基於圖像處理與圖像識別的平整度檢測方法
2023-09-13 01:43:30
專利名稱：基於圖像處理與圖像識別的平整度檢測方法
技術領域：
本發明涉及測控技術領域，涉及一種平面的平整度檢測，特別涉及一種基於圖像處理與圖像識別的平整度檢測方法。
背景技術：
平整度是一個無量綱指標，它所表徵的是單位長度內最大凸起或凹陷的程度。平面的平整度檢測涉及到工件加工、產品質檢、路況檢測等領域，在幾乎所有涉及平面的場合，其平整度都是一個重要的參數，這不但影響到其美觀，也影響到應用。如平整度超標的地板磚鋪在地板上，不但影響美觀，而且容易絆腳；平整度較差的鋼板容易斷裂；路面的平整度將嚴重影響到該道路上車輛的允許行駛速度。因此，在涉及平面的場合，都需要儘可能地控制其平整度。在不同的應用場合，平整度的表示方法也不盡相同。例如，在道路平整度檢測中就存在國際平整度(IRI)和標準差平整度(σ)等不同表示方法；瓷磚也有絕對凸起/凹陷的平整度指標和相對百分比指標。但歸根結底，是要精確檢測出凸起/凹陷的確切值。
發明內容
本發明的目的在於，提供一種基於圖像處理與圖像識別的平整度檢測方法，該方法採用圖像處理與圖像識別來計算平面的平整度，可以給出平面不同方向上的平整度。
為了實現上述任務，本發明採用如下技術解決方案一種基於圖像處理與圖像識別的平整度檢測方法，其特徵在於，該方法將兩個一字形雷射器分別安裝在被測對象的南北方向和東西方向偏上方，使其按照一定的角度照射在被測平面上，形成一個十字；在平面的垂直方向安裝一個攝像頭，攝像頭正對檢測平面；攝像頭與雷射器相對位置保持恆定；被測對象以一定速度運行，使得光照十字從被測平面上滑過，獲得一系列十字圖像，通過對十字圖像的細化處理、光照點關聯，以及局部曲線擬合，獲得魯棒光照曲線；然後通過光路分析，得到平整度與圖像光照曲線的關係，由圖像光照曲線偏離基準直線的距離與方向來計算平面凸起/凹陷量，最後由多張十字圖像形成平整度檢測線陣，通過曲線擬合來計算不同方向上的平整度。
圖1平整度檢測系統示意圖；圖2(a)是一字形雷射以某一傾斜角照射到不平整的被測平面上，用攝像機拍攝的圖像，圖像上的曲線稱之為光照曲線。圖2(b)是一字形雷射橫截線上的灰度分布圖；圖3是圖1的剖面圖；圖4是一字形雷射照射在地板、路面等允許存在縫隙的被測平面上形成的像(a)及其示意圖(b)；圖5是多次拍攝後，形成的線陣示意圖，可用來計算不同方向的平整度。
以下結合附圖和本發明的機理作進一步的詳細說明。
具體實施例方式
本發明利用圖像中的某些象素位置偏移基準位置的程度與平面平整度之間的幾何關係來分析平面的平整度。
平面的不平整性會導致一字形雷射在被測對象上的投影發生形變，這種形變的程度決定於平面的不平整度，因此，平面的不平整性與一字形雷射發生的形變存在一個對應關係。通過幾何分析，得到這種對應關係，即可由圖像識別中得到的象素與相應直線距離來反推出平面直線方向上的平整度。
具體包括下列步驟
1)首先將一字形雷射器按照一定的傾角安裝在平面的東西方向和南北方向，使得兩束雷射斜照在平面上，並形成一個十字。在平面的垂直方向安裝一個攝像頭，攝像頭正對檢測平面。攝像頭與雷射器相對位置保持恆定。讓平面與攝像頭之間存在一個切向勻速相對運動，但攝像頭與平面距離保持恆定，同時用攝像機對平面進行拍攝，以獲得一系列的圖像，圖像上都有一個十字；2)首先對這一系列的圖像進行閾值化處理，然後再進行細化處理，使得十字形的兩筆畫是兩個垂直的象素向量；3)對兩個垂直的象素向量分別進行局部曲線擬合，以擬合值取代對應點的實測值；得到擬合直線點偏離該直線的距離與平面在該直線上的不平整度之間的函數關係，然後由圖像識別中得到的象素與相應直線距離來反推出平面直線方向上的平整度。
4)最後由兩個一字形形成的十字形針來推算平面各個方向上的平整度。
(1)圖像的細化處理平整度檢測系統的示意圖如附圖1所示，為簡單起見，在討論細化處理時候，只以一條一字形雷射照射在被測平面上形成的像為對象。這樣的像如附圖2(a)所示，它的光照曲線橫截方向的灰度分布如圖2(b)所示，其分布一般是次高斯分布。因此，可以對附圖2(a)的每一行進行灰度掃描，如果發現存在圖2(b)所示的灰度分布，那麼可以做如下處理1)記錄點位置確定記錄灰度值最大的點的位置(xi，yi，j)，以該點作為光照曲線在第xi行的第yi，j個光照曲線位置。理論上來說，每一行只有一個這樣的點，但為增強抗幹擾能力，可以假定存在雜波幹擾，在每一行可能存在多個這樣的光點；2)關聯運算從第xN/2(N表示圖像搜索範圍有N行，一般為偶數)行，yN/2，1個記錄點第開始，分別與上一行記錄點(xN/2-1，yN/2-1，j)，以及下一行(xN/2+1，yN/2+1，j)比對，如果記錄點(xN/2-1，yN/2-1，j)和(xN/2+1，yN/2+1，j)中各有一個是記錄點(xN/2，yN/2，1)的相鄰象素點，那麼(xN/2，yN/2，1)很可能是光照曲線上的點，繼續向上一行和下一行擴展，並進行相鄰比對。否則，(xN/2，yN/2，1)是雜波幹擾，應從記錄點集合中排除，從(xN/2，yN/2，2)開始分別與上一行記錄點(xN/2-1，yN/2-1，j)，以及下一行(xN/2+1，yN/2+1，j)進行相鄰性比對。這樣直到比對到第1行和第N行的記錄點，即可確定出一條光照曲線，該曲線在每一行只有一個象素。
(2)直線方向平整度的計算1)圖像的解析度平整度檢測系統示意圖如附圖1所示。包括兩個一字形雷射器和一臺攝像機，由於攝像機與被測平面距離h在安裝的時候已經確定，攝像機的視角α是已知的，攝像機的解析度r×c(r為橫向象素個數，c為縱向象素個數)也是已知的，因此，在所拍攝的圖像中每個象素對應的面積S為S＝(2htan(α)/r)2(1)式中，運算符號tan(·)表示正切運算。換句話說，橫跨一個象素，相當於移動距離2htan(α)/r，也就是說圖像的解析度為ρ＝2htan(α)/r。
2)凸起/凹陷量的計算計算平面邊直方向平整度實質上就是計算在邊直方向上平面的最大凸起量和最大凹陷量。如附圖1所示，平整度檢測系統中光線RA為雷射器發出的一字形光的中心光線，它與平面的夾角為θ。由於是雷射器、攝像機和被測平面的相對位置是固定的，因此存在一條基準直線MN，一字形雷射器發射的直線光照在該直線上。假定由於被測平面存在凸起，雷射沒有照射到平面基準點B，而是照射在B』處。那麼在拍攝到的圖像上得到的B』點與基準點存在一個距離l。作直線B』D，使得B』D平行於RA，那麼圖像中的l距離是由附圖2中B』D的像。作輔助線B』A』，那麼圖像中的l距離等同於A』A的像。於是，不妨沿ROA作切面，得到如附圖3所示的平面圖。由於A點在攝像機中成像與Q相同，因此，A』A的像又等同於A』Q的像。附圖3中，Δd的量級為毫米級，而h的數值往往在1米以上，因此Δd在成像中的影響可以忽略，於是有l＝ρn (2)Δd＝A』Qtan(θ)＝ltan(θ) (3)從附圖3中不難看出，如果是凸起，由於光線在到達基準線就被凸起擋住，因此，以基準線為界，攝像機拍攝到的線條偏向於雷射發射器所在的一方；如果是凹陷，則攝像機拍攝到的線條在基準線的另一方。凹陷度的確定方法同樣由(3)式確定。
3)毛刺的消除由於幹擾的存在，2)中求得的凸起/凹陷量不能完全表徵平面的平整度。例如，瀝青路的石子之間存在縫隙，石子本身也存在凸起，但在瀝青路上，這些是存在的，也是可以容忍的；各塊木地板之間也存在縫隙，在進行平整度測量時，這些縫隙會在圖像中形成「毛刺」，如附圖4(a)所示，因此需要消除這些因素對平整度的影響。消除的方法是進行局部曲線擬合，然後用擬合點的凸起/凹陷量取代該位置的實測值。再從整條曲線中找出最大的凸起值/凹陷值，該值即為所要求的用來計算其它形式平整度的量。曲線擬合方法可以是魯棒最小二乘法，也可以多次神經網絡法(魯棒最小二乘法和神經網絡法曲線擬合法詳見Matlab工具箱，或有關系統辨識教材)。例如，對於如附圖4(a)所示的木地板，圈內存在一個「毛刺」，可以在細化處理後的圖像中選定圖像範圍[(x0，y0)，(xm，ym)]，毛刺在該範圍內，該範圍內的細化曲線實際上是一個序列[(x0，d0)，(x1，d1)，…，(xm，dm)](dr表示該序列中第r+1個點對應的由(3)式求得的突起/凹陷值)，進行如下操作，即可實現消除毛刺的影響①用最小二乘法對其進行n次多項式逼近，d＝anxn+an-1xn-1+…+a1x+a0(4)②在獲得多項式(4)(也即使確定a0，a1，…，an)以後，令x從x0遞增到xm，並計算相應的d；③對給給定的xr，比較把它代入(4)式求得的d′r與相應的序列值dr(0＜r＜m)，若序列中所有的點與逼近值之間的偏差絕對值|d′r-dr|小於δ，進入④。否則，從序列中刪除|d′r-dr|＞δ對應的點，返回①。
④對於被刪除的點，把該點的xr坐標代入最後逼近的多項式中，將求得的d』r取代序列中的相應值dr。
4)直線方向平整度的確定在消除毛刺獲得新的序列[(x0，d0)，(x1，d1)，…，(xm，dm)]後，按照(5)式進行直線逼近d″＝a1x+a0(5)求得參數a1和a0，然後讓x從x0遞增到xm，求取相應的d″值，並用dr-d″r取代dr。dr-d″r即為原細化曲線序列(xr，dr)所在點的凹凸量，或者說如附圖4(a)中雷射照射的線所在的位置的平整度。
(3)其它方向的平整度在消除毛刺獲得[(x0，d0)，(x1，d1)，…，(xm，dm)]後，每一個序列的坐標就相當於附圖(5)中的豎直方向的曲線。把連續N條這樣曲線連接在儀器，那麼就得到了如附圖(5)所示的線陣。
1)位置的確定在該線陣中，線條的相對位置由各線條在圖像中的絕對位置與被測平面相對於攝像頭的平移速度，以及拍攝時間確定。如果以附圖(5)中左邊第一條曲線為參考曲線，也就是該條曲線的序號為0，假定被測平面相對於攝像頭的平移速度為v(t)(v(t)可以由速度傳感器獲得)，那麼序號為i的曲線相對於附圖(5)中左邊第一條曲線的列坐標為yij=t0tiv(t)dt+yij-y0j---(6)]]>式中，y′ij表示第i條曲線第j行的那個點相對於左邊第一條曲線的列坐標，yij表示第i條曲線第j行的那個點在圖像中的絕對列坐標，y0j表示附圖(5)中左邊第1條曲線第j行的那個點的設定坐標，它可以設定為它在圖像中的絕對列坐標。由於速度的測定往往具有一定的誤差，這種方法確定的坐標並不十分準確，為了提高位置的準確性，還需要利用一字形雷射器2來做如下修正①按照(2)中描述的方法計算每張照片中雷射器2發出的一字形雷射照射在被測平面上所形成的像在位置的不平整度，形成一個序列；②確定兩個一字形雷射的交匯點的位置，並將①中的序列以該交匯點為分割點將該序列分為兩部分，被測平面移動方向的反方向的序列稱為後向序列，被測平面移動方向的序列稱為前向序列。
③比較相鄰兩張圖像中前一張圖像的後向序列與後一張圖像中的前向序列，按照兩序列匹配偏差最小原則，將後一張圖像疊加在前一張圖像上。所形成的新的圖像中，以兩個一字形雷射交匯點連線的中分線為分割線，沿被測平面移動方向的部分取前一張圖像，反之，取後一張圖像的部分。
2)斜線與橫線方向的平整度按照1)的方法把連續拍攝到的一字形雷射照射圖像拼接成一張圖像，並確定了各拍攝到的曲線的相對位置後，即可求得其它方向的平整度。例如附圖5中的斜線方向，也就是CD方向，它本身在圖像中的方程是給定的，那麼在找到圖中所示的空心圓圈表示的點以後，即可把這些點組合成一個序列，於是可以採用直線方向的平整度計算方法來確定該方向的平整度。空心圓圈的位置可以採用如下方法查找
①從最左端開始，增大y的值，並求取其對應的x的值；②判斷點(x，y)是否為雷射照射點，判斷根據就是該坐標點的灰度值是否達到雷射映象的灰度值。如果是，將其加入坐標序列，否則增大y的值，並求取其對應的x的值；③判斷是否已經到了所拼接的圖像的最右端，如果是，結束搜尋，否則，返回②。
權利要求
1.一種基於圖像處理與圖像識別的平整度檢測方法，其特徵在於，該方法將兩個一字形雷射器分別安裝在被測對象的南北方向和東西方向偏上方，使其按照一定的角度照射在被測平面上，形成一個十字；在平面的垂直方向安裝一個攝像頭，攝像頭正對檢測平面；攝像頭與雷射器相對位置保持恆定；被測對象以一定速度運行，使得光照十字從被測平面上滑過，獲得一系列十字圖像，通過對十字圖像的細化處理、光照點關聯，以及局部曲線擬合，獲得魯棒光照曲線；然後通過光路分析，得到平整度與圖像光照曲線的關係，由圖像光照曲線偏離基準直線的距離與方向來計算平面凸起/凹陷量，最後由多張十字圖像形成平整度檢測線陣，通過曲線擬合來計算不同方向上的平整度。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，具體包括下列步驟將兩個一字形雷射器按照一定的傾角分別安裝在被檢測平面的東西方向和南北方向，使得兩束雷射斜照在平面上，並形成一個十字；在被檢測平面的垂直方向安裝一個攝像頭，使攝像頭正對著被檢測平面；攝像頭與雷射器相對位置保持恆定；讓被檢測平面與攝像頭之間存在一個切向勻速相對運動，但攝像頭與被檢測平面距離保持恆定，同時用攝像機對被檢測平面進行拍攝，以獲得一系列的圖像，圖像上都有一個十字；通過對上述系列十字圖像進行閾值化處理和細化處理，使得十字形圖像的兩筆畫是兩個垂直的象素向量；對兩個垂直的象素向量分別進行局部曲線擬合，以擬合值取代對應點的實測值；得到擬合直線點偏離該直線的距離與被檢測平面在該直線上的不平整度之間的函數關係，然後由圖像識別中得到的象素與相應直線距離來反推出平面直線方向上的平整度；最後由兩個一字形形成的十字形，把連續拍攝到的圖像拼接成一張圖像，並在該圖像中推算平面各個方向上的平整度。
全文摘要
本發明公開了一種基於圖像處理與圖像識別的平整度檢測方法，將兩個一字形雷射器分別安裝在被測對象的南北方向和東西方向偏上方，使其按照一定的角度照射在被測平面上，形成一個十字。在平面的垂直方向安裝一個攝像頭，攝像頭正對檢測平面。攝像頭與雷射器相對位置保持恆定。被測對象以某速度運行，使得光照十字從被測平面上滑過。通過圖像的細化處理、光照點關聯，以及局部曲線擬合，獲得魯棒光照曲線。然後通過光路分析，得到平整度與圖像光照曲線的關係，由圖像光照曲線偏離基準直線的距離與方向來計算平面凸起/凹陷量。最後由多張圖像形成平整度檢測線陣，通過曲線擬合來計算不同方向上的平整度。
文檔編號G01B11/30GK101033953SQ20071001734
公開日2007年9月12日 申請日期2007年2月2日 優先權日2007年2月2日
發明者湯曉君 申請人:西安交通大學