摘要：基于对PVC 塑钢门窗断面测量的研究,提出了一种对二维平面中大量直线特征的自动识别方法。从被测断面图像中提取边缘特征，根据型材中各直线的图纸坐标，和图纸、图像坐标间的关系，可识别出断面边缘图像中的多条直线特征。将这些直线的数据存储, 就可用于断面几何参数的测量。针对断面尺寸偏离图纸公称尺寸的情况和噪声的存在，给出了识别正确性的理论分析。最后，根据图像中识别出的直线上各点的坐标，拟合出了直线方程。
关键词：图像处理；特征识别；尺寸测量
图像测量技术是近年来发展起来的一项新的测量技术。它以光学为基础,融光电子学、计算机技术、激光技术、图像处理技术和计算机视觉等现代科学技术为一体,组成光、机、电综合的测量系统,可实现对测量对象的实时、在线、非接触测量。用CCD 摄取被测物体,通过图像处理方法提取图像有用特征并完成测量的方法,在许多文献中都有介绍[1～7 ] 。但对经图像处理得到边缘图像后如何识别所需特征以完成测量,以上文献介绍较少,或介绍的是一维信号、或简单单一二维图形特征,如圆形、椭圆、齿轮轮齿等图形特征的提取和测量。本研究中的测量对象是PVC 塑钢门窗断面,形状复杂、多样,包括大量的直线特征(如图1是2 种型材断面) ,所以,找到一种可行的方法,自动、正确地识别出测量中用到的各直线特征,是本研究的一个特点和重点。本文介绍了一种识别方法的原理,并用实验验证了此方法的可行性。
1 系统介绍
摄像图像预处理直线识别系统工作的过程是:用CCD 相机及图像采集卡将断面的256 色位图采集到计算机内,对图像预处理得到断面的二值边缘图像,从二值边缘图像中识别需要测量参数所对应的边缘。可将得到二值边缘的过程分成2 大部分:摄像部分和图像预处理部分。这样,实验系统的实现可由图2 表示。
1. 1 摄像部分
摄像部分的作用是得到型材断面的256 色位图(如图1 所示) 。摄像部分由被测物体(异型材) 、CCD 摄像机、环形光源、图像采集卡等元件组成,如图3 所示。
1. 2 图像预处理
本研究中图像预处理的目的是得到断面的边缘图像。得到二值、单像素、封闭的边缘图像,有利于后面进行直线识别的实验。预处理可通过图像平滑、二值化、和边缘检测等几个步骤完成。由于照明视场不均、电路热电阻起伏、CCD 性能等原因,采集到的图像中存在噪声[8 ] 。通过图像平滑可有效减少这些噪声,提高二值化后图像的效果。二值化是将用图像卡采集到的位深为8 的256 色位图转化为只有黑白2 种颜色的位图。现有的二值化方法很多,大致可分为整体阈值法、局部阈值法和动态阈值法。本研究中摄像部分采用高亮度的环形光源,摄像时将光圈数调到较大,光源调到较亮,且当光源距断面较近时,可得到断面和背景灰度级有明显差别、光照较均匀的图像(如图1) 。故采用整体阈值法可基本满足要求。我们使用的是Otsu 法[9 ] 。这种方法设一像素值为灰度i 的概率为pi ,则像素灰
边缘检测一般是通过判断一像素与其周围像素的关系进行的,可构造一定大小(如3 ×3)的模板与原图像进行卷积得到边缘图像。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。实验中选用Robert 算子，该算子的原理由式(2) 给出。
其中, f ( x , y) 代表输入图像, g ( x , y) 代表输出的边缘图像。因为它是2 ×2 算子,用它和断面的二值图像进行卷积,可得到边缘宽度基本为一个像素的二值边缘图像。对图1 (a) 所示的图像进行预处理后,得到的二值边缘图像如下：
2 各直线特征的识别
本研究的目的是完成对异型材断面几何参数的测量,对直线识别方法的要求:能准确识别出对应直线,不出现找不到某直线和找错直线(将其它直线识别为该直线) 的情况;对不同形状的型材,能根据图纸要求在图像的不同位置找到相应直线。本方法的基本思想是,输入文件根据型材图纸坐标给出各直线的描述;首先将输入文件转化为程序可处理的形式;根据图像的一些明显的特征和输入文件的一些信息,得到型材图纸坐标和图像坐标的对应关系;最后,根据输入文件对所要识别直线的描述及2 个坐标系之间的对应关系,在图像中识别出直线。以下将逐步介绍这几个步骤。
2. 1 输入文件
输入文件给出对直线在图纸中的描述,其中包括了直线的序号,起、终点坐标等信息。本实验中的输入文件是如下所示的文本文档。
以第一行为例, L2 表示序号为2 的直线。(3 ,0) , (60 ,0) 为该直线的起、终点在图纸中的坐标,单位为mm。
2. 2 输入文件的程序表示
要让程序能够按照输入文件的要求完成直线识别,首先要将输入文件转化为程序能够“懂得”的形式。以上所示文件中每行表示一条直线,可将每行的信息存入一个单元,象如下所示结构体中：
将这些结构体按顺序一块存储,程序进行直线识别时就可将这些结构体顺序取出,决定识别直线的位置和顺序。
2. 3 两坐标系关系的确定
根据输入文件(图纸坐标) 在图像中进行直线识别的思想决定:我们需要找到2 个坐标系的对应关系。这种对应关系包括2 个方面:大小比例关系和位置关系。通过标定可确定图像图纸坐标的比例关系。加工一尺寸标准的矩形块,将其作为测量对象,测出其长、宽图像中对应的像素数。根据已知的标准件尺寸,就可得到单位为“像素数/ 毫米”的两坐标比例关系。位置关系由横轴和原点的对应关系可以确定。找这个对应关系,也就是找到图纸中横坐标轴和原点在图像中对应的直线和点。对图4 所示断面图像中,是以L2 为横轴,求出L1 与L2 的交点作为原点。
2. 4 直线的识别
根据输入文件给出的一直线的信息,可知直线中点的图纸坐标p1 ( x1 , y1) ;根据两坐标关系,得到p1 点对应的图像上的一点p2 ( x2 , y2) ;在p2 点附近找到实际图像中直线上的一点q ;搜索与q 点相连的点,得到要找的直线。如图5 所示。
将找到的各点坐标存储起来,就可用于拟合、测量等操作。
3 识别正确性的理论分析
称通过输入文件和物像关系找到的、接进图像中要识别直线的点为逼近点p (如图5 所示的p2 点) ,被逼近的直线为l 。则识别的正确与否主要取决于逼近点是否足够接近直线l ,可搜索到该直线上的一点q (如图5) 。忽略标定及找原点对逼近点坐标的影响,逼近点p 距直线l 的距离(像素数) 主要取决于型材断面尺寸与图纸公称尺寸的差。这是因为,要根据图纸坐标中的一点找到逼近点p , 而图纸中点的坐标依据的是公称尺寸。设物象大小的对应关系为k (像素/ 毫米) ,断面中某一水平线段中点坐标偏离公称尺寸决定的坐标x mm,不考虑图像处理产生的误差,找到的逼近点p 与直线上一点q 的图像坐标相差kx 个像素。要在上下kx 个像素内搜索q 点。这要求在图像中, 线段附近2 kx 像素内无其它图形或噪声。也要求断面中2 kx/ k = 2 x(mm) 内无其它图形。
4 实验结果及分析
用上面介绍的方法对如图1 (a) 所示的异型材断面进行识别,能够根据图纸要求准确地识别出多条直线特征,得到直线上各点的图像坐标,拟合出直线在图像中的方程。在识别根据上部分所得的两坐标关系,可将求出直线的拟合方程对应的以mm 为单位的实物坐标系中的方程。以下是对图1 (a) 所示异型材进行的一次实验取得的各直线拟合方程与图纸方程的对比。
拟合直线与图纸中直线的偏差包括了求两坐标关系的误差、二值化造成的图像边缘位置的误差,以及异型材的制造误差等。较长的线段,由于参与拟合的点较多,拟合出的直线较准确。
参考文献
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[9 ] Otsu N.A threshold selection method from gray level histograms[J \ 〗. IEEE Transactions on Sys2tems , Man and Cybernetics , 1979 ,SMC - 9(1) : 62 - 66.
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