CN104992222A - 一种基于图像的宝石快速自动计数方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像的宝石快速自动计数方法，包括步骤：将待计数的宝石分散并传送至预定位置，对宝石进行图像采集；对采集的宝石图像进行预处理；对预处理后的图像计算出单粒宝石标准面积；将每一个连通区域的面积与单粒宝石面积的范围值进行比较，判断该连通区域是噪点、单粒宝石或者是粘连的宝石，并进行相应处理；最后将连通区域的数量减去噪声数再加上增加的宝石数目得到宝石总数。本发明利用图像采集系统对分散的宝石进行图像采集，使整个系统可以快速的对宝石进行自动计数，具有检测精度高、效率高以及实用性强的优点。

Description

一种基于图像的宝石快速自动计数方法

技术领域

本发明涉及一种宝石的数量统计方法，尤其涉及一种基于图像的宝石快速自动计数方法。

背景技术

宝石计数在宝石批量交易中是不可或缺的一个重要环节。专利号CN200910258273.5(公布号CN101739599A)公开了一种宝石轴承点数器，包括平板的计数容具和工作面为平面的容具底板，容具底板的工作面与计数容具构成三角形的敞口容腔，容腔的高度大于宝石轴承的厚度但小于宝石轴承的直径。这种点数器计数效率较高，差错率低，但是主要适用于宝石轴承厚度远小于宝石轴承高度，而且所得宝石数量必须与容量板对应刻度成倍数关系，否则仍需人工进行加减才能得到确定的数量。目前市面上的宝石计数主要是通过人工在刺眼的灯光下、借用一块小型的计数板来计数宝石的颗粒。此类计数板只能计数整千或者整百宝石，而且需要由熟练的工人操作及检查计数孔的填入状况，对工人的技术要求较高、而且容易造成人的视觉疲劳，计数效率和准确率不高等。因此，如何发明一种快速简单的宝石计数方法来实现自动化计数成为了亟待解决的问题。

发明内容

针对以上的不足，本发明提供了一种基于图像的宝石快速自动计数方法，利用该计数方法可以快速的对宝石进行自动计数，具有检测精度高、效率高以及实用性强的优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于图像的宝石快速自动计数方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、将待计数的宝石分散并传送至预定位置，对宝石进行图像采集；

b、对采集的宝石图像进行预处理，所述的预处理包括将宝石图像转化为灰度图像，根据灰度进行二值化，再将二值化图像进行形态学处理；

c、对预处理后的图像计算出连通区域的数量，以及标记每一个连通区域的面积、中心坐标和边界坐标，再分别计算出每一个连通区域的圆形度，选出具有典型宝石特征的典型区域作为单粒宝石区域，将选出的单粒宝石区域求平均值，得到单粒宝石标准面积；

d、将每一个连通区域的面积与单粒宝石面积的范围值进行比较，当该连通区域面积小于单粒宝石面积的下限值时，判断该连通区域为噪声，同时将噪声数增加1；当该连通区域面积在单粒宝石面积的范围值内时，判断该连通区域为单粒宝石；当该连通区域面积大于单粒宝石面积的上限值时，判断该连通区域为粘连区域，计算出该连通区域面积中多包含的宝石数，并将该宝石数累计至增加的宝石总数；

e、完成了所有连通区域的面积与单粒宝石面积的范围值比较后，将步骤c中的连通区域的数量减去步骤d中的噪声数再加上增加的宝石数目得到宝石总数。

优选的，在步骤c中，所述典型区域的数量统计为，通过对所述典型区域的圆形度的计算，所述圆形度取值范围为0-1，越接近于1则圆形度越高，能更准确的确定单粒宝石标准面积S_sd，通过单粒宝石标准面积S_sd可获得典型区域的数量，所述圆形度的计算步骤为：

(1)从步骤c中获得各连通区域的面积；

(2)从步骤c中获得连通区域的边界坐标，通过对边界坐标求微分再平方求和得到连通区域的周长L；

(3)计算连通区域中以L为周长的圆的面积：其中，S_C为以L为周长的圆的面积，π为圆周率，L为连通区域的周长；

(4)得到圆形度：其中，S为连通区域的面积。

优选的，在步骤c中，所述单粒宝石的面积范围值为0.5-1.5倍单粒宝石标准面积。

优选的，步骤d中实际宝石的数量的计算步骤为：

(1)当连通区域的面积小于单粒宝石的面积下限值时，判断该连通区域为噪声；

(2)若不考虑宝石的粘连，此时实际宝石的数量为N＝N_c-n，其中N为实际宝石的数量，N_c为连通区域的数量，n为噪声的数量。

优选的，步骤d中实际宝石的数量的计算步骤为：

(1)当连通区域的面积大于单粒宝石的面积上限值时，判断宝石是否存在粘连及粘连宝石的数量；

(2)若不考虑噪声，此时实际宝石的数量为其中N为实际宝石的数量，N_c为连通区域的数量，m为粘连区域的数量。

优选的，所述步骤e的宝石总数的计算公式为：

其中，Z为宝石总数，N_c为连通区域的数量，n为噪声的数量，S为连通区域的面积，S_sd为单个宝石标准面积，m为粘连的区域数量，round()为四舍五入取整函数，对()内的数值取整。

优选的，所述图像采集系统包括相配合工作的可调节亮度的光源和摄像头，以及和控制光源、摄像头分别连接的图像采集系统。

本发明的有益效果：

本发明使用过程中用户只需将宝石放入自动宝石计数装置中使自动宝石计数装置对宝石进行分散，并点击图像采集系统的“开始”按钮，通过图像采集系统对分散的宝石进行图像采集，系统即可自动完成对宝石的采集、图像处理、计数并显示，使用简单方便，在自动处理过程中只需对少量的数字图像信息进行处理和计算即可，使整个系统可以快速的对宝石进行自动计数，具有检测精度高、效率高以及实用性强的优点。

本发明可根据所采集的图像得出的数据结果设计滤波器，通过图像采集系统调整光照参数，使得光照进一步均匀化，提高图像采集系统的识别准确率。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为工作前的图像采集系统界面；

图3是工作中的图像采集系统界面；

图4是图像采集系统采集的宝石图像；

图5是二值化和形态学处理后的宝石图像；

图6是各连通区域的圆形度标记图；

图7是典型区域单粒宝石图像；

图8是宝石的计数图像。

具体实施方式

其中：S、连通区域的面积；L、连通区域的周长；S_C、以L为周长的圆的面积；π、圆周率；deg、圆形度；S_sd、单粒宝石标准面积；N_c、连通区域的数量；N、实际宝石的数量；n、噪声的数量；m、粘连区域的数量；round()、四舍五入取整函数，对()内的数值取整；Z、宝石总数。

参照图1至图8，下面结合具体实施例及附图来详细说明本发明的目的及功效。

本发明的一种基于图像的宝石快速自动计数方法，包括以下步骤：

a.将待计数的宝石分散，此过程可以使用手工或者自动宝石计数装置实现。在使用自动宝石计数装置时，将待计数的宝石投放入自动宝石计数装置中，通过自动宝石计数装置对宝石进行分散，分散后的宝石呈近似“一”字型排开。

分散后的宝石由图像采集系统对宝石进行图像采集，其中，图像采集系统包括可调节亮度的光源和摄像头，以及控制光源和摄像头运行的图像采集系统，当摄像头采集宝石图像时，传送机构将暂停传送宝石，以便于图像采集系统拍照。

b.对采集的宝石图像被传送至图像采集系统进行图像预处理。预处理过程为：首先，系统将所获取的图像转化为灰度图像，以提高系统后续数据处理速度；然后，根据数据结果设计滤波器，通过图像采集系统调整光照参数，使得光照进一步均匀化，提高图像采集系统的识别准确率；再之，采用自动获取全局阈值分割，图像采集系统将灰度图像二值化并去除背景；最后，对二值化图像进行形态学处理，采用圆形结构元素进行开启和闭合组合运算，封闭连通区域内部因亮度低而造成的小孔洞同时平滑边界，去除噪声和杂质影响。

c.根据预处理后的图像中的边界信息，采用八邻域连通区域法，对预处理后的图像计算出连通区域的数量N_C，以及标记每一个连通区域的面积S、中心坐标和边界坐标等，再分别计算出每一个连通区域的圆形度，根据典型宝石的高圆形度(即圆形度接近于1)特征选出典型区域作为单粒宝石区域，并统计出所有具备该典型区域的数量和面积总和，再将具备该典型区域的面积总和除以具备该典型区域的数量，即得到单粒宝石标准面积，记为S_sd。通常情况下，一般选择圆形度为0.9-1的单粒宝石区域来计算单粒宝石标准面积，不同的宝石形状会根据实际宝石的特点对选择圆形度范围做进一步的范围设定。

其中，计算圆形度的具体方法为：(1)从步骤c中获得各连通区域的面积S；(2)在步骤d中获得连通区域的边界坐标，通过对边界坐标求微分再平方求和得到连通区域的周长L；(3)计算连通区域中以L为周长的圆的面积S_C：得到圆形度：获得的圆形度范围为0-1之间，越接近于1则圆形度越高，能更准确的确定典型区域的面积，即单粒宝石标准面积S_sd，通过单粒宝石标准面积S_sd即可获得典型区域的数量，从而能准确的得到宝石的数量。

d、将每一个连通区域的面积与单粒宝石面积的范围值进行比较，当该连通区域面积小于单粒宝石面积的下限值时，判断该连通区域为噪声，同时将噪声数增加1；当该连通区域面积在单粒宝石面积的范围值内时，判断该连通区域为单粒宝石；当该连通区域面积大于单粒宝石面积的上限值时，判断该连通区域为粘连区域，计算出该连通区域面积中多包含的宝石数，并将该宝石数累计至增加的宝石总数。

机械传送机构对宝石进行基本的分散，但是仍然存在极个别可能发生粘连或者由于宝石反射折射强、色散度高，在光照下采集的宝石图像出现边缘模糊、误粘连等现象。因此，为了解决这个问题，对预处理后的灰度图像标记连通区域的数量N_C及连通区域的面积S，根据连通区域的面积S的特征进行判断和计数。

因宝石的高反射率可能导致少数宝石某个方向出射的光线较少，亮度较低而导致面积小于标准面积，而少数宝石因反射光线多强度大，导致面积较大；或者机械处理后仍有少数粘连甚至是反射光线导致相近的宝石相连。根据宝石反射特性经过大样本采样测试后发现，单粒宝石的面积一般介于0.6-1.3倍单粒宝石标准面积S_sd，为了更具有普适性，将单粒宝石的面积适当放宽至0.5—1.5倍单粒宝石标准面积S_sd，因此不在此范围内的连通区域的面积S可以认为是噪声或者是发生了粘连。

根据典型区域的面积及典型宝石的特征判断连通区域是宝石还是噪声或者粘连宝石。如果为宝石则进行计数，如果连通区域的面积S小于单粒宝石标准面积S_sd下界时，为噪声则不计数，即小于0.5倍单粒宝石标准面积S_sd时，可以判断该连通区域为噪声，则对该区域不计数。因此若不考虑宝石的粘连，此时实际宝石的数量N为原来已标记的连通区域的数量N_c减去噪声的数量n，即：当S＜0.5×S_sd时，则N＝N_c-n。

当连通区域的面积S大于上界时可以判断宝石发生了粘连。为了获得普适的公式快速自动完成计数，根据先验知识可知宝石面积大小与宝石个数近似呈线性关系，因此以半整数为分界，以连通区域的面积S除以单粒宝石标准面积S_sd作为粘连宝石的数目。若不考虑噪声，此时设粘连区域的数量为m，当S≥1.5×S_sd时，

因此，可以将已标记的连通区域的面积逐个与单粒宝石面积的范围值进行比较，当该连通区域面积小于单粒宝石面积的下限值时，判断该连通区域为噪声，同时将噪声数增加1；当该连通区域面积在单粒宝石面积的范围值内时，判断该连通区域为宝石；当该连通区域面积大于单粒宝石面积的上限值时，判断该连通区域为粘连区域，计算出该连通区域面积中多包含的宝石数，并将该宝石数累计至增加的宝石总数。完成一个已标记的连通区域的面积比较后，再进行下一个已标记的连通区域的面积的比较，直至完所有已标记的连通区域的面积与单粒宝石面积的范围值的比较。

e、完成了所有连通区域的面积与单粒宝石面积的范围值比较后，将步骤c中的连通区域的数量减去步骤d中的噪声数再加上增加的宝石数目得到宝石总数。

根据上述的不考虑宝石粘连和不考虑噪声情况的公式统计宝石实际数量的公式合并后，得到如下宝石计数公式为：

即将宝石非粘连情况下所得出的宝石数量与宝石粘连情况下得出的宝石数量相加完成宝石数量的计算，将结果通过图像采集系统显示出来。

本发明的一种基于图像的宝石快速自动计数方法利用宝石在平面投影的几何形状特点，对连通区域进行特征比较，从而对宝石数量自动计数，具有检测精度高、效率高以及实用性强的优点。本发明的计数方法与自动宝石计数装置配合使用时，除了能够实现对宝石的自动计数，还可以根据客户给定的数量对宝石按数量分批出料，使用更方便。

本方案中为基于目前市面上最广泛的圆明亮琢型宝石的在平面投影的几何形状近似为圆形的特征，以圆形度为特征，因而具有较高圆形度的宝石可以作为典型宝石。因此，以圆形度deg大于既定阈值的典型区域作为单粒宝石区域。特别的，本方法对于平面投影非圆形的具有典型特征的其它类型的宝石或者珠宝之类的颗粒物也是适用的，只需要将圆形度这个特征改变为描述该类型的宝石或珠宝等颗粒物对应形状特征参数即可。

为了方便用户动态查看，创建图形界面如图2所示，该系统界面正上方为系统名称“宝石自动计数系统”；中间偏左区域为实时处理的视频流、采集到的图像和处理后的图片及计数后的图片；在右方为宝石计数模式选项、宝石尺寸(可省)，所需宝石数量和动态显示当前宝石数量及常用的按键。开始前用户只需输入宝石数量(该步骤可省略，当无输入时表示对放入的宝石全部计数)，然后点击“开始”按钮即可，系统将自动完成图像采集、处理和计数，并将结果在图形界面右下方显示。为了方便用户还提供了“暂停”、“继续”、“复位”功能键。左上方的“帮助”在用户点击即显示，提供本系统的使用说明和相关帮助信息。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明并不局限于上述实施方式，在实施过程中可能存在局部微小的结构改动，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，且属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (7)

1.一种基于图像的宝石快速自动计数方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、将待计数的宝石分散并传送至预定位置，对宝石进行图像采集；

b、对采集的宝石图像进行预处理，所述的预处理包括将宝石图像转化为灰度图像，根据灰度进行二值化，再将二值化图像进行形态学处理；

c、对预处理后的图像计算出连通区域的数量，以及标记每一个连通区域的面积、中心坐标和边界坐标，再分别计算出每一个连通区域的圆形度，选出具有典型宝石特征的典型区域作为单粒宝石区域，将选出的单粒宝石区域求平均值，得到单粒宝石标准面积；

d、将每一个连通区域的面积与单粒宝石面积的范围值进行比较，当该连通区域面积小于单粒宝石面积的下限值时，判断该连通区域为噪声，同时将噪声数增加1；当该连通区域面积在单粒宝石面积的范围值内时，判断该连通区域为单粒宝石；当该连通区域面积大于单粒宝石面积的上限值时，判断该连通区域为粘连区域，计算出该连通区域面积中多包含的宝石数，并将该宝石数累计至增加的宝石总数；

e、完成了所有连通区域的面积与单粒宝石面积的范围值比较后，将步骤c中的连通区域的数量减去步骤d中的噪声数再加上增加的宝石数目得到宝石总数。

2.根据权利要求1所述的一种基于图像的宝石快速自动计数方法，其特征在于，在步骤c中，所述典型区域的数量统计为，通过对所述典型区域的圆形度的计算，所述圆形度取值范围为0-1，越接近于1则圆形度越高，能更准确的确定单粒宝石标准面积S_sd，通过单粒宝石标准面积S_sd可获得典型区域的数量，所述圆形度的计算步骤为：

(1)从步骤c中获得各连通区域的面积；

(2)从步骤c中获得连通区域的边界坐标，通过对边界坐标求微分再平方求和得到连通区域的周长L；

(3)计算连通区域中以L为周长的圆的面积：其中，S_C为以L为周长的圆的面积，π为圆周率，L为连通区域的周长；

(4)得到圆形度：其中，S为连通区域的面积。

3.根据权利要求1所述的一种基于图像的宝石快速自动计数方法，其特征在于，在步骤c中，所述单粒宝石的面积范围值为0.5-1.5倍单粒宝石标准面积。

4.根据权利要求3所述的一种基于图像的宝石快速自动计数方法，其特征在于，步骤d中实际宝石的数量的计算步骤为：

(1)当连通区域的面积小于单粒宝石的面积下限值时，判断该连通区域为噪声；

(2)若不考虑宝石的粘连，此时实际宝石的数量为N＝N_c-n，其中N为实际宝石的数量，N_c为连通区域的数量，n为噪声的数量。

5.根据权利要求3所述的一种基于图像的宝石快速自动计数方法，其特征在于，步骤d中实际宝石的数量的计算步骤为：

(1)当连通区域的面积大于单粒宝石的面积上限值时，判断宝石是否存在粘连及粘连宝石的数量；

(2)若不考虑噪声，此时实际宝石的数量为其中N为实际宝石的数量，N_c为连通区域的数量，m为粘连区域的数量。

6.根据权利要求1所述的一种基于图像的宝石快速自动计数方法，其特征在于，所述步骤e的宝石总数的计算公式为：

$N=N_c-n+{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^m[\mathrm{round}\left(\frac{s_i}{s_{\mathrm{sd}}}\right)-1],$

其中，Z为宝石总数，N_c为连通区域的数量，n为噪声的数量，S为连通区域的面积，S_sd为单个宝石标准面积，m为粘连的区域数量，round()为四舍五入取整函数，对()内的数值取整。

7.根据权利要求1所述的一种基于图像的宝石快速自动计数方法，其特征在于，所述图像采集系统包括相配合工作的可调节亮度的光源和摄像头，以及和控制光源、摄像头分别连接的图像采集系统。