攝取被測(cè)物體,通過(guò)圖像處理方法提取圖像有用特征并完成測(cè)量的方法,在許多文獻(xiàn)中都有介紹[1～7 ] 。但對(duì)經(jīng)圖像處理得到邊緣圖像后如何識(shí)別所需特征以完成測(cè)量,以上文獻(xiàn)介紹較少,或介紹的是一維信號(hào)、或簡(jiǎn)單單一二維圖形特征,如圓形、橢圓、齒輪輪齒等圖形特征的提取和測(cè)量。本研究中的測(cè)量對(duì)象是PVC 塑鋼門(mén)窗斷面,形狀復(fù)雜、多樣,包括大量的直線特征(如圖1是2 種型材斷面) ,所以,找到一種可行的方法,自動(dòng)、正確地識(shí)別出測(cè)量中用到的各直線特征,是本研究的一個(gè)特點(diǎn)和重點(diǎn)。本文介紹了一種識(shí)別方法的原理,并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此方法的可行性。
1 系統(tǒng)介紹
攝像圖像預(yù)處理直線識(shí)別系統(tǒng)工作的過(guò)程是:用CCD 相機(jī)及圖像采集卡將斷面的256 色位圖采集到計(jì)算機(jī)內(nèi),對(duì)圖像預(yù)處理得到斷面的二值邊緣圖像,從二值邊緣圖像中識(shí)別需要測(cè)量參數(shù)所對(duì)應(yīng)的邊緣。可將得到二值邊緣的過(guò)程分成2 大部分:攝像部分和圖像預(yù)處理部分。這樣,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可由圖2 表示。
1. 1 攝像部分
攝像部分的作用是得到型材斷面的256 色位圖(如圖1 所示) 。攝像部分由被測(cè)物體(異型材) 、CCD 攝像機(jī)、環(huán)形光源、圖像采集卡等元件組成,如圖3 所示。
1. 2 圖像預(yù)處理
本研究中圖像預(yù)處理的目的是得到斷面的邊緣圖像。得到二值、單像素、封閉的邊緣圖像,有利于后面進(jìn)行直線識(shí)別的實(shí)驗(yàn)。預(yù)處理可通過(guò)圖像平滑、二值化、和邊緣檢測(cè)等幾個(gè)步驟完成。由于照明視場(chǎng)不均、電路熱電阻起伏、CCD 性能等原因,采集到的圖像中存在噪聲[8 ] 。通過(guò)圖像平滑可有效減少這些噪聲,提高二值化后圖像的效果。二值化是將用圖像卡采集到的位深為8 的256 色位圖轉(zhuǎn)化為只有黑白2 種顏色的位圖。現(xiàn)有的二值化方法很多,大致可分為整體閾值法、局部閾值法和動(dòng)態(tài)閾值法。本研究中攝像部分采用高亮度的環(huán)形光源,攝像時(shí)將光圈數(shù)調(diào)到較大,光源調(diào)到較亮,且當(dāng)光源距斷面較近時(shí),可得到斷面和背景灰度級(jí)有明顯差別、光照較均勻的圖像(如圖1) 。故采用整體閾值法可基本滿足要求。我們使用的是Otsu 法[9 ] 。這種方法設(shè)一像素值為灰度i 的概率為pi ,則像素灰
邊緣檢測(cè)一般是通過(guò)判斷一像素與其周?chē)袼氐年P(guān)系進(jìn)行的,可構(gòu)造一定大小(如3 ×3)的模板與原圖像進(jìn)行卷積得到邊緣圖像。常用的算子是微分算子,包括梯度算子，Robert，L :aplacian，Kirsch，Sobel，Prewitt等算子。實(shí)驗(yàn)中選用Robert 算子，該算子的原理由式(2) 給出。
其中, f ( x , y) 代表輸入圖像, g ( x , y) 代表輸出的邊緣圖像。因?yàn)樗? ×2 算子,用它和斷面的二值圖像進(jìn)行卷積,可得到邊緣寬度基本為一個(gè)像素的二值邊緣圖像。對(duì)圖1 (a) 所示的圖像進(jìn)行預(yù)處理后,得到的二值邊緣圖像如下：
2 各直線特征的識(shí)別
本研究的目的是完成對(duì)異型材斷面幾何參數(shù)的測(cè)量,對(duì)直線識(shí)別方法的要求:能準(zhǔn)確識(shí)別出對(duì)應(yīng)直線,不出現(xiàn)找不到某直線和找錯(cuò)直線(將其它直線識(shí)別為該直線) 的情況;對(duì)不同形狀的型材,能根據(jù)圖紙要求在圖像的不同位置找到相應(yīng)直線。本方法的基本思想是,輸入文件根據(jù)型材圖紙坐標(biāo)給出各直線的描述;首先將輸入文件轉(zhuǎn)化為程序可處理的形式;根據(jù)圖像的一些明顯的特征和輸入文件的一些信息,得到型材圖紙坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系;最后,根據(jù)輸入文件對(duì)所要識(shí)別直線的描述及2 個(gè)坐標(biāo)系之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,在圖像中識(shí)別出直線。以下將逐步介紹這幾個(gè)步驟。
2. 1 輸入文件
輸入文件給出對(duì)直線在圖紙中的描述,其中包括了直線的序號(hào),起、終點(diǎn)坐標(biāo)等信息。本實(shí)驗(yàn)中的輸入文件是如下所示的文本文檔。
以第一行為例, L2 表示序號(hào)為2 的直線。(3 ,0) , (60 ,0) 為該直線的起、終點(diǎn)在圖紙中的坐標(biāo),單位為mm。
2. 2 輸入文件的程序表示
要讓程序能夠按照輸入文件的要求完成直線識(shí)別,首先要將輸入文件轉(zhuǎn)化為程序能夠“懂得”的形式。以上所示文件中每行表示一條直線,可將每行的信息存入一個(gè)單元,象如下所示結(jié)構(gòu)體中：
將這些結(jié)構(gòu)體按順序一塊存儲(chǔ),程序進(jìn)行直線識(shí)別時(shí)就可將這些結(jié)構(gòu)體順序取出,決定識(shí)別直線的位置和順序。
2. 3 兩坐標(biāo)系關(guān)系的確定
根據(jù)輸入文件(圖紙坐標(biāo)) 在圖像中進(jìn)行直線識(shí)別的思想決定:我們需要找到2 個(gè)坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系包括2 個(gè)方面:大小比例關(guān)系和位置關(guān)系。通過(guò)標(biāo)定可確定圖像圖紙坐標(biāo)的比例關(guān)系。加工一尺寸標(biāo)準(zhǔn)的矩形塊,將其作為測(cè)量對(duì)象,測(cè)出其長(zhǎng)、寬圖像中對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)。根據(jù)已知的標(biāo)準(zhǔn)件尺寸,就可得到單位為“像素?cái)?shù)/ 毫米”的兩坐標(biāo)比例關(guān)系。位置關(guān)系由橫軸和原點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以確定。找這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系,也就是找到圖紙中橫坐標(biāo)軸和原點(diǎn)在圖像中對(duì)應(yīng)的直線和點(diǎn)。對(duì)圖4 所示斷面圖像中,是以L2 為橫軸,求出L1 與L2 的交點(diǎn)作為原點(diǎn)。
2. 4 直線的識(shí)別
根據(jù)輸入文件給出的一直線的信息,可知直線中點(diǎn)的圖紙坐標(biāo)p1 ( x1 , y1) ;根據(jù)兩坐標(biāo)關(guān)系,得到p1 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圖像上的一點(diǎn)p2 ( x2 , y2) ;在p2 點(diǎn)附近找到實(shí)際圖像中直線上的一點(diǎn)q ;搜索與q 點(diǎn)相連的點(diǎn),得到要找的直線。如圖5 所示。
將找到的各點(diǎn)坐標(biāo)存儲(chǔ)起來(lái),就可用于擬合、測(cè)量等操作。
3 識(shí)別正確性的理論分析
稱通過(guò)輸入文件和物像關(guān)系找到的、接進(jìn)圖像中要識(shí)別直線的點(diǎn)為逼近點(diǎn)p (如圖5 所示的p2 點(diǎn)) ,被逼近的直線為l 。則識(shí)別的正確與否主要取決于逼近點(diǎn)是否足夠接近直線l ,可搜索到該直線上的一點(diǎn)q (如圖5) 。忽略標(biāo)定及找原點(diǎn)對(duì)逼近點(diǎn)坐標(biāo)的影響,逼近點(diǎn)p 距直線l 的距離(像素?cái)?shù)) 主要取決于型材斷面尺寸與圖紙公稱尺寸的差。這是因?yàn)?要根據(jù)圖紙坐標(biāo)中的一點(diǎn)找到逼近點(diǎn)p , 而圖紙中點(diǎn)的坐標(biāo)依據(jù)的是公稱尺寸。設(shè)物象大小的對(duì)應(yīng)關(guān)系為k (像素/ 毫米) ,斷面中某一水平線段中點(diǎn)坐標(biāo)偏離公稱尺寸決定的坐標(biāo)x mm,不考慮圖像處理產(chǎn)生的誤差,找到的逼近點(diǎn)p 與直線上一點(diǎn)q 的圖像坐標(biāo)相差kx 個(gè)像素。要在上下kx 個(gè)像素內(nèi)搜索q 點(diǎn)。這要求在圖像中, 線段附近2 kx 像素內(nèi)無(wú)其它圖形或噪聲。也要求斷面中2 kx/ k = 2 x(mm) 內(nèi)無(wú)其它圖形。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
用上面介紹的方法對(duì)如圖1 (a) 所示的異型材斷面進(jìn)行識(shí)別,能夠根據(jù)圖紙要求準(zhǔn)確地識(shí)別出多條直線特征,得到直線上各點(diǎn)的圖像坐標(biāo),擬合出直線在圖像中的方程。在識(shí)別根據(jù)上部分所得的兩坐標(biāo)關(guān)系,可將求出直線的擬合方程對(duì)應(yīng)的以mm 為單位的實(shí)物坐標(biāo)系中的方程。以下是對(duì)圖1 (a) 所示異型材進(jìn)行的一次實(shí)驗(yàn)取得的各直線擬合方程與圖紙方程的對(duì)比。
擬合直線與圖紙中直線的偏差包括了求兩坐標(biāo)關(guān)系的誤差、二值化造成的圖像邊緣位置的誤差,以及異型材的制造誤差等。較長(zhǎng)的線段,由于參與擬合的點(diǎn)較多,擬合出的直線較準(zhǔn)確。
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