CN114943710B - 利用改进最小二乘拟合对薄壁圆管类零件圆心定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用改进最小二乘拟合对薄壁圆管类零件圆心定位的方法，包括：图像预处理、获取边界像素、轮廓检测、最小外接矩形拟合、边长计算、获取切点、圆心初定位、筛选边界拟合点、最小二乘拟合。与传统最小二乘拟合方法相比，本方法在对于薄壁圆管类零件出现单边内凹、外翻、内毛刺、外毛刺、失圆等情况都能很好的进行拟合，实现圆心准确定位，具有很好的鲁棒性。实现了对不规则圆形薄壁圆管零件的定位检测。

Description

利用改进最小二乘拟合对薄壁圆管类零件圆心定位的方法

技术领域

本发明涉及一种利用改进最小二乘拟合对薄壁圆管类零件圆心定位的方法，用于图像处理，计算机视觉和工业自动化检验。属于计算机信息图像处理技术领域。

背景技术

快速而准确的对薄壁圆管类零件实现准确定位在机器视觉和模式识别领域有着广泛的应用前景，例如，在工业检测线、自动化装配线上等，都涉及到应用机器视觉定位技术进行圆形和类圆形检测的技术。通常来说，圆心定位检测的方法主要有最小二乘拟合和霍夫变换，由于霍夫变换计算量较大，易受干扰等多方面影响应用较少，而对于最小二乘拟合则可以实现最小化误差的平方来寻找数据的最佳函数匹配，但是薄壁圆管类零件可能会出现管壁外翻、内凹、内毛刺以及外毛刺等问题，对实际圆心定位具有一定的干扰。本方法通过拟合最小外接矩形进行初定位，之后筛选去除偏离值较大的像素点，最后进行最小二乘拟合实现准确定位。

发明内容

本发明针对现有薄壁圆管类零件出现的各种小形变以及毛刺等干扰，提出一种利用改进最小二乘拟合对薄壁圆管类零件圆心定位的方法，可实现对其精准定位。

本发明包含如下步骤：

步骤一，图像预处理，在预处理阶段其中包含灰度处理、绘制ROI、二值化，内部填充、腐蚀、膨胀操作。通过将图像转换成灰度图像方便图像的处理；绘制ROI先框选出大致所需要部分，减少背景像素参与计算；二值化将灰度图像转换成二值图像，进一步使图像变得简单，同时完全突显出感兴趣的目标轮廓，只需要提取薄壁圆管类零件的管口部分，即一个同心圆环；内部填充可将管口内部所有干扰因素进行消除，包含内毛刺，只进行外圆的拟合；腐蚀、膨胀为了去除管口可能出现的细小毛刺以及环境干扰，进一步提高对圆的拟合度。

步骤二，获取边界像素，通过获取二值图像上每一点的像素值，若存在某一像素值为255，同时其上、下、左、右四个方向中存在某一点的像素值为0，则该点被定义为边界像素，否则不是边界像素。此边界像素所构成的轮廓为一个对角连续连接的一个封闭轮廓，目的是为了获取薄壁圆管类零件外边缘。

步骤三，轮廓检测，通过步骤二中获取的边界像素进行轮廓检测，提取薄壁圆管类零件的外轮廓。

步骤四，最小外接矩形拟合，将步骤三中获取的轮廓提取其最小外接矩形，对于薄壁圆管类零件出现单边内凹、外翻、内毛刺、外毛刺的情况，只要外侧不出现超大型毛刺，或薄壁圆管完全失圆，此矩形必定与薄壁圆管类零件的外轮廓相切，且该切点必属于圆轮廓上的点。

步骤五，边长计算，最小外接矩形拟合完毕之后可获取该矩形的四个顶点坐标，利用坐标计算最小外接矩形的相邻两条边的长度，通过标定结果，将相邻两条边的长度转换成实际物理长度，将相邻两条边的物理长度与薄壁圆管类零件的实际直径进行作差比较，取差值较小的长度，及构成该长度的两条边长。

步骤六，获取切点，通过步骤五中获取的两条边长，结合步骤三中获取的轮廓，计算轮廓与两条边长可能出现的切点，若每条边长只出现一个切点，则连接该两切点；若轮廓与两条边长出现的切点不止一个时，取各边的切点进行连接，计算切点与切点之间的距离，取构成距离最小值时的两个切点作为最终的切点。

步骤七，圆心初定位，取步骤六中获取的两个切点的中心点为初定位时的圆心，取两个切点连线的距离的一半为初定位时的半径。

步骤八，筛选边界拟合点，以步骤七中获取的初定位时的圆心为初圆心，初定位时的半径为初半径，计算步骤二中获取的边界像素与初圆心之间的距离，设置一定的阈值，若边界上某点的像素距离初圆心的长度与初半径之差在设置阈值之内，则该点保留，否则，舍弃该边界像素值，由于步骤六中所获取的切点必定是属于圆轮廓上面的点，而通过这种筛选方法保留下来的也是接近圆轮廓上的点，同时剔除了由于内凹、外翻、外毛刺导致偏离较大的点。之后就通过圆轮廓上面的点进行拟合。

步骤九，最小二乘拟合，将步骤八中保留的所有像素，通过最小二乘法进行拟合，获取圆心位置以及半径大小，即为最终拟合的圆心位置以及半径大小。

与传统方法相比，本方法在对于薄壁圆管类零件出现单边内凹、外翻、内毛刺、外毛刺、失圆等情况都能很好的进行拟合，实现圆心准确定位，具有很好的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明实例中图片数据输入，内容为带有毛刺的薄壁铜管管口图像；

图3为本发明实例中经过步骤一图像预处理中二值化操作之后的图像；

图4为本发明实例中经过步骤一图像预处理中内部填充操作之后的图像；

图5为本发明实例中经过步骤一图像预处理中腐蚀和膨胀操作之后的图像；

图6为本发明实例中经过步骤四拟合最小外接矩形之后的图像；

图7为本发明实例中经过步骤六获取切点并将其连接之后的图像；

图8为本发明实例中经过步骤七圆心初定位并初拟合之后的图像；

图9为本发明实例中经过步骤八最小二乘拟合，在二值化图像中实现圆心定位之后的图像；

图10为本发明实例中经过步骤八最小二乘拟合，在原图像中显示圆心定位之后的图像。

具体实施方案

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：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和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例基于薄壁铜管管口的实现，输入图像为带有毛刺的薄壁铜管管口图像。

如图1所示，本实施例提供了一种利用改进最小二乘拟合对薄壁圆管类零件圆心定位的方法，包括如下步骤：

步骤一，图像预处理，在预处理阶段其中包含灰度处理、绘制ROI、二值化，内部填充、腐蚀、膨胀操作。通过将如图2所示图像转换成灰度图像方便图像的处理；绘制ROI先框选出大致所需要部分，减少背景像素参与计算；二值化将灰度图像转换成二值图像，进一步使图像变得简单，同时完全突显出感兴趣的目标轮廓，只需要提取薄壁圆管类零件的管口部分，即一个同心圆环，如图3所示；内部填充可将管口内部所有干扰因素进行消除，包含内毛刺，只进行外圆的拟合，如图4所示；腐蚀、膨胀为了去除管口可能出现的细小毛刺以及环境干扰，进一步提高对圆的拟合度，如图5所示。

步骤二，获取边界像素，通过获取二值图像上每一点的像素值，若存在某一像素值为255，同时其上、下、左、右四个方向中存在某一点的像素值为0，则该点被定义为边界像素，否则不是边界像素。此边界像素所构成的轮廓为一个对角连续连接的一个封闭轮廓，目的是为了获取薄壁圆管类零件外边缘。

步骤三，轮廓检测，通过步骤二中获取的边界像素进行轮廓检测，提取薄壁圆管类零件的外轮廓。

步骤四，最小外接矩形拟合，将步骤三中获取的轮廓提取其最小外接矩形，对于薄壁圆管类零件出现单边内凹、外翻、内毛刺、外毛刺的情况，只要外侧不出现超大型毛刺，或薄壁圆管完全失圆，此矩形必定与薄壁圆管类零件的外轮廓相切，且该切点必属于圆轮廓上的点，拟合结果如图6所示。

步骤五，边长计算，最小外接矩形拟合完毕之后可获取该矩形的四个顶点坐标，利用坐标计算最小外接矩形的相邻两条边的长度，通过标定结果，将相邻两条边的长度转换成实际物理长度，将相邻两条边的物理长度与薄壁圆管类零件的实际直径进行作差比较，取差值较小的长度，及构成该长度的两条边长。

步骤六，获取切点，通过步骤五中获取的两条边长，结合步骤三中获取的轮廓，计算轮廓与两条边长可能出现的切点，若每条边长只出现一个切点，则连接该两切点；若轮廓与两条边长出现的切点不止一个时，取各边的切点进行连接，计算切点与切点之间的距离，取构成距离最小值时的两个切点作为最终的切点，切点获取结果并连接如图7所示。

步骤七，圆心初定位，取步骤六中获取的两个切点的中心点为初定位时的圆心，取两个切点连线的距离的一半为初定位时的半径，初定位并拟合结果如图8所示。

步骤八，筛选边界拟合点，以步骤七中获取的初定位时的圆心为初圆心，初定位时的半径为初半径，计算步骤二中获取的边界像素与初圆心之间的距离，设置一定的阈值，若边界上某点的像素距离初圆心的长度与初半径之差在设置阈值之内，则该点保留，否则，舍弃该边界像素值，由于步骤六中所获取的切点必定是属于圆轮廓上面的点，而通过这种筛选方法保留下来的也是接近圆轮廓上的点，同时剔除了由于内凹、外翻、外毛刺导致偏离较大的点。之后就通过圆轮廓上面的点进行拟合。

步骤九，最小二乘拟合，将步骤八中保留的所有像素，通过最小二乘法进行拟合，获取圆心位置以及半径大小，即为最终拟合的圆心位置以及半径大小，最终拟合在二值化图像及原图中显示结果如图9、图10所示。

本方法在对于薄壁圆管类零件出现单边内凹、外翻、内毛刺、外毛刺、失圆等情况都能很好的进行拟合，实现圆心准确定位，具有很好的鲁棒性。

Claims (3)

1.利用改进最小二乘拟合对薄壁圆管类零件圆心定位的方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一，图像预处理，在预处理阶段其中包含灰度处理、绘制ROI、二值化，内部填充、腐蚀、膨胀操作；

步骤二，获取边界像素，通过获取二值图像上每一点的像素值，若存在某一像素值为255，同时其上、下、左、右四个方向中存在某一点的像素值为0，则该点被定义为边界像素，否则不是边界像素；此边界像素所构成的轮廓为一个对角连续连接的一个封闭轮廓，目的是为了获取薄壁圆管类零件外边缘；

步骤三，轮廓检测，通过步骤二中获取的边界像素进行轮廓检测，提取薄壁圆管类零件的外轮廓；

步骤四，最小外接矩形拟合，将步骤三中获取的轮廓提取其最小外接矩形；

步骤五，边长计算，最小外接矩形拟合完毕之后可获取该矩形的四个顶点坐标，利用坐标计算最小外接矩形的相邻两条边的长度，通过标定结果，将相邻两条边的长度转换成实际物理长度，将相邻两条边的物理长度与薄壁圆管类零件的实际直径进行作差比较，取差值较小的长度，及构成该长度的两条边长；

步骤六，获取切点，通过步骤五中获取的两条边长，结合步骤三中获取的轮廓，计算轮廓与两条边长可能出现的切点；

步骤七，圆心初定位，取步骤六中获取的两个切点的中心点为初定位时的圆心，取两个切点连线的距离的一半为初定位时的半径；

步骤八，筛选边界拟合点，以步骤七中获取的初定位时的圆心为初圆心，初定位时的半径为初半径，计算步骤二中获取的边界像素与初圆心之间的距离，设置一定的阈值，若边界上某点的像素距离初圆心的长度与初半径之差在设置阈值之内，则该点保留，否则，舍弃该边界像素值，之后就通过圆轮廓上面的点进行拟合；

步骤九，最小二乘拟合，将步骤八中保留的所有像素，通过最小二乘法进行拟合，获取圆心位置以及半径大小，即为最终拟合的圆心位置以及半径大小。

2.根据权利要求1所述的利用改进最小二乘拟合对薄壁圆管类零件圆心定位的方法，其特征在于，步骤一中，通过将图像转换成灰度图像方便图像的处理；绘制ROI先框选出所需要部分，减少背景像素参与计算；二值化将灰度图像转换成二值图像，进一步使图像变得简单，同时完全突显出感兴趣的目标轮廓，只需要提取薄壁圆管类零件的管口部分，即一个同心圆环；内部填充可将管口内部所有干扰因素进行消除，包含内毛刺，只进行外圆的拟合；腐蚀、膨胀为了去除管口可能出现的细小毛刺以及环境干扰，进一步提高对圆的拟合度。

3.根据权利要求1所述的利用改进最小二乘拟合对薄壁圆管类零件圆心定位的方法，其特征在于，步骤六中，若每条边长只出现一个切点，则连接该两切点；若轮廓与两条边长出现的切点不止一个时，取各边的切点进行连接，计算切点与切点之间的距离，取构成距离最小值时的两个切点作为最终的切点。