摘要：基于對PVC 塑鋼門窗斷面測量的研究,提出了一種對二維平面中大量直線特征的自動識別方法。從被測斷面圖像中提取邊緣特征，根據型材中各直線的圖紙坐標，和圖紙、圖像坐標間的關系，可識別出斷面邊緣圖像中的多條直線特征。將這些直線的數據存儲, 就可用于斷面幾何參數的測量。針對斷面尺寸偏離圖紙公稱尺寸的情況和噪聲的存在，給出了識別正確性的理論分析。最后，根據圖像中識別出的直線上各點的坐標，擬合出了直線方程。
關鍵詞：圖像處理；特征識別；尺寸測量

圖像測量技術是近年來發展起來的一項新的測量技術。它以光學為基礎,融光電子學、計算機技術、激光技術、圖像處理技術和計算機視覺等現代科學技術為一體,組成光、機、電綜合的測量系統,可實現對測量對象的實時、在線、非接觸測量。用CCD 攝取被測物體,通過圖像處理方法提取圖像有用特征并完成測量的方法,在許多文獻中都有介紹[1～7 ] 。但對經圖像處理得到邊緣圖像后如何識別所需特征以完成測量,以上文獻介紹較少,或介紹的是一維信號、或簡單單一二維圖形特征,如圓形、橢圓、齒輪輪齒等圖形特征的提取和測量。本研究中的測量對象是PVC 塑鋼門窗斷面,形狀復雜、多樣,包括大量的直線特征(如圖1是2 種型材斷面) ,所以,找到一種可行的方法,自動、正確地識別出測量中用到的各直線特征,是本研究的一個特點和重點。本文介紹了一種識別方法的原理,并用實驗驗證了此方法的可行性。

1 系統介紹

攝像圖像預處理直線識別系統工作的過程是:用CCD 相機及圖像采集卡將斷面的256 色位圖采集到計算機內,對圖像預處理得到斷面的二值邊緣圖像,從二值邊緣圖像中識別需要測量參數所對應的邊緣。可將得到二值邊緣的過程分成2 大部分:攝像部分和圖像預處理部分。這樣,實驗系統的實現可由圖2 表示。

1. 1 攝像部分

攝像部分的作用是得到型材斷面的256 色位圖(如圖1 所示) 。攝像部分由被測物體(異型材) 、CCD 攝像機、環形光源、圖像采集卡等元件組成,如圖3 所示。

1. 2 圖像預處理

本研究中圖像預處理的目的是得到斷面的邊緣圖像。得到二值、單像素、封閉的邊緣圖像,有利于后面進行直線識別的實驗。預處理可通過圖像平滑、二值化、和邊緣檢測等幾個步驟完成。由于照明視場不均、電路熱電阻起伏、CCD 性能等原因,采集到的圖像中存在噪聲[8 ] 。通過圖像平滑可有效減少這些噪聲,提高二值化后圖像的效果。二值化是將用圖像卡采集到的位深為8 的256 色位圖轉化為只有黑白2 種顏色的位圖。現有的二值化方法很多,大致可分為整體閾值法、局部閾值法和動態閾值法。本研究中攝像部分采用高亮度的環形光源,攝像時將光圈數調到較大,光源調到較亮,且當光源距斷面較近時,可得到斷面和背景灰度級有明顯差別、光照較均勻的圖像(如圖1) 。故采用整體閾值法可基本滿足要求。我們使用的是Otsu 法[9 ] 。這種方法設一像素值為灰度i 的概率為pi ,則像素灰

邊緣檢測一般是通過判斷一像素與其周圍像素的關系進行的,可構造一定大小(如3 ×3)的模板與原圖像進行卷積得到邊緣圖像。常用的算子是微分算子,包括梯度算子，Robert，L :aplacian，Kirsch，Sobel，Prewitt等算子。實驗中選用Robert 算子，該算子的原理由式(2) 給出。

其中, f ( x , y) 代表輸入圖像, g ( x , y) 代表輸出的邊緣圖像。因為它是2 ×2 算子,用它和斷面的二值圖像進行卷積,可得到邊緣寬度基本為一個像素的二值邊緣圖像。對圖1 (a) 所示的圖像進行預處理后,得到的二值邊緣圖像如下：

2 各直線特征的識別
本研究的目的是完成對異型材斷面幾何參數的測量,對直線識別方法的要求:能準確識別出對應直線,不出現找不到某直線和找錯直線(將其它直線識別為該直線) 的情況;對不同形狀的型材,能根據圖紙要求在圖像的不同位置找到相應直線。本方法的基本思想是,輸入文件根據型材圖紙坐標給出各直線的描述;首先將輸入文件轉化為程序可處理的形式;根據圖像的一些明顯的特征和輸入文件的一些信息,得到型材圖紙坐標和圖像坐標的對應關系;最后,根據輸入文件對所要識別直線的描述及2 個坐標系之間的對應關系,在圖像中識別出直線。以下將逐步介紹這幾個步驟。

2. 1 輸入文件

輸入文件給出對直線在圖紙中的描述,其中包括了直線的序號,起、終點坐標等信息。本實驗中的輸入文件是如下所示的文本文檔。

以第一行為例, L2 表示序號為2 的直線。(3 ,0) , (60 ,0) 為該直線的起、終點在圖紙中的坐標,單位為mm。

2. 2 輸入文件的程序表示

要讓程序能夠按照輸入文件的要求完成直線識別,首先要將輸入文件轉化為程序能夠“懂得”的形式。以上所示文件中每行表示一條直線,可將每行的信息存入一個單元,象如下所示結構體中：

將這些結構體按順序一塊存儲,程序進行直線識別時就可將這些結構體順序取出,決定識別直線的位置和順序。

2. 3 兩坐標系關系的確定

根據輸入文件(圖紙坐標) 在圖像中進行直線識別的思想決定:我們需要找到2 個坐標系的對應關系。這種對應關系包括2 個方面:大小比例關系和位置關系。通過標定可確定圖像圖紙坐標的比例關系。加工一尺寸標準的矩形塊,將其作為測量對象,測出其長、寬圖像中對應的像素數。根據已知的標準件尺寸,就可得到單位為“像素數/ 毫米”的兩坐標比例關系。位置關系由橫軸和原點的對應關系可以確定。找這個對應關系,也就是找到圖紙中橫坐標軸和原點在圖像中對應的直線和點。對圖4 所示斷面圖像中,是以L2 為橫軸,求出L1 與L2 的交點作為原點。

2. 4 直線的識別

根據輸入文件給出的一直線的信息,可知直線中點的圖紙坐標p1 ( x1 , y1) ;根據兩坐標關系,得到p1 點對應的圖像上的一點p2 ( x2 , y2) ;在p2 點附近找到實際圖像中直線上的一點q ;搜索與q 點相連的點,得到要找的直線。如圖5 所示。