機(jī)械CAD輪廓提取研究

王艷安 ， 劉英虎

（長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710000）

目前，基于裝配機(jī)器人的智能化需求，需要能夠比較準(zhǔn)確獲取到機(jī)械零件的CAD輪廓信息[1]。為了能夠準(zhǔn)確獲取到機(jī)械零件三維輪廓信息，本文提出了一種新的機(jī)械CAD輪廓提取方法。由于兩個(gè)正交相機(jī)只能提供兩個(gè)方向的特征信息和位置信息，這就導(dǎo)致了三維模型中的信息不足[2-3]。借助Opencv及其圖像處理技術(shù)和基于CAD文件的特征提取技術(shù)，利用CAD文件中獲取的物體輪廓信息和位置信息可以彌補(bǔ)另外一個(gè)軸向缺失信息，從而可以比較精確的獲取到零件三維輪廓信息[4-5]。

1 圖像輪廓提取實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的視覺(jué)感知需求，本文首先介紹二維圖像提取輪廓的算法，從而獲得圖像輪廓，然后由零件的結(jié)構(gòu)特征獲取所需要的輪廓二維特征信息[6-7]。其中，通過(guò)對(duì)二維圖像進(jìn)行圖像處理，進(jìn)而獲取到所需要的輪廓二維特征信息是本文研究的重點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)拍攝到的二維圖像主要包含像素?cái)?shù)據(jù)信息。為了更好地描述相機(jī)位置，需要構(gòu)建世界坐標(biāo)系，將相機(jī)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成真實(shí)世界坐標(biāo)系。本文利用兩根軸正交布置構(gòu)建相機(jī)獲取視野，其相機(jī)獲取視野實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。

圖1 相機(jī)獲取視野實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2 圖像的輪廓提取

2.1 圖像提取的算法

為了能提取準(zhǔn)確的輪廓信息，首先需要對(duì)相機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過(guò)灰度化，二值化以及去噪等步驟后提高原始圖片的像素質(zhì)量，最后進(jìn)行二維圖像的輪廓提取。輪廓獲取流程如圖2所示。

圖2 輪廓流程框圖

2.2 圖像提取結(jié)果

輪廓提取實(shí)驗(yàn)選取的實(shí)驗(yàn)零件以長(zhǎng)方體為主，其尺寸分別為60mm×30mm×10mm、50mm×30mm×10mm、40mm×20mm×10mm，材質(zhì)分別為鋁、銅和鐵，所使用的實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 零件實(shí)物圖

圖像輪廓提取實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的視覺(jué)系統(tǒng)采用的相機(jī)為索尼（SONY）系列數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。該款相機(jī)拍攝的二維圖像如圖4所示。MATLAB是一套功能強(qiáng)大的工程計(jì)算軟件，可以高效求解復(fù)雜的工程問(wèn)題，用強(qiáng)大的圖形功能對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行顯示。考慮到輪廓提取準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，選取MATLAB進(jìn)行圖像處理。本文借助軟件的圖像處理功能結(jié)合自主開(kāi)發(fā)進(jìn)行圖像的輪廓提取。

2.3 圖像的預(yù)處理

圖4 二維圖像效果圖

圖像輪廓提取實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的視覺(jué)中攝像機(jī)首次采集到的圖像為灰度圖像，因此需要經(jīng)過(guò)一系列的圖像預(yù)處理才可以進(jìn)行后面的輪廓提取。在本文中，由于攝像機(jī)采集的圖像為靜態(tài)圖像，所以在預(yù)處理過(guò)程中需要對(duì)圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)方法。均值濾波是較為常見(jiàn)的圖像增強(qiáng)方法之一，均值濾波操作后的圖像變得更模糊，這也就達(dá)到了噪聲抑制的目的。通過(guò)MATLAB中的圖像處理軟件工具箱，編程調(diào)用相關(guān)圖像處理程序即可實(shí)現(xiàn)圖像的均值濾波操作。均值濾波處理后的結(jié)果如圖5所示。

圖5 均值濾波處理的圖像

2.4 正交圖像提取

邊緣檢測(cè)主要用于檢測(cè)數(shù)字圖像中亮度變化明顯的像素。在圖像處理方面，邊緣檢測(cè)可以消除與圖像識(shí)別無(wú)關(guān)的信息，以此來(lái)減少需要處理像素點(diǎn)的時(shí)間。通過(guò)比較幾種常用的邊緣檢測(cè)算法效果，本文確定使用Canny算子進(jìn)行正交圖像的輪廓提取。輪廓提取結(jié)果如圖6所示。

圖6 邊緣檢測(cè)效果圖

2.5 輪廓的直線、圓的檢測(cè)

圖像的輪廓按幾何特征主要分為直線、圓、多邊形和曲線等。在日常的應(yīng)用場(chǎng)合中，直線和圓是經(jīng)常遇到的幾何特征，因此本節(jié)主要對(duì)輪廓的直線和圓進(jìn)行程序檢測(cè)。采用Hough變換得到的檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。通過(guò)Hough變換檢測(cè)到的直線效果比較精確，可以比較準(zhǔn)確地獲得輪廓直線邊緣點(diǎn)的位置，像素坐標(biāo)如圖8所示。

圖7 Hough變換的直線檢測(cè)效果圖

圖8 像素坐標(biāo)示意圖

3 總結(jié)

本文基于CAD特征提取技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械零件三維物體的輪廓提取，使用兩個(gè)相機(jī)得到二維圖像，并且實(shí)現(xiàn)二維圖像的輪廓提取、直線和圓的檢測(cè)、特征點(diǎn)的獲取，最終得到了模型CAD三維輪廓信息，較好驗(yàn)證了算法可行性。