CN108534802B - 基于图像处理技术的管水准器气泡偏移量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像处理技术的管水准器气泡偏移量测量方法，具体实施内容为：本发明方法采用事先确定感兴趣区域的方式对原始管水准器灰度图像进行操作获取感兴趣区域图像，在感兴趣图像中判断气泡偏移位置，若气泡进入计算偏移量固定区域且气泡月牙形区域中心离固定区域中心较远时，粗略计算气泡偏移量；若气泡月牙形区域中心离固定区域中心较近时，精确计算气泡的偏移量，最终根据图像标定结果实现对管水准器内气泡偏移量的测量。本发明方法采用机器视觉的方式能有效解决采用人眼识别时费时费力，误差大的问题，采用气泡中心与两条黑线包围的矩形中心的水平距离值表示实际偏移量的方法，算法具有创新性且鲁棒性佳，同时简单实用，精度高。

Description

基于图像处理技术的管水准器气泡偏移量测量方法

技术领域

本发明涉及机器视觉测量技术领域，涉及一种基于图像处理技术的管水准器气泡偏移量测量方法。

背景技术

在众多工业制造生产活动中，人们常常需要对被测物体表面进行平面度的检测，因此通常会借助一些带有管水准器的计量器具(例如：水平仪等)来完成此类精密测量，目前使用最为广泛的方法是通过测量管水准器中的气泡偏移量来判断被测物体表面是否水平。当今市面上有很多用来检测被测物体表面平面度的带有管水准器的计量器具, 许多厂家为了保证自己生产的带有管水准器的计量器具测量准确性, 都会在产品出厂前对管水准器内的气泡进行检测和校准。一般校准的方式,就是将带有管水准器的计量器具置于标准水平检测台上，根据管水准器内气泡偏离中心的程度来判断出厂的计量器具是否合格。不同精度的计量器具在检测时允许的误差范围也不相同。目前国内的对于管水准器内气泡偏移量常用的检测方法：

(1)通过人眼识别管水准器内气泡的偏移量，借此来判断计量器具合格与否，对产品进行校正也还只是人工调整管水准器的方式，显然这种方式不仅误差大，还大量消耗人力物力，产品精度很难得到提高。

(2)基于Canny边缘检测和加权最小二乘的方法进行气泡偏移量的测量，虽然该方法对于质量较差的图像有很强的鲁棒性,但通过该方法找到的计算气泡偏移量的固定边界区域不够精确，导致最后计算出的气泡偏移量存在明显误差。

(3)利用局部灰度梯度平均值曲线以及亚像素精度定位的方法进行气泡偏移量的测量，虽然该方法对于气泡轮廓边缘端点的提取精确度很高，但由于在实际测量矫正管水准器气泡的过程中，会受到电机振动的影响，气泡调整时，其轮廓形状会随之发生微小变化，因此，在持续调整的过程中若只提取气泡左右端点进行偏移量测量，则会严重影响到整个测量过程的测量精度。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于图像处理技术的管水准器气泡偏移量测量方法，该方法采用事先确定感兴趣区域的方式，在气泡中心刚进入计算气泡偏移量的固定区域中心时，采用粗略测量方法；在气泡中心接近计算气泡偏移量的固定区域中心时，采用精确测量方法；提高了测量精度,同时可用于机器替代人类对带有管水准器的计量器具进行矫正，解决了人眼识别、人工调整费时费力，误差大的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于图像处理技术的管水准器气泡偏移量测量方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：获取图像的感兴趣区域；

步骤2：读取管水准器气泡原始灰度图像；

步骤3：利用确定的感兴趣区域，从原始灰度图像中提取出感兴趣区域图像；

步骤4：对感兴趣区域图像进行二值化与中值滤波处理；

步骤5：对中值滤波后的二值感兴趣区域图像进行轮廓检测,计算各轮廓所包围区域的面积与各轮廓最小外接矩形面积之比以及各轮廓最小外接矩形长边长度；

步骤6：通过对各轮廓所包围区域的面积与各轮廓最小外接矩形面积之比以及各轮廓最小外接矩形长边长度的限制，来判断图像中是否存在计算气泡偏移量的固定区域；

步骤7：若存在计算气泡偏移量的固定区域，则计算该固定区域最小外接矩形的倾角，以及该固定区域轮廓所包围区域的面积与此固定区域轮廓的最小外接矩形面积的比值，根据此倾角和比值来判断气泡的偏移位置；

步骤8：若气泡进入计算气泡偏移量的固定区域范围内，则计算气泡反光产生的月牙形区域最小外接矩形中心与固定区域最小外接矩形中心的水平物理距离,粗略测量气泡的偏移量；

步骤9：若月牙形区域最小外接矩形中心与计算气泡偏移量的固定区域最小外接矩形中心的水平物理距离非常小时，则计算包围气泡周长最大轮廓的外接矩形中心与固定区域最小外接矩形中心的水平物理距离，精确测量气泡的偏移量。

本发明的有益效果是，通过图像处理技术根据管水准器中气泡的不同位置，计算气泡月牙形区域中心或气泡整体区域中心偏离管水准器固定区域中心的距离，实现管水准器气泡偏移量的测量。本发明方法，能有效解决采用人眼识别时，费时费力，误差大的问题,采用气泡中心与两条黑线包围的矩形中心的水平距离值的方法代替气泡轮廓左右边缘点与两条黑线轮廓中心水平距离值的方法，计算实际的偏移量，前者算法鲁棒性更佳，同时简单实用，精度高。

附图说明

图1是本发明方法的步骤流程图；

图2是本发明方法获取的气泡位于左侧极限位置图像；

图3是本发明方法获取的气泡位于右侧极限位置图像；

图4是本发明方法获取的管水准器气泡原始灰度图像；

图5是本发明方法提取的感兴趣区域图像；

图6是本发明方法获取的感兴趣区域二值化中值滤波图像；

图7是本发明方法获取的感兴趣区域轮廓检测图像；

图8是本发明方法获取的计算气泡偏移量固定矩形区域实际轮廓；

图9是本发明方法获取的计算气泡偏移量固定矩形区域最小外接矩形图像；

图10是本发明方法获取的消去短0行程后的感兴趣区域二值图像；

图11是本发明方法获取的气泡中月牙形区域图像；

图12是本发明方法获取的标识气泡月牙形区域中心图像。

图13是本发明方法获取的气泡二值化取反图像；

图14是本发明方法获取的标识气泡最大周长外接矩形区域中心图像。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明方法的步骤是：

步骤1：获取图像的感兴趣区域

先获取2幅气泡在极限位置的管水准器气泡图像，其中1幅图像 I₁中的气泡在管水准器内最左侧位置，如图2所示；另一幅图像I₂中的气泡在管水准器内最右侧位置，如图3所示；在图像I₁中框选出一个能够将管水准器内的气泡及中间矩形框包含进来的矩形Re₁，在图像I₂中也框选出一个能够将管水准器内的气泡及中间矩形框包含进来的矩形Re₂，设能将矩形Re₁和矩形Re₂同时包含进来的最小矩形为R_roi；矩形R_roi所确定的区域即为感兴趣区域；对于同一批管水准器气泡图像，感兴趣区域只需获取1次即可。

步骤2：读取管水准器气泡原始灰度图像

读取待进行气泡偏移量测量的管水准器气泡原始灰度图像，得到的原始灰度图像如图4所示。

步骤3：利用确定的感兴趣区域,从原始灰度图像中提取出感兴趣区域图像

从原始灰度图像src中分离出矩形R_roi区域的图像，得到感兴趣区域图像I_roi，如图5所示。

步骤4：对感兴趣区域进行二值化与中值滤波处理

对感兴趣区域图像I_roi采用0TSU法进行二值化分割处理得到二值化图像BI，对BI进行5×5窗口中值滤波去除噪声，得到滤波后的图像I_filt，如图6所示。

步骤5：对中值滤波后的二值感兴趣区域图像进行轮廓检测，计算各轮廓所包围区域的面积与各轮廓最小外接矩形面积之比以及各轮廓最小外接矩形长边长度

对滤波后的图像I_filt进行轮廓检测，得到的轮廓检测图像，如图 7所示，计算中值滤波后图像I_filt中每个轮廓C_i的实际包围面积Area_i与其最小外接矩形面积之比R_i，以及最小外接矩形的长边长度L_i，其中i＝1,2,3,...,N，N为中值滤波后图像I_filt中轮廓个数。

步骤6：通过对各轮廓所包围区域的面积与各轮廓最小外接矩形面积之比以及各轮廓最小外接矩形长边长度的限制，来判断图像中是否存在计算气泡偏移量的固定区域

对步骤5得到的各轮廓所包围区域的面积与各轮廓最小外接矩形面积之比R_i以及各轮廓最小外接矩形长边长度L_i进行限制，当比值R_i大于某个定值T_R且长边长度L_i在某个固定范围[L₁,L_h]内时，即：

R_i>T_R且L₁≤L_i≤L_h (1)

则判定为中值滤波后图像I_filt中存在计算气泡偏移量的固定区域Rect, 将满足公式(1)的轮廓设为固定区域Rect的轮廓C_R，继续进行后续处理；否则，判定为中值滤波后图像I_filt中不存在计算气泡偏移量的固定区域轮廓，给出“气泡不在当前图像中”的信息提示，不再进行后续处理。

步骤7：若存在计算气泡偏移量的固定区域，则计算该固定区域最小外接矩形的倾角，以及该固定区域轮廓所包围区域的面积与此固定区域轮廓的最小外接矩形面积的比值，根据此倾角和比值来判断气泡的偏移位置

若在中值滤波后图像I_filt中存在计算气泡偏移量的固定区域轮廓 C_R，则计算该固定区域轮廓最小外接矩形MER的倾角θ，固定区域轮廓最小外接矩形MER如图9所示，同时结合固定区域轮廓实际包围的面积与其最小外接矩形面积的比值R，判断气泡当前的具体位置；如果R大于某个定值T_RN，则判定气泡在计算气泡偏移量的固定区域外侧；气泡在外侧时，可根据计算气泡偏移量的固定区域的倾角θ判断气泡在哪一侧；如果θ<-45°，则气泡在计算气泡偏移量的固定区域之外左侧，给出“气泡在固定区域左侧”的信息提示；否则，气泡在计算气泡偏移量的固定区域之外右侧，给出“气泡在固定区域右侧”的信息提示。

步骤8：若气泡进入计算气泡偏移量的固定区域范围内，则计算气泡反光产生的月牙形区域最小外接矩形中心与固定区域最小外接矩形中心的水平物理距离，粗略测量气泡的偏移量

若气泡开始进入计算气泡偏移量的固定区域Rect，则先寻找气泡反光引起的月牙形区域R_M；在中值滤波后图像I_filt中按照从左到右、从上到下的顺序进行0行程的搜索，其中0行程为每行像素值均为0 的连续像素组成的像素段；如果某0行程的长度RL满足属于某个区间[Th₁,Th_h]时，即：

Th₁≤RL≤Th_h (2)

则消去此短0行程，即将此行程中的所有黑像素变为白像素；所有满足公式(2)的短0行程消去后，得到图像bI_roi，如图10所示；在图像bI_roi中进行轮廓检测，如果轮廓的最小外接矩形的长边长度W_f满足公式(3)，且这样的轮廓有且仅有1个，则判定存在月牙形区域RM，如图11所示。

W₁<W_f<W_h (3)

其中，W₁和W_h为感兴趣图像中轮廓最小外接矩形长边长度的下限值和上限值。

如果存在月牙形区域RM的轮廓C_M，则求取月牙形区域R_M的最小外接矩形M_m，将月牙形区域的最小外接矩形M_m的中心设为M_c，如图12所示，M_c在感兴趣区域图像I_roi中的横坐标设为MC_x。

设计算气泡偏移量的固定区域Rect的最小外接矩形MER的中心为ME_c，ME_c在感兴趣区域图像I_roi中的横坐标为MD_x；用计算气泡偏移量的固定区域的最小外接矩形中心横坐标MD_x与月牙形区域轮廓外接矩形中心横坐标MC_x间的差值△X₁，来表示气泡在图像中的偏移量，单位为pixel：

△X₁＝MD_x-MC_x (4)

如果△X₁>0，则气泡偏左；否则，气泡偏右；根据图像标定结果 Res，单位为mm/pixel，粗略计算气泡物理偏移量dR₁，单位为mm：

dR₁＝|△X₁|×Res (5)

其中|△X₁|表示△X₁的绝对值。

如果△X₁>0，则给出“气泡偏左XX mm”的信息提示；否则给出“气泡偏右XX mm”的信息提示；其中XX为dR₁的值。

步骤9：若月牙形区域最小外接矩形中心与计算气泡偏移量的固定区域最小外接矩形中心的水平物理距离小于1mm时，则计算包围气泡周长最大轮廓的外接矩形中心与固定区域最小外接矩形中心的水平物理距离，精确测量气泡的偏移量

若月牙形区域最小外接矩形中心与计算气泡偏移量的固定区域最小外接矩形中心M_c的水平方向距离小于某个阈值dT时，即 |dR₁|<dT，则对滤波后的二值图像I_filt进取反操作，得到取反后的图像 I_sub,如图13所示；对图像I_sub进行轮廓检测，并计算各轮廓的最小外接矩形，若某轮廓最小外接矩形的长边长度WB_f满足公式(6)，则认为此轮廓为气泡轮廓C_B：

WB₁<WB_f<WB_h (6)

其中，WB₁和WB_h为取反图像中轮廓最小外接矩形长边长度的下限值和上限值。

气泡周长最大轮廓C_B如图14所示，用计算气泡偏移量的固定区域外接矩形中心横坐标ME_x与气泡轮廓C_B的外接矩形中心MB_x在感兴趣区域图像I_roi中的横坐标MB_x的差值△X₂来表示气泡偏移量，单位为pixel：

△X₂＝ME_x-MB_x (7)

根据图像标定结果Res，单位为mm/Pixel，精确计算气泡物理偏移量dR₂，单位为mm:

dR₂＝|△X₂|×Res (8)

其中|△X₂|表示△X₂的绝对值。

如果dR₂>0，则给出“气泡偏左XX mm”的信息提示；否则给出“气泡偏右XX mm”的信息提示；其中XX为dR₂的绝对值；当 |dR₂|<TP时，则判定气泡已处于管水准器中心，给出“合格”的信息提示，其中TP为给定的气泡偏移量最大允许误差。

Claims (8)

1.基于图像处理技术的管水准器气泡偏移量测量方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1：获取图像的感兴趣区域；

步骤2：读取管水准器气泡原始灰度图像；

步骤3：利用确定的感兴趣区域，从原始灰度图像中提取出感兴趣区域图像；

步骤4：对感兴趣区域图像进行二值化与中值滤波处理；

步骤5：对中值滤波后的二值感兴趣区域图像进行轮廓检测，计算各轮廓所包围区域的面积与各轮廓最小外接矩形面积之比以及各轮廓最小外接矩形长边长度；

步骤6：通过对各轮廓所包围区域的面积与各轮廓最小外接矩形面积之比以及各轮廓最小外接矩形长边长度的限制，来判断图像中是否存在计算气泡偏移量的固定区域；

步骤7：若存在计算气泡偏移量的固定区域，则计算该固定区域最小外接矩形的倾角，以及该固定区域轮廓所包围区域的面积与此固定区域轮廓的最小外接矩形面积的比值，根据此倾角和比值来判断气泡的偏移位置；

步骤8：若气泡进入计算气泡偏移量的固定区域范围内，则计算气泡反光产生的月牙形区域最小外接矩形中心与固定区域最小外接矩形中心的水平物理距离，粗略测量气泡的偏移量；

步骤9：若月牙形区域最小外接矩形中心与计算气泡偏移量的固定区域最小外接矩形中心的水平物理距离非常小时，则计算包围气泡周长最大轮廓的外接矩形中心与固定区域最小外接矩形中心的水平物理距离，精确测量气泡的偏移量。

2.根据权利要求1所述的基于图像处理技术的管水准器气泡偏移量测量方法，其特征在于，所述的步骤1中，具体按照以下过程实施：

先获取2幅气泡在极限位置的管水准器气泡图像，其中1幅图像I₁中的气泡在最左侧，另一幅图像I₂中的气泡在最右侧；在图像I₁中框选出一个能够将管水准器内的气泡及中间矩形框包含进来的矩形Re₁，在图像I₂中也框选出一个能够将管水准器内的气泡及中间矩形框包含进来的矩形Re₂，设能将矩形Re₁和矩形Re₂同时包含进来的最小矩形为R_roi；矩形R_roi所确定的区域即为感兴趣区域；对于同一批管水准器气泡图像，感兴趣区域只需获取1次即可。

3.根据权利要求1所述的基于图像处理技术的管水准器气泡偏移量测量方法，其特征在于，所述的步骤4中，具体按照以下过程实施：

对感兴趣区域图像I_roi采用0TSU法进行二值化分割处理得到二值化图像BI，对BI进行5×5窗口中值滤波去除噪声，得到滤波后的图像I_filt。

4.根据权利要求1所述的基于图像处理技术的管水准器气泡偏移量测量方法，其特征在于，所述的步骤5中，具体按照以下过程实施：

对滤波后的图像I_filt进行轮廓检测，计算中值滤波后图像I_filt中每个轮廓C_i的实际包围面积Area_i与其最小外接矩形面积之比R_i，以及最小外接矩形的长边长度L_i，其中i＝1,2,3,…,N，N为中值滤波后图像I_filt中轮廓个数。

5.根据权利要求1所述的基于图像处理技术的管水准器气泡偏移量测量方法，其特征在于，所述的步骤6中，具体按照以下过程实施：

对步骤5得到的各轮廓所包围区域的面积与各轮廓最小外接矩形面积之比R_i以及各轮廓最小外接矩形长边长度L_i进行限制，当比值R_i大于某个定值T_R且长边长度L_i在某个固定范围[L_l,L_h]内时，即：

R_i>T_R且L_l≤L_i≤L_h (1)

则判定为中值滤波后图像I_filt中存在计算气泡偏移量的固定区域Rect，将满足公式⑴的轮廓设为固定区域Rect的轮廓C_R，继续进行后续处理；否则，判定为中值滤波后图像I_filt中不存在计算气泡偏移量的固定区域轮廓，给出“气泡不在当前图像中”的信息提示，不再进行后续处理。

6.根据权利要求1所述的基于图像处理技术的管水准器气泡偏移量测量方法，其特征在于，所述的步骤7中，具体按照以下过程实施：

若在中值滤波后图像I_filt中存在计算气泡偏移量的固定区域轮廓C_R，则计算该固定区域轮廓最小外接矩形MER的倾角θ，同时结合固定区域轮廓实际包围的面积与其最小外接矩形面积的比值R，判断气泡当前的具体位置；如果R大于某个定值T_RN，则判定气泡在计算气泡偏移量的固定区域外侧；气泡在外侧时，可根据计算气泡偏移量的固定区域的倾角θ判断气泡在哪一侧；如果θ<-45°，则气泡在计算气泡偏移量的固定区域之外左侧，给出“气泡在固定区域左侧”的信息提示；否则，气泡在计算气泡偏移量的固定区域之外右侧，给出“气泡在固定区域右侧”的信息提示。

7.根据权利要求1所述的基于图像处理技术的管水准器气泡偏移量测量方法，其特征在于，所述的步骤8中，具体按照以下过程实施：

若气泡开始进入计算气泡偏移量的固定区域Rect，则先寻找气泡反光引起的月牙形区域R_M；在中值滤波后图像I_filt中按照从左到右、从上到下的顺序进行0行程的搜索，其中0行程为每行像素值均为0的连续像素组成的像素段；如果某0行程的长度RL满足属于某个区间[Th_l,Th_h]时，即：

Th_l≤RL≤Th_h (2)

则消去此短0行程，即将此行程中的所有黑像素变为白像素；所有满足公式(2)的短0行程消去后，得到图像bI_roi；在图像bI_roi中进行轮廓检测，如果轮廓的最小外接矩形的长边长度W_f满足公式(3)，且这样的轮廓有且仅有1个，则判定存在月牙形区域R_M；

W_l<W_f<W_h (3)

其中，W_l和W_h为感兴趣图像中轮廓最小外接矩形长边长度的下限值和上限值；

如果存在月牙形区域R_M的轮廓C_M，则求取月牙形区域R_M的最小外接矩形M_m，将月牙形区域的最小外接矩形M_m的中心设为M_c，M_c在感兴趣区域图像I_roi中的横坐标设为MC_x；

设计算气泡偏移量的固定区域Rect的最小外接矩形MER的中心为ME_c，ME_c在感兴趣区域图像I_roi中的横坐标为MD_x；用计算气泡偏移量的固定区域的最小外接矩形中心横坐标MD_x与月牙形区域轮廓外接矩形中心横坐标MC_x间的差值△X₁，来表示气泡在图像中的偏移量，单位为pixel：

△X₁＝MD_x-MC_x (4)

如果△X₁>0，则气泡偏左；否则，气泡偏右；根据图像标定结果Res，单位为mm/Pixel，粗略计算气泡物理偏移量dR₁，单位为mm：

dR₁＝|△X₁|×Res (5)

其中|△X₁|表示△X₁的绝对值；

如果△X₁>0，则给出“气泡偏左XX mm”的信息提示；否则给出“气泡偏右XX mm”的信息提示；其中XX为dR₁的值。

8.根据权利要求1所述的基于图像处理技术的管水准器气泡偏移量测量方法，其特征在于，所述的步骤9中，具体按照以下过程实施：

若月牙形区域最小外接矩形中心M_c与计算气泡偏移量的固定区域最小外接矩形中心ME_c的水平方向距离小于某个阈值dT时，即|dR₁|<dT，则对滤波后的二值图像I_filt进行取反操作，得到取反后的图像I_sub；对图像I_sub进行轮廓检测，并计算各轮廓的最小外接矩形，若某轮廓最小外接矩形的长边长度WB_f满足公式(6)，则认为此轮廓为气泡轮廓C_B：

WB_l<WB_f<WB_h (6)

其中，WB_l和WB_h为取反图像中轮廓最小外接矩形长边长度的下限值和上限值；

用计算气泡偏移量的固定区域外接矩形中心横坐标ME_x与气泡轮廓C_B的外接矩形中心MB_c在感兴趣区域图像I_roi中的横坐标MB_x的差值△X₂来表示气泡偏移量，单位为mm：

△X₂＝ME_x-MB_x (7)

根据图像标定结果Res，单位为mm/Pixel，精确计算气泡物理偏移量dR₂，单位为mm：

dR₂ ＝|△X₂|×Res (8)

其中|△X₂|表示△X₂的绝对值；

如果dR₂>0，则给出“气泡偏左XX mm”的信息提示；否则给出“气泡偏右XX mm”的信息提示；其中XX为dR₂的绝对值；当|dR₂|<TP时，则判定气泡已处于管水准器中心，给出“合格”的信息提示，其中TP为给定的气泡偏移量最大允许误差。

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