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(dòng)識(shí)別方法。從被測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(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；尺寸測量

圖像測量技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新的測量技術(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)視覺等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為一體,組成光、機(jī)、電綜合的測量系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對測量對象的實(shí)時(shí)、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(xiàn)中都有介紹[1～7 ] 。但對經(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量,以上文獻(xiàn)介紹較少,或介紹的是一維信號(hào)、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(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)別需要測量參數(shù)所對應(yīng)的邊緣?？蓪⒌玫蕉颠吘壍倪^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)處理可通過圖像平滑、二值化、和邊緣檢測等幾個(gè)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(zhuǎn)化為只有黑白2 種顏色的位圖?，F(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

邊緣檢測一般是通過判斷一像素與其周圍像素的關(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異型材斷面幾何參數(shù)的測量,對直線識(shí)別方法的要求:能準(zhǔn)確識(shí)別出對應(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)的對應(yīng)關(guān)系;最后,根據(jù)輸入文件對所要識(shí)別直線的描述及2 個(gè)坐標(biāo)系之間的對應(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)系的對應(yīng)關(guān)系。這種對應(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,將其作為測量對象,測出其長、寬圖像中對應(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)的對應(yīng)關(guān)系可以確定。找這個(gè)對應(yīng)關(guān)系,也就是找到圖紙中橫坐標(biāo)軸和原點(diǎn)在圖像中對應(yīng)的直線和點(diǎn)。對圖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。