理管機顏色識別算法的研究

摘 要：各工業(yè)領(lǐng)域中對機器視覺技術(shù)越來越青睞，在紡紗工業(yè)領(lǐng)域，理管機對紗管的識別技術(shù)的運用關(guān)鍵在于紗管顏色的識別，紗管的顏色特征容易辨別，并且顏色特征不會隨傳送帶的運動而發(fā)生較大的改變，因此顏色信息被作為紗管主要的識別信息，這就要選取合適的顏色空間和顏色識別算法實時地進(jìn)行紗管識別。文章主要研究RGB顏色空間模型到HSI顏色空間模型的轉(zhuǎn)換，以及算法選擇的判斷。

關(guān)鍵詞：理管機；紗管；顏色空間；顏色識別

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）06-0096-03

Abstract：Machine vision technology is becoming more and more popular in various industrial fields. In the spinning industry，the key technology for the identification of yarn tube on yarn tubes sorting machine lies in the recognition of the color of the yarn tube，and the color characteristics of the yarn tube are easy to discern. And the color features do not change greatly with the movement of the conveyor belt，so the color information is used as the main identification information of the yarn tube. The paper mainly studies the conversion from RGB color space model to HSI color space model，and the judgment of algorithm selection.

Keywords：yarn tubes sorting machine；yarn tubes；color space；color recognition

0 引 言

我國人口總量大，在穿著、打扮、裝飾等各個方面對紡織產(chǎn)品的需求量都是巨大的，部分西方發(fā)達(dá)國家在紡織材料的需求方面越來越多的是通過進(jìn)口來獲取。大部分紡織品都是由紗線編織而成，紗線來源于各大紡紗車間，然而在紡紗車間工作中，從絡(luò)筒機出來的紗管雜亂地堆積在一起，紗管無法再次良好地被拿來使用，必須對其進(jìn)行整理分揀才能再次使用。這項復(fù)雜繁重的工作需要耗費大量的勞動力，人工效率不但不高，而且大大提高了企業(yè)的成本。隨著智能化的快速發(fā)展，各工業(yè)領(lǐng)域技術(shù)也獲得了突破性的發(fā)展，紡織領(lǐng)域的技術(shù)也取得了一定成就。各企業(yè)為了降低各項成本的支出，提高工作效率，使企業(yè)的利益最大化，并能夠快速將有紗線的紗管剔除出去，將空紗管進(jìn)行分揀裝箱，自動理管機便伴隨著生產(chǎn)需求誕生了[1]。理管機的關(guān)鍵技術(shù)是對紗管的顏色進(jìn)行識別，通過控制外界主要影響因子——光照條件，通過不同配置的PC搭建平臺，利用Python編程，調(diào)用攝像頭采集紗管圖像，把RGB顏色空間模型轉(zhuǎn)換到HSI顏色空間模型上進(jìn)行分析，實現(xiàn)紗管的檢測識別。該項技術(shù)的具有實時性和準(zhǔn)確性能夠滿足生產(chǎn)的需求。

1 顏色識別算法分析

顏色是眼睛、大腦和我們的生活經(jīng)驗所產(chǎn)生的光的視覺效果。通過詳細(xì)的實驗結(jié)果驗證，在人眼中的600～700萬個錐狀細(xì)胞可分為3個主要的感知類別，分別對應(yīng)于紅色、綠色、藍(lán)色。對紅光敏感的錐細(xì)胞大約占65%，對綠光敏感的錐細(xì)胞大約占33%，對藍(lán)光敏感的錐細(xì)胞只有2%左右。人眼對不同顏色的光吸收特性不一樣，因而人們所看見的色彩是由三原色紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）不同的組合所產(chǎn)生的視覺效應(yīng)。

顏色識別就是根據(jù)各顏色空間[RGB、YUV、HSL、HSB（HSI）、YCbCr等]各分量的關(guān)系，識別出物體的顏色，實現(xiàn)顏色的識別。要確定顏色識別算法首先要對顏色空間進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x取[2，3]。

2 顏色空間的選取

在RGB顏色空間中，以紅、綠、藍(lán)為變量構(gòu)成直角坐標(biāo)空間，三個變量相互獨立，性質(zhì)對等，相互加減運算有意義。這個模型基于迪卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)[4]，所考慮的是彩色子空間，得到如圖1（左）所示的立方體。從不同的顏色角度來看，有很多顏色空間，顏色空間的選擇對圖像的處理方法和效果有很大的影響。從圖1（左）我們可以看出R、G、B分別位于立方體3個不同的角上，青、品紅和黃位于另外的三個不同的角上，黑色位于原點（0，0，0），白色在離原點最遠(yuǎn)的角上。任何其他顏色都可以由R、G、B三基色線性或者非線性地表示出來，因此RGB顏色空間常被用作其他顏色空間的基礎(chǔ)[5]。

顏色和亮度分離的顏色空間的子類型“顏色相位類顏色空間”，顏色分為亮度屬性和兩個顏色屬性。其中有一個表色屬性是色相，從而構(gòu)成一族共同利用色相屬性，另加表亮屬性和表色屬性所組成的顏色空間，即通常所說的HSB空間[6]。在HSB空間中，三個顏色屬性性質(zhì)存在差異，相互獨立，不能對三屬性進(jìn)行加減運算。在HSB空間中最常使用的是HSI模型。HSI以顏色的三種屬性——色調(diào)（Hue）、飽和度（Saturation）和亮度（Intensity）為基礎(chǔ)。其中色調(diào)反映人眼對色彩類別的感覺，亮度表示人眼感受到色彩的強弱程度，飽和度表示該色彩被白色光融合的深淺程度。這樣的三種屬性很好地反映了人眼對顏色的視覺效應(yīng)，更容易理解，因此HSI模型被稱為主觀顏色模型。

顏色空間的選擇對目標(biāo)檢測識別成果的影響十分明顯。利用攝像頭采集的圖像均為RGB圖像，對同種顏色屬性的物體來說，在外界光照條件、溫度、濕度發(fā)生變化的情況下，R、G、B值的分布會發(fā)生明顯的變動，不適合識別特定顏色。另外常用的色彩空間還有YUV和HSI。雖然RGB到Y(jié)UV的轉(zhuǎn)換比RGB到HSI的轉(zhuǎn)換計算量小，但HSI空間更契合人眼察看顏色的模式，它是以人眼的主觀視覺效果為出發(fā)點來形容顏色的。為了提高在亮度變化環(huán)境下的準(zhǔn)確性和高效性，引入HSI顏色空間。

3 顏色空間模型轉(zhuǎn)換

不同的顏色空間就是對同一個顏色的不同計量方式，它們之間可以相互轉(zhuǎn)換，HSI由RGB轉(zhuǎn)換而來，且不同的轉(zhuǎn)換思維得到的HSI是不同的。RGB顏色空間轉(zhuǎn)換為HSI顏色空間模型，即將基于笛卡爾直角坐標(biāo)系的立方體變換為基于圓柱極坐標(biāo)的雙圓錐圖（圖1（右）所示）。一般要求是分離RGB中的亮度因素，用色調(diào)和飽和度來表示色度，用角向量來表示色調(diào)。因此，它在彩色圖像分析和處理中具有很大的優(yōu)勢。但是現(xiàn)階段很少有硬件設(shè)備支持HSI模型，從而需要從其他顏色空間模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本文選取的是從RGB轉(zhuǎn)換到HSI，不同的HSI模型由RGB轉(zhuǎn)換的算法也不同，常用的算法如表1所示。

4 HSI模型實驗結(jié)果

采用表1中幾種不同的算法，在不同配置的PC機上利用Python在Pycharm上編程，對相同環(huán)境下采集的紗管圖像進(jìn)行分析處理。飽和度（Saturation）的映射能力測試結(jié)果如表2所示。亮度（Intensity）的映射能力測試結(jié)果如表3所示。各轉(zhuǎn)換算法的執(zhí)行時間結(jié)果如表4所示。

通過對比表2、表3、表4，得出結(jié)論：在RGB-HSI轉(zhuǎn)換的算法模型中，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，我們可以選用不同的算法。當(dāng)我們需要分辨率高的時候我們選用算法1——幾何推導(dǎo)法；當(dāng)我們需要對應(yīng)關(guān)系準(zhǔn)確度好的時候，我們選擇算法2——坐標(biāo)變換法；當(dāng)我們要求轉(zhuǎn)換均勻性好的時候，我們選擇算法2和5——坐標(biāo)變換法和標(biāo)準(zhǔn)模型法；當(dāng)我們要求速度快的時候，我們選擇算法3、4和5——分段定義法、Bajon近似算法和標(biāo)準(zhǔn)模型法；當(dāng)我們要求逆向還原準(zhǔn)確度高的時候，我們選擇算法1、2和3——幾何推導(dǎo)法、坐標(biāo)變換法和分段定義法。

參考文獻(xiàn)：

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[7] 陳永利.類人足球機器人控制系統(tǒng)的底層設(shè)計及決策研究 [D].無錫：江南大學(xué)，2008.

作者簡介：顏亞飛（1994-），男，漢族，貴州安順人，碩士研究生。研究方向：理管機紗管顏色識別關(guān)鍵技術(shù)研究；張團(tuán)善（1971-），男，漢族，碩士研究生導(dǎo)師，副教授。研究方向：紡機控制系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)等。