CN110503096A - 水平双标志点的棒材端面标记方案及字符图像矫正方法 - Google Patents
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Abstract
水平双标志点的棒材端面标记方案，所述方案的标记字符由方形标志点(1)、百位字符(2)、十位字符(3)、个位字符(4)和圆形标志点(5)组成，所述方法包括如下步骤：(1)采用视觉系统采集打光时棒材端面图像并做预处理；(2)求取棒材端面中心像素坐标对棒材定位；(3)采用视觉系统采集非打光时棒材端面标记字符图像做预处理并裁剪图片；(4)求取双标志点的中心点像素坐标并裁剪图片；(5)求取旋转角度对图像进行矫正；(6)切除双标志点得到数字标记字符图像。本发明标记方案简单、易于识别，字符图像矫正方法的矫正精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种标记方案及字符图像矫正方法，尤其是涉及一种水平双标志点的棒材端面标记方案及字符图像矫正方法。
背景技术
棒材是当前钢铁行业的主要产品，更是工业领域重要的生产加工原材料。在不同行业由于对棒材产品的需求不同，也就造成了棒材生产规格的多样性。为区分品类繁多的棒材产品，钢铁企业多依据棒材的规格、质量、批次的信息，在棒材端面喷涂相应字符。在棒材在钢铁企业生产线中流通时，这些代表棒材身份信息的字符需要在不同工位进行检测，表明棒材所处状态。由于棒材生产量巨大，导致需要大量的字符信息需要被识别。面对大批量重复且枯燥的识别工作，由传统的人工识别方法很容易就因人眼疲劳而造成识别错误。近些年随着计算机视觉技术的兴起于发展，应用视觉识别方法代替人工识别成为了当今的发展趋势。应用计算机视觉的字符识别系统中，识别过程一般分为图像采集、二值化、去除噪声、倾斜矫正、字符分割、字符识别等关键技术。在对采集的字符图像进行图像预处理时，字符区域才是图像处理的核心区域，为实现对核心字符区域的准确定位与处理，也为后续字符准确高效的识别，首先就需要设计出具有较高辨识度的字符标识方案。同时作为核心关键技术之一的倾斜矫正，准确且高效的矫正技术也是提高字符识别速度的保障。
根据棒材生产线的实际情况，生产线进行棒材输送时，到达指定工位的棒材端面字符呈现任意角度倾斜，字符姿态不一致。复杂的字符姿态大大提高了后续的识别工作的难度，很难保证识别结果的准确高效。因此，在字符识别之前，需要利用字符图像矫正技术将任意姿态的端面字符调整到准确姿态。本发明提出一种水平双标志点的棒材端面标记方案及字符图像矫正方法用来解决棒材端面的字符标记及呈任意角度的字符的图像矫正问题，为最终的标记字符识别奠定技术基础。
发明内容
基于以上原因，本发明旨在提出一种水平双标志点的棒材端面标记方案及字符图像矫正方法，为最终实现棒材端面标记字符的自动识别奠定技术基础。本发明是根据棒材自身的特点提出的一种棒材端面水平双标志点标记方案和标记字符图像矫正方法。
本发明水平双标志点的棒材端面标记方案的标记字符由方形标志点1、百位字符2、十位字符3、个位字符4和圆形标志点5组成。方形标志点1、百位字符2、十位字符3、个位字符4和圆形标志点5从左往右水平排列，在棒材端面6上上下和左右居中布置且与棒材端面6的边缘保留一定距离。百位字符2、十位字符3和个位字符4等间距排列形成三位字符，十位字符3位于棒材端面6的中心位置，方形标志点1和圆形标志点5以十位字符3为中心对称布置，方形标志点1和百位字符2、圆形标志点5和个位字符4保留一定距离。
采用上述标记方案的字符图像矫正方法：首先利用方形标志点1和圆形标志点5的连通域面积小于百位字符2、十位字符3和个位字符4的连通域面积的特征，找到方形标志点1与圆形标志点5的连通域。利用方形标志点1的连通域面积大于圆形标志点5的连通域面积的特征，求取两块连通域中心像素坐标时，连通域面积较大的区域中心的坐标即为方形标志点1中心的像素坐标(x1,y1)，面积较小的区域中心的坐标即为圆形标志点5中心的像素坐标(x5,y5)，确定方形标志点1和圆形标志点5的坐标后求取二者连线中点即旋转中心的坐标(x0,y0)。始终过方形标志点1中心坐标(x1,y1)向圆形标志点5中心坐标(x5,y5)作过两点的向量A，同时假设水平向右的向量为B，通过求取向量A与B的夹角可以求取旋转角度θ，通过方形标志点1与圆形标志点5的相对位置判定旋转方向，将字符图像以(x0,y0)为中心旋转θ即可使字符旋转到正确位姿。
采用本发明水平双标志点的棒材端面标记方案的字符图像矫正方法包括如下步骤：
(1)采用视觉系统采集打光时棒材端面图像并做预处理；
(2)求取棒材端面中心像素坐标对棒材定位；
(3)采用视觉系统采集非打光时棒材端面标记字符图像做预处理并裁剪图片；
(4)求取双标志点的中心点像素坐标并裁剪图片；
(5)求取旋转角度对图像进行矫正；
(6)切除双标志点得到数字标记字符图像。
本发明的有益技术效果是：本发明的棒材端面标记方案简单、特征突出、易于识别；矫正角度的计算采用矢量法，相比于三角函数法，该方法所需计算的物理量更少，提高了旋转角度计算结果的精度；以水平双标志像素中点连线的中点为中心，标志点的相对位置判断旋转方向，旋转矢量法计算出的矫正角度，即可保证字符处于正立状态，同时这种标记方案确保了标记字符偏离棒材中心位置时，也可通过双标志点定位字符并实现字符旋转。此方法不仅保证了图像矫正的精度，相比于传统采用垂直投影列数和最小进行小角度微调的矫正方法，速度也有了较大提高。
附图说明
图1是本发明水平双标志点的棒材端面标记方案示意图；
图2是本发明字符图像矫正方法第一次裁剪图片时圆钢端面6的中心与旋转中心的关系示意图；
图3是本发明字符图像矫正方法的旋转角度求取原理示意图。
具体实施方式
以棒材精整生产线为应用场景，结合附图1-3说明本发明的内容与操作。
根据实施现场的环境建立用于棒材端面标记字符识别的视觉系统，能够获取棒材端面的清晰图像。
本发明水平双标志点的棒材端面标记方案的标记字符由方形标志点1、百位字符2、十位字符3、个位字符4和圆形标志点5组成。方形标志点1、百位字符2、十位字符3、个位字符4和圆形标志点5从左往右水平排列，在棒材端面6上上下和左右居中布置且与棒材端面6的边缘保留一定距离。百位字符2、十位字符3和个位字符4等间距排列形成三位字符，十位字符3位于棒材端面6的中心位置，方形标志点1和圆形标志点5以十位字符3为中心对称布置，方形标志点1和百位字符2、圆形标志点5和个位字符4保留一定距离。
方形标志点1、百位字符2、十位字符3、个位字符4和圆形标志点5的颜色为白色，圆形标志点5的面积小于方形标志点1的面积，方形标志点1的面积小于百位字符2、十位字符3和个位字符4的面积。棒材端面上由百位字符2、十位字符3和个位字符4组成的三个字符为001-999，代表该炉生产的第1根到第999根棒材。
采用上述标记方案的字符图像矫正方法：首先利用方形标志点1和圆形标志点5的连通域面积小于百位字符2、十位字符3和个位字符4的连通域面积的特征，找到方形标志点1与圆形标志点5的连通域。利用方形标志点1的连通域面积大于圆形标志点5的连通域面积的特征，求取两块连通域中心像素坐标时，连通域面积较大的区域中心的坐标即为方形标志点1中心的像素坐标(x1,y1)，面积较小的区域中心的坐标即为圆形标志点5中心的像素坐标(x5,y5)，确定方形标志点1和圆形标志点5的坐标后求取二者连线中点即旋转中心的坐标(x0,y0)。始终过方形标志点1中心坐标(x1,y1)向圆形标志点5中心坐标(x5,y5)作过两点的向量A，同时假设水平向右的向量为B，通过求取向量A与B的夹角可以求取旋转角度θ，通过方形标志点1与圆形标志点5的相对位置判定旋转方向，将字符图像以(x0,y0)为中心旋转θ即可使字符旋转到正确位姿。
采用本发明水平双标志点的棒材端面标记方案的字符图像矫正方法包括如下步骤：
(1)采用视觉系统采集打光时棒材端面图像并做预处理；
(2)求取棒材端面中心像素坐标对棒材定位；
(3)采用视觉系统采集非打光时棒材端面标记字符图像做预处理并裁剪图片；
(4)求取双标志点的中心点像素坐标并裁剪图片；
(5)求取旋转角度对图像进行矫正；
(6)切除双标志点得到数字标记字符图像。
根据实施现场的环境建立用于棒材端面标记字符识别的视觉系统，能够获取棒材端面的清晰图像。
1.采用视觉系统采集打光时棒材端面图像并做预处理
采用视觉系统对棒材端面6的图像进行采集，采集时需要利用LED环形光源光照使棒材端面6的图像高亮显示，图像采集后，对包含棒材端面6的图像进行预处理，得到棒材端面6的二值图像I，并获得棒材端面6的二值图像连通域的中心像素坐标(x6,y6)。
在MATLAB中，利用im2bw(pic1,level)将采集的图像pic1转化为二值图像BW1，利用bwareaopen(BW1,P,conn)删除图像中的小面积获得图像I，利用regionprops(I,'Centroid')记录棒材端面6的连通域中心像素坐标(x6,y6)。
2.求取棒材端面中心像素坐标对棒材定位
棒材端面6图像的像素坐标系为XOY，以步骤1中所得棒材端面6的二值图像的连通域中心坐标为棒材端面6的中心像素坐标(x6,y6)，同时利用棒材端面6为圆形且处于高亮状态的特征，可以计算连通域面积，取整得到棒材的像素半径R。
在MATLAB编程语言环境下，通过步骤1利用regionprops(I,'Centroid')函数计算得到的棒材端面6的中心像素坐标(x6,y6)，再利用regionprops(I,'Area')函数计算并取整得到棒材端面6半径的像素值R。
3.采用视觉系统采集非打光时棒材端面标记字符图像做预处理并裁剪图片
采用视觉系统对棒材端面6的标记字符图像进行采集，采集时需要关闭光源使棒材端面6的标记字符高亮显示，对棒材端面6的标记字符图像进行预处理，得到棒材端面6的标记字符的二值图像。取Δ为大于0的像素值，以棒材端面6的中心坐标(x6,y6)为中心，取裁剪后的棒材端面6的图像区域为：x方向范围[x6-R-Δ,x6+R+Δ]，y方向范围[y6-R-Δ,y6+R+Δ]。裁剪后得到的棒材端面6的标记字符的二值图像II。
在MATLAB中利用im2bw(pic2,level)将采集的图像pic2转化为二值图像BW2，利用bwareaopen(BW2,P,conn)删除图像中的小面积获得图像I2，利用imcrop(I2,RECT)对图像I2进行裁剪，生成以棒材端面6中心像素坐标为中心的边长为2R+2Δ的正方形区域二值图像II。
4.求取双标志点的中心点像素坐标并裁剪图片
理论上双标志点的中心点的像素坐标(x0,y0)与棒材端面6中心点的像素坐标(x6,y6)重合，但实际操作中很难保证两者的重合，当二者不能重合时以棒材中心点为中心进行旋转不能保证字符达到理想的姿态，而以双标志点中心点进行旋转则可以保证字符旋转后的姿态满足需求，所以需要在图像旋转前找到双标志点的中心点(x0,y0)，同时对图像II重新裁剪，生成以(x0,y0)为中心的图像III，为最终图像旋转奠定基础。第一次图像裁剪时，棒材端面6的中心像素坐标与双标志点的中点的像素坐标的关系示意图如图2所示。
在二值图像II中，共存在5个连通域，为求取方形标志点1、圆形标志点5的中心像素坐标以及二者中心点像素坐标，并对图像第二次裁剪，将进行以下操作。
首先，将二值图像II中棒材端面6的5个连通域进行标记，可以得到5个标记区域。由于字符位姿各异，所以标号的顺序不固定，每个标号对应的连通域也是变化的。但棒材端面6标记字符中百位字符2、十位字符3和个位字符4的连通域面积大致相同，而标志点1与标志点5的连通域面积要明显小于百位字符2、十位字符3和个位字符4的连通域面积。利用这一特征，可以找出连通域面积较小的两个连通域，从而获取二者的标号。其次，通过较小面积找到两个标志点的标号后，即可以确定二者连通域中心的像素坐标以及二者中心点的像素坐标(x0,y0)。最后，由步骤3生成的二值图像II可知，图像II是一个边长为2R+2Δ的正方形区域，双标志点的中点(x0,y0)距离正方形区域四边的距离分别为x0、2R+2Δ-x0、y0与2R+2Δ-y0。以四个值中的最小值即距离最小值的2倍(2×d_min)为边长，以双标志点的中点像素坐标(x0,y0)为中心，对图像II进行重新裁剪，生成新的图像区域III。
在MATLAB编程语言环境下，利用bwlabel(BW,n)函数对二值化的棒材端面6标记字符图像II中不同的连通域进行标记，可以得到5个连通域标号，利用regionprops(II,'Area')可以确定连通域的面积，利用regionprops(II,'Centroid')函数可以求得连通域中心像素坐标。利用imcrop(II,RECT)对图像II进行第二次裁剪生成图片III。
5、求取旋转角度对图像进行矫正
得到方形标志点1与圆形标志点5的理论位置与实测位置的像素坐标的关系以及二次图像裁剪示意中旋转中心与裁剪边长如附图3所示。字符处于正确姿态时，方形标志点1与圆形标志点5应处于水平，且方形标志点1位于圆形标志点5的左侧。
在图像II与图像III中，连通域标记的符号并未改变，根据步骤4可以找到连通域面积较小的两个连通域标号，但并不能确定这两个标号对应的标志点具体是方形标志点1还是圆形标志点5。为具体辨别方形标志点1与圆形标志点5，实现一次旋转即可矫正字符。首先利用步骤4获取两个较小面积连通域中心坐标，同时取二者中心连线的中点作为旋转中心(x0,y0)；接着利用方形标志点1的连通域面积大于圆形标志点5连通域的面积这一特征，即可判断大连通域即为方形标志点1，小连通域即为圆形标志点5，始终从连通域面积较大区域中心点向较小连通域的中心点作过两点的向量A，同时人为给定水平向右的向量为B，通过求取向量A与B的夹角的大小即可求取旋转矫正角度θ，θ的范围0-180°；最后通过大连通域与小连通域的相对位置关系判断旋转方向，当方形标志点1位于圆形标志点5的上部或二者中心连线水平时，图像应作逆时针旋转，当方形标志点1位于圆形标志点5的下部时，图像应作顺时针旋转。最终将字符图像III以旋转中心(x0,y0)为中心旋转θ得到正立的字符图像IV。
在MATLAB编程语言环境下，利用步骤4中的bwlabel(II,n)函数获取连通域标号；利用dot(A,B)求出A与B的向量积，再使用acosd函数求解旋转角度大小θ；利用函数imrotate(III,θ,'bilinear','crop')进行图像旋转，当方形标志点1位于圆形标志点5的上侧或二者中心连线水平时，θ为正，图像应作逆时针旋转，当方形标志点1位于圆形标志点5的下侧时，θ为负，图像应作顺时针旋转，以此点为旋转中心最终实现字符的旋转。
6、切除双标志点得到数字标记字符图像
经过步骤5旋转后的字符图像IV即为正立的字符图像，但此时的图像中包含方形标志点1与圆形标志点5，两个标志点并不是最终识别需要的内容，所以需要将两个标志点去除。本文中利用灰度突变的特征对两个标志点进行去除。字符图像IV为二值图像，图中字符已经为正立的姿态且图像区域内只有5个有间距的字符连通域的灰度值为1，其余区域灰度值均为0。由于字符连通域之间的区域与字符连通域的灰度值差异，利用这一特征从左向右将最先灰度值突变的区域与最后灰度值突变的区域去除，即可得到待识别的百位字符2、十位字符3、个位字符4。
在MATLAB中，利用sum(IV,1)对旋转后的字符图像求取列和，利用find函数找出列和中不为零的位置并记录，去除最先列和不为零的区域与最后列和不为零的区域，即可得到所需区域。
Claims (9)
1.水平双标志点的棒材端面标记方案，所述方案适用于在棒材精整生产线对棒材进行标记和识别，所述方案的标记字符由方形标志点(1)、百位字符(2)、十位字符(3)、个位字符(4)和圆形标志点(5)组成，其特征在于，方形标志点(1)、百位字符(2)、十位字符(3)、个位字符(4)和圆形标志点(5)从左往右水平排列，在棒材端面(6)上上下和左右居中布置且与棒材端面(6)的边缘保留一定距离，百位字符(2)、十位字符(3)和个位字符(4)等间距排列形成三位字符，十位字符(3)位于棒材端面(6)的中心位置，方形标志点(1)和圆形标志点(5)以十位字符(3)为中心对称布置，方形标志点(1)和百位字符(2)、圆形标志点(5)和个位字符(4)保留一定距离。
2.根据权利要求1所述的水平双标志点的棒材端面标记方案，其特征在于，方形标志点(1)、百位字符(2)、十位字符(3)、个位字符(4)和圆形标志点(5)的颜色为白色，圆形标志点(5)的面积小于方形标志点(1)的面积，方形标志点(1)的面积小于百位字符(2)、十位字符(3)和个位字符(4)的面积。
3.根据权利要求1所述的水平双标志点的棒材端面标记方案，其特征在于，棒材端面上由百位字符(2)、十位字符(3)和个位字符(4)组成的三个字符为001-999，代表该炉生产的第1根到第999根棒材。
4.水平双标志点的棒材端面标记字符图像矫正方法，所述方法针对权利要求1-3所述的棒材端面标记方案，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)采用视觉系统采集打光时棒材端面图像并做预处理；
(2)求取棒材端面中心像素坐标对棒材定位；
(3)采用视觉系统采集非打光时棒材端面标记字符图像做预处理并裁剪图片；
(4)求取双标志点的中心点像素坐标并裁剪图片；
(5)求取旋转角度对图像进行矫正；
(6)切除双标志点得到数字标记字符图像。
5.根据权利要求4所述的水平双标志点的棒材端面标记字符图像矫正方法，其特征在于，采用视觉系统采集棒材端面图像时视觉系统开启光源使棒材端面图像高亮显示；采用视觉系统采集棒材端面标记字符图像时视觉系统关闭光源使棒材端面标记字符图像高亮显示。
6.根据权利要求4所述的水平双标志点的棒材端面标记字符图像矫正方法，其特征在于，求取棒材端面中心像素坐标时以棒材端面二值图像的连通域中心坐标为棒材端面中心像素坐标。
7.根据权利要求4所述的水平双标志点的棒材端面标记字符图像矫正方法，其特征在于，根据棒材端面标记字符中百位字符(2)、十位字符(3)和个位字符(4)的二值图像的连通域面积大致相同而方形标志点(1)和圆形标志点(5)二值图像的连通域面积最小且方形标志点(1)二值图像的连通域面积大于圆形标志点(5)二值图像的连通域面积的特点找到方形标志点(1)和圆形标志点(5)。
8.根据权利要求4所述的水平双标志点的棒材端面标记字符图像矫正方法，其特征在于，求取棒材端面方形标志点(1)和圆形标志点(5)中心像素坐标时以方形标志点(1)和圆形标志点(5)二值图像的连通域中心坐标为方形标志点(1)和圆形标志点(5)中心像素坐标。
9.根据权利要求4所述的水平双标志点的棒材端面标记字符图像矫正方法，其特征在于，求取旋转角度对图像进行矫正时，当方形标志点(1)位于圆形标志点(5)的上部或二者中心连线水平时，图像应作逆时针旋转，当方形标志点(1)位于圆形标志点(5)的下部时，图像应作顺时针旋转。
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