图像测量系统中一种直线特征的识别方法

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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。