殷惠莉，陳秋強(qiáng)

YIN Hui-li1 , CHEN Qiu-qiang2

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 電子工程學(xué)院，廣州 510642；2.華南理工大學(xué) 自動化科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510641）

0 引言

表殼鑲鉆，就是往表殼孔中鑲嵌鉆石。鑲鉆過程的主要步驟是：定位表殼孔、定位鉆石、往表殼孔內(nèi)滴膠水和鑲嵌鉆石。該過程的關(guān)鍵技術(shù)是定位技術(shù)，即是對表殼孔和鉆石的精確定位。表殼孔和鉆石大多為圓形，對表殼孔和鉆石的定位即是對圓心的定位。圓心定位是工業(yè)應(yīng)用的一個基本問題，在很多行業(yè)都有應(yīng)用，如PCB（Printed Circuit Board）定位標(biāo)志檢測、幾何尺寸測量和自動化罐裝系統(tǒng)等等。

1 表殼鑲鉆機(jī)

表殼鑲鉆機(jī)是結(jié)合了圖像處理技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的機(jī)器視覺系統(tǒng)。機(jī)器視覺系統(tǒng)一般有三個主要的部分：獲取圖像的光學(xué)成像系統(tǒng)、抽取圖像特征的圖像處理與分析系統(tǒng)、執(zhí)行控制任務(wù)的輸出或顯示系統(tǒng)[1]。表殼鑲鉆機(jī)的視覺系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，而表殼鑲鉆機(jī)系統(tǒng)的原型實(shí)物如圖2所示。

圖1 機(jī)器視覺系統(tǒng)構(gòu)成圖

系統(tǒng)定位的過程如下：首先使用工業(yè)相機(jī)采集表殼孔和鉆石的圖像（如圖3、圖4所示）；然后通過圓心定位算法定位表殼孔中心和鉆石中心在圖像中的坐標(biāo)；最后用已標(biāo)定好的攝像機(jī)參數(shù)將圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成機(jī)床坐標(biāo)。

圖2 表殼鑲鉆機(jī)原型實(shí)物圖

圖3 表殼圖像

圖4 鉆石圖像

2 圓心定位算法研究

圓心定位是表殼鑲鉆機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一，定位的精確度決定了表殼生產(chǎn)的正品率。傳統(tǒng)的圓心定位算法以圓Hough變換最為常用。鑒于該方法資源需求大，檢測速度慢，許多改進(jìn)的Hough變換算法和其他圓心檢測算法被提了出來。如焦圣喜[2]等人通過分析圓周點(diǎn)與鄰域內(nèi)其他點(diǎn)的位置關(guān)系，判斷出圓周邊緣的凹凸性及圓心方向；并以圓弧中心線的累加結(jié)果確定了圓周的圓心。魏新國[3]等人利用基于矩不變性的亞像素邊緣提取算子，獲得圓的亞像素邊緣輪廓，在此基礎(chǔ)上通過最小二乘法進(jìn)行圓擬合求得圓的參數(shù)方程；吳慧蘭[4]等人利用SIFT算法的特征檢測器在圓心處具有極值響應(yīng)的特性進(jìn)行圓心定位。新的方法提高了圓心檢測的速度，同時也增加了算法的復(fù)雜性。

表殼鑲鉆機(jī)的圓心定位操作和鑲鉆操作是分離的，系統(tǒng)對于定位的實(shí)時性要求不高。隨著硬件的升級和計算成本的降低，Hough變換的運(yùn)算速度也得到了提高。為了算法的簡潔性和開發(fā)的高效性，表殼鑲鉆系統(tǒng)采用圓Hough變換進(jìn)行圓心定位。經(jīng)過實(shí)驗驗證，Hough變換的速度已經(jīng)滿足系統(tǒng)要求。

Hough變換的基本思想是空間轉(zhuǎn)換：將圖像空間比較難的定位問題轉(zhuǎn)化為參數(shù)空間相對簡單的極值點(diǎn)搜尋問題。圓形C 可以用下面的方程描述：，其中(a,b)是圓心在圖像空間中的坐標(biāo)，r是圓的半徑。將以上的方程轉(zhuǎn)化為參數(shù)空間的方程為：，此時的參數(shù)空間有三個參數(shù)(a,b,r)，因此為三維參數(shù)空間。

傳統(tǒng)的Hough圓變換以一定的分辨率對三維參數(shù)空間進(jìn)行量化，然后使用一個三維累加器描述三維的空間。對于任何一個可能的半徑值r ∈[rmin,rmax]，算法在ab平面上尋找可能的圓心點(diǎn)。為了提高運(yùn)算速度，表殼鑲鉆系統(tǒng)為用戶提供簡單易用的操作界面，并通過人工輔助得到圓的半徑大小，從而將三維參數(shù)空間降為二維參數(shù)空間。

3 無效鉆石的過濾

鉆石散落在黑色的鋁制料盤上，其位置和擺放狀態(tài)都是隨機(jī)的?，F(xiàn)定義非正立的鉆石和粘連的鉆石為無效鉆石。非正立的鉆石包括倒立的和傾斜的鉆石；粘連的鉆石即有兩顆以上的鉆石靠在一起。如圖5所示。

抓取無效鉆石進(jìn)行鑲鉆會生產(chǎn)出表殼次品。鉆石在被抓起和放置于表殼孔的整個過程中朝向保持不變，非正立的鉆石放置在表殼孔時也是非正立的；若鉆石A和B粘連在一起，機(jī)械機(jī)構(gòu)在抓取A時可能會微微碰觸到B，則B之前定位的結(jié)果無效，機(jī)械結(jié)構(gòu)抓取不到B會導(dǎo)致表殼孔漏鑲鉆石。

對于鑲鉆這道工序來說，鑲嵌了非正立鉆石或者漏鑲鉆石的表殼都是次品。為了降低次品率，系統(tǒng)需要在圓心定位算法的基礎(chǔ)上再設(shè)計一套無效鉆石過濾算法。

圖5 無效鉆石圖像

3.1 非正立鉆石的過濾

鉆石的反面對光的反射不及正面強(qiáng)，表現(xiàn)在圖像上就是非正立鉆石比正立鉆石暗，也即是說，非正立鉆石的灰度值之和遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正立鉆石的灰度值之和。定義每個圓心定位點(diǎn)所在的圓形區(qū)域（鉆石半徑已知）為一個單元。過濾非正立鉆石的算法如下：

2）計算所有單元灰度值的均值Sa；

3）設(shè)置一個灰度差值的閾值ST，計算每個單元的差值

由于正立鉆石數(shù)量較多（料盤的設(shè)計更有利于正立鉆石的穩(wěn)定），灰度平均值Sa跟正立鉆石的灰度值之和相近。當(dāng)，則第i個單元是正立的鉆石；當(dāng)，則第i個單元是非正立的鉆石。

3.2 粘連鉆石的過濾

判斷一顆鉆石是否與其他鉆石粘連的最簡單方法是對原圖像進(jìn)行腐蝕。腐蝕作用于二值圖像會使得圖像“收縮”或“細(xì)化”。這種收縮和細(xì)化的程度與腐蝕時所使用的結(jié)構(gòu)元素有關(guān)。根據(jù)鉆石在圖像中的大小選擇一個9×9的圓形結(jié)構(gòu)元素對原圖像進(jìn)行腐蝕操作，腐蝕后每顆鉆石圖像都會收縮。

如果原本是獨(dú)立的鉆石，則腐蝕后其四周都是黑色的背景；如果原本是粘連的鉆石，則腐蝕后仍然有粘連（因為鉆石的半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于9），故其周圍不全是背景。根據(jù)腐蝕后圓形邊緣的環(huán)形區(qū)域像素值之和即可判斷是否有粘連，像素值之和為零則沒有粘連；像素值不為零則有粘連。示意圖如圖7所示。

圖6 粘連鉆石過濾算法示意圖

過濾粘連鉆石的算法如下：

1）使用一個9×9的圓形結(jié)構(gòu)元素對原圖像進(jìn)行腐蝕操作；

2）以每個定位點(diǎn)為圓心，腐蝕后圓周為內(nèi)環(huán)，計算一定寬度（可調(diào)整）的環(huán)形區(qū)域的像素和Sp；

3）若Sp≠0則為粘連鉆石，應(yīng)予以過濾。

4 實(shí)驗結(jié)果

本文提出的表殼鑲鉆系統(tǒng)運(yùn)行在英特爾i7處理器（2.6GHz）的計算機(jī)硬件平臺上。為了驗證Hough變換的可行性和過濾算法的準(zhǔn)確性，本文以系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時采集到的多幅圖像進(jìn)行測試。

圖7 Hough變換的識別結(jié)果圖

圖7(a)是Hough變換對表殼圖像的識別結(jié)果圖，由于表殼在鑲鉆時只有中間一部分的表殼孔處于水平面，只需準(zhǔn)確定位中間的圓心即可。圖7(b)是Hough變換對鉆石圖像的識別結(jié)果圖，Hough變換檢測的是圓形，因此，倒立的鉆石和粘連的鉆石也被識別了出來。

圖8是過濾算法的運(yùn)行結(jié)果圖，過濾算法能夠很好地過濾掉無效鉆石定位結(jié)果，從而提高定位的精度。

圖8 過濾算法的運(yùn)行結(jié)果圖

表1 Hough變換與過濾算法運(yùn)行時間

從表1數(shù)據(jù)可以看出，識別鉆石圖像時，Hough變換的運(yùn)行時間不超過0.2s，增加了過濾算法后雖然運(yùn)行時間增加了，但能夠明顯地提高系統(tǒng)的定位精度。

5 結(jié)論

設(shè)計了一套基于機(jī)器視覺定位的表殼鑲鉆機(jī)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過霍夫變換定位圖像中表殼孔和鉆石的圓心位置，并使用形態(tài)學(xué)腐蝕操作設(shè)計了對無效鉆石定位結(jié)果的過濾算法。過濾算法雖然增加了定位時的運(yùn)算時間，但是卻大大提高了系統(tǒng)的定位精度。

[1]劉金橋,吳金強(qiáng).機(jī)器視覺系統(tǒng)發(fā)展及其應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動化,2010；1(158):215-216.

[2]焦圣喜,肖德軍,闞一凡.霍夫變換算法在圓心視覺定位中的應(yīng)用研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2013；13(14):4089-4093.

[3]魏新國,張廣軍.基于亞像素邊緣提取的圓心定位方法[R].中國光電技術(shù)學(xué)術(shù)交流會,2002.

[4]吳慧蘭,劉國棟,等.基于SIFT算法的圓心快速精確定位技術(shù)研究[J].光電子·激光,2008；19(11):1512-1515.