300MN液压机活动横梁横向偏移视觉检测图像分割方法研究及应.docx
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300MN液压机活动横梁横向偏移视觉检测图像分割方法研究及应
2010年 第5期
仪表技术与传感器
Instrument Technique and Sensor2010
No15
基金项目:
国家高技术研究发展计划（863计划资助项目
（2007AA04Z417
收稿日期:
2009-11-07 收修改稿日期:
2009-12-18
300MN液压机活动横梁横向偏移视觉检测图像分割方法研究及应用
彭玉凤,谭建平,陈 晖,全凌云
（中南大学机电工程学院,湖南长沙 410083
摘要:
图像分割是视觉检测的关键技术。
针对300MN模锻液压机活动横梁横向偏移视觉检测系统现场光强不稳定的难题,在灰度拉伸Otsu法基础上提出了一种改进的阈值自适应新方法———灰度增强法,并结合其目标物特征,提出了基于圆斑特征值的分割评价准则。
介绍了其基本原理,并进行了实验测试。
结果表明,根据该方法确定的阈值对图像进行二值化处理,能适应更宽的光强范围,得到理想的图像分割效果,且在此基础上进行的二维位置检测实时性好、检测精度高、稳定性好,能够适应液压机现场复杂的使用环境,实现活动横梁横向偏移检测功能。
关键词:
液压机;机器视觉;阈值自适应;活动横梁;
中图分类号:
TG315.4 文献标识码:
A 文章编号:
1002-1841（201005-0080-03
ResearchandApplicationofImageSegmentationMethodforisionInspection
SystemofActivityHeamπsLateraloncPress
PENGYu2feng,TANJLyun
（TheCollegeofMilChangsha410083,China
Abstract:
theogyofvisioninspection.Animprovednewthresholdadaptivemethod,grayscaleproposed,whichwasbasedongrayscalestretchingmethod,anddirecttothedifficultproblemofunstableintensityofilluminationinthevisiondetectionsystemofactivitybeamπslateralexcursionof300MNhydraulicpress.Bindingtothefeaturesofitstarget,asegmentationevaluatecriteriaduetothefeaturesofcircularspotwasalsopresented.Intro2duceditsbasicprinciples,andcarriedouttheexperimentaltests.Theresultshowsthatusingthethreshold,whichisobtainedfromthismethodtooperateimagebinarizationcanadapttowiderscopeofintensityofillumination,gettingidealimagessegmenta2tion.Andthetwo2dimensionpositiondetectionwhichbasedonithasgoodreal2timeandstability,highinspectionaccuracy,itcanaccommodatethelocalitycomplexusingconditionofthehydraulicpress,andachievethedetectfunctionoftheactivitybeamπslat2eralexcursion.
Keywords:
hydraulicpress;machinevision;thresholdadaptive;activitybeam0 引言
液压机长时间运行后会造成活动部件与导向装置的摩擦磨损严重,再加上工作过程巨大载荷下的剧烈振动、冲击影响,活动部件很容易发生横向偏移。
在300MN液压机活动横梁横向偏移视觉检测
[1]
系统中,图像分割是其关键技术。
由于其特
殊使用环境,现场光线条件非常恶劣,且冲击、振动剧烈,而横梁偏移检测对实时性要求又较高,因此,在图像分割过程中,要协调好图像分割准确性和处理时间上的矛盾,既要获得好的二值化图像,又要有高的检测速率。
到目前为止,人们基于各种立场和观点,提出了各式各样的图像分割方法[2]。
西安邮电学院吴成茂[3]从牛顿万有引力定律和电场库仑定律中得到启化,提出了信息场中万有信息定律,并用于图像分割最佳阈值选取。
西安邮电学院赵凤[4]提出了一种结合二维Otsu法和模糊熵的图像分割方法,先采用二维
Otsu法对图像进行初步分割,再采用模糊熵作后续处理,以弥
补忽略边界信息带来的问题。
中南民族大学童小念[5]提出一
种基于遗传算法的最优阈值搜索方法OTSGA,对图像的灰度级进行二进制编码,生成初始种群,求出每个个体的二维最大熵,然后根据设定的寻优准则进行相应的遗传操作以搜索阈值最优解。
海军大连舰艇学院杨曦[6]提出一种利用角点和边缘点的像素灰度值均值和全图像像素点灰度值均值加权相加的阈值选取方法。
哈尔滨理工大学王ηη
[7]
在传统2维Otsu阈值
分割算法的基础上提出了一种基于图像边缘信息的2维阈值分割方法。
在众多方法中,日本学者Otsu提出的最大类间方差法（简称Otsu法,由于有模式识别的理论基础和良好的分割性能而成为最为流行的阈值化方法之一[8]。
有的学者还在其基础上提出了灰度拉伸的最大类间方差法。
但以上传统的图像分割方法应用于300MN模锻液压机横梁检测存在以下方面的不足:
其一,由于液压机使用现场光线条件非常恶劣,目标物与背景灰度值非常接近,传统二值化方法难以适用;其二,检测对象液压机活动横梁在工作过程中冲击、振动剧烈,虽然相机在光线暗时可以通过调整曝光时间来增强图像清晰度,但检测系统对实时性要求较高,且曝光时间若超过1/6s,就容易因相机晃动或拍摄对象的移动而产生幻影,图片变得模糊,完全靠
调整曝光时间来调整图像灰度也不现实。
因此,为实现300
MN模锻液压机特殊环境下基于机器视觉的活动横梁横向偏移
第5期
彭玉凤等:
300MN液压机活动横梁横向偏移视觉检测图像分割方法研究及应用
81
检测,文中克服现有方法不足,提出了一种自动确定最佳阈值进行图像二值化处理的新方法———灰度增强法。
1 灰度增强法
灰度增强法主要解决目标物灰度与背景灰度差很接近的问题,是针对灰度拉伸Otsu法在光线很暗时图像处理效果失真、光斑背景被破坏等不足提出的一种改进方法。
该方法先采用灰度拉伸Otsu法对图像进行二值化处理,再利用相关评价准则对图像的分割效果进行评价,根据得到的评价指标值对相机曝光时间进行适当调整,最后再利用灰度拉伸Otsu法实现阈值的自适应。
灰度增强法既避免了曝光时间过长可能引起的图像模糊现象,又改进了灰度拉伸Otsu法的光线适用范围,有效解决了活动横梁视觉检测系统中图像分割准确性和处理时间上的矛盾。
1.1 灰度拉伸Otsu法
Otsu法依据的原理是利用类别方差作为判据,选取使类间
方差最大和类内方差最小的图像灰度值作为最佳阈值。
设一幅图像分为1~m级,灰度值i的像素数为n,则总像素数N为N=∑m
i=i
1各像素值概率iPi=（2然后用一整数K2C0={1,2,…,K},C1={K
+1,K+2,…,m},则C0产生的概率ω0为
ω0=∑k
i=1
Pi=ω（k
（3均值μ0为μ0=∑k
i=1
Pi/
ω0=μ（k/ω（k（4C1产生的概率ω1为
ω1=∑mi=k+1
Pi=1-ω（k（5均值μ1为 μ1=[μ-μ（k]/[1-ω（k]（6
其中,μ=∑m
i=1iPi是整体图像灰度的统计均值,则
μ=ω0μ0+ω1μ1
（7两组间方差σ2
为 σ2
（k=ω0ω1（μ1-μ0
2
（8
从1,2,…,m之间改变k,求使方差最大值时的k,即max
σ2
（k时的k值为最佳阈值。
若原图像的灰度级为X,期望处理后的图像灰度级为Y,原始图像和期望图像的灰度级的分布范围极值分别为Xmax,Xmin和Ymax,Ymin。
期望变换前后的图像对比度保持线性关系,即满足下式:
（Y-Ymin/（Ymax-Ymin=（X-Xmin/（Xmax-Xmin
（9令a=（Ymax-Ymin/（Xmax-Xmin
（10b=（XmaxYmin-YmaxXmin/（Xmax-Xmin
（11则线性拉伸的简单数学表示为Y=aX+b
（12
显然,这是一个以a为斜率,以b为基数的关于X、Y的线性变换关系式。
利用这个线性变换式,对图像中所有像素逐点进行变换,则可以完成对整幅图像的像素灰度级的合理调整。
1.2 分割评价准则的提出
活动横梁视觉检测系统采用的目标物为黑色背景下的一个白色圆斑,为定量评价其图像二值化处理效果,文中提出了一种基于圆斑特征值的分割评价准则。
由于图像中包含有目标和背景两部分,分割的性能涉及到多种因素。
因此,分割算法的性能评估指标应尽可能包含对分
割影响较大的因素,而且该指标的值应能精确描述检测特征与实际特征之间的匹配程度。
分割的精度主要与两方面的因素有关:
面积因素和形状因素。
由于系统在检测过程中需要自动标定,其像素总面积和像素周长不确定,单独靠其面积或周长的检测值来判断图像分割效果不是很现实,而
l/=2（13
为定值,因此,文中提出采用2作为零点值来判断图像的二值化效果,则实际图像距零点的相对距离为
δ=|l/（-2|/（2=|l/（2
-1|（14
δ值越小,说明图像分割效果越好;越大,则分割效果越差。
1.3 曝光时间调整
其大小由相机的,主要通。
H,Et（俗称快门速度的乘积:
H=Et
（15
而像面照度E取决于物镜的光学特性和景物的亮度,
E=πB（d/f2
Kα/4
（16
式中:
d/f为相对孔径,即1/k;B为景物的亮度;Kα为物镜的透过率。
将式（16代入式（15,得
H=π
ΚαBt/4k2
（17
通过以上分析,可知在光圈预先确定的曝光模式下,影响曝光量的主要因素有两个:
一是景物的亮度B;二就是快门的曝光时间t.当光圈系数固定时,景物的亮度B与曝光时间d成反
比。
因此,灰度增强法先根据得到的图像分割评价指标值δ,对曝光时间进行适度调整。
若δ较大,且原图像的最大灰度值
Xmax偏小,说明光线过暗,则在原来基础上增加曝光时间ΔT;若
δ较大,且Xmax偏大,说明光线过强,则减少曝光时间ΔT.再重新拍摄图像,计算对应的δ和Xmax,再判断,如此反复,直到得到满意的图像分割效果和阈值。
2 实验测试2.1 实验目的
通过图像二值化阈值自适应,消除光强对机器视觉检测系统精度的影响。
2.2 实验仪器
目标物（直径3118mm,与镜头相距90mm,摄像头
（M0814,可调光源,图像检测模块（VCSBC4018,通讯模块（SM42,PLC控制系统,计算机,螺旋测微仪等。
2.3 实验方法
实验装置如图1所示,将图像检测模块与黑底白斑目标物在固定架上分别固定好,在实验台上模拟CCD机器视觉检测系统的工作过程:
（1调整光源,在不同光照强度下运行程序,查看其图像二
值化处理效果;
82
InstrumentTechniqueandSensor
May12010
1—目标物;2—摄像头;3—图像检测模块;4—螺旋微位移平台;5—PLC
系统;6—信号接收模块;7—上位计算机
图1 实验装置图
（2手动调节螺旋测微仪模拟活动横梁横向偏移运动,读
出其移动量及上位机记录的偏移值,将两者进行比较并得出结论。
2.4 实验结果与结论分析2.4.1 图像二值化效果
度。
确定照度的依据有:
;测试过程中,,因此,本文采用对比度,即亮度差,来衡量实验的光照强度。
若图像的灰度级的分布范围极值为Xmax,Xmin,则亮度差为
Δ=Xmax-Xmin
（18
在Δ为214（光线好、12（光线较差和7（光线很差时分别对Otsu法、灰度拉伸Otsu法和灰度增强法的图像处理效果进行了测试,如图2~图4所示:
前两种方法都不能完全适应光强的变化,只有灰度增强法始终能得到理想的二值化处理效果,其基于圆斑特征值的分割评价指标值δ也更为合理,与零点偏差均在014%以内
。
2.4.2 实时性
对文中检测方法的实时性进行了测试:
光斑重心计算时间
为60ms,图像二值化时间为23ms.Δ=12时,曝光时间调整为30ms,阈值计算时间为73ms;Δ=6时,曝光时间调整为75ms,阈值计算时间为89ms.由于现场光线强度在短时间内不会出现突变,系统不需要每次都运行阈值计算程序,只需要隔一定时间对其二值化评价指标进行判断,若偏离较大,再重新计算阈值。
Δ=6时,光线条件已非常恶劣,曝光时间、图像二值化及重心坐标计算时间的总和也只有158ms,检测频率为613Hz,
实时性能够满足现场检测要求。
2.4.3 检测系统精度
图5显示了Δ=6、12、2143种光强条件下基于Otsu法、灰度拉伸Otsu法和灰度增强法井到的重心坐标变化曲线。
其中灰度增强法曲线与实际坐标曲线重合,数据非常稳定,其余两,且偏差值随光线的继。
Otsu法都有一个限用Otsu法亦不能适用,,检测系统也可以考虑将原始图,Δ超过其限用值再启动曝光时间调整程序,不超过则直接运行灰度拉伸Otsu法程序实现阈值的自适应计算。
具体的Δ限用值还需要通过实验进一步确认
。
图5 不同光强下检测方法对比曲线
为进一步验证基于灰度增强法的视觉系统检测精度,将步长定为011mm进行了测试,所得实验曲线如图6所示,曲线斜率基本一致,整体呈线性,说明系统的检测精度至少可以达到
011
mm.
图6 视觉系统精度测试曲线
2.4.4 误差分析
图6所示曲线,数据每10个1组出现跳跃,且幅度相同,说明在计算中引入了一个阶段累积误差。
程序在求取光斑重心坐标时对数据进行了取整,这也正是系统误差出现的原因,但该误差非常小,且只在单位mm内累计,每偏移超过1mm,前面的阶段误差就会消失,这对检测系统精度影响不大,从实时性考虑,可以接受。
此外,以上测试是在实验室环境下进行的,液
压机现场冲击、振动剧烈,目标物随活动横梁（下转第85页
第5期
陈伟等:
基于模糊PID控制的灌浆压力稳定控制系统研究
85
C区为在灌浆压力稳定控制系统作用下,大幅度的灌浆压力波
动控制在允许的偏差范围内（±018~±115kPa
。
图3 模糊PID控制程序流程图3 结束语
该灌浆压力稳定控制系统采用模糊PID控制算法,
能适应
图4 压力设定值为0150（MPa时灌浆压力的变化情况
其中允许波动值±0106（MPa
对象参数的变化并表现出良好的控制品质,具有较强的自适应能力和稳定性,通过该系统调节阀门使压力波动稳定在
0115MPa以内;可在5~12s之内达到稳定,已经能够满足现场
的需要。
:
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1994.
作者简介:
陈伟（1979—,博士,主要从事城市地下与岩土工程及相关
仪器仪表方面研究。
E-mail:
chw_2002@。
（上接第82页运动,难免出现倾斜现象,使拍摄到的图片发生变形,影响检测精度,这就需要建立活动横梁检测系统的数学模型,对其进行进一步的分析研究。
3 结束语
（1以300MN模锻液压机活动横梁特殊工作环境为背景,
针对传统灰度拉伸Otsu法在光线较暗情况下图像处理效果失真、光斑背景被破坏等不足,提出了一种改进的阈值自适应方法———灰度增强法。
（2结合液压机视觉检测系统目标物特征,提出了一种基
于圆斑特征值的图像分割评价准则,以定量评价其二值化处理效果。
（3实验测试表明:
灰度增强法在光线条件很差时同样能
达到很好的图像分割效果,评价指标值均在014%以内,其光线适应范围较灰度拉伸Otsu法有很大的改进。
（4灰度拉伸Otsu法有一定的亮度差适用范围,可通过实
验进一步确定其具体数值,作为是否需要启动曝光时间调整程序的判断节点。
（5在灰度增强法基础上进行的二维位置检测实时性好,
频率为613Hz,检测精度高,至少可达011mm,稳定性好,能满
足液压机现场使用要求。
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作者简介:
彭玉凤（1984—,硕士研究生,主要研究机电液集成控制。
E-mail:
pengyufengz@
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