CN108509673B - 一种基于图像处理技术的胎面花纹分块海陆比计算的方法 - Google Patents

一种基于图像处理技术的胎面花纹分块海陆比计算的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于图像处理技术的轮胎胎面海陆比计算的方法，利用该方法进行轮胎胎面设计的方法，以及设计得到的轮胎。该方法是基于图像处理技术的海陆比计算方法，本技术的输入数据为胎面花纹DXF文件，输出数据为胎面花纹分块海陆比计算结果，适合采用计算机编程的方式实现对轮胎接分块海陆比参数的快速计算，成倍提高工作效率并使分析结果满足用户的需要，缩短设计周期。

Description

一种基于图像处理技术的胎面花纹分块海陆比计算的方法
技术领域
本发明涉及一种轮胎胎面花纹分块海陆比的计算方法，可用于快速计算轮胎胎面花纹海陆比参数，满足轮胎花纹设计人员的需要。
背景技术
轮胎胎面花纹作为车辆等交通工具与路面的直接接触部件，其性能的好坏直接影响车辆的安全性和舒适性。在轮胎胎面花纹的形状和沟槽对车辆的力学性能带来很大的影响，在胎面花纹的关键参数中一个很重要的参数是海陆比，其定义为轮胎胎面花纹块的面积与胎面总面积的比值，海陆比越大轮胎的抓地力越强，海陆比越小轮胎的排水性能越好。因此，在轮胎胎面花纹的设计之初，胎面花纹的海陆比是一个很重要的因素。
传统上对轮胎胎面花纹进行海陆比分析，通常的方法都是直接考虑胎面花纹的几何形状，利用计算机CAD软件中的功能，针对胎面花纹中的所有花纹块，依次计算其面积，最终统计出花纹块总面积和节距面积。随着花纹块数量的增多，计算量不断增大；每一次改变分块数目，都必须重新计算，计算量也不断增大。这无疑会耗费大量的时间和精力，且计算过程繁琐，极易使人产生厌烦情绪。随着轮胎花纹几何形状愈复杂，其给计算带来的误差也越大。
由于胎面花纹的海陆比分布对轮胎的排水性能和抓地力具有极为重要的影响，因此有必要发明一种新的计算方法实现胎面花纹海陆比的快速计算，自动完成轮胎胎面花纹海陆比的计算，在达到有效分析的目的的前提下，成倍提高工作效率并使分析结果满足用户的需要，指导轮胎花纹设计工作者改进设计方案，缩短设计周期。
发明内容
本发明提供了一种基于图像处理技术的轮胎胎面海陆比计算的方法，利用该方法进行轮胎胎面设计的方法，以及设计得到的轮胎，适合采用计算机编程的方式实现对轮胎接分块海陆比参数的快速计算。
本发明的前提条件：本发明是基于图像处理技术的海陆比计算方法，本技术的输入数据为胎面花纹DXF文件，输出数据为胎面花纹分块海陆比计算结果。
本发明采用计算机编程语言C++实现对数据的提取和结果的绘制，采用C++标准模板库STL中的map和vector存储数据信息。
本发明提供一种胎面花纹海陆比计算方法，包括以下步骤：
(1)清理胎面花纹数据：在AutoCAD软件中，去除非花纹块元素，仅保留花纹块的数据文件，最终导出DXF数据文件；
(2)获取胎面花纹块元素的坐信息：读取上一步导出的DXF数据文件，获取到胎面花纹所有的直线段和圆弧信息，将所有的数据信息存储到map中；
(3)提取花纹图中构成花纹块的边界元素：定义一个vector<Element>向量容器用来存储花纹块的边界信息，选取map中的任意一个元素，将该元素压入vector<Element>中，同时获取到flag标志，最终找出所有的花纹块边界元素信息；定义一个容器map<int num:vector<Element>>，其中的num是一个整数，用来记录花纹块个数，vector<Element>是一个向量容器，存储单个花纹块中的组成元素；
(4)生成分析用图像：在上一步的map<int num:vector<Element>>中，已经获取到了所有的花纹块的边界信息，循环绘制出花纹块，并将花纹块填充为黑色，其RGB值为(0，0，0)，绘制完成之后，以图像的格式保存到文件，生成分析用图；
(5)获取花纹海陆比信息：读取上一步保存的图像，获取图像的长度和宽度方向的像素大小，遍历图像上每一个像素点的颜色值，即可获取到花纹块的像素个数，胎面花纹海陆比参数可以表示为花纹块像素个数与花纹总像素个数的比值。
上述方法还包括分块海陆比计算步骤：在图像长度或则宽度方向，按照预先设置好的分块数目，在不同的长度方向上分别读取即可得到，方法与整体海陆比计算相同。
进一步的，上述步骤(1)中使花纹图仅包含有直线段和圆弧这两种简单的二维几何元素。
进一步的，上述方法还包括按照计算的海陆比结果，绘制出分块海陆比的条形统计图的步骤。
本发明提供一种胎面花纹海陆比计算方法，主要包括以下步骤：
清理胎面花纹数据：在AutoCAD软件中，去除非花纹块元素，仅保留花纹块的数据文件，由于花纹块是一个一个封闭的二维几何图形，为了方便后面的处理，应尽可能使各个花纹块首尾连接在一起，形成封闭；为了数据读取方便，使花纹图仅包含有直线段和圆弧这两种简单的二维几何元素。最终导出DXF数据文件。
获取胎面花纹块元素的坐信息：读取上一步导出的DXF数据文件，采用关键字查找的方式，在DXF文件中，直线段和圆弧对应的关键字分别为“AcDbLine”和“AcDbArc”；通过对比，获取到胎面花纹所有的直线段和圆弧信息，将所有的数据信息存储到map中，为此自定义两个结构体Point和Element，结构体Point表示二维平面中的一个点，其中包括两个浮点型变量x，y；结构体Element表示构成花纹的二维几何元素，即直线段和圆弧，其包含两个结构体变量p1，p2，三个浮点型变量r，angle1，angle2，一个整型变量flag，其中的flag主要是用来标记该元素是直线段还是圆弧，r，angle1，angle2表示圆弧的半径和起始角度，同时赋初值0。最终的数据存储格式为map<int num:Element>，其中的num代表一个整型变量，用来记录元素数量，Element是自定义的一个结构体类型。
提取花纹图中构成花纹块的边界元素：上一步中已经提取出了构成胎面花纹的所有元素信息，但是并不知道花纹块的组成信息。为此，定义一个vector<Element>向量容器用来存储花纹块的边界信息，选取map中的任意一个元素，将该元素压入vector<Element>中，同时获取到flag标志。flag为0值，获取该元素的两个端点p1，p2，遍历map中的其余所有元素，判断p1，p2与当前元素起始端点的距离关系，距离无穷小时，说明当前元素与首元素相连，首先将首元素置为当前元素，然后将当前元素压入vector<Element>中，最后在map中删除当前元素，继续下一次循环。通过此方式，最终找出所有的花纹块边界元素信息。定义一个容器map<int num:vector<Element>>，其中的num是一个整数，用来记录花纹块个数，vector<Element>是一个向量容器，存储单个花纹块中的组成元素。
生成分析用图像：本方法主要是基于图像处理技术的海陆比计算方法，因此需要生成分析用图。在上一步的map<int num:vector<Element>>中，已经获取到了所有的花纹块的边界信息，循环绘制出花纹块，并将花纹块填充为黑色，其RGB值为(0，0，0)。绘制完成之后，以图像的格式保存到文件，生成分析用图。
获取花纹海陆比信息：海陆比定义为花纹块面积与花纹总面积比值，本方法中只需要获取到花纹块的像素个数与花纹总像素个数。为此读取上一步保存的图像，获取图像的长度和宽度方向的像素大小，该图像的所有像素点数量可以表示为长度与宽度的乘积。接下来只需要遍历图像上每一个像素点的颜色值，即可获取到花纹块的像素个数。这样，胎面花纹海陆比参数可以表示为花纹块像素个数与花纹总像素个数的比值；
分块海陆比计算：只需要在图像长度或则宽度方向，按照预先设置好的分块数目，在不同的长度方向上分别读取即可得到，方法与整体海陆比计算相同。
本发明还提供一种利用上述基于图像处理技术的轮胎胎面海陆比计算的方法进行轮胎胎面设计的方法。
进一步，本发明还提供一种利用上述轮胎胎面设计的方法设计得到的轮胎。
附图说明
图1是胎面花纹原始图；
图2是清除多余元素的花纹图；
图3是填充花纹块之后的花纹图；
图4是分块海陆比计算结果图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
本实施例以轮胎胎面花纹二维DXF数据作为初始输入数据，最终输出分块海陆比计算结果，并绘制出结果条形图。
首先清理胎面花纹数据。这一步主要在AutoCAD软件中进行，在原始花纹图的基础上去除非花纹块元素，仅保留构成花纹块的数据文件，由于花纹块是一个一个封闭的二维几何图形，为了方便后面的处理，应尽可能使各个花纹外边界首尾连接在一起，形成封闭。为了数据读取方便，使花纹图仅包含有直线段和圆弧这两种简单的二维几何元素。最终导出DXF数据文件。
其次获取胎面花纹的组成几何元素，包括元素的编号以及相应的数据坐标信息。读取DXF文件，采用关键字查找的方式，主要在DXF文件中查找关键字“AcDbLine”和“AcDbArc”，对于“AcDbLine”，进一步在DXF文件中获取到相应的起始点和终止点的x、y坐标值，并将其存储于结构体变量Element中，flag赋值为0；对应于关键字“AcDbArc”，在DXF文件中获取到相应的圆心，半径，起始角度，存储于结构体变量Element中，此时flag赋值为1。本例中第一个找到的关键字是“AcDbLine”，读取到的坐标信息是3209.03049，1867.02074，3253.11678，1867.02074，这四个数分别对应直线段的两个端点的横纵坐标。为此，初始化两个结构体变量Point point1(3209.03049，1867.02074)，Point point2(3253.11678，1867.02074)，并将其存储到结构体变量Element element_1＝{point1,point2,0,0,0,0}中，记为：map[1]＝element_1。重复这个步骤，直到找到所有的直线段和圆弧信息，此时map[n]＝element_n。
提取构成花纹块的边界元素信息。由于花纹块是由一系列二维的几何元素直线段和圆弧构成，在分析之前需要确定花纹块的组成信息，为此，定义一个vector<Element>向量用来存储花纹块的边界信息，选取map中的任意一个元素element_1，将该元素压入vecregion_1中，同时获取到flag标志。flag为0值，获取该元素的两个端点p1，p2，遍历map中的其余所有元素，判断p1，p2与当前元素起始端点的距离关系，距离无穷小时，说明当前元素与首元素相连，首先将首元素置为当前元素，然后将当前元素压入vector<Element>中，最后在map中删除当前元素，继续下一次循环。通过此方式，最终找出所有的花纹块边界元素信息。定义一个容器map<int num:vector<Element>>，其中的num是一个整数，用来记录花纹块个数，向量vector是C++中的标准STL容器，用来记录单个花纹块中的组成元素。
重绘花纹块数据，生成用于分析的图像。在本例中，以第一个花纹块为例，绘制出花纹块的边界，同时填充颜色为黑色，此处采用灰度GRAY颜色模式，在本例中，得到的第一个花纹块即map[1]的边界信息，得到的是一个包含边界元素的向量容器vector，循环这个向量容器中的所有元素，绘制出第一个花纹块，并将这个花纹块填充为黑色。依次循环上一步map中得到所有封闭花纹块，即可重新绘制出花纹块的信息，将绘制好的花纹信息以图片的形式保存下来。
整体海陆比计算。胎面花纹的海陆比定义为胎面花纹块的总面积与花纹的总面积的比值，在本计算方法中也就是花纹块所占像素的总数量与花纹总像素数量的比值，因而，只需要获得花纹块的像素个数与花纹总像素个数，通过读取图像，将花纹块的像素个数记录在blockNum中，将花纹总像素个数记录在totalNum中，首先读取图像文件，获取图像的宽高信息，分别以宽高为循环变量，循环搜索图像中每一个像素点，将该点的像素除以255，这样像素点就能够被归一化到0-1之间。每循环一次，totalNum值增加1。通过对比该点的像素值，已知在重绘花纹块数据，生成用于分析的图像步骤中，花纹块的GRAY色彩模式下的值是0，搜索到其中一点的像素为0时，blockNum值增加1。由于在花纹块与图像背景接触部分色彩存在过度，也就是说在该边界附近的像素并不是0或则1，对于这种情况我们以0.5为界限，为此只需要考虑像素小于等于0.5的像素的个数。最终得到blockNum＝38465,totalNum＝58968，进而计算得到该花纹整体的海陆比参数为65.23％。
分块海陆比计算。对于分块海陆比的计算，计算方式和上面类似，不同之处主要在于，在循环搜索花纹块像素个数的时候，不再是搜索整张图像，而是按照预先设置好的分块区域，按照区域进行搜索。本例中，将胎面花纹在竖向均分为4块，从左到右依次得到了每一块的数据分别为：blockNum_1＝9805,totalNum_1＝14742,blockNum_2＝9357,totalNum_2＝14742,blockNum_3＝9399,totalNum_3＝14742,blockNum_4＝9862,totalNum_4＝14742。计算得到这四块的海陆比分别为：66.51％，63.74％，76％，66.9％。
按照计算的海陆比结果，绘制出分块海陆比的条形统计图。
应当理解，本实施例的优选实施方式的附图和工艺不是将本发明限制为所公开的特定的形式，本发明涵盖了落入说明书描述的以及所附的权利要求限定的范围内的所有的修改、等价物和替换物。

Claims (8)

1.一种轮胎胎面海陆比计算的方法，其特征在于：基于图像处理技术进行计算，输入数据为胎面花纹DXF文件，输出数据为胎面花纹分块海陆比计算结果；具体包括以下步骤：
（1）清理胎面花纹数据：在AutoCAD软件中，去除非花纹块元素，仅保留花纹块的数据文件，最终导出DXF数据文件；
（2）获取胎面花纹块元素的坐标信息：读取上一步导出的DXF数据文件，获取到胎面花纹所有的直线段和圆弧信息，将所有的数据信息存储到map中；
（3）提取花纹图中构成花纹块的边界元素：定义一个vector<Element>向量容器用来存储花纹块的边界信息，选取map中的任意一个元素，将该元素压入vector<Element>中，同时获取到flag标志，最终找出所有的花纹块边界元素信息；定义一个容器map<int num:vector<Element>>，其中的num是一个整数，用来记录花纹块个数， vector<Element>是一个向量容器，存储单个花纹块中的组成元素；
（4）生成分析用图像：在上一步的map<int num : vector<Element>>中，已经获取到了所有的花纹块的边界信息，循环绘制出花纹块，并将花纹块填充为黑色，其RGB值为(0，0，0)，绘制完成之后，以图像的格式保存到文件，生成分析用图；
（5）获取花纹海陆比信息：读取上一步保存的图像，获取图像的长度和宽度方向的像素大小，遍历图像上每一个像素点的颜色值，即可获取到花纹块的像素个数，胎面花纹海陆比参数表示为花纹块像素个数与花纹总像素个数的比值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法采用计算机编程语言C++对数据的提取和结果的绘制，采用C++标准模板库STL中的map和vector存储数据信息。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：海陆比为花纹块面积与花纹总面积比值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括分块海陆比计算步骤：在图像长度或者宽度方向，按照预先设置好的分块数目，在不同的长度方向上分别读取即可得到，方法与整体海陆比计算相同。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：上述步骤（1） 中使花纹图仅包含有直线段和圆弧这两种简单的二维几何元素。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括按照计算的海陆比结果，绘制出分块海陆比的条形统计图的步骤。
7.一种轮胎胎面设计的方法，其特征在于：利用上述权利要求1-6任一项的轮胎胎面海陆比计算的方法进行设计。
8.一种轮胎胎面，其特征在于：利用权利要求7所述的轮胎胎面设计的方法设计得到。
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