張志佳， 魏 信，， 周自強， 鐘 玲， 何 欣

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 視覺檢測技術(shù)研究所， 沈陽 110870； 2. 常熟理工學(xué)院 江蘇省機電產(chǎn)品循環(huán)利用技術(shù)重點建設(shè)實驗室， 江蘇 常熟 215500)

基于Kinect的典型零部件識別與定位*

張志佳1， 魏 信1，2， 周自強2， 鐘 玲1， 何 欣1

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 視覺檢測技術(shù)研究所， 沈陽 110870； 2. 常熟理工學(xué)院 江蘇省機電產(chǎn)品循環(huán)利用技術(shù)重點建設(shè)實驗室， 江蘇 常熟 215500)

針對自動化拆卸的零部件識別與定位問題，提出了一種結(jié)合深度信息的典型零部件圖像識別與定位方法.利用Kinect傳感器獲取彩色圖像與深度圖像，提取出兩者之間的仿射變換矩陣，實現(xiàn)彩色圖像的矯正；根據(jù)相關(guān)系數(shù)匹配法實現(xiàn)矯正后的彩色圖像零部件識別；利用彩色圖像與深度圖像的對應(yīng)關(guān)系對零部件進行定位.針對典型零部件，對Kinect傳感器獲取的圖像進行仿真實驗與處理，結(jié)果表明，該方法能對目標(biāo)進行識別與定位，驗證了方法的有效性.

Kinect傳感器； 彩色圖像； 深度圖像； 仿射變換； 圖像矯正； 相關(guān)系數(shù)法； 圖像匹配； 典型零部件

近年來，機器視覺以其非接觸式、較寬的光譜響應(yīng)范圍、定位、測量和缺陷檢測的優(yōu)勢，在軍事目標(biāo)識別[1]、人臉識別[2]、指紋識別[3]、發(fā)票號碼識別[4]、農(nóng)作物質(zhì)量檢測[5]和醫(yī)學(xué)圖像檢測[6]等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.

在自動化拆卸中，機器視覺是自動獲取零部件特征信息和特征參數(shù)的一種較為可行的技術(shù)方法.對于一些高要求、高負荷的重復(fù)性和智能性的工作，比如細微缺陷檢測和零部件測量，人眼很難持續(xù)、穩(wěn)定地完成，機器視覺可以高效、高質(zhì)量地完成檢測任務(wù).

在機器視覺中，圖像采集設(shè)備大多制造工藝復(fù)雜，精確度高，價格昂貴.以Bumblebee2為例[7]，該相機價格昂貴，體積大.但是，微軟Kinect相機的出現(xiàn)，因其簡單、價廉、方便，在三維重構(gòu)[8]、物體跟蹤[9]和姿態(tài)識別[10]等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用.

目前，Kinect在零部件識別方面尚未有公開發(fā)表的文獻.基于以上背景，本文深入研究了基于Kinect的零部件識別與定位方法，拓寬了Kinect的應(yīng)用領(lǐng)域.

1 Kinect傳感器

Kinect是微軟在2010年正式推出的XBOX360體感周邊外設(shè).Kinect共有三個攝像頭，其實物圖如圖1所示，中間的鏡頭是RGB彩色攝像頭，左右兩邊的鏡頭分別是紅外線發(fā)射器和紅外線CMOS攝像機.Kinect在底部還配備了傳動馬達，在兩側(cè)內(nèi)置了陣列麥克風(fēng)系統(tǒng)，用于語音識別.Kinect系統(tǒng)關(guān)于RGB彩色攝像頭和深度傳感器輸出的是640×480的彩色圖像和深度圖像.Kinect設(shè)備能獲取其視野范圍內(nèi)目標(biāo)的彩色圖像和深度圖像，如圖2所示.

圖1 Kinect傳感器

圖2 Kinect圖像

2 零部件識別與定位

圖2中，彩色圖像比深度圖像包含更多的圖像細節(jié)，能滿足識別一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件需求.但是彩色圖像提取的只是圖像中的坐標(biāo)信息，而利用深度圖像能提取零部件的三維空間信息，達到對零部件的識別與定位要求.基于以上特性，可以同時利用深度圖像與彩色圖像對零部件進行識別，并確定零部件所在的三維空間位置.

2.1 圖像校正

Kinect設(shè)備所獲取的深度圖像與彩色圖像里物體的大小不一致，深度圖像里的人物偏大，如圖2所示.本文提出了基于仿射變換的圖像校正方法，通過圖像校正，彩色圖像與深度圖像重合，對重合后的彩色圖像進行識別，并實現(xiàn)對零部件的定位.

以一塊規(guī)則的正方形黑色木板平面作為目標(biāo)，利用Kinect對其進行掃描，獲取深度圖像與彩色圖像，圖3給出了Kinect掃描黑色木板示意圖，圖4給出了獲取的深度圖像與彩色圖像.

圖3 黑色木板掃描示意圖

圖4 Kinect圖像示意圖

(1)

聯(lián)立六個方程解六個未知數(shù)，得到一個2×3的仿射變換矩陣，其表達式為

(2)

利用仿射變換矩陣R對彩色圖像進行仿射變換，圖5給出了變換后對比示意圖.

圖5 仿射變換后對比示意圖

校正后彩色圖像中A、B、C與深度圖像中A、B、C位置重合.

2.2 零部件的圖像識別

由圖6可知，仿射變換后，彩色圖像中的六角螺母圖與深度圖像一致.圖像完成仿射變換后，將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，如圖7所示.

圖6 仿射變換

圖7 灰度圖像

(3)

(4)

圖8為圖像匹配示意圖.搜索圖S是480×640的圖像，用m×n的模板圖像T在搜索圖S匹配最佳目標(biāo)，可以利用相關(guān)系數(shù)法作為匹配測度，根據(jù)匹配相似度的大小來識別目標(biāo)圖像里的零部件.

圖8 圖像匹配示意圖

2.3 零部件位姿計算

典型零部件的位姿是在空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，即世界坐標(biāo)，而由匹配算法得到的只是在圖像中的坐標(biāo)，難以定位.若想得到典型零部件的空間位姿，可以利用彩色圖像與深度圖像的對應(yīng)關(guān)系求取，圖9給出了零部件定位示意圖.

圖9 定位示意圖

通過彩色圖像提取出典型零部件中心點P坐標(biāo)(u，v)，圖像經(jīng)過變換，彩色圖像與深度圖像重合，從深度圖像里提取P點的深度值D，然后利用Kinect SDK工具包將零部件中心點P的二維圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為相對于Kinect的三維坐標(biāo)(xP，yP，zP)，從而對零部件起到定位的作用.

3 實驗概況

為了驗證本文方法的有效性，針對典型零部件的識別與定位，實驗分別對DIN934標(biāo)準(zhǔn)中的M20、M22、M27、M30四種型號六角螺母和M6、M8、M10、M12四種型號方形螺母進行了實驗，結(jié)果表明，本文方法均能準(zhǔn)確識別并確定螺母所在的空間位置.

3.1 圖像變換

為了計算Kinect提取的彩色圖像與深度圖像之間的變換矩陣，設(shè)計了一個實驗板進行實驗，如圖10所示.獲取的深度圖和彩色圖如圖11所示.

圖10 實驗板

圖11 深度圖和彩色圖

用Kinect深度攝像機和RGB彩色攝像機分別對圖10所示的實驗板進行拍攝，獲取出對應(yīng)圖像里黑色正方形木板左上角，右上角和左下角三個點的坐標(biāo)，如表1所示.

表1 典型零部件模型三個參數(shù)

對于表1的兩組點，利用仿射變換求出2×3仿射變換矩陣，即

利用求出的仿射變換矩陣對RGB彩色圖像進行仿射變換，使校正后的RGB彩色圖與深度圖重合，彩色圖校正前后對比如圖12所示.

圖12 彩色圖像校正

3.2 零部件識別

對Kinect提取的彩色圖像進行仿射變換，然后將彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，如圖13a所示，用圖13b所示的模板對其進行相關(guān)系數(shù)匹配來識別零部件.

圖13 圖像匹配

在相關(guān)系數(shù)匹配法識別中，首先當(dāng)R′(x，y)最大時，圖像上(x，y)的灰度值最大，如圖14所示；然后對灰度值最大的點提取其輪廓，如圖15所示；最后確定方形螺母在圖像坐標(biāo)里的位置，方形螺母中心所在的圖像坐標(biāo)為(312，107)，如圖16所示.

圖14 相關(guān)系數(shù)匹配法

圖15 輪廓

圖16 方形螺母識別

Kinect識別出的方形螺母中心所在的圖像像素坐標(biāo)為(312，107)，單位為像素，相應(yīng)的深度值為1.035 m，可以用Kinect SDK開發(fā)工具包將圖像像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為三維坐標(biāo)，提取出相對于Kinect中心所在的空間位置坐標(biāo)為(-0.014，0.241，1.035)，單位為m.

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于Kinect提取的深度圖像和彩色圖像進行目標(biāo)識別及定位的方法.利用仿射變換實現(xiàn)了彩色圖像與深度圖像之間的幾何矯正，結(jié)合彩色圖像中目標(biāo)的細節(jié)信息和深度圖像中目標(biāo)的深度信息對物體進行識別與定位.實驗結(jié)果表明，本文提出的方法能夠?qū)崿F(xiàn)典型零部件的識別與定位.

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(責(zé)任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英)

Identification and location of typical components based on Kinect

ZHANG Zhi-jia1, WEI Xin1,2, ZHOU Zi-qiang2, ZHONG Ling1, HE Xin1

(1. Computer Vision Group, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 2. Jiangsu Key Laboratory of Recycling and Reuse Technology for Mechanical and Electronic Products, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China)

Aiming at the problem of component identification and location in automatic disassembly process, a typical component image identification and location method in combination with the depth information was proposed. The color image and depth image were acquired with the Kinect sensor, and the affine transformation matrix was extracted so as to realize the correction of color image. In addition, the component identification with the corrected color image was realized with the correlation coefficient matching method, and the components were located with the corresponding relationship between color and depth images. Aiming at the typical components, the simulation experiment and processing for the image obtained with the Kinect sensor were carried out. The results show that the proposed method can identify and locate the target. And the effectiveness of the method is verified.

Kinect sensor; color image; depth image; affine transformation; image rectification; correlation coefficient method; image matching; typical part

2016-11-21.

國家自然科學(xué)基金資助項目(61540069)； 江蘇省機電產(chǎn)品循環(huán)利用技術(shù)重點建設(shè)實驗室基金資助項目(KF1508).

張志佳(1974-)，男，河北晉州人，副教授，博士，主要從事機器視覺檢測技術(shù)、圖像處理與模式識別等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.03.11

TM 391.4

A

1000-1646(2017)03-0299-05

*本文已于2017-05-08 20∶25在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170508.2025.004.html