基于直角坐標(biāo)機(jī)器人和圖像拼接技術(shù)的掃描儀設(shè)計(jì)

摘 要：文章設(shè)計(jì)的掃描儀可以控制相機(jī)高精度、高穩(wěn)定性地移動，然后對大幅面的字畫稿件等進(jìn)行逐一拍照，獲取若干張高分辨率圖像，再通過圖像拼接和處理技術(shù)形成一幅圖像，在對這張圖像進(jìn)行數(shù)百倍的放大后，圖像依然清晰，其細(xì)節(jié)特征也依然清楚。文章給出了掃描儀的機(jī)械設(shè)計(jì)和圖像拼接的技術(shù)方案，其中機(jī)械設(shè)計(jì)依照龍門式直角機(jī)器人結(jié)構(gòu)，圖像拼接采用了Harris角點(diǎn)檢測、粗匹配、精匹配等多種算法。

關(guān)鍵詞：直角坐標(biāo)機(jī)器人；圖像拼接；掃描儀

掃描儀能夠?qū)崿F(xiàn)對紙質(zhì)文件的數(shù)字化保存，廣泛存在于我們的工作和生活場所中，辦公室使用的掃描儀的掃描區(qū)域大多數(shù)是A4幅面的，通常將掃描區(qū)域大于A3幅面的掃描儀稱為大幅面掃描儀。目前市場上性能較高的大幅面掃描儀都來自國外，這些掃描儀價(jià)格昂貴并且檢修和保養(yǎng)成本也很高。目前國內(nèi)也涌現(xiàn)出一些公司和團(tuán)隊(duì)，展開了對大幅面高分辨率掃描儀產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研究，但是市場上已有的大幅面掃描儀的性能指標(biāo)均與國外產(chǎn)品相距甚遠(yuǎn)[1]。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)方案

掃描儀的機(jī)械設(shè)計(jì)基于直角坐標(biāo)機(jī)器人技術(shù)，大型直角坐標(biāo)機(jī)器人常采用龍門結(jié)構(gòu)[2]，它在XYZ三維直角坐標(biāo)系中建立數(shù)學(xué)模型，它的基本工作單元是單軸機(jī)械臂，以伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動，常用傳送方式有滾珠絲桿、同步皮帶、齒輪齒條等[3]。

掃描儀機(jī)械設(shè)計(jì)方案如圖1所示，X向平移系統(tǒng)的特點(diǎn)是跨度大（1.2m）、行程長（1.7m），平移及定位系統(tǒng)采用雙絲杠+同步帶+高精度伺服電機(jī)驅(qū)動。Y向平移系統(tǒng)安裝于與立柱相連的懸臂系統(tǒng)，行程約1.2m，負(fù)載相對較小，傳動及定位系統(tǒng)采用單個(gè)高精度絲杠傳動，伺服電機(jī)直驅(qū)，雙高精度導(dǎo)軌導(dǎo)向。Z向相機(jī)通過專用夾具固定于Y向平移結(jié)構(gòu)上，由自鎖絲杠傳動系統(tǒng)和導(dǎo)軌組成，相機(jī)通過夾具與調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)動件連接，專用夾具可實(shí)現(xiàn)對相機(jī)不同方向的對正調(diào)節(jié)。

2 圖像拼接方案

掃描頭選用佳能數(shù)碼相機(jī)，獲取的圖像分辨率為800PPI，像素為2230萬（5760*3840）。則一張照片的大小為：

長5760/800*25.4=182.88mm

寬3840/800*25.4=121.92mm

掃描平面為1.7m*1.2m，考慮待拼接圖像需要部分重疊，因此待拼接圖像數(shù)約為100張。

2.1 提取特征點(diǎn)[4]

根據(jù)Harris角點(diǎn)檢測算法提取特征點(diǎn)：首先對圖像進(jìn)行高斯濾波，對每個(gè)像素估計(jì)垂直兩方向的梯度大小值δf（x，y）/δx和δf（x，y）/δy。然后對每一像素和給定的領(lǐng)域窗口，計(jì)算局部結(jié)構(gòu)矩陣A和響應(yīng)函數(shù)R（A），選取R（A）的一個(gè)閾值，以選擇最佳候選角點(diǎn)。

2.2 特征點(diǎn)粗匹配

特征點(diǎn)粗匹配基于相互關(guān)系法。以特征點(diǎn)為中心，選擇9*9的區(qū)域m，計(jì)算相關(guān)性：

在待匹配的兩幅圖像對I1中的任意一個(gè)角點(diǎn)，尋找I2中與之相關(guān)性最大的點(diǎn)，然后對I2中的任意一個(gè)角點(diǎn)，尋找I1中與之相關(guān)性最大的點(diǎn)，當(dāng)雙向搜索到的具有最大相關(guān)性的角點(diǎn)相互對應(yīng)時(shí)，即認(rèn)為找到一個(gè)粗匹配點(diǎn)對。[5]同時(shí)對C排序取出前n個(gè)值，對應(yīng)的I1和I2中的特征點(diǎn)（x，y）和（x’，y’）即為最優(yōu)粗匹配點(diǎn)對，這樣可以減少精匹配時(shí)的運(yùn)算量。

2.3 特征點(diǎn)精匹配[6]

如果兩幅圖像具有平移關(guān)系，可以根據(jù)以下算法完成兩幅圖像之間的匹配：（1）假設(shè)兩幅圖像平移關(guān)系為I2（x，y）=I1（x-x0，y-y0）；（2）計(jì)算特征點(diǎn)（x，y）和（x’，y’）間的相對距離dis；（3）計(jì)算點(diǎn)集P和P’兩兩之間的相對距離得到（dis（1），dis（2），…，dis（n）），對距離集求直方圖得到出現(xiàn)頻率最高的值dismax；（4）確定P和P’中滿足dis=dismax的點(diǎn)對即為所求的特征匹配點(diǎn)對；（5）計(jì)算x0和y0獲得兩幅圖像間的變換關(guān)系。

如果兩幅圖像具有透視關(guān)系，根據(jù)以下算法完成兩幅圖像之間的匹配：

（1）迭代次數(shù)M滿足等式：1-（1-（1-ε）m）M=P，式中，m=8，P為置信概率，ε是數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率

（2）設(shè)定迭代次數(shù)，N=10

（3）從P和P’隨機(jī)抽取4對特征點(diǎn)對計(jì)算變換矩陣H

（4）對P和P’中的點(diǎn)（xn，yn）和（x’n，y’n）進(jìn)行以下計(jì)算

（5）設(shè)置θ=0.8，當(dāng)符合步驟（1）中提到的等式時(shí)，保留點(diǎn)對，不符合時(shí)去掉點(diǎn)對；

（6）初始化n=1，m=1。計(jì)算內(nèi)點(diǎn)數(shù)量，n

（7）m=M時(shí)結(jié)束。根據(jù)內(nèi)點(diǎn)數(shù)量選擇正確的特征點(diǎn)對，計(jì)算變換矩陣H。

綜上，保證掃描頭獲取的相鄰兩幅圖像具有重疊區(qū)域，根據(jù)以上算法完成圖像配準(zhǔn)，最后通過簡單的圖像融合方法完成圖像拼接。

3 結(jié)束語

大幅面高分辨率掃描儀在機(jī)械設(shè)計(jì)、工程建筑、廣告設(shè)計(jì)、地理測繪、文物字畫數(shù)字化儲藏及考古鑒定等行業(yè)具有大量的應(yīng)用需求。其相關(guān)技術(shù)涵蓋了精密機(jī)械制造、數(shù)字控制、先進(jìn)CCD傳感器技術(shù)以及計(jì)算機(jī)視覺、圖像處理等方向。文章設(shè)計(jì)的掃描儀，掃描區(qū)域?yàn)?A0幅面，分辨率為800PPI，將直角坐標(biāo)機(jī)器人技術(shù)和圖像拼接技術(shù)應(yīng)用于掃描儀，給出了掃描儀的機(jī)械設(shè)計(jì)和圖像拼接算法等技術(shù)方案。掃描儀機(jī)械平臺的精度和穩(wěn)定性，以及圖像拼接的實(shí)時(shí)性，都是今后要繼續(xù)完善的研究方向[7]。

參考文獻(xiàn)

[1]魯東明.大幅面古畫高保真數(shù)字獲取關(guān)鍵技術(shù)研究[D].浙江大學(xué)，2010.

[2]李剛，周文寶.直角坐標(biāo)機(jī)器人簡述及其應(yīng)用介紹[J].伺服控制，2008，10：72-75.

[3]于鋒釗，趙明揚(yáng)，立明，等.基于ANSYS的龍門式直角坐標(biāo)機(jī)器人橫梁分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008，5：182-183.

[4]王崴，唐一平，任娟莉.一種改進(jìn)的Harris角點(diǎn)提取算法[J].光學(xué)精密工程，2008，16（10）：1995-2001.

[5]王丙勤，郭立，鄭邁.基于特征匹配的亞像素級全景圖像配準(zhǔn)算法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2008，44（17）：191-194.

[6]（美）塞利斯基.艾海舟，興軍亮，等譯.計(jì)算機(jī)視覺——算法與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2012.

[7]別俊鋒，葉玉堂，等.基于多線陣CCDS相機(jī)的大幅面掃描儀高精度實(shí)時(shí)拼接實(shí)現(xiàn)新方法[J].電子器件，2013，36（1）：44-48.

作者簡介：安娟（1987，1-），女，甘肅天水人，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人、計(jì)算機(jī)視覺。