圖像處理技術在糖畫機中的運用

蒲俊 王植平 黎文遠

摘 要：糖畫是一種非常傳統的手工藝，為了更好地傳承中華民族的寶貴財富，我們必須要走科技創新的道路才能夠擺脫糖畫目前所面臨的困境。智能糖畫機利用電腦與自動化技術，通過計算機視覺技術對輸入圖片的輪廓邊緣進行特征提取，并形成程序指令，驅動步進電機繪制糖畫圖案，采用電加熱融化麥芽糖固體，通過溫度控制對糖稀的出料溫度精確把控。圖片處理主要集中于圖片的輪廓進行特征提取，所采用的算法為Sobel算子，通過對圖片的輪廓處理得到特征點圖，再通過降噪去除細微特征得到對應圖片的線條圖即最終成品（糖畫）圖案。

關鍵詞：機器人;閉環控制;邊緣輪廓;特征提取;Sobel算子;PID調節

糖畫是一種傳統的民間手工藝，俗稱“倒糖人兒”，其深受大眾的喜愛。由于時代變遷科技進步，許多傳統技術逐漸消亡，傳統糖畫也難逃其中。調研發現，目前糖畫的傳承與發展問題重重，主要問題有：對繪畫技術的要求高;衛生安全得不到保障;糖畫缺乏傳承，沒有新活力注入;發展閉塞，不能大范圍推廣發展;成品單一，不能滿足大眾個性潮流需求。

本團隊致力于傳統文化的發展與推廣，就以上問題提出“智能糖畫機”這一課題創新項目，創新方向為：“利用電腦與自動化技術，通過通訊從PC端導入圖片到糖畫機，由計算機圖像處理技術對輸入的圖片的線條輪廓進行特征提取，得到一幅“線條畫”并形成程序指令，驅動步進電機繪制糖畫圖案，采用電加熱融化麥芽糖固體，由單片機傳感器進行溫度控制對糖稀的出料溫度精確把控在175℃正負2℃區間。

一、產品工作流程及機械結構

（1）工作流程：產品由步進電機、步進電機驅動器、同步帶、數字舵機、中央處理器、存儲器、通訊WiFi模塊及數據總線和外部接口等一系硬件組成。操作者不需要繪畫基礎，只需要通過通訊WIFI輸入圖片、照片，產品便可以通過計算機程序導出圖片對應“線條畫”與其步進電機程序指令，步進電機通過同步帶帶動加熱擠出模組在水平面（X.Y）內運動，通過數字舵機控制糖稀的流出，從而畫出圖片相應的圖案。（2）機械結構：由水平布置的兩個步進電機作為驅動裝置，構成直角坐標系機器人（二維運動模組），根據工作要求與直角坐標機器人運動特征選擇結構布置，步進電機水平對置，采用蝸桿與同步帶傳動，并根據設計參數分別對機器人各軸數據進行選擇，并計算選擇適配的驅動單元和減速器。Z方向采用JX1109數字舵機，通過凸輪與反力彈簧控制加熱擠出模組豎直方向小幅度運動。加熱裝置由加熱系統、溫度感知系統、攪拌系統獨立組成，通過對各系統的整合，采用單一串口通訊與供電，由航空插頭實現與機器人本體的連接。智能糖畫機通過220V配合適配器供電，加熱模組采用110V供電，功率60W，程序控制數據采集運算采用5V供電，電源輸入經開關電源流向各模組。

二、控制系統

圖像處理采用MNB64788IC芯片，中央處理器采用COLDFire系列32位嵌入式微處理器用于數據處理，數據存儲采用SOP8 AT24C04貼片存儲器用于臨時存儲圖片數據與溫度數據。通訊采用ESP8266-01S WiFi模塊，其帶有無線收發串口，可用于接受手機等PC端圖片輸入，并用于處理后的“線條畫”發送回PC端。糖稀溫度控制：溫度采集使用數字溫度傳感器DS18B20，可以分別在83.75ms和550ms內完成9位和12位的數字量數據采集，測量溫度范圍為-55～210℃，在-100～+185℃范圍內，精度為0.5℃，可滿足融糖溫度175℃與糖稀溫度變化小2℃的要求。通過傳感器對糖稀的溫度進行采集，經變送器、A/D轉化器形成數字量數據存儲，有單片機進行數據處理比對得到控制信號，再經D/A轉換器、續電器達到對加熱絲發熱功率的控制，從而改變糖稀的溫度，形成閉環回路控制系統。

單片機選擇AT89C52單片機，溫度調節采取PID調節，它是連續控制系統中技術最成熟的、應用最廣泛的一種控制算方法。不僅可以用常規的PID調節，而且可以根據系統的要求，采用各種PID的變型，如PI、PD控制及改進的PID控制等。對于時間常數比較大的被控制對象來說，數字PID完全可以代替模擬PID調節器，應用更加靈活，使用性更強。

系統設定溫度值為175℃，通過傳感器采集糖稀溫度數據，由單片機將傳感器數據與設定數據進行比對運算，當傳感器采集溫度低于174℃時，輸出數字信號1，續電器工作導通加熱電路，發熱絲工作，系統程持續加熱;當傳感器采集數據高于176℃時，輸出數字信號0，續電器斷電，加熱電路停止工作，系統冷卻降溫。其中加熱采用電加熱，電源110V交流輸入，加熱絲為011mm（156Ω/m）鎳鉻合絲總電阻值為825歐，加熱功率為60W。為防止加熱不均勻導致糖稀焦煳，產品增加了攪拌裝置，攪采用GA12-N20減速馬達，其具有低轉速高扭矩輸出，可有效適應高溫及高粘度工作環境，采用5V低壓直流輸入。

三、圖像邊緣輪廓特征提取

（1）輪廓特征提取算法：圖片處理主要集中于圖片的輪廓進行特征提取，所采用的算法為Sobel算子，通過對圖片的輪廓處理得到特征點圖，再通過降噪去除細微特征得到對應圖片的線條圖即最終成品（糖畫）圖案。Sobel算子其主要用于邊緣檢測，在技術上用來運算圖像亮度函數的梯度的近似值，由于Sobel算子對于像素的位置的影響做了加權，與Roberts算子等相比效果更好。Sobel算子包含了兩組3x3的矩陣，分別為X向及Y向模板，將之與圖像作平面卷積，即可分別得出X向及Y向的亮度差分近似值。糖畫機圖像處理使用中，常用如下兩個模板來檢測圖像邊緣。

四、糖稀擠出控制

糖稀擠出控制由數字舵機與止逆閥門控制。JX1109數字舵機，通過凸輪與反力彈簧控制加熱擠出模組豎直方向小幅度運動。止逆閥門由閥芯、閥體、反力彈簧組成。當數字舵機控制加熱擠出模組豎直方向當向下運動時，閥門閥芯與下端大理石板接觸，閥芯向上頂升，糖稀通過止逆閥門流出，舵機控制加熱擠出模組豎直方向向上運動時，閥芯與大理石板脫離接觸，閥芯在反力彈簧作用下與閥體接觸，閥門閉合，糖稀停止流出。通過對步進電機的運動速度的控制，可對不同最小區間內的加熱擠出模組停留時間進行控制，當繪圖慢時，糖稀流量大，繪制的糖畫線條粗實;當繪圖較快時，糖稀流量變小，糖畫線條細長，從而可有效控制圖案線條的粗細，使得繪制出的糖畫細節更加豐富。

五、結語

圖像識別處理、智能溫度控制、步進電機精確運轉等新技術的運用，將大幅增加糖畫的多樣性與精巧性，可有效的降低糖畫制作技術要求，簡化其傳承難度推廣難度。特別是智能圖像提取，可滿足大眾對新潮、個性的追求，使傳統的糖畫技藝迸發了新的閃光點，使其更具有傳承價值。

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支持項目：武漢商學院2018年大學生創新創業項目（項目號：201811654018）

作者簡介：蒲俊（1999—），男，漢族，四川巴中人，在讀本科，研究教育機器人與工業機器人設計與開發，探索機器人教育與文化教育相結合，慧創客科技創始人;王植平，男，漢族，湖北恩施人，在讀本科，研究方向：機器人的集成設計、智能機器人編程;黎文遠，男，漢族，湖北孝感人，在讀本科，研究方向：機械自動化、智能機器人編程。