基于圖像處理的珍珠形狀和螺紋檢測(cè)系統(tǒng)研究

黃柳+鄭春煌+周明朗+章潤(rùn)琪

摘 要：針對(duì)目前珍珠形狀和螺紋自動(dòng)檢測(cè)困難的問(wèn)題，該文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于圖像處理的檢測(cè)系統(tǒng)，采用單向光源和環(huán)形光源結(jié)合的照明方案，利用變焦顯微系統(tǒng)、圖像傳感器、圖像采集卡以及圖像處理軟件，來(lái)自動(dòng)、準(zhǔn)確的檢測(cè)珍珠的形狀、大小和螺紋信息。

關(guān)鍵詞：珍珠 形狀大小 螺紋 圖像處理

中圖分類(lèi)號(hào)：TH741 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）03（b）-0065-02

隨著物質(zhì)水平的日益提高，人們對(duì)珍珠的需求越來(lái)越大，珍珠養(yǎng)殖、加工已經(jīng)發(fā)展為一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)[1]。2002年，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18781-2002（養(yǎng)殖珍珠分級(jí)）[2]出臺(tái)，實(shí)現(xiàn)珍珠自動(dòng)、快速分級(jí)成為珍珠生產(chǎn)企業(yè)的首要目標(biāo)。目前我國(guó)珍珠分級(jí)大部分還停留在人工篩選階段，這種傳統(tǒng)的檢測(cè)方法勞動(dòng)力成本大、生產(chǎn)效率低，易受工人主觀影響，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)難以控制，誤判率高[3]。隨著光電檢測(cè)技術(shù)和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的研究者將機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用到珍珠檢測(cè)中[4]。為此，本文研究一種基于圖像處理技術(shù)的珍珠機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)珍珠大小、形狀和螺紋瑕疵的準(zhǔn)確檢測(cè)。

1 檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本圖像檢測(cè)系統(tǒng)包括硬件與軟件兩部分，硬件由照明系統(tǒng)、變焦顯微系統(tǒng)、圖像傳感器、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)組成。珍珠在照明系統(tǒng)的照射下，經(jīng)由變焦顯微系統(tǒng)成像至圖像傳感器上，圖像信息經(jīng)由圖像采集卡傳入計(jì)算機(jī)中。在計(jì)算機(jī)中采用圖像處理軟件對(duì)圖片進(jìn)行處理，提取出珍珠的大小、形狀和螺紋等參數(shù)，并將處理結(jié)果按照珍珠分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)做即時(shí)判別，最后實(shí)現(xiàn)珍珠的自動(dòng)分選，系統(tǒng)檢測(cè)原理如圖1所示。

珍珠是一個(gè)光澤度高和曲率較大的物體，表面的光學(xué)特性相當(dāng)復(fù)雜。該文采用單向高角度照明結(jié)合環(huán)形照明的方式來(lái)將整顆珍珠照射通亮，采集到的珍珠圖片如圖2所示。圖片中的珍珠邊緣和形狀清晰，照明均勻。

2 圖像處理算法

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)采集到的珍珠圖片（a）首先經(jīng)由圖像預(yù)處理模塊，進(jìn)行灰度化（b）來(lái)減少運(yùn)算量，采用閾值分割算法（c）將珍珠對(duì)象從背景中提取出來(lái)，利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法（d）來(lái)去除孤立點(diǎn)和填充空洞；然后標(biāo)記珍珠邊界，提取其質(zhì)心（e），圖像預(yù)處理效果如圖3所示。

對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的圖像，標(biāo)記出輪廓的最長(zhǎng)徑，如圖4（a）所示。

最長(zhǎng)徑將珍珠分成兩部分，每部分中的螺紋個(gè)數(shù)相同，檢測(cè)時(shí)隨機(jī)選取其中一部分。繪制出的θ-h二維曲線圖，如圖4（b）所示，其中橫坐標(biāo)為輪廓上各點(diǎn)角度θi，縱坐標(biāo)為輪廓上各邊界點(diǎn)到最長(zhǎng)徑的垂直距離hi。

從圖4（b）可以看出，二維曲線能夠很好的反映出左輪廓的真實(shí)信息，曲線上的波谷恰好能與珍珠輪廓上的螺紋對(duì)應(yīng)起來(lái)，波谷的個(gè)數(shù)即螺紋的個(gè)數(shù)。對(duì)θ-h二維曲線圖進(jìn)行曲線擬合，計(jì)算曲線的極小值個(gè)數(shù)。經(jīng)計(jì)算得到圖5（b）存在兩個(gè)極小值，輸出螺紋個(gè)數(shù)2。

3 實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)所采用的圖像傳感器像素為1280*1024，利用三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)量塊1 mm對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果為p=19.02 μm/pixel，實(shí)驗(yàn)所用樣品均由諸暨銘記珠寶有限公司提供。利用本系統(tǒng)對(duì)珍珠樣品進(jìn)行形狀、大小檢測(cè)，樣品圖像處理結(jié)果如圖5所示，并將系統(tǒng)測(cè)量值與精確度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量值作比較，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。從測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與游標(biāo)卡尺測(cè)量值基本一致，誤差在30 μm以?xún)?nèi)。

利用本系統(tǒng)對(duì)珍珠樣品進(jìn)行螺紋檢測(cè)，采集到的珍珠圖像和對(duì)應(yīng)的θ-h二維曲線如圖6（a）～（c）所示。

對(duì)三幅θ-h二維曲線圖進(jìn)行多次曲線擬合，計(jì)算極小值，得到每幅圖對(duì)應(yīng)的極小值個(gè)數(shù)分別為0、1、5，與珍珠的螺紋個(gè)數(shù)吻合，說(shuō)明了本螺紋檢測(cè)方案準(zhǔn)確性較好。

4 結(jié)語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種珍珠形狀大小圖像檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)解決珍珠形狀和螺紋檢測(cè)難的問(wèn)題。該系統(tǒng)采用用圖像預(yù)處理模塊、珍珠形狀大小檢測(cè)模塊以及螺紋檢測(cè)模塊來(lái)自動(dòng)、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)珍珠形狀、大小和螺紋的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)測(cè)量誤差小，輸出螺紋個(gè)數(shù)正確。此外，改變變焦顯微系統(tǒng)的放大倍數(shù)，能進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的測(cè)量范圍。

參考文獻(xiàn)

[1] 張輝，張蓓莉.中國(guó)的養(yǎng)殖珍珠資源及市場(chǎng)[J].寶石和寶石雜志，2004，6（4）：14-18.

[2] GB/T18781-2002，中國(guó)人民共和國(guó)養(yǎng)殖珍珠國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] Lee B Y.，Juan H.，Yu S F.A Study of Computer Vision for Measuring Surface Roughness in the Turning Process[J].Advanced Manufacturing Technology， 2002，19（4）：295-301.

[4] 李斌.基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的珍珠分選方法研究[D].浙江理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.endprint

摘 要：針對(duì)目前珍珠形狀和螺紋自動(dòng)檢測(cè)困難的問(wèn)題，該文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于圖像處理的檢測(cè)系統(tǒng)，采用單向光源和環(huán)形光源結(jié)合的照明方案，利用變焦顯微系統(tǒng)、圖像傳感器、圖像采集卡以及圖像處理軟件，來(lái)自動(dòng)、準(zhǔn)確的檢測(cè)珍珠的形狀、大小和螺紋信息。

關(guān)鍵詞：珍珠 形狀大小 螺紋 圖像處理

中圖分類(lèi)號(hào)：TH741 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）03（b）-0065-02

隨著物質(zhì)水平的日益提高，人們對(duì)珍珠的需求越來(lái)越大，珍珠養(yǎng)殖、加工已經(jīng)發(fā)展為一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)[1]。2002年，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18781-2002（養(yǎng)殖珍珠分級(jí)）[2]出臺(tái)，實(shí)現(xiàn)珍珠自動(dòng)、快速分級(jí)成為珍珠生產(chǎn)企業(yè)的首要目標(biāo)。目前我國(guó)珍珠分級(jí)大部分還停留在人工篩選階段，這種傳統(tǒng)的檢測(cè)方法勞動(dòng)力成本大、生產(chǎn)效率低，易受工人主觀影響，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)難以控制，誤判率高[3]。隨著光電檢測(cè)技術(shù)和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的研究者將機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用到珍珠檢測(cè)中[4]。為此，本文研究一種基于圖像處理技術(shù)的珍珠機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)珍珠大小、形狀和螺紋瑕疵的準(zhǔn)確檢測(cè)。

1 檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本圖像檢測(cè)系統(tǒng)包括硬件與軟件兩部分，硬件由照明系統(tǒng)、變焦顯微系統(tǒng)、圖像傳感器、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)組成。珍珠在照明系統(tǒng)的照射下，經(jīng)由變焦顯微系統(tǒng)成像至圖像傳感器上，圖像信息經(jīng)由圖像采集卡傳入計(jì)算機(jī)中。在計(jì)算機(jī)中采用圖像處理軟件對(duì)圖片進(jìn)行處理，提取出珍珠的大小、形狀和螺紋等參數(shù)，并將處理結(jié)果按照珍珠分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)做即時(shí)判別，最后實(shí)現(xiàn)珍珠的自動(dòng)分選，系統(tǒng)檢測(cè)原理如圖1所示。

珍珠是一個(gè)光澤度高和曲率較大的物體，表面的光學(xué)特性相當(dāng)復(fù)雜。該文采用單向高角度照明結(jié)合環(huán)形照明的方式來(lái)將整顆珍珠照射通亮，采集到的珍珠圖片如圖2所示。圖片中的珍珠邊緣和形狀清晰，照明均勻。

2 圖像處理算法

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)采集到的珍珠圖片（a）首先經(jīng)由圖像預(yù)處理模塊，進(jìn)行灰度化（b）來(lái)減少運(yùn)算量，采用閾值分割算法（c）將珍珠對(duì)象從背景中提取出來(lái)，利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法（d）來(lái)去除孤立點(diǎn)和填充空洞；然后標(biāo)記珍珠邊界，提取其質(zhì)心（e），圖像預(yù)處理效果如圖3所示。

對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的圖像，標(biāo)記出輪廓的最長(zhǎng)徑，如圖4（a）所示。

最長(zhǎng)徑將珍珠分成兩部分，每部分中的螺紋個(gè)數(shù)相同，檢測(cè)時(shí)隨機(jī)選取其中一部分。繪制出的θ-h二維曲線圖，如圖4（b）所示，其中橫坐標(biāo)為輪廓上各點(diǎn)角度θi，縱坐標(biāo)為輪廓上各邊界點(diǎn)到最長(zhǎng)徑的垂直距離hi。

從圖4（b）可以看出，二維曲線能夠很好的反映出左輪廓的真實(shí)信息，曲線上的波谷恰好能與珍珠輪廓上的螺紋對(duì)應(yīng)起來(lái)，波谷的個(gè)數(shù)即螺紋的個(gè)數(shù)。對(duì)θ-h二維曲線圖進(jìn)行曲線擬合，計(jì)算曲線的極小值個(gè)數(shù)。經(jīng)計(jì)算得到圖5（b）存在兩個(gè)極小值，輸出螺紋個(gè)數(shù)2。

3 實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)所采用的圖像傳感器像素為1280*1024，利用三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)量塊1 mm對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果為p=19.02 μm/pixel，實(shí)驗(yàn)所用樣品均由諸暨銘記珠寶有限公司提供。利用本系統(tǒng)對(duì)珍珠樣品進(jìn)行形狀、大小檢測(cè)，樣品圖像處理結(jié)果如圖5所示，并將系統(tǒng)測(cè)量值與精確度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量值作比較，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。從測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與游標(biāo)卡尺測(cè)量值基本一致，誤差在30 μm以?xún)?nèi)。

利用本系統(tǒng)對(duì)珍珠樣品進(jìn)行螺紋檢測(cè)，采集到的珍珠圖像和對(duì)應(yīng)的θ-h二維曲線如圖6（a）～（c）所示。

對(duì)三幅θ-h二維曲線圖進(jìn)行多次曲線擬合，計(jì)算極小值，得到每幅圖對(duì)應(yīng)的極小值個(gè)數(shù)分別為0、1、5，與珍珠的螺紋個(gè)數(shù)吻合，說(shuō)明了本螺紋檢測(cè)方案準(zhǔn)確性較好。

4 結(jié)語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種珍珠形狀大小圖像檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)解決珍珠形狀和螺紋檢測(cè)難的問(wèn)題。該系統(tǒng)采用用圖像預(yù)處理模塊、珍珠形狀大小檢測(cè)模塊以及螺紋檢測(cè)模塊來(lái)自動(dòng)、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)珍珠形狀、大小和螺紋的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)測(cè)量誤差小，輸出螺紋個(gè)數(shù)正確。此外，改變變焦顯微系統(tǒng)的放大倍數(shù)，能進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的測(cè)量范圍。

參考文獻(xiàn)

[1] 張輝，張蓓莉.中國(guó)的養(yǎng)殖珍珠資源及市場(chǎng)[J].寶石和寶石雜志，2004，6（4）：14-18.

[2] GB/T18781-2002，中國(guó)人民共和國(guó)養(yǎng)殖珍珠國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] Lee B Y.，Juan H.，Yu S F.A Study of Computer Vision for Measuring Surface Roughness in the Turning Process[J].Advanced Manufacturing Technology， 2002，19（4）：295-301.

[4] 李斌.基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的珍珠分選方法研究[D].浙江理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.endprint

摘 要：針對(duì)目前珍珠形狀和螺紋自動(dòng)檢測(cè)困難的問(wèn)題，該文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于圖像處理的檢測(cè)系統(tǒng)，采用單向光源和環(huán)形光源結(jié)合的照明方案，利用變焦顯微系統(tǒng)、圖像傳感器、圖像采集卡以及圖像處理軟件，來(lái)自動(dòng)、準(zhǔn)確的檢測(cè)珍珠的形狀、大小和螺紋信息。

關(guān)鍵詞：珍珠 形狀大小 螺紋 圖像處理

中圖分類(lèi)號(hào)：TH741 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）03（b）-0065-02

隨著物質(zhì)水平的日益提高，人們對(duì)珍珠的需求越來(lái)越大，珍珠養(yǎng)殖、加工已經(jīng)發(fā)展為一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)[1]。2002年，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18781-2002（養(yǎng)殖珍珠分級(jí)）[2]出臺(tái)，實(shí)現(xiàn)珍珠自動(dòng)、快速分級(jí)成為珍珠生產(chǎn)企業(yè)的首要目標(biāo)。目前我國(guó)珍珠分級(jí)大部分還停留在人工篩選階段，這種傳統(tǒng)的檢測(cè)方法勞動(dòng)力成本大、生產(chǎn)效率低，易受工人主觀影響，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)難以控制，誤判率高[3]。隨著光電檢測(cè)技術(shù)和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的研究者將機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用到珍珠檢測(cè)中[4]。為此，本文研究一種基于圖像處理技術(shù)的珍珠機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)珍珠大小、形狀和螺紋瑕疵的準(zhǔn)確檢測(cè)。

1 檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本圖像檢測(cè)系統(tǒng)包括硬件與軟件兩部分，硬件由照明系統(tǒng)、變焦顯微系統(tǒng)、圖像傳感器、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)組成。珍珠在照明系統(tǒng)的照射下，經(jīng)由變焦顯微系統(tǒng)成像至圖像傳感器上，圖像信息經(jīng)由圖像采集卡傳入計(jì)算機(jī)中。在計(jì)算機(jī)中采用圖像處理軟件對(duì)圖片進(jìn)行處理，提取出珍珠的大小、形狀和螺紋等參數(shù)，并將處理結(jié)果按照珍珠分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)做即時(shí)判別，最后實(shí)現(xiàn)珍珠的自動(dòng)分選，系統(tǒng)檢測(cè)原理如圖1所示。

珍珠是一個(gè)光澤度高和曲率較大的物體，表面的光學(xué)特性相當(dāng)復(fù)雜。該文采用單向高角度照明結(jié)合環(huán)形照明的方式來(lái)將整顆珍珠照射通亮，采集到的珍珠圖片如圖2所示。圖片中的珍珠邊緣和形狀清晰，照明均勻。

2 圖像處理算法

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)采集到的珍珠圖片（a）首先經(jīng)由圖像預(yù)處理模塊，進(jìn)行灰度化（b）來(lái)減少運(yùn)算量，采用閾值分割算法（c）將珍珠對(duì)象從背景中提取出來(lái)，利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法（d）來(lái)去除孤立點(diǎn)和填充空洞；然后標(biāo)記珍珠邊界，提取其質(zhì)心（e），圖像預(yù)處理效果如圖3所示。

對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的圖像，標(biāo)記出輪廓的最長(zhǎng)徑，如圖4（a）所示。

最長(zhǎng)徑將珍珠分成兩部分，每部分中的螺紋個(gè)數(shù)相同，檢測(cè)時(shí)隨機(jī)選取其中一部分。繪制出的θ-h二維曲線圖，如圖4（b）所示，其中橫坐標(biāo)為輪廓上各點(diǎn)角度θi，縱坐標(biāo)為輪廓上各邊界點(diǎn)到最長(zhǎng)徑的垂直距離hi。

從圖4（b）可以看出，二維曲線能夠很好的反映出左輪廓的真實(shí)信息，曲線上的波谷恰好能與珍珠輪廓上的螺紋對(duì)應(yīng)起來(lái)，波谷的個(gè)數(shù)即螺紋的個(gè)數(shù)。對(duì)θ-h二維曲線圖進(jìn)行曲線擬合，計(jì)算曲線的極小值個(gè)數(shù)。經(jīng)計(jì)算得到圖5（b）存在兩個(gè)極小值，輸出螺紋個(gè)數(shù)2。

3 實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)所采用的圖像傳感器像素為1280*1024，利用三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)量塊1 mm對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果為p=19.02 μm/pixel，實(shí)驗(yàn)所用樣品均由諸暨銘記珠寶有限公司提供。利用本系統(tǒng)對(duì)珍珠樣品進(jìn)行形狀、大小檢測(cè)，樣品圖像處理結(jié)果如圖5所示，并將系統(tǒng)測(cè)量值與精確度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量值作比較，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。從測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與游標(biāo)卡尺測(cè)量值基本一致，誤差在30 μm以?xún)?nèi)。

利用本系統(tǒng)對(duì)珍珠樣品進(jìn)行螺紋檢測(cè)，采集到的珍珠圖像和對(duì)應(yīng)的θ-h二維曲線如圖6（a）～（c）所示。

對(duì)三幅θ-h二維曲線圖進(jìn)行多次曲線擬合，計(jì)算極小值，得到每幅圖對(duì)應(yīng)的極小值個(gè)數(shù)分別為0、1、5，與珍珠的螺紋個(gè)數(shù)吻合，說(shuō)明了本螺紋檢測(cè)方案準(zhǔn)確性較好。

4 結(jié)語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種珍珠形狀大小圖像檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)解決珍珠形狀和螺紋檢測(cè)難的問(wèn)題。該系統(tǒng)采用用圖像預(yù)處理模塊、珍珠形狀大小檢測(cè)模塊以及螺紋檢測(cè)模塊來(lái)自動(dòng)、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)珍珠形狀、大小和螺紋的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)測(cè)量誤差小，輸出螺紋個(gè)數(shù)正確。此外，改變變焦顯微系統(tǒng)的放大倍數(shù)，能進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的測(cè)量范圍。

參考文獻(xiàn)

[1] 張輝，張蓓莉.中國(guó)的養(yǎng)殖珍珠資源及市場(chǎng)[J].寶石和寶石雜志，2004，6（4）：14-18.

[2] GB/T18781-2002，中國(guó)人民共和國(guó)養(yǎng)殖珍珠國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] Lee B Y.，Juan H.，Yu S F.A Study of Computer Vision for Measuring Surface Roughness in the Turning Process[J].Advanced Manufacturing Technology， 2002，19（4）：295-301.

[4] 李斌.基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的珍珠分選方法研究[D].浙江理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.endprint