摘要：基于對PVC 塑鋼門窗斷面測量的研究,提出了一種對二維平面中大量直線特征的自動識別方法。從被測斷面圖像中提取邊緣特征，根據型材中各直線的圖紙坐標，和圖紙、圖像坐標間的關系，可識別出斷面邊緣圖像中的多條直線特征。將這些直線的數據存儲, 就可用于斷面幾何參數的測量。針對斷面尺寸偏離圖紙公稱尺寸的情況和噪聲的存在，給出了識別正確性的理論分析。最后，根據圖像中識別出的直線上各點的坐標，擬合出了直線方程。
關鍵詞：圖像處理；特征識別；尺寸測量

圖像測量技術是近年來發展起來的一項新的測量技術。它以光學為基礎,融光電子學、計算機技術、激光技術、圖像處理技術和計算機視覺等現代科學技術為一體,組成光、機、電綜合的測量系統,可實現對測量對象的實時、在線、非接觸測量。用CCD 攝取被測物體,通過圖像處理方法提取圖像有用特征并完成測量的方法,在許多文獻中都有介紹[1～7 ] 。但對經圖像處理得到邊緣圖像后如何識別所需特征以完成測量,以上文獻介紹較少,或介紹的是一維信號、或簡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量。本研究中的測量對象是PVC 塑鋼門窗斷面,形狀復雜、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、正確地識別出測量中用到的各直線特征,是本研究的一個特點和重點。本文介紹了一種識別方法的原理,并用實驗驗證了此方法的可行性。

1 系統介紹

攝像圖像預處理直線識別系統工作的過程是:用CCD 相機及圖像采集卡將斷面的256 色位圖采集到計算機內,對圖像預處理得到斷面的二值邊緣圖像,從二值邊緣圖像中識別需要測量參數所對應的邊緣。可將得到二值邊緣的過程分成2 大部分:攝像部分和圖像預處理部分。這樣,實驗系統的實現可由圖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) 。攝像部分由被測物體(異型材) 、CCD 攝像機、環形光源、圖像采集卡等元件組成,如圖3 所示。

1. 2 圖像預處理

本研究中圖像預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,有利于后面進行直線識別的實驗。預處理可通過圖像平滑、二值化、和邊緣檢測等幾個步驟完成。由于照明視場不均、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 色位圖轉化為只有黑白2 種顏色的位圖。現有的二值化方法很多,大致可分為整體閾值法、局部閾值法和動態閾值法。本研究中攝像部分采用高亮度的環形光源,攝像時將光圈數調到較大,光源調到較亮,且當光源距斷面較近時,可得到斷面和背景灰度級有明顯差別、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 ] 。這種方法設一像素值為灰度i 的概率為pi ,則像素灰

邊緣檢測一般是通過判斷一像素與其周圍像素的關系進行的,可構造一定大小(如3 ×3)的模板與原圖像進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。實驗中選用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。因為它是2 ×2 算子,用它和斷面的二值圖像進行卷積,可得到邊緣寬度基本為一個像素的二值邊緣圖像。對圖1 (a) 所示的圖像進行預處理后,得到的二值邊緣圖像如下：

2 各直線特征的識別
本研究的目的是完成對異型材斷面幾何參數的測量,對直線識別方法的要求:能準確識別出對應直線,不出現找不到某直線和找錯直線(將其它直線識別為該直線) 的情況;對不同形狀的型材,能根據圖紙要求在圖像的不同位置找到相應直線。本方法的基本思想是,輸入文件根據型材圖紙坐標給出各直線的描述;首先將輸入文件轉化為程序可處理的形式;根據圖像的一些明顯的特征和輸入文件的一些信息,得到型材圖紙坐標和圖像坐標的對應關系;最后,根據輸入文件對所要識別直線的描述及2 個坐標系之間的對應關系,在圖像中識別出直線。以下將逐步介紹這幾個步驟。

2. 1 輸入文件

輸入文件給出對直線在圖紙中的描述,其中包括了直線的序號,起、終點坐標等信息。本實驗中的輸入文件是如下所示的文本文檔。

以第一行為例, L2 表示序號為2 的直線。(3 ,0) , (60 ,0) 為該直線的起、終點在圖紙中的坐標,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別,首先要將輸入文件轉化為程序能夠“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單元,象如下所示結構體中：

將這些結構體按順序一塊存儲,程序進行直線識別時就可將這些結構體順序取出,決定識別直線的位置和順序。

2. 3 兩坐標系關系的確定

根據輸入文件(圖紙坐標) 在圖像中進行直線識別的思想決定:我們需要找到2 個坐標系的對應關系。這種對應關系包括2 個方面:大小比例關系和位置關系。通過標定可確定圖像圖紙坐標的比例關系。加工一尺寸標準的矩形塊,將其作為測量對象,測出其長、寬圖像中對應的像素數。根據已知的標準件尺寸,就可得到單位為“像素數/ 毫米”的兩坐標比例關系。位置關系由橫軸和原點的對應關系可以確定。找這個對應關系,也就是找到圖紙中橫坐標軸和原點在圖像中對應的直線和點。對圖4 所示斷面圖像中,是以L2 為橫軸,求出L1 與L2 的交點作為原點。

2. 4 直線的識別

根據輸入文件給出的一直線的信息,可知直線中點的圖紙坐標p1 ( x1 , y1) ;根據兩坐標關系,得到p1 點對應的圖像上的一點p2 ( x2 , y2) ;在p2 點附近找到實際圖像中直線上的一點q ;搜索與q 點相連的點,得到要找的直線。如圖5 所示。

將找到的各點坐標存儲起來,就可用于擬合、測量等操作。

3 識別正確性的理論分析

稱通過輸入文件和物像關系找到的、接進圖像中要識別直線的點為逼近點p (如圖5 所示的p2 點) ,被逼近的直線為l 。則識別的正確與否主要取決于逼近點是否足夠接近直線l ,可搜索到該直線上的一點q (如圖5) 。忽略標定及找原點對逼近點坐標的影響,逼近點p 距直線l 的距離(像素數) 主要取決于型材斷面尺寸與圖紙公稱尺寸的差。這是因為,要根據圖紙坐標中的一點找到逼近點p , 而圖紙中點的坐標依據的是公稱尺寸。設物象大小的對應關系為k (像素/ 毫米) ,斷面中某一水平線段中點坐標偏離公稱尺寸決定的坐標x mm,不考慮圖像處理產生的誤差,找到的逼近點p 與直線上一點q 的圖像坐標相差kx 個像素。要在上下kx 個像素內搜索q 點。這要求在圖像中, 線段附近2 kx 像素內無其它圖形或噪聲。也要求斷面中2 kx/ k = 2 x(mm) 內無其它圖形。

4 實驗結果及分析

用上面介紹的方法對如圖1 (a) 所示的異型材斷面進行識別,能夠根據圖紙要求準確地識別出多條直線特征,得到直線上各點的圖像坐標,擬合出直線在圖像中的方程。在識別根據上部分所得的兩坐標關系,可將求出直線的擬合方程對應的以mm 為單位的實物坐標系中的方程。以下是對圖1 (a) 所示異型材進行的一次實驗取得的各直線擬合方程與圖紙方程的對比。

擬合直線與圖紙中直線的偏差包括了求兩坐標關系的誤差、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。較長的線段,由于參與擬合的點較多,擬合出的直線較準確。

參考文獻
[1 ] 王德輝,張世林,王桂芝. CCD 技術與圖像測量在葉片測量中的應用[J ] . 計測技術,2002 ,(2) :17 - 21.
[2 ] 吳曉波,鐘先信,劉厚權,等. 高精度圖像測量系統[J ] . 光學精密工程,1995 ,3 (1) :28 - 33.
[3 ] 洪海濤,趙輝. 圖像技術用于零件尺寸測量的研究[J ] . 儀器儀表學報,2001 ,22 (3) 增:214- 218.
[4 ] 洪海濤,張守愚,俞樸. 復雜零件參數的圖像測量方法[J ] . 機械工藝師,2000 , (11) :22 -24.
[5 ] 陸勤. CCD 在零件幾何尺寸測量方面應用的研究[J ] . 南昌航空工業學院學報,1998 , (4) :74 - 77.
[6 ] 林曉峰,石少莉. CCD 攝像法在工件尺寸測量中的應用[J ] . 光學儀器,2002 ,24 (2) :11 - 13.
[7 ] 張少軍,艾矯健,李忠富,等. 利用圖像處理技術測量幾何尺寸[J ] . 北京科技大學學報,2002 ,24 (3) :284 - 287.
[8 ] 吳曉波,安文斗,楊鋼. 圖像測量系統中的誤差分析及提高精度的途徑[J ] . 光學精密工
程,1997 ,5 (1) :134 - 141.
[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.