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

1、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I nstru ment Technique and Sens or 2010No 15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 :2009-12-18300M N 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 30

2、0MN 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 O tsu 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

3、类号 :TG315. 4 文献标识码 :A 文章编号 :1002-1841(2010 05-0080-03Research and Appli ca ti on of I mage Seg m en t a ti on M ethod for isi on I n specti onSystem of Acti v ity Heam s La tera l on c PressPE NG Yu 2feng, T AN J L yun(The College of M i l Changsha 410083, Ch i n aAbstract:the ogy of visi on ins pec

4、ti on . An i m p r oved ne w threshold adap tive method, grayscale p r oposed, which was based on grayscale stretching method, and direct t o the difficult p r oble m of unstable intensity of illu m inati on in the visi on detecti on syste m of activity bea m s lateral excursi on of 300MN hydraulic

5、p ress . B inding t o the features of its target, a seg mentati on evaluate criteria due t o the features of circular s pot was als o p resented . I ntr o 2duced its basic p rinci p les, and carried out the experi m ental tests . The result shows that using the threshold, which is obtained fr om thi

6、s method t o operate i m age binarizati on can adap t t o wider scope of intensity of illu m inati on, getting ideal i m ages seg menta 2ti on . And the t w o 2di m ensi on positi on detecti on which based on it has good real 2ti m e and stability, high ins pecti on accuracy, it can accommodate the

7、l ocality comp lex using conditi on of the hydraulic p ress, and achieve the detect functi on of the activity bea m s lat 2eral excursi on .Key words:hydraulic p ress; machine visi on; threshold adap tive; activity bea m 0 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 。

8、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 O

9、 tsu 法和模糊熵的图像分割方法 , 先采用二维O tsu 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 OTSG A, 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 7在传统 2维 O tsu 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

10、分割方法 。 在众多方法中 , 日本学者 O tsu 提出的最大类间方差 法 (简称 O tsu 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

11、 , 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 300MN 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 O tsu 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

12、方法 。 该方法先采 用灰度拉伸 O tsu 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 O tsu 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 O tsu 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 O tsu 法O tsu 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 1m 级 , 灰度

13、值 i 的像素数为 n, 则 总像素数 N 为 N = mi =i1 各像素值概率 i P i =(2然后用一整数 K 2C 0=1, 2, , K, C 1=K+1, K +2, , m , 则 C 0产生的概率 0为0= ki =1P i =(k (3 均值 0为 0= ki =1P i /0=(k /(k (4 C 1产生的概率 1为 1= m i =k +1P i =1-(k (5 均值 1为 1=-(k /1-(k (6其中 , = mi =1iP i 是整体图像灰度的统计均值 , 则=00+11(7 两组间方差 2为 2(k =01(1-02(8从 1, 2, , m 之间改变 k

14、, 求使方差最大值时的 k, 即 max2(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 X max , X m in 和 Y max , Y m in 。 期望变换前后的图像对比度保持线性关系 , 即满 足下式 :(Y -Y m in /(Y max -Y m in =(X -X m in /(X max -X m in (9 令 a =(Y max -Y m in /(X max -X m in (10 b =(X max Y m in -Y max X m in /(X max -X m in (

15、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

16、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=|l/(-2|/(2 =|l/(2-1|(14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, E t (俗称快门速度 的乘积 :H =Et(15而像面照度 E

17、 取决于物镜的光学特性和景物的亮度 ,E =B (d /f 2K /4(16式中 :d /f 为相对孔径 , 即 1/k; B 为景物的亮度 ; K 为物镜的透 过率 。将式 (16 代入式 (15 , 得H =B t/4k 2(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 , 对 曝光时间进行适度调整 。若 较大 , 且原图像的最大灰度值X max 偏小 , 说明光线过暗 , 则

18、在原来基础上增加曝光时间 T; 若较大 , 且 X max 偏大 , 说明光线过强 , 则减少曝光时间 T . 再重 新拍摄图像 , 计算对应的 和 X max , 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 (VCS BC4018 , 通讯模块 (S M42 , P LC 控制系统 , 计算机 , 螺旋测微仪等 。 2. 3 实

19、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 CC D 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 ; 82I nstru ment Technique and Sens orMay 12010 1 目标物 ; 2 摄像头 ; 3 图像检测模块 ; 4 螺旋微位移平台 ; 5 P LC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.

20、 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 X max , X m in , 则亮度差为 =X max -X m in(18在 为 214(光线好 、 12(光线较差 和 7(光线很差 时分 别对 O tsu 法 、 灰度拉伸 O tsu 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

21、指标值 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 60m s, 图像二值化时间为 23m s . =12时 , 曝光时间调整为 30m s, 阈值计算时间为 73m s; =6时 , 曝光时间调整为 75m s, 阈值计算时间为 89m s . 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 。 =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 15

22、8m s, 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 =6、 12、 2143种光强条件下基于 O tsu 法 、 灰 度拉伸 O tsu 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 。 O tsu 法都有一个限用 O tsu 法亦不能适用 , , 检测系统也可以考虑将原始图 , 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 O tsu 法程序实现阈值 的自适应计算 。 具体的 限用值还需要通过实验进一步确认。图 5 不同光强下检

23、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 011mm. 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

24、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 P I D 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 (018115kPa 。 图 3 模糊 P I D 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 P I D 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

25、应 能力和 稳 定 性 , 通 过 该 系 统 调 节 阀 门 使 压 力 波 动 稳 定 在0115M Pa 以内 ; 可在 512s 之内达到稳定 , 已经能够满足现场的需要 。 :1. . , 2003:53- 韩伟 , 赵存厚 . 小浪底灌浆工程中开发和应用的灌浆监控系统 . 水利水电技术 , 2001, 32(11 :33-34.3 邹振春 , 邓立新 . 参数自整定模糊 P I D 控制恒压供水系统 . 仪表技术与传感器 , 2005(8 :59-61.4 单冬 . 模糊控制原理与应用 . 北京 :中国铁道出版社 , 1995. 5 丁元杰 . 单片机原理及应用 . 上海 :机械工

26、业出版社 , 1999.6 周凤岐 . 现代控制理论及其应用 . 成都 :电子科技大学出版社 ,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 O tsu 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

27、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 O tsu 法有很大的改进 。(4 灰度拉伸 O tsu 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

28、满足液压机现场使用要求 。 参考文献 :1 佟庆彬 , 丁振良 , 袁峰 . 石英摆片视觉测量系统亚像素精度标定方法 . 仪表技术与传感器 , 2008(12 :93-95.2 P AL N R, P AL S K . A revie w on i m age seg mentati on techniques . Pat 2tern Recogniti on, 1993, 26(9 :1277-1294.3 吴成茂 . 基于万有信息定律的图像阈值分割方法 . 计算机工程 ,2008, 34(16 :218-220.4 赵凤 , 范九伦 . 一种结合二维 O tsu 法和模糊熵的图像分割方法

29、.计算机应用研究 , 2007, 24(6 :189-191.5 童小念 , 刘娜 . 一种基于遗传算法的最优阈值图像分割算法 . 武汉理工大学学报 (交通科学与工程版 , 2008, 32(2 :301-304.6 杨曦 , 任重 . 一种利用图像角点和边缘信息的阈值分割方法 . 红外技术 , 2008, 30(2 :95-98.7 王 , 王秋光 . 基于图像边缘信息的 2维阈值分割方法 . 中国图象图形学报 , 2007, 12(1 :78-81.8 范九伦 , 赵凤 , 张雪峰 . 三维 O tsu 阈值分割方法的递推算法 . 电子学报 , 2007, 7:1398-140.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