劉璧鉞，趙章焰

基于改進(jìn)LSD和AP聚類(lèi)的路徑邊緣識(shí)別策略

劉璧鉞，趙章焰

(武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)攀爬機(jī)器人的路徑邊緣識(shí)別策略分為3個(gè)步驟。①圖像預(yù)處理，利用改進(jìn)的過(guò)顏色算子進(jìn)行灰度化；②使用基于支持向量機(jī)(SVM)最優(yōu)分類(lèi)線的方法確定梯度閾值，并增設(shè)主方向角約束，改進(jìn)線段分割檢測(cè)(LSD)算法，得到直線段檢測(cè)圖像；③對(duì)直線段進(jìn)行特征提取，構(gòu)建聚類(lèi)數(shù)據(jù)集，基于數(shù)據(jù)集動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，將基于先驗(yàn)信息的判別模型與近鄰傳播(AP)聚類(lèi)算法相結(jié)合，改進(jìn)AP聚類(lèi)算法，對(duì)直線段進(jìn)行聚類(lèi)，篩選出構(gòu)成路徑邊緣的直線段，并擬合得到最終的路徑邊緣線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相較AP聚類(lèi)和其他聚類(lèi)算法，改進(jìn)AP聚類(lèi)算法的篩選準(zhǔn)確率最高；基于改進(jìn)LSD和AP聚類(lèi)的路徑邊緣識(shí)別策略的識(shí)別成功率為96%，且滿足精度和實(shí)時(shí)性要求。

邊緣識(shí)別；過(guò)顏色算子；LSD；SVM；特征提??；AP聚類(lèi)

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)起重機(jī)的檢測(cè)主要依靠人力攀爬完成，風(fēng)險(xiǎn)大、效率低。因此，開(kāi)發(fā)應(yīng)用于大型起重機(jī)械的攀爬機(jī)器人，可降低對(duì)起重機(jī)保養(yǎng)、維護(hù)、檢測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)，提高工作效率。大型起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)總體尺寸大，顏色單一，如圖1所示。

圖1 大型起重機(jī)械

攀爬機(jī)器人的路徑識(shí)別對(duì)象主要是起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)化路徑。目前常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)化路徑識(shí)別研究包括公路車(chē)道線識(shí)別[1]、變電站巡檢機(jī)器人導(dǎo)引路徑識(shí)別[2]、AGV小車(chē)導(dǎo)引路徑識(shí)別[3-4]、智能汽車(chē)賽道識(shí)別[5]等。上述結(jié)構(gòu)化路徑具有顯著特點(diǎn)：背景顏色單一，路徑處于二維平面內(nèi)，環(huán)境干擾較少，路徑表面缺陷較少，路徑顏色和地面背景顏色差別較大，故其邊緣更易于識(shí)別。

相較于上述常見(jiàn)的位于二維平面上的結(jié)構(gòu)化路徑，金屬結(jié)構(gòu)路徑處于三維空間中，環(huán)境與背景更為復(fù)雜多變，路徑表面缺陷更多，導(dǎo)致路徑圖像中的干擾直線段更多，路徑邊緣提取更為困難。結(jié)合起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)路徑的特點(diǎn)，本文提出一種基于改進(jìn)線段分割檢測(cè)(line segment detector, LSD)算法和近鄰傳播(affinity propagation, AP)聚類(lèi)算法的路徑邊緣識(shí)別策略。整體流程如圖2所示。

圖2 識(shí)別策略流程圖

LSD算法的目標(biāo)在于檢測(cè)圖像中局部、平直的輪廓，對(duì)于被遮擋或局部模糊的路徑邊緣線，經(jīng)常會(huì)被割裂為多條短直線。因此，需從LSD算法檢測(cè)得到的所有直線段中，剔除干擾直線段，篩選出構(gòu)成路徑邊緣的直線段。本文基于支持向量機(jī)(support vector machine, SVM)最優(yōu)分類(lèi)線的方法確定梯度閾值，并增設(shè)梯度閾值和主方向角約束，改進(jìn)LSD算法，降低檢測(cè)出的干擾直線段數(shù)量。

由于直線段檢測(cè)圖像始終隨路徑圖像動(dòng)態(tài)變化，因此難以確定合適的直線段特征，使其在不同圖像中，均能穩(wěn)定且準(zhǔn)確地區(qū)分路徑邊緣線和干擾直線段。常見(jiàn)的基于特征約束和機(jī)器學(xué)習(xí)的路徑邊緣識(shí)別方法[6-7]不適用于本研究。

基于此，本文對(duì)每一幅直線段檢測(cè)圖像，提取合適的直線段特征，采用聚類(lèi)算法，將特征相似的路徑邊緣線聚為一類(lèi)并進(jìn)行篩選。同時(shí)，基于聚類(lèi)數(shù)據(jù)集動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，將基于先驗(yàn)信息的判別模型與AP聚類(lèi)相結(jié)合，改進(jìn)AP聚類(lèi)算法[8-9]。該算法無(wú)需調(diào)節(jié)參數(shù)，聚類(lèi)結(jié)果準(zhǔn)確度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)聚類(lèi)，適用于動(dòng)態(tài)變化的聚類(lèi)樣本。

1 圖像預(yù)處理

基于金屬路徑顯著的顏色特征，本文通過(guò)構(gòu)建RGB顏色空間下的過(guò)顏色算子對(duì)路徑圖像進(jìn)行灰度化，過(guò)顏色算子用于凸顯具有明顯顏色特征的前景區(qū)域。通過(guò)確定需要凸顯的顏色特征，將其對(duì)應(yīng)的顏色分量記為主顏色分量，讓每個(gè)像素點(diǎn)的主顏色分量減去其他顏色分量，并保證主顏色分量的權(quán)值絕對(duì)值等于其他顏色分量的權(quán)值絕對(duì)值之和。記(，)為像素點(diǎn)(，)處的灰度值，傳統(tǒng)過(guò)顏色算子灰度化的公式為

其中，算子、算子和算子分別對(duì)應(yīng)于凸顯彩色圖像中的紅色、綠色和藍(lán)色區(qū)域。

本文在傳統(tǒng)過(guò)顏色算子的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。不僅考慮路徑區(qū)域像素點(diǎn)的主顏色分量，還將其余2種顏色分量細(xì)化為更小的次顏色分量和最小的末顏色分量。根據(jù)3種顏色分量的相對(duì)大小關(guān)系，將主、末、次顏色分量的權(quán)值依次設(shè)為(>2)、–(–1)、–1。這樣不但保證了主顏色分量的權(quán)值絕對(duì)值等于其余顏色分量的權(quán)值絕對(duì)值之和，而且通過(guò)增大被減數(shù)的權(quán)值，增大較小的減數(shù)權(quán)值，降低較大的減數(shù)權(quán)值，進(jìn)一步提升了路徑區(qū)域灰度值，增大了路徑區(qū)域和背景區(qū)域的灰度差異，從而增大了路徑邊緣處梯度值，有利于路徑邊緣線的檢測(cè)。改進(jìn)過(guò)顏色算子灰度化的公式為

起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)路徑表面存在漆面脫落、金屬銹蝕、漆面污漬、光照陰影等表面缺陷區(qū)域，這些缺陷區(qū)域具有和路徑區(qū)域相同的主顏色分量，只是分量值較低，因此在灰度圖中表現(xiàn)為暗區(qū)域，其邊緣梯度會(huì)導(dǎo)致干擾直線段的誤檢測(cè)。適度增大值可有效提升暗區(qū)域的灰度值，削弱暗區(qū)域，降低其邊緣梯度值，如圖3所示。

對(duì)于削弱后的暗區(qū)域，其邊緣梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于路徑邊緣梯度，如圖3中的三維灰度圖所示。故通過(guò)增設(shè)梯度閾值約束，可消除由金屬路徑表面缺陷導(dǎo)致的干擾直線段。

2 路徑邊緣線識(shí)別

得到經(jīng)預(yù)處理的路徑灰度圖之后，需用邊緣檢測(cè)算法得到直線段檢測(cè)圖像。相比于傳統(tǒng)的Sobel，Log，Canny等邊緣檢測(cè)算法，LSD算法精度更高，處理速度更快且無(wú)需調(diào)節(jié)參數(shù)；同時(shí)，LSD算法可輸出每條直線段在像素坐標(biāo)系下的斜率k、截距b、端點(diǎn)的像素坐標(biāo)及長(zhǎng)度參數(shù)，便于獲取用于聚類(lèi)的直線段特征，如圖4所示。因此本文采用LSD算法檢測(cè)直線段。

然而，起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，背景區(qū)域往往會(huì)出現(xiàn)和路徑區(qū)域具有相同顏色特征的非路徑金屬結(jié)構(gòu)；同時(shí)，路徑表面存在各種表面缺陷。因此，由LSD算法得到的直線段檢測(cè)圖像會(huì)包含很多干擾直線段。本文需提出一種路徑邊緣線識(shí)別策略，準(zhǔn)確篩選出構(gòu)成路徑邊緣的直線段。

2.1 LSD算法基本原理

LSD是一種直線分割檢測(cè)算法[10]。該算法基于每個(gè)像素點(diǎn)的梯度方向和梯度幅值，通過(guò)約束規(guī)則，對(duì)滿足約束的像素點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng)，生成線支持區(qū)域，作為直線段檢測(cè)的候選對(duì)象。通過(guò)線支持區(qū)域的最小外接矩形，可判定該線支持區(qū)域是否為一個(gè)直線段。

(a)=3

(b)=4

(c) m=5

圖4 輸出直線段參數(shù)

2.2 改進(jìn)LSD算法

傳統(tǒng)LSD算法中，滿足要求的線支持區(qū)域被檢測(cè)為直線段。因此，本文對(duì)線支持區(qū)域增設(shè)梯度閾值和主方向角約束，改進(jìn)LSD算法[11-12]，有效降低傳統(tǒng)LSD算法檢測(cè)出的干擾直線段數(shù)量。

2.2.1 梯度閾值約束

圖像預(yù)處理后，削弱了常見(jiàn)金屬表面缺陷造成的暗區(qū)域，增大了暗區(qū)域邊緣與路徑邊緣的梯度差值。本文通過(guò)增設(shè)梯度閾值，消除上述暗區(qū)域邊緣造成的干擾直線段。像素點(diǎn)梯度值按照2×2的掩模計(jì)算，像素坐標(biāo)系下，記像素點(diǎn)(，)處的灰度值為(,)，梯度值(,)，即

其中，

梯度閾值應(yīng)大于暗區(qū)域邊緣處像素點(diǎn)的梯度值，小于路徑邊緣處像素點(diǎn)的梯度值。梯度值小于的像素點(diǎn)被拒絕參與線支持區(qū)域的構(gòu)建，從而使輸出的直線段不包含暗區(qū)域邊緣干擾直線段。

通過(guò)將灰度圖像轉(zhuǎn)換為梯度圖像，可利用大津閾值法自適應(yīng)地確定每一幅梯度圖像的梯度閾值。但由于大津閾值法是一個(gè)基于圖像全局的閾值分割方法，確定時(shí)，考慮了梯度圖像中大多數(shù)梯度值為0的像素點(diǎn)，故得到的極小，無(wú)法保證大于暗區(qū)域邊緣處的梯度值。

因此，基于暗區(qū)域邊緣和路徑邊緣梯度值的巨大差異，本文提出一種基于二分類(lèi)SVM最優(yōu)分類(lèi)線的方法確定，使其能適用于所有圖像。共有400幅訓(xùn)練集路徑圖像，在獲取訓(xùn)練數(shù)據(jù)時(shí)，只需獲取每一幅圖像中，使暗區(qū)域造成的干擾直線段全部消失的最小梯度閾值U，使路徑邊緣線開(kāi)始消失的最小梯度閾值H。通過(guò)得到分割和兩類(lèi)數(shù)據(jù)的最優(yōu)分類(lèi)線，確定。步驟如下：

步驟1.獲取訓(xùn)練集數(shù)據(jù)。由于LSD算法可設(shè)置梯度閾值，故本文采用從小到大遍歷梯度閾值的方法，對(duì)LSD的梯度閾值參數(shù)由小到大進(jìn)行取值，觀察直線段檢測(cè)圖像的結(jié)果，從而確定每一幅圖像對(duì)應(yīng)的U和H。

步驟2.添加標(biāo)簽。所有U構(gòu)成集合U，將U內(nèi)所有數(shù)據(jù)的類(lèi)別標(biāo)簽設(shè)為–1；所有H構(gòu)成集合H，將H內(nèi)所有數(shù)據(jù)的類(lèi)別標(biāo)簽設(shè)為1。則訓(xùn)練數(shù)據(jù)集={(1,1), (2,2),···,(800,800)}，=(1,2)，1為訓(xùn)練集圖像標(biāo)號(hào)，2為U和H包含的梯度閾值，∈{–1, 1}。

步驟3.用訓(xùn)練SVM，得到能將U和H分開(kāi)的最優(yōu)分類(lèi)線。圖5中黑線為SVM確定的最優(yōu)分類(lèi)線，圈出的數(shù)據(jù)點(diǎn)為支持向量。令為最優(yōu)分類(lèi)線中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的梯度閾值。

圖5 SVM分類(lèi)圖像

={|為支持向量在訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中的下標(biāo)}，將1=200代入式(4)，解得2== 45.84。

基于SVM最優(yōu)分類(lèi)的思想，梯度閾值能實(shí)現(xiàn)對(duì)U與H兩類(lèi)數(shù)據(jù)的最佳分割，并具有最大分類(lèi)間隔。由此得到的可保證使暗區(qū)域干擾直線段全部消失的同時(shí)，不影響路徑邊緣線的檢測(cè)。

通過(guò)梯度閾值約束，路徑區(qū)域內(nèi)部因表面缺陷導(dǎo)致的干擾直線段被有效抑制，從而使檢測(cè)出的干擾直線段都位于路徑邊緣線外的背景區(qū)域，并作為先驗(yàn)信息構(gòu)建判別模型，改進(jìn)AP算法。

2.2.2 主方向角約束

本文將LSD算法中，線支持區(qū)域最小外接矩形的主慣性軸方向作為其對(duì)應(yīng)的直線段朝向。通過(guò)將主慣性軸方向角約束于指定角度范圍，可使LSD算法檢測(cè)出的直線段傾角均位于上述范圍，改進(jìn)LSD算法?；诖?，通過(guò)將路徑邊緣線傾角所在范圍作為角度約束范圍，可剔除與路徑邊緣線傾角差異較大的干擾直線段，降低其數(shù)量。設(shè)右、左路徑邊緣傾角約束范圍為[1,2]、[3,4]。

通過(guò)將線支持區(qū)域看做一個(gè)實(shí)體，其內(nèi)每個(gè)像素點(diǎn)的梯度值作為像素點(diǎn)的質(zhì)量，整個(gè)實(shí)體的質(zhì)心作為最小外接矩形的中心點(diǎn)。記線支持區(qū)域?yàn)椋鋬?nèi)像素點(diǎn)的坐標(biāo)為(x,)，梯度值為(x,y)，則矩形的中心點(diǎn)(c,c)為

矩形的主慣性軸方向?yàn)榫仃嚨淖钚√卣髦祵?duì)應(yīng)的特征向量角度為

記特征值和2維列向量=(1，2)T，使

2.3 平面位置約束

由于構(gòu)成左路徑邊緣的直線段不會(huì)整體位于中軸線右側(cè)；構(gòu)成右路徑邊緣的直線段不會(huì)整體位于中軸線左側(cè)。因此，通過(guò)約束直線段端點(diǎn)的橫坐標(biāo)，使所有<0的直線段均整體位于中軸線左側(cè)，>0的直線段均整體位于中軸線右側(cè)，剔除圖6(a)中的綠色干擾直線段2，得到圖6(b)。

圖6 平面位置約束檢測(cè)圖像

2.4 直線段聚類(lèi)

經(jīng)梯度閾值、傾斜角和平面位置約束后，顯著減少了LSD算法檢測(cè)出的干擾直線段數(shù)量，干擾直線段均位于路徑邊緣線外側(cè)的背景區(qū)域，且和同側(cè)路徑邊緣線的斜率正負(fù)相同，并位于約束范圍內(nèi)，得到最終用于聚類(lèi)的直線段檢測(cè)圖像，定義為聚類(lèi)樣本圖像，如圖6(b)所示。

2.4.1 直線段特征提取

結(jié)合LSD算法輸出的直線段參數(shù)，對(duì)于每一幅聚類(lèi)樣本圖像，將位于中軸線左、右兩側(cè)的直線段各作為一個(gè)聚類(lèi)樣本集，分別提取特征并進(jìn)行聚類(lèi)操作，依次識(shí)別出左、右路徑邊緣線。提取的特征應(yīng)滿足：路徑邊緣線之間的特征差異較小，路徑邊緣線和干擾直線段之間的特征差異較大。特征提取如圖7所示，對(duì)于聚類(lèi)樣本圖像中的所有直線段，將每條直線段延長(zhǎng)至與圖像邊緣相交，使每條直線段都對(duì)應(yīng)一個(gè)直角三角形。直角三角形的兩直角邊L與W，點(diǎn)到直線的距離d以及直角三角形的面積S，都可作為直線段的聚類(lèi)特征。由于上述4個(gè)特征之間具有相關(guān)性。本文從4個(gè)特征之中選取S和L這2個(gè)特征作為最終的直線段聚類(lèi)特征，將4維特征向量降為2維特征向量，方便聚類(lèi)的同時(shí)仍保留了區(qū)分能力。

圖7 特征提取模型

2.4.2 AP聚類(lèi)

AP聚類(lèi)[13]是2007年在Science上提出的一種聚類(lèi)算法，其特點(diǎn)為：無(wú)需指定聚類(lèi)個(gè)數(shù)和聚類(lèi)中心，將所有數(shù)據(jù)點(diǎn)視為潛在聚類(lèi)中心，對(duì)數(shù)據(jù)的初始值、異常值不敏感。該特點(diǎn)適用于本文動(dòng)態(tài)變化的數(shù)據(jù)集。

AP算法的基本思想是將全部數(shù)據(jù)看作網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將所有節(jié)點(diǎn)視為潛在聚類(lèi)中心，通過(guò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的相似度，構(gòu)成相似度矩陣，再通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的消息傳遞，找到最合適的聚類(lèi)中心[14]。

節(jié)點(diǎn)間傳遞的消息分為吸引度和歸屬度。吸引度(,)反映點(diǎn)適合作為點(diǎn)的聚類(lèi)中心的吸引程度；歸屬度(,)反映點(diǎn)選擇點(diǎn)作為其聚類(lèi)中心的歸屬程度。(,)與(,)越強(qiáng)，點(diǎn)作為聚類(lèi)中心的能力越大。AP聚類(lèi)分為4個(gè)步驟：

步驟1. 初始化吸引度和歸屬度矩陣為0矩陣，并計(jì)算相似度矩陣，確定參考度，本文取相似度矩陣元素的中位數(shù)；

步驟2. 計(jì)算吸引度和歸屬度，即

步驟3.更新吸引度和歸屬度。為阻尼系數(shù)，用于調(diào)節(jié)收斂速度和迭代穩(wěn)定性，本文取=0.7，即

步驟4.若迭代次數(shù)超過(guò)設(shè)定值或者聚類(lèi)中心在若干次迭代后保持不變，則停止計(jì)算。取(,)與(,)之和最大的作為聚類(lèi)中心，并依據(jù)聚類(lèi)中心對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)；否則返回步驟2循環(huán)。

2.4.3 改進(jìn)AP聚類(lèi)

由于數(shù)據(jù)存在誤差，AP聚類(lèi)得到的路徑邊緣線所在類(lèi)別可能包含干擾直線段，或未包含全部路徑邊緣直線段。為了對(duì)路徑邊緣線進(jìn)行更為精確的聚類(lèi)，本文在AP聚類(lèi)的基礎(chǔ)上，結(jié)合基于先驗(yàn)信息的判別模型，改進(jìn)AP聚類(lèi)算法[15-16]。

為提高判別效率，只提取特征作為判別依據(jù)。記聚類(lèi)數(shù)據(jù)集={1,2,···,,···,}，=(S,L)為直線段對(duì)應(yīng)的特征向量，AP聚類(lèi)后的個(gè)類(lèi)別為{1,2, ···,C, ···,C｝。計(jì)算每個(gè)類(lèi)別C中特征的平均值，記為ave-v，類(lèi)別C的聚類(lèi)中心記為core-v。本文可獲得的先驗(yàn)信息如圖8所示。

圖8 先驗(yàn)信息

確定core-path后，設(shè)置路徑邊緣線識(shí)別半徑，用于添加未識(shí)別的路徑邊緣線或剔除干擾直線段。距core-path對(duì)應(yīng)的路徑邊緣線距離為0.035且平行的2條直線圍成的梯形面積記為tra，取=0.5·tra，則識(shí)別半徑，即

其中，，，分別為對(duì)應(yīng)的路徑邊緣直線段的斜率、特征和特征。

結(jié)合先驗(yàn)信息的判別模型流程如下：

步驟1.基于先驗(yàn)信息1、2，經(jīng)AP聚類(lèi)得到path，其聚類(lèi)中心core-path對(duì)應(yīng)特征core-path，其他類(lèi)別的聚類(lèi)中心core-v對(duì)應(yīng)特征core-v；

步驟2.計(jì)算∣core-path－core-v∣是否小于，對(duì)于小于的core-v，將其聚類(lèi)中心core-v對(duì)應(yīng)的類(lèi)別C合并到path中，得到′path，′path的聚類(lèi)中心記為等效聚類(lèi)中心core-path，其值為原來(lái)的core-path與合并進(jìn)來(lái)的其他core-v的均值，core-path對(duì)應(yīng)特征core-path；

步驟3.計(jì)算path內(nèi)其他數(shù)據(jù)點(diǎn)的特征與core-path的距離。若小于，則該數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的直線段被判別為路徑邊緣線；若大于，被判別為干擾直線段，并從path中剔除，得到最終識(shí)別出的路徑邊緣線所在類(lèi)別path-final。

判別過(guò)程如圖9所示，對(duì)應(yīng)上述3個(gè)步驟。

判別模型將C劃入path，并在合并得到′path后，剔除干擾直線段，最終確定出路徑邊緣線類(lèi)別path-final。由于該判別模型選用類(lèi)別的聚類(lèi)中心作為判別依據(jù)，故對(duì)由數(shù)據(jù)誤差造成的異常點(diǎn)不敏感，可靠性更好；并且參數(shù)能隨樣本自適應(yīng)變化，能自主實(shí)現(xiàn)對(duì)不同樣本的精確篩選。

利用LSD算法輸出的直線段信息，獲得′path-final中直線段的端點(diǎn)坐標(biāo)，作為路徑邊緣線的擬合點(diǎn)，擬合得到的直線作為路徑邊緣線。

圖9 判別流程圖

3 實(shí)驗(yàn)與分析

本文采用Matlab R2017b平臺(tái)進(jìn)行算法仿真測(cè)試。路徑圖像分別取自國(guó)內(nèi)3個(gè)港口的起重機(jī)械以及本學(xué)院的港口起重機(jī)裝備實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，共包含500張樣本圖片，圖片大小分為640×480和480×640兩種。

3.1 圖像預(yù)處理

用改進(jìn)過(guò)顏色算子灰度化，設(shè)置主分量系數(shù)=4，并和傳統(tǒng)過(guò)顏色算子進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試示例如圖10所示。可以看到，用改進(jìn)過(guò)顏色算子灰度化后，路徑區(qū)域和背景區(qū)域的灰度值差異較大，路徑邊緣明顯，且由表面缺陷導(dǎo)致的暗區(qū)域被有效削弱，灰度化效果顯著優(yōu)于傳統(tǒng)過(guò)顏色算子。

3.2 改進(jìn)LSD算法測(cè)試

基于SVM的最優(yōu)分類(lèi)線，得到梯度閾值= 45.84。在本文實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，對(duì)500幅路徑樣本圖像進(jìn)行分析，得到路徑邊緣線斜率的絕對(duì)值始終位于[2,4]之間，且路徑邊緣線傾角的變化幅度不超過(guò)15°，故將[2,4]設(shè)置為L(zhǎng)SD算法的角度約束范圍。測(cè)試示例如圖11所示。

圖10 圖像預(yù)處理

圖11 改進(jìn)LSD檢測(cè)圖

可以看到，經(jīng)梯度閾值、主方向角、平面位置約束后，路徑表面由暗區(qū)域?qū)е碌母蓴_直線段被有效清除，檢測(cè)出來(lái)的直線段斜率||∈[2,4]。500幅樣本圖像中，僅有8幅圖像的路徑區(qū)域干擾直線段未被全部清除，成功率為98.4%，可見(jiàn)基于SVM的梯度閾值選取結(jié)果較為可靠。若需改變角度約束范圍，在保證路徑邊緣線斜率始終位于約束范圍之內(nèi)的前提下，可更改LSD算法的角度約束范圍。

3.3 路徑邊緣線聚類(lèi)測(cè)試

聚類(lèi)樣本圖像如圖11(c)所示。本文列舉7個(gè)變化的數(shù)據(jù)集，使用改進(jìn)AP聚類(lèi)算法篩選路徑邊緣直線段，測(cè)試示例如圖12所示。圖中紅色虛線框?yàn)樽罱K識(shí)別出的路徑邊緣線類(lèi)別′path-final，其包含的數(shù)據(jù)點(diǎn)為最終篩選出的路徑邊緣直線段對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，在樣本數(shù)據(jù)表中標(biāo)紅表示，聚類(lèi)中心數(shù)據(jù)點(diǎn)的標(biāo)號(hào)注明星號(hào)。為方便顯示聚類(lèi)結(jié)果，將特征放大100倍。

本例中，Cpath的聚類(lèi)中心Icore-path對(duì)應(yīng)直線段1，識(shí)別半徑ρ=2349。改進(jìn)AP算法得到的C′path-final與AP算法得到的Cpath相同，因此兩種算法對(duì)路徑邊緣線的篩選結(jié)果相同(a) 樣例1本例中，Cpath的聚類(lèi)中心Icore-path對(duì)應(yīng)直線段1，識(shí)別半徑ρ=2504，改進(jìn)AP算法得到的C′path-final與AP算法得到的Cpath相同，因此兩者對(duì)路徑邊緣線的篩選結(jié)果相同(b) 樣例2 本例中，Icore-path對(duì)應(yīng)直線段14，識(shí)別半徑ρ=2582。C′path-final剔除了Cpath中標(biāo)號(hào)13的干擾直線段，因此改進(jìn)AP聚類(lèi)優(yōu)化了AP聚類(lèi)的篩選結(jié)果(c) 樣例3本例中，Icore-path對(duì)應(yīng)直線段2，識(shí)別半徑ρ=2981。Cpath首先合并了以直線段6為聚類(lèi)中心的類(lèi)別，然后依據(jù)等效聚類(lèi)中心剔除了標(biāo)號(hào)1的干擾直線段，得到C′path-final。故改進(jìn)AP聚類(lèi)優(yōu)化了AP聚類(lèi)的篩選結(jié)果(d) 樣例4

由圖12可知，面對(duì)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)、數(shù)據(jù)大小、數(shù)據(jù)分布及數(shù)據(jù)密度都不同的聚類(lèi)數(shù)據(jù)樣本，改進(jìn)AP聚類(lèi)算法均能自主判斷最佳聚類(lèi)個(gè)數(shù)和聚類(lèi)中心，從而準(zhǔn)確篩選出所有構(gòu)成路徑邊緣的直線段，無(wú)需手動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)聚類(lèi)數(shù)據(jù)集的自適應(yīng)聚類(lèi)操作。

為了客觀的表示聚類(lèi)效果，本文定義路徑邊緣線正檢率和干擾直線段誤檢率。

將本文聚類(lèi)算法與其他常見(jiàn)的無(wú)需指定聚類(lèi)個(gè)數(shù)的聚類(lèi)算法進(jìn)行比較，見(jiàn)表1。

表1 聚類(lèi)算法對(duì)比(%)

由表1可以看出，改進(jìn)AP聚類(lèi)算法的和均優(yōu)于其他聚類(lèi)算法，篩選效果最好，且運(yùn)行時(shí)間滿足實(shí)時(shí)性要求。

3.4 路徑邊緣線擬合

篩選出所有構(gòu)成路徑邊緣的直線段后，將其端點(diǎn)作為路徑邊緣線的擬合點(diǎn)，擬合得到最終的路徑邊緣線，如圖13所示。

3.5 評(píng)價(jià)與分析

基于擬合出的路徑邊緣線特征(sim，sim，sim)與真實(shí)路徑邊緣線特征(real，real，real)，定義方位誤差、傾斜角誤差，即

大型起重機(jī)械的漆面顏色大部分為紅色，橘色或黃色，少部分為藍(lán)色，幾乎沒(méi)有綠色。因此樣本的主顏色分量有R和B這2種。本文對(duì)比了不同主顏色分量和天氣條件下的識(shí)別成功率，若≤3%且≤1°，則識(shí)別成功，其成功率見(jiàn)表2。

(a) 原圖 (b)篩選結(jié)果 (c) 擬合結(jié)果

表2 識(shí)別成功率

由于晴天光照和天空背景的影響，晴天和主顏色分量為B時(shí)，識(shí)別成功率略低一些。主顏色分量為B的樣本圖像有79幅，主顏色分量為R的樣本圖像有421幅。本文按樣本數(shù)量百分比加權(quán)平均，得到陰天的整體識(shí)別成功率為97.21%，晴天的整體識(shí)別成功率為95.56%，成功率較高。

選取所有識(shí)別成功的樣本圖像，計(jì)算識(shí)別精度見(jiàn)表3，整體精度較高。

表3 識(shí)別精確度

實(shí)驗(yàn)在主頻2.2 GHz、內(nèi)存4 GB的硬件配置下進(jìn)行，處理速度為7 fps，能夠滿足爬行速度為0.03~0.05 m/s的攀爬機(jī)器人路徑識(shí)別實(shí)時(shí)性要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)路徑的特點(diǎn)，創(chuàng)新性地提出一種基于改進(jìn)LSD和AP聚類(lèi)的路徑邊緣識(shí)別策略。利用LSD算法輸出的直線段參數(shù)提取直線段特征，提出適用于動(dòng)態(tài)樣本的改進(jìn)AP聚類(lèi)算法，優(yōu)化檢測(cè)結(jié)果。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明，本文的路徑邊緣線識(shí)別策略在滿足精度和實(shí)時(shí)性的前提下，對(duì)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)路徑邊緣直線段的檢測(cè)成功率為96%。不足之處為本文的路徑邊緣識(shí)別策略主要針對(duì)機(jī)器人攀爬行走過(guò)程中的路徑識(shí)別，機(jī)器人的轉(zhuǎn)向和避障依靠多傳感器協(xié)同完成。在今后的研究中可嘗試僅依靠機(jī)器視覺(jué)完成機(jī)器人轉(zhuǎn)向、避障等所有動(dòng)作。

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Path Edge Recognition Strategy Based on Improved LSD and AP Clustering

LIU Bi-yue, ZHAO Zhang-yan

(School of Logistics Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430063, China)

The path edge recognition strategy of the crane metal structure climbing robot is divided into three steps. Firstly, image pre-processing which means using the improved over-color operator for grayscale. Secondly, the gradient threshold is determined by the method based on the optimal classification line of the support vector machine, in addition, main direction angle constraint is added to improve line segment detector (LSD) algorithm, and obtain the straight line detection image for clustering. Thirdly, the clustering data set is constructed by the feature extraction of straight line segments. Based on the dynamism of the data set feature of, the improved AP clustering algorithm is established by combining the prior information based discriminant model with the affinity propagation (AP) clustering algorithm to cluster the line segments and screen out the line segments constituting the edge of the path, and obtain the final path edge line by fitting. The experimental results show that compared with the traditional AP clustering and other clustering algorithms, the improved AP clustering algorithm has the highest screening accuracy for path edge lines.The recognition success rate of path edge recognition strategy based on improved LSD and AP clustering is 96% which meets the accuracy and real-time requirements.

edge recognition; over-color operator; LSD; SVM; feature extraction; AP clustering

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2019050915

A

2095-302X(2019)05-0915-10

2019-04-25；

2019-07-08

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC0805703，2016YFF0203100)

劉璧鉞(1993-)，男，河南南陽(yáng)人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)閳D像識(shí)別、機(jī)器視覺(jué)、機(jī)器人導(dǎo)航等。E-mail：13797000199@163.com

趙章焰(1963-)，男，湖北武漢人，教授，博士，博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械安全性評(píng)估、攝影測(cè)量。E-mail：13871001982@163.com