圖像處理的非規(guī)則形狀檢測(cè)方法研究

摘" 要：近幾年，我國(guó)工業(yè)得到了飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)期間會(huì)生產(chǎn)大量各種非規(guī)則形狀的產(chǎn)品，這些非規(guī)則形狀產(chǎn)品監(jiān)測(cè)效率低，檢測(cè)方法少，這對(duì)我國(guó)工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了一定制約。文章以圖像處理為基礎(chǔ)，研發(fā)了一種高效檢測(cè)非規(guī)則圖像的方法。該方法在具體應(yīng)用期間，具有采用設(shè)備少、非接觸，以及對(duì)周圍環(huán)境影響小等多項(xiàng)特點(diǎn)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)象僅為攝像圖像，因此，具體檢測(cè)速度較快，能夠快速完成檢測(cè)作業(yè)，可以應(yīng)用于不同類型的非規(guī)則檢測(cè)。大量應(yīng)用期間實(shí)踐經(jīng)營(yíng)結(jié)果表明，該檢測(cè)方法在具體應(yīng)用過(guò)程中，檢測(cè)精度可以達(dá)到0.02cm，檢測(cè)效率高、精度高，是一種較為理想的檢測(cè)方法。文章針對(duì)以圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)的非規(guī)則形狀檢測(cè)方法進(jìn)行探討，希望文章內(nèi)容對(duì)相關(guān)工作人員，以及整個(gè)行業(yè)的發(fā)展都可以有所幫助。

關(guān)鍵詞：圖像處理;檢測(cè)方法;非規(guī)則形狀;特征點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " "文章編號(hào)：2095-2945（2021）13-0108-03

Abstract： In recent years， China's industry has developed rapidly， and a large number of irregular shape products will be produced during industrial production. These irregular shape products have low monitoring efficiency and few detection methods， which restricts the development of China's industry to a certain extent. The paper based on image processing， an efficient method for detecting irregular images is developed. During the specific application period， this method has many characteristics， such as less equipment， non-contact， and little impact on the surrounding environment， and each data object is only a camera image. Therefore， the specific detection speed is fast， and the detection operation can be completed quickly and can be applied to various types of irregular detection. The practical operation results of a large number of applications show that in the specific application process， the detection accuracy can be up to 0.02cm， with high detection efficiency and high precision， so it is an ideal detection method. The irregular shape detection methods based on image processing technology are discussed， hoping that the content of the article can be helpful to relevant staff， as well as the development of the whole industry.

Keywords： image processing; detection method; irregular shape; feature point

現(xiàn)代工業(yè)制造技術(shù)的快速發(fā)展使工業(yè)產(chǎn)品不斷升級(jí)換代，為了滿足人們對(duì)工業(yè)產(chǎn)品的需求，通過(guò)對(duì)先進(jìn)的制造工藝進(jìn)行應(yīng)用，制造了大量的不同外觀的工業(yè)產(chǎn)品，在工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)期間，為了提升工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量，要采取先進(jìn)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于工業(yè)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，內(nèi)部形狀和外形檢測(cè)都是工業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)中的重點(diǎn)內(nèi)容，在工業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)期間，要做好對(duì)這一內(nèi)容的研究。

1 工業(yè)產(chǎn)品形狀概述

當(dāng)前工業(yè)產(chǎn)品形狀主要分為以下兩大類：

1.1 規(guī)則類形狀

規(guī)則類形狀主要指的是標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀，常見(jiàn)的形狀有長(zhǎng)方形、三角形、正方形、圓形等，這些規(guī)則幾何形狀檢測(cè)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，通過(guò)檢測(cè)結(jié)果可以對(duì)工業(yè)產(chǎn)品尺寸、性能進(jìn)行判斷，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)采取相應(yīng)措施對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行處理，提高產(chǎn)品性能，從而使最終生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品能夠滿足應(yīng)用需求[1]。

1.2 非規(guī)則類形狀

非規(guī)則類形狀沒(méi)有嚴(yán)格的定義，一般來(lái)說(shuō)，除了標(biāo)準(zhǔn)幾何之外的形狀都為非規(guī)則形狀。非規(guī)則類形狀通常都通過(guò)剪裁、拼接等不同方式形成，這種非規(guī)則類形狀檢測(cè)起來(lái)難度較大，長(zhǎng)期以來(lái)都是人們研究的一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容[2]。

2 檢測(cè)工業(yè)產(chǎn)品形狀技術(shù)

目前，隨著人們對(duì)工業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)研究的不斷深入，檢測(cè)技術(shù)越發(fā)成熟，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀，特別是針對(duì)圓形孔檢測(cè)，已經(jīng)研制出一種相對(duì)成熟的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)圓形孔尺寸的檢測(cè)。從現(xiàn)階段的情況來(lái)看，在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，既可以采用傳統(tǒng)的接觸方式進(jìn)行檢測(cè)，所謂接觸性檢測(cè)就是使用內(nèi)徑千分尺、卡尺、量規(guī)（如圖1所示）等各種用于量測(cè)的工具，通過(guò)人工方式完成相應(yīng)的檢測(cè)工作，該檢測(cè)方式在實(shí)際應(yīng)用期間，對(duì)于檢測(cè)工具的性能，以及檢測(cè)人員的專業(yè)能力都有著較高要求，只有性能良好的檢測(cè)工具，專業(yè)能力過(guò)硬的檢測(cè)人員，才能完成檢測(cè)[3]。也可以采用非接觸方式進(jìn)行檢測(cè)，常用的方式有圖像檢測(cè)，X射線檢測(cè)、萬(wàn)能顯微鏡等不同方法進(jìn)行檢測(cè)。但是，從實(shí)際情況來(lái)看，人們對(duì)于工業(yè)產(chǎn)品中的非規(guī)則形狀檢測(cè)的內(nèi)容研究相對(duì)較為緩慢，目前檢測(cè)還以接觸性檢測(cè)為主，而從大量的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，接觸性檢測(cè)方式檢測(cè)結(jié)果精度相對(duì)較低，而且容易受到人為因素影響，整體效率偏低[4]。

曾有研究人員采用線陣CCD相機(jī)和圖像處理技術(shù)對(duì)工業(yè)產(chǎn)品中的非規(guī)則形狀幾何參數(shù)進(jìn)行全面檢測(cè)，依據(jù)檢測(cè)結(jié)果完成相應(yīng)分析工作，檢測(cè)結(jié)果能夠精準(zhǔn)反映產(chǎn)品性能。該檢測(cè)方法在具體應(yīng)用過(guò)程中檢測(cè)精度高，能夠滿足人們的應(yīng)用需求，需要注意的是，該檢測(cè)方法在具體應(yīng)用時(shí)對(duì)采用的各項(xiàng)硬件的要求也高，同時(shí)，該檢測(cè)方法在具體應(yīng)用時(shí)也無(wú)法對(duì)沒(méi)有顯著特征的非規(guī)則形狀進(jìn)行檢測(cè)，這是工作人員在對(duì)該檢測(cè)方法應(yīng)用時(shí)必須注意的一項(xiàng)內(nèi)容，這也導(dǎo)致檢測(cè)方法在應(yīng)用時(shí)受到了一定限制[5]。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，人們以圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)，研發(fā)出了一種可以用于非規(guī)則形狀檢測(cè)的方法。檢測(cè)方法適當(dāng)結(jié)合單相機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)，采用嚴(yán)密數(shù)學(xué)理論、嚴(yán)格誤差控制，通過(guò)這種方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品對(duì)規(guī)則形狀加工精度情況的檢驗(yàn)，并且結(jié)合實(shí)際情況來(lái)看，具體檢測(cè)精度并不會(huì)受形狀影響，對(duì)于該方法應(yīng)用的有效性與合理性，要利用試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，可以確定該方法應(yīng)用快速、有效，是一種理想的檢測(cè)方法，可以對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用與推廣[6]。

3 檢測(cè)非規(guī)則形狀的合理方法

本次介紹的方法在具體應(yīng)用期間的重點(diǎn)內(nèi)容就是獲取非規(guī)則形狀邊緣點(diǎn)，然后在實(shí)際檢測(cè)期間，利用透視投影變換獲取變換參數(shù)坐標(biāo)，獲取到各項(xiàng)坐標(biāo)后，將各項(xiàng)坐標(biāo)與參考模型中的非規(guī)則形狀進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)非規(guī)則現(xiàn)狀的檢測(cè)，得到檢測(cè)數(shù)據(jù)。

3.1 非規(guī)則形狀特征點(diǎn)匹配

特征點(diǎn)匹配指的就是攝像圖像與參考模型兩者之間“同名點(diǎn)”尋找，將該特征點(diǎn)作為控制點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)，通過(guò)分析，獲取到攝像圖像與參考模型兩者間的透視變換參數(shù)，具體檢測(cè)期間，定位精度的變換會(huì)對(duì)參考精度造成一定影響，由此可見(jiàn)，對(duì)于非規(guī)則形狀檢測(cè)，特征點(diǎn)要能夠克服目標(biāo)輪廓畸變和噪聲帶來(lái)的各項(xiàng)影響[7]。問(wèn)題分析期間，在全面結(jié)合具體情況基礎(chǔ)上，選擇圓孔中心作為特征點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，完成相應(yīng)檢測(cè)作業(yè)。

圓孔中心點(diǎn)坐標(biāo)通過(guò)子像素定位方法完成相應(yīng)計(jì)算，從以往的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，經(jīng)典邊緣檢測(cè)方法有Sobel算子、Roberts算子、Prewitt算子、Laplace算子等方法，這些方法在應(yīng)用過(guò)程中的一項(xiàng)主要缺點(diǎn)就是對(duì)噪聲較為敏感，因此，容易導(dǎo)致邊緣定位模糊問(wèn)題，影響檢測(cè)數(shù)據(jù)。而采用Canny算子，能夠形成單像素邊緣，其易造成不敏感，因此，其適合對(duì)圓形邊緣提取[8]。下面，采取Canny算子對(duì)邊緣進(jìn)行粗定位，在該基礎(chǔ)上，利用梯度幅值檢測(cè)亞像素邊緣，具體檢測(cè)作業(yè)開展中，為了確保定位精度能夠達(dá)到要求標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)時(shí)，要對(duì)邊緣進(jìn)行兩次擬合，在擬合時(shí)，要確保各項(xiàng)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，以免出現(xiàn)誤差，影響最終的檢測(cè)結(jié)果。

檢測(cè)非規(guī)則形狀是一項(xiàng)復(fù)雜工作，具體檢測(cè)會(huì)受到各種不同因素的影響，也就會(huì)導(dǎo)致像點(diǎn)在焦平面與其理論位置相比存在一定偏差，針對(duì)這一現(xiàn)象，檢測(cè)人員在工作開展期間，要采用相機(jī)完成相應(yīng)標(biāo)定，通過(guò)對(duì)標(biāo)定參數(shù)，完成對(duì)像點(diǎn)具體坐標(biāo)的修改。現(xiàn)有相機(jī)標(biāo)定方法有傳統(tǒng)標(biāo)定方法、自標(biāo)定方法，以及以主動(dòng)視覺(jué)的標(biāo)定方法，在實(shí)際檢測(cè)期間，要依據(jù)具體情況，選擇合理的標(biāo)定方法，保證采用方法合理，只有這樣才能完成相應(yīng)的檢測(cè)工作[9]。

3.2 求解透視變化參數(shù)

透視攝像是目前最常用的一種成像模型，該模型在具體應(yīng)用期間的一項(xiàng)主要特點(diǎn)就是來(lái)自所有場(chǎng)景光線都通過(guò)投影中心，其對(duì)應(yīng)于透鏡中心。利用透視投影變換能夠得到兩平面八個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)，變化公式如下：u=（ax+by+c）/（gx+hy+1）、v=（dx+ey+f）/（gx+hy+1）。在公式中，（u，v）表示特征點(diǎn)在參控模型中的具體坐標(biāo)，（x，y）表示特征點(diǎn)是具體拍攝過(guò)程總圖像中的坐標(biāo)，a，b，c，d，e，f，g，h是檢測(cè)期間帶求轉(zhuǎn)換參數(shù)。在多4個(gè)控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用最小二乘方式，獲取最佳解。

3.3 試驗(yàn)分析

通過(guò)試驗(yàn)方式進(jìn)行驗(yàn)證分析，具體試驗(yàn)作業(yè)開展為加工具有圓孔和非規(guī)則形狀的結(jié)構(gòu)板，采用的結(jié)構(gòu)板的具體厚度約為6mm，為了方便分析，將結(jié)構(gòu)板放置在黑色背景上，利用高像素相機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)板進(jìn)行拍照，為了得到高清的圖像，在拍照時(shí)要將相機(jī)放在距離結(jié)構(gòu)板1.1m左右位置，而且要控制好光照度，采取非垂直度方式進(jìn)行拍攝，通過(guò)拍攝方式得到原始圖像。

待檢測(cè)結(jié)構(gòu)板上一共有6個(gè)L形狀的非規(guī)則形狀，在檢測(cè)時(shí)，通過(guò)圓孔方式對(duì)原始圖像進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)該方式可以得到圓孔的圓心坐標(biāo)，也就是特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)。特征點(diǎn)選取了結(jié)構(gòu)板上的8個(gè)圓孔中心，采用算法完成對(duì)結(jié)構(gòu)板中8個(gè)圓孔在模型中相對(duì)應(yīng)的圓孔，在分析中完成對(duì)圓孔中心坐標(biāo)內(nèi)同的提取，再將中心坐標(biāo)控制點(diǎn)計(jì)算透視投影的具體變換參數(shù)。完成上述操作后，檢測(cè)待測(cè)形狀邊緣，獲取到邊緣提取結(jié)果。通過(guò)計(jì)算能夠獲取到精準(zhǔn)變換參數(shù)，然后對(duì)結(jié)構(gòu)板的邊緣提取的各項(xiàng)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，利用計(jì)算能夠得到非規(guī)則形狀邊緣點(diǎn)點(diǎn)集。給定點(diǎn)集向標(biāo)準(zhǔn)模型曲線合理轉(zhuǎn)變?yōu)槌跏紖?shù)，采用給定參數(shù)完成對(duì)最近點(diǎn)的計(jì)算，再通過(guò)對(duì)最近點(diǎn)計(jì)算得到轉(zhuǎn)換參數(shù)，采取迭代計(jì)算方式進(jìn)行分析，直到得出最終結(jié)果為止，對(duì)像素點(diǎn)誤差進(jìn)行分析，可以得到垂直方向、水平方向，以及總點(diǎn)位誤差分布。

該方法在具體應(yīng)用期間的精度主要利用透視投影變換、非規(guī)則邊緣點(diǎn)提取精度、圓孔中心定位精度、最近點(diǎn)計(jì)算精度等各項(xiàng)因素影響，為了提高檢測(cè)結(jié)果精度，要盡量控制各項(xiàng)影響因素，減少各個(gè)因素帶來(lái)的不良影響。

本文采用Canny算子對(duì)邊緣進(jìn)行提取，通過(guò)利用最小二乘橢圓擬合方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)圓孔中心點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算，從而得到精準(zhǔn)的結(jié)果，通過(guò)大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，中心定位精度能夠達(dá)到0.422μm，該誤差較小，在實(shí)際測(cè)量中，該誤差可忽略不計(jì)。8個(gè)圓孔控制點(diǎn)透視投影變化程度大小為0.02mm，這對(duì)非規(guī)則形狀邊緣點(diǎn)的提取，在精度上能夠得到像素級(jí)別，在具體檢測(cè)中，為了確保最終測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)，檢測(cè)時(shí)要對(duì)這兩個(gè)誤差進(jìn)行充分考慮[10]。

水平方向誤差和垂直方向誤差都均勻分布，在所有誤差中，誤差大小在±0.1mm以內(nèi)的值占到了所有誤差的85%，誤差有正也有負(fù)，各種誤差在分布上都以正態(tài)形式分布。與水平方向誤差的分布相比，垂直方向誤差在分布上更加集中，而誤差較大點(diǎn)與水平誤差相比，前者的誤差更加集中。通過(guò)試驗(yàn)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，在水平方向上的誤差平均值大小約為0.0341mm，垂直方向的平均誤差值大小約為0.0049mm。各個(gè)點(diǎn)位誤差都未超過(guò)0.7mm，多數(shù)誤差都未超過(guò)0.2mm，點(diǎn)位誤差整體分布相對(duì)集中，圖像點(diǎn)點(diǎn)位誤差大小平均值為0.16m。由此可見(jiàn)，在實(shí)際問(wèn)題分析期間，要綜合對(duì)非規(guī)則邊緣點(diǎn)的具體精度，以及最近點(diǎn)的具體精度進(jìn)行全面計(jì)算，在計(jì)算過(guò)程中必須確保各項(xiàng)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)無(wú)誤，以免因?yàn)閿?shù)據(jù)問(wèn)題，導(dǎo)致最終計(jì)算的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度出現(xiàn)誤差，無(wú)法滿足需求。本文采用的方法在具體應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)于非規(guī)則形狀的工業(yè)構(gòu)建檢測(cè)精度能夠達(dá)到0.2mm，這一精度可以滿足多數(shù)非規(guī)則形狀檢測(cè)的具體要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

非規(guī)則形狀檢測(cè)是一項(xiàng)難度較大，對(duì)技術(shù)要求較高的一項(xiàng)作業(yè)，在具體檢測(cè)期間，為了提高檢測(cè)結(jié)果，必須要加強(qiáng)對(duì)各種先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)，通過(guò)對(duì)合理檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，提高最終檢測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)度，保證最終檢測(cè)結(jié)果合理。通過(guò)對(duì)以往經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，在非規(guī)則形狀檢測(cè)時(shí)引入了攝影測(cè)量機(jī)透視投影變換，在該基礎(chǔ)上，提出了一種先進(jìn)的非規(guī)則形狀檢測(cè)方法，該檢測(cè)方法在具體應(yīng)用時(shí)，采用的設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，檢測(cè)人員在工作開展期間只需要利用一張待檢測(cè)形狀的圖像和一臺(tái)相機(jī)即可，整個(gè)計(jì)算過(guò)程十分簡(jiǎn)單，精準(zhǔn)度高，而且受外界因素影響相對(duì)較小，適合在非規(guī)則形狀中檢測(cè)，通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)該檢測(cè)方法檢測(cè)精度能夠達(dá)到0.2mm，可見(jiàn)，這是一種性能優(yōu)異的檢測(cè)方法，將該方法應(yīng)用到非規(guī)則形狀檢測(cè)中，能夠滿足我國(guó)多數(shù)工業(yè)產(chǎn)品在具體檢測(cè)期間精度方面的要求。

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