機器視覺核桃分級中相機可變視場與像素轉換系數自動獲取方法

郭 政，周 軍，史建新，蔡 建

(新疆農業大學機械交通學院，新疆烏魯木齊 830052)

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機器視覺核桃分級中相機可變視場與像素轉換系數自動獲取方法

郭 政，周 軍*，史建新，蔡 建

(新疆農業大學機械交通學院，新疆烏魯木齊 830052)

針對利用機器視覺進行農產品無損檢測中相機視場調節困難以及調整后需要重新標定的問題，提出一種基于MFC軟件界面控制的大恒定焦USB 2.0工業相機視場自動調節方法，并通過試驗對相機進行標定，擬合出相機高度和像素轉換系數的關系式，當相機視場發生變化時，系統中超聲波測高模塊可以實時給出相機高度，程序根據關系式實時給出對應高度的像素轉換系數，方便圖像處理軟件根據核桃輪廓像素數據換算出核桃尺寸，精確判斷等級。

機器視覺；相機視場；像素轉換系數；系統標定

在農場品無損檢測研究中機器視覺占據重要地位，而工業相機性能無疑是實現整個系統功能的一個關鍵環節。提高工業相機靈活性，增加其利用率對整合視覺系統性能具有重要意義。周竹等[1]在馬鈴薯機器視覺自動檢測中利用雙平面鏡對同一對象同時獲取3張圖片，提高了一個工業相機的采圖利用率。應義斌等[2]在對水果高速運動下無損檢測中，利用多個觸發傳感器和輸送軌道聯合作用，保證相機位置不變情況下，實現對同一個水果采集多幀圖片。針對利用機器視覺進行農產品無損檢測中相機視場調節困難以及調整后需要重新標定的問題，筆者以工業相機采集視場為研究內容提出一種基于MFC軟件界面控制的大恒定焦USB 2.0工業相機視場自動調節方法，以期實現圖像采集對象發生特征變化或整個視覺系統功能調整時(如系統檢測對象從外形尺寸到紋理特征的調整)可自動調節工業相機的視場屬性，從而提高工業相機的利用率和使用便捷性。

1 理論方案分析

目前在農產品無損檢測應用中，大部分機器視覺硬件系統都是固定相機位置，根據特定的檢測對象讓相機進行單一圖像采集工作。當檢測對象發生變化時(如檢測對象的外形尺寸由大變小)，固定機位的機器視覺系統圖像處理軟件未必可以對圖像進行正確處理，同時在機器視覺系統調校中，需人工改變相機高度，給操作人員帶來不便。該研究對象是基于機器視覺的核桃大小分級，當需要提高檢測精度時，需對同一個核桃進行多次拍照處理(或單一核桃壞殼檢測)，由于核桃在生產線上處于快速運動狀態，若要準確采集到固定數量的圖像，系統則需對檢測對象進行大視場拍照(或縮小視場，放大倍率拍照)，針對此問題有以下幾種解決方法：①采用變焦鏡頭。但其成本太高，且一般變焦鏡頭在變焦時最大光圈值(f)會發生改變，從而引起圖像采集參數變化，且同等價位的變焦鏡頭成像質量不如定焦鏡頭[3]；②將檢測對象做靠近相機移動。由于被檢測對象多位于機械裝置(如輸送皮帶或輸送鏈條)上，移動機械裝置較難實現；③動態改變相機位置。該方法可根據需要調節高度，改變相機的視場，檢測對象不發生位置改變。

根據以上分析可知，機器視覺系統中可調相機視場具有較多優勢，而基于可視化界面的自動視場調節則會帶來更多便利。方案③可以在較低成本下實現相機視場自動調節，合理可行。

2 可變視場調節

2.1 可變視場中的成像關系 大視場光學系統應用廣泛，對于固定的硬件設備可提高光學儀器的工作效率，增加獲取的圖像信息量[4]。根據光學中高斯成像公式：

(1)

式中，u為物距；v為像距；f為相機焦距[5]。對于可變焦相機，當u不變、f增大時，v變大，結果表現為拍攝物體被拉近(放大)，可視角度變小；f減小時，v變小，結果表現為拍攝物體被推遠(縮小)，可視角度變大。圖1為可變焦相機在焦距改變時帶來的視場變化。

圖1 變焦相機焦距與視場的關系Fig.1 Relationship between focal length and field of view of camera

對于機器視覺系統中大部分應用的定焦鏡頭，f為相機固定參數。要想在固定機位，即不改變u的情況下獲得較大或較小的視場角度是不可能的。因此，只有通過改變物距才可以實現。

2.2 可變視場調節的實現方法 該研究采用的硬件設備為大恒8 mm定焦USB 2.0工業相機。將此款相機安裝于步進電機滑軌上，由于步進電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，配合上32細分的驅動控制器，可以精確控制移動高度[6]。通信方式采用USB串口向以8951單片機為下位機的控制板傳遞電機控制信號。自動調節系統如圖2所示。

圖2 自動調節系統示意Fig.2 Schematic diagram of automatic regulatory system

在相機上下移動的同時，超聲波測距模塊會實時將相機高度(即u)計算出來，顯示到控制界面上，通過標定后，該高度值將作為重要參數計算像素轉換系數。相機自動調整控制界面如圖3所示。

圖3 自動調節控制界面Fig.3 Interface of automatic adjustment control

點擊視場變大按鈕，相機將做遠離拍攝主體運動，點擊視場減小按鈕，相機將做靠近拍攝主體運動。

3 相機標定

相機成像的數學模型決定了空間物體表面某點在世界坐標系中的位置與其在圖像坐標系中對應點之間的相互關系，通過試驗與計算得到這些模型參數的過程就稱為相機標定。相機標定問題是機器視覺測量應用中首先需要解決的問題[7]。

3.1 傳統相機標定法 該研究的目的是在核桃在線分級中建立合理的相機標定模型。當相機視場改變時可通過軟件計算，自動對改變高度后的相機進行標定。此次相機標定采用小孔成像原理，標定方法采用傳統標定法[8]，該方法需要使用尺寸已知的標定物，通過標定物上坐標已知點組成的長度與其圖像點之間進行對應，利用三角相似原理獲得相機內部參數。針孔成像原理如圖4所示[9]。

圖4 針孔成像模型Fig.4 Pin-hole imaging model

根據針孔成像原理得到：

(2)

對公式進行變形，并且令像素轉換系數為k，則公式(2)變為：

(3)

當u變化時，由于拍攝主體位置發生變化，為了清晰對焦，v會遵從凸透鏡成像原理，在2倍焦距外發生微小偏移，將成像最清晰的點承接至圖像平面上。由公式(1)可知，當物距增加，像距向靠近透鏡方向偏移，相反，則向遠離透鏡方向偏移，這解決了u和v在相機高度變化中的關系問題，即為相機進行了標定。

3.2 進行試驗標定 由于拍攝主體對象處于鏡頭正下方，鏡頭畸變小，且要求精度不是很高，所以此次標定沒有采用象棋盤標定模板，而是改為已知尺寸的核桃進行標定。標定時對同一高度單個核桃進行5次測量，每個高度對應的像素值取5次測量的平均值。高度樣本為7個，高度區間為Hmin=18 cm，Hmax=28 cm。通過測量后給出原始拍攝圖片和處理后像素圖片，前后對照如圖5所示。

得到處理圖片后，由圖像處理軟件給出每個核桃對應高度的輪廓像素數據，并由每個核桃的實際尺寸和輪廓像素換算出不同高度的轉換系數ki(i=1，2，…，7)。根據ki值和標定的相機高度建立圖表關系，并進行曲線擬合。由“3.1”分析可知，曲線大致為線性關系。圖6反映了標定后像素轉換系數和相機高度的關系。

4 轉換系數自動獲取

從轉換系數和相機高度的擬合關系中得到：

k=y=0.006 0x-0.015 4

(4)

當需要相機調整時，操作人員只需根據實際情況長按圖3中對應的按鈕，步進電機動作時間與按鈕按下時間同步，松開鼠標按鍵，動作停止。只要步進電機轉動，x值就會發生改變，同時下位機控制板IO口接收到超聲波模塊返回的相機高度值[10]，處理器隨即根據此關系式進行換算，并將換算后的像素轉換系數以USB串口通信的方式反饋到交互式軟件界面[11]。

圖5 原始圖片和處理圖片Fig.5 Original images and treatment images

圖6 轉換系數和相機高度關系Fig.6 Relationship between conversion coefficient and camera height

圖像處理程序在對圖像(in)進行輪廓提取后，得到輪廓數據的像素值(pn)，通過調用上述轉換系數值，得到：

ln=k×pn

(5)

式中，ln為系數轉化后的核桃尺寸。在核桃分級控制軟件界面有輸入等級尺寸的交互編輯框。由人工界定的某一品種核桃的不同等級尺寸，可輸入程序，讓ln與之判斷比較，從而精確給出核桃大小等級，最后由控制軟件將等級判斷結果送入下位機控制機構，下位機控制對應的不同等級的氣動電磁閥動作，實現精準分級。

5 結論

(1)采用基于MFC界面交互的方式實現了機器視覺中相機視場的自動調節。利用步進電機驅動相機可直線往復運動，同時超聲波測高模塊實時測量相機位置，精確反映高度，實現相機視場的拉近和遠離。

(2)為獲得相機拍攝圖像的實際二維空間尺寸，對工業相機進行了試驗標定，分析了實物坐標和圖像坐標之間的關系后計算出像素轉換系數，并將其與相機高度之間的關系進行了線性擬合。通過測高模塊給出的高度計算得出對應的像素轉換系數可方便控制軟件對核桃外形尺寸進行分級判斷。

[1] 周竹，黃懿，李小昱，等.基于機器視覺的馬鈴薯自動分級方法[J].農業工程學報，2012，28(7)：178-183.

[2] 應義斌，饒秀勤，黃永林，等.運動水果圖像的實時采集方法與系統研究[J].農業機械學報，2004，35(3)：179-182.

[3] 溫同強.變焦距光學系統的研究與設計[D].鎮江：江蘇大學，2009.

[4] 鐘興，張元，金光.大視場光學系統像面照度均勻性優化[J].光學學報，2012，32(3)：41-45.

[5] 王琦，王光宇，程雪岷，等.變焦距鏡頭高斯光學設計的新方法[J].光學學報，2002，22(8)：983-989.

[6] 劉寶志.步進電機的精確控制方法研究[D].濟南：山東大學，2010.

[7] GARY BRADSKI，ADRIAN KAEHLER.學習OpenCV(中文版)[M].于仕琪，劉瑞禎，譯.北京：清華大學出版社，2015.

[8] 王靖韜，侯振杰.傳統相機標定方式的自動標定方法[J].計算機工程與應用，2010，46(35)：205-208.

[9] 劉雪超.基于數字圖像處理的自動調焦技術研究[D].長春：中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所)，2014.

[10] 沈燕，高曉蓉，孫增友，等.基于單片機的超聲波測距儀設計[J].現代電子技術，2012，35(7)：126-130.

[11] 章輝，葉建芳，葉建威.基于MSComm控件串口通信的實現[J].電子測量技術，2011，34(8)：126-129.

科技論文寫作規范——標點符號 標點符號按照1990年國家語言文字工作委員會等公布的《標點符號的用法》執行，每個標點占一格(破折號占兩格)。外文中的標點符號按照外文的規范和習慣。外文字母、阿拉伯數字、百分號等并列時，其間用“，”，不用頓號“、”。注意破折號“——”、范圍號“—”和連字符“-”的不同用法。破折號又稱兩字線或雙連劃，占兩個字身位置；范圍號又稱一字線或全身劃，占一個字身位置，連字符又稱半字線或對開劃，占半個字身位置。破折號可作文中的補充性說明(如注釋、插入語等)，或用于公式或圖表的說明文字中。范圍號用于表示從某某到某某。例如20—30℃，70%—90%，1949—1986年(本刊文中范圍號寫成“～”，參考文獻范圍號用“-”。連字符用于連接詞組，或用于連接化合物名稱與其前面的符號或位序，或用于公式、表格、插圖、插題、型號、樣本等的編號。外文中的破折號(Dash)的字身與m寬，俗稱m Dash，其用法與中文中的破折號相當。外文的連接符俗稱哈芬(hyphen)。其中，對開哈芬的字身為m字身的一半，相當于中文中范圍號的用法；三開哈芬的字身為m字母的1/3，相當于中文中的連字符的用法。

Variable View of Camera and Pixel Conversion Coefficient Getting Automatically in Machine Vision for Walnut Grading

GUO Zheng, ZHOU Jun*, SHI Jian-xin et al

(College of Mechanical and Traffic College, Xinjiang Agricultural University, Urumqi, Xinjiang 830052)

For machine vision post-agricultural non-destructive testing in the field of view camera adjustments are difficult and require re-calibration adjustment problems, this paper presented a constant USB 2.0 industrial camera of Daheng-Image company field of view of MFC software interface to control automatic adjustment method. And through experiments to calibrate the camera, the camera fitted the equation between height and pixel conversion coefficient. When the camera field of view changed, ultrasound height measurement module in the system could give corresponding camera height. According to the equation, the program gave pixel conversion coefficient of corresponding height, which was convenient to image processing software. Walnut size was calculated according to the pixel count of walnut contour, so that the grade was accurately judged.

Machine vision; Camera view; Pixel conversion coefficient; System calibration

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2011BAD27B02-05-02)；新疆維吾爾自治區科技成果轉化項目(201130102-4)。

郭政(1990-)，男，江蘇宿遷人，碩士研究生，研究方向：農業機械工程。*通訊作者，講師，從事農業機械研究。

2016-08-19

S 22

A

0517-6611(2016)29-0234-03