CN112697068A - 一种管状水准泡气泡长度测量方法 - Google Patents

一种管状水准泡气泡长度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种管状水准泡气泡长度测量方法，具体实施内容为：本发明方法对获取的管状水准泡灰度图像进行边缘检测、形态学闭运算、轮廓检测等处理，然后根据轮廓的包围面积、外接矩形宽高比以及占空比等特征筛选出候选气泡轮廓，对候选气泡轮廓进行填充并进行形态学开运算，再次运用轮廓筛选方法获取气泡轮廓，最后利用主成分分析法获取气泡轮廓的主轴，并求取长边与主轴平行的气泡轮廓的外接矩形，根据外接矩形的长边长度和事先对图像的标定结果计算完成管状水准泡气泡长度的测量。本发明可用于机器替代人工对气泡长度进行自动测量，解决了人工测量费时费力、效率低下的问题。

Description

一种管状水准泡气泡长度测量方法
技术领域
本发明涉及机器视觉测量技术领域，尤其是涉及一种管状水准泡气泡长度测量方法。
背景技术
在众多工业制造生产活动中，人们常常需要对物体表面进行水平度和垂直度的检测，因此通常会借助一些带有水准泡的计量器具(例如：水平尺等)来完成此类精密测量。目前使用最为广泛的计量器具是水平尺。水平尺主要由水准泡和尺身两部分组成，其中水准泡是其检测功能的核心，它内部有刻线和气泡。管状水准泡是常用的一种水准泡，在水平尺制造过程中，水准泡气泡长度是影响水准泡质量的因素之一，因此在将水准泡装配到水平尺身前需要对其中的气泡长度进行测量。
目前对管状水准泡气泡长度的测量仍是采用传统的人工测量方式，但由于管状水准泡的气泡不是规则的矩形，导致人工测量气泡长度的方式耗时较长，工人容易疲劳且测量结果的精度较低。而且，当今世界对于这些信息的处理方式也要求要更加地智能化，尽量减少人工的干预，提高自动化程度和工作效率。但到目前为止，国内外对管状水准泡气泡长度的视觉测量方法的研究成果非常少。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种管状水准泡气泡长度测量方法，该方法对获取的管状水准泡灰度图像进行边缘检测，再对边缘检测后的图像进行形态学闭运算；对形态学闭运算操作后的水准泡图像进行轮廓检测，计算各轮廓所包围区域的面积、各轮廓最小外接矩形的长宽比以及各轮廓的占空比；通过对各轮廓所包围区域的面积、最小外接矩形的长宽比以及占空比的限制，提取水准泡中气泡的候选轮廓，并将候选轮廓进行填充放置于新图像中；对得到的气泡候选轮廓填充图像进行形态学开运算操作，将气泡区域与其它干扰区域分隔开；再对图像进行轮廓检测，选取面积最大的轮廓，即气泡轮廓；利用主成分分析法对气泡轮廓进行处理，获取气泡轮廓的第一主成分方向；获取长边方向与第一主成分方向相同的气泡轮廓的外接矩形；根据气泡外接矩形的长边的长度和所得图像标定结果计算水准泡气泡物理长度。该方法可用于机器替代人工对水准泡气泡长度进行自动测量，解决了人工测量费时费力，效率低下的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种管状水准泡气泡长度测量方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：读取管状水准泡原始灰度图像并对其进行边缘检测；
步骤2：对边缘检测后的图像进行形态学闭运算操作；
步骤3：对形态学闭运算操作后的水准泡图像进行轮廓检测，计算各轮廓所包围区域的面积、各轮廓最小外接矩形的宽高比以及各轮廓的占空比；
步骤4：通过对各轮廓所包围区域的面积、最小外接矩形的宽高比以及占空比的限制，提取水准泡中气泡的候选轮廓，并将候选轮廓进行填充放置于新图像中；
步骤5：对步骤4得到的气泡候选轮廓填充图像进行形态学开运算操作，将气泡区域与其它干扰区域分隔开；
步骤6：对步骤5得到的图像进行轮廓检测，获取面积最大的轮廓；
步骤7：利用主成分分析法对步骤6中得到的面积最大的轮廓进行处理，获取最大轮廓的第一主成分方向；
步骤8：获取长边方向与第一主成分方向相同的最大轮廓的外接矩形；
步骤9：根据步骤8得到的矩形的长边的长度和所得图像标定结果计算水准泡气泡物理长度。
本发明的有益效果是：通过图像处理技术对管状水准泡图像进行边缘检测、形态学闭运算、轮廓检测，根据气泡特征获取气泡候选轮廓，然后通过轮廓填充和形态学开运算将气泡区域和其它干扰区域分离，最后通过主成分分析法获取长度方向与气泡轮廓第一主成分方向相同的外接矩形，通过计算外接矩形长边长度与图像标定结果得到气泡物理长度。本发明方法能有效解决人工测量费时费力的问题，可有效提高测量效率。
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管状水准泡原始灰度图像；
图3是本发明方法获取的水准泡边缘检测结果图像；
图4是本发明方法获取的形态学闭运算操作结果图像；
图5是本发明方法提取的候选气泡轮廓填充结果图像；
图6是本发明方法获取的形态学开运算操作结果图像；
图7是本发明方法获取的水准泡气泡轮廓；
图8是本发明方法获取的水准泡气泡轮廓的主轴线；
图9是本发明方法获取的气泡轮廓的最终外接矩形。
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：读取管状水准泡原始灰度图像并对其进行边缘检测
读取的管状水准泡原始灰度图像Isrc如图2所示，利用Canny边缘检测对原始灰度图像Isrc进行边缘检测，得到水准泡边缘检测结果图像Icanny，如图3所示。
步骤2：对边缘检测后的图像进行形态学闭运算操作
采用尺寸为5×5的椭圆形结构元素对水准泡边缘检测结果图像 Icanny进行形态学闭运算处理，得到形态学闭运算操作结果图像Iclose如图4所示。
步骤3：对形态学闭运算操作后的水准泡图像进行轮廓检测，计算各轮廓所包围区域的面积、各轮廓最小外接矩形的长宽比以及各轮廓的占空比
对形态学闭运算操作结果图像Iclose进行轮廓检测，计算每个轮廓Ci的包围区域面积Si、每个轮廓最小外接矩形的宽高比Ki以及每个轮廓的占空比Ri，即轮廓包围区域面积与其外接矩形面积之比，其中 i＝1,2,3,…,N，N为在图像Iclose中检测到的轮廓总数。
轮廓Ci的最小外接矩形宽高比Ki通过式(1)求得：
Ki＝max(wi，hi)/min(wi,hi) (1)
其中wi和hi分别为轮廓Ci最小外接矩形的宽度和高度，max()表示取较大值，min()表示取较小值。
步骤4：通过对各轮廓所包围区域的面积、最小外接矩形的宽高比以及占空比的限制，提取水准泡中气泡的候选轮廓，并将候选轮廓进行填充放置于新图像中
对步骤3得到的各轮廓包围区域面积Si、最小外接矩形的宽高比Ki以及占空比Ri进行限制，当轮廓包围面积Si在某个固定范围[Sl, Sh]内，最小外接矩形的宽高比Ki小于某一阈值Kl，占空比Ri大于某一阈值Rh时，即；
Sl<Si<Sh (2)
Ki<Kl (3)
Ri＞Rh (4)
则判定该轮廓为水准泡气泡的候选轮廓；所有轮廓判定后，将气泡的候选轮廓进行内部填充，即将轮廓内部像素的灰度值设置为255，并放置于一幅背景像素值均为0的新图像中，得到候选气泡轮廓填充结果图像Icb，如图5所示。
步骤5：对步骤4得到的气泡候选轮廓填充图像进行形态学开运算操作，将气泡区域与其它干扰区域分隔开
采用寸为7×7的椭圆形结构元素对候选气泡轮廓填充图像Icb进行形态学开运算处理，将气泡区域与其它可能存在的干扰区域分隔开，得到形态学开运算操作结果图像Iopen，如图6所示。
步骤6：对步骤5得到的图像进行轮廓检测，获取面积最大的轮廓，即气泡轮廓
对形态学开运算操作结果图像Iopen进行轮廓检测，选取面积最大的轮廓Cmax，此轮廓即为水准泡气泡轮廓Cbub，气泡轮廓如图7所示。
获取气泡轮廓时，可以用轮廓所包围区域像素个数作为面积计算，也可以用轮廓的最小外接矩形面积计算。
步骤7：利用主成分分析法对步骤6中得到的气泡轮廓进行处理，获取气泡轮廓的第一主成分方向
获取气泡轮廓Cbub像素点坐标(x,y)，x为水平方向横坐标，y为竖直方向纵坐标，x和y两个数据为一行，将气泡轮廓的Cbub像素点坐标一行一行依次排列，构成一个n×2的数据矩阵J，n为轮廓Cbub像素，然后对数据矩阵J进行主成分分析，求得第一主成分及其对应的方向。气泡轮廓Cbub第一主成分对应的主轴线如图8所示。
步骤8：获取长边方向与第一主成分方向相同的气泡轮廓的外接矩形
以气泡轮廓Cbub的形心Pm为旋转中心，旋转轮廓Cbub，使其最大成分主方向处于竖直状态，得到旋转后轮廓Cbub2；获取轮廓Cbub2的外接矩形Rectr，外接矩形Rectr的一边与水平方向平行，外接矩形Rectr的另一边与竖直方向平行，且外接矩形Rectr刚好把轮廓Cbub2包围在内；将外接矩形Rectr和Cbub2以Pm为旋转中心，逆方向旋转，直到轮廓Cbub2与轮廓Cbub重合，原外接外接矩形Rectr旋转后得到的矩形Rect即为长边方向与轮廓Cbub的第一主成分方向相同的矩形，此矩形叠加在管状水准泡原始灰度图像Isrc上的结果如图9所示。
步骤9：根据步骤8得到的矩形的长边的长度和所得图像标定结果计算水准泡气泡物理长度
根据步骤8得到的矩形Rect的长边的长度LI，单位为pixel，和对图像进行标定获得的标定结果Res，单位为mm/pixel，可计算得到管状水准泡气泡的物理长度LR，单位为mm，即：
LR＝LI×Res (5) 。

Claims (5)

1.一种管状水准泡气泡长度测量方法，其特征在于：
具体按照以下步骤实施：
步骤1：读取管状水准泡原始灰度图像并对其进行边缘检测；
步骤2：对边缘检测后的图像进行形态学闭运算操作；
步骤3：对形态学闭运算操作后的水准泡图像进行轮廓检测，计算各轮廓所包围区域的面积、各轮廓最小外接矩形的宽高比以及各轮廓的占空比；
步骤4：通过对各轮廓所包围区域的面积、最小外接矩形的宽高比以及占空比的限制，提取水准泡中气泡的候选轮廓，并将候选轮廓进行填充放置于新图像中；
步骤5：对步骤4得到的气泡候选轮廓填充图像进行形态学开运算操作，将气泡区域与其它干扰区域分隔开；
步骤6：对步骤5得到的图像进行轮廓检测，获取面积最大的轮廓，即气泡轮廓；
步骤7：利用主成分分析法对步骤6中得到的气泡轮廓进行处理，获取气泡轮廓的第一主成分方向；
步骤8：获取长边方向与第一主成分方向相同的气泡轮廓的外接矩形；
步骤9：根据步骤8得到的矩形的长边的长度和所得图像标定结果计算水准泡气泡物理长度；
所述的步骤3具体是：对形态学闭运算操作后获得的图像Iclose进行轮廓检测，计算每个轮廓Ci的包围区域面积Si、每个轮廓最小外接矩形的宽高比Ki以及每个轮廓的占空比Ri，即轮廓包围区域面积与其最下外接矩形面积之比，其中i＝1,2,3,…,N，N为图像Iclose中轮廓总数；
所述的步骤4具体是：对步骤3得到的各轮廓包围区域面积Si、最小外接矩形的宽高比Ki以及占空比Ri进行限制，当轮廓包围面积Si在某个固定范围[Sl,Sh]内，最小外接矩形的宽高比Ki小于某一阈值Kl，占空比Ri大于某一阈值Rh时，即；
Sl<Si<Sh
Ki<Kl
Ni＞Nh
则判定该轮廓为水准泡气泡的候选轮廓；所有轮廓判定后，将气泡的候选轮廓进行内部填充并放置于一幅新图像Icb中；
所述的步骤9具体是：根据步骤8得到的外接矩形的长边长度LI，单位为pixel，和对图像进行标定获得的标定结果Res，单位为mm/pixel，可计算得到水准泡气泡物理长度LR，单位为mm，即：
LR＝LI×Res 。
2.根据权利要求1所述的管状水准泡气泡长度测量方法，其特征在于：
所述的步骤2具体是：采用尺寸为5×5的椭圆形结构元素对边缘检测后的图像进行形态学闭运算处理。
3.根据权利要求1所述的管状水准泡气泡长度测量方法，其特征在于：
所述的步骤5具体是：采用尺寸为7×7的椭圆形结构元素对气泡候选轮廓填充图像进行形态学开运算处理，将气泡区域与其它干扰区域分隔开。
4.根据权利要求1所述的管状水准泡气泡长度测量方法，其特征在于：
所述的步骤6中获取气泡轮廓时，可以用轮廓所包围区域像素个数作为面积计算，也可以用轮廓的最小外接矩形面积计算。
5.根据权利要求1所述的管状水准泡气泡长度测量方法，其特征在于：
所述的步骤8中，外接矩形通过以下步骤获得：以气泡轮廓Cbub的形心Pm为旋转中心，旋转轮廓Cbub，使其最大成分主方向处于竖直状态，得到旋转后轮廓Cbub2；获取轮廓Cbub2的外接矩形Rectr，外接矩形Rectr的一边与水平方向平行，外接矩形Rectr的另一边与竖直方向平行，且外接矩形Rectr刚好把轮廓Cbub2包围在内；将外接矩形Rectr和Cbub2以Pm为旋转中心，逆方向旋转，直到轮廓Cbub2与轮廓Cbub重合，原外接外接矩形Rectr旋转后得到的矩形Rect即为长边方向与轮廓Cbub的第一主成分方向相同的矩形。
将步骤6中提取到的外部轮廓点放入PCA模型中进行训练，得到轮廓的两个特征向量以及对应的特征值，还有轮廓的重心坐标；
步骤8：提取较大特征值对应的特征向量，并计算此特征向量与水平方向的夹角；
步骤9：将步骤7得到的轮廓点按轮廓的重心坐标沿着顺时针方向旋转步骤8得到的夹角角度，绘制新轮廓点的最小外接矩形，将最小外接矩形的四个顶点按轮廓的重心坐标沿着逆时针方向旋转相同的夹角角度，得到旋转后的四个点；步骤10：将步骤9得到的四个点依次相连得到一个近似矩形，计算矩形的长度；
步骤11：根据步骤10得到的矩形的长度和所得图像标定结果计算水准泡气泡物理长度。
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