電解電容視覺(jué)定位算法研究

朱曉凡， 嚴(yán)國(guó)平， 鐘 飛， 黃 振

(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

電容裝箱過(guò)程中，計(jì)算機(jī)通過(guò)分析攝像機(jī)拍攝的電容圖像獲取電容的位置及角度，這一過(guò)程被稱之為特征識(shí)別和提取。圖像識(shí)別算法包括模板匹配法、相關(guān)法、幾何不變矩和投影法[1]。模板匹配法是建立一個(gè)目標(biāo)物的特征庫(kù)，然后用模板遍歷被搜索圖，找出相關(guān)度最高的位置。數(shù)字圖像相關(guān)法是一種非接觸，用于全場(chǎng)形狀、變形、運(yùn)動(dòng)測(cè)量的計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)。不變矩是根據(jù)圖像圖形特性來(lái)辨別圖像特征的一種方法，其概念由M.K.Hu在1961年首先提出[2]。Hu不變矩是圖像的一種統(tǒng)計(jì)特征，因其具有平移、旋轉(zhuǎn)與比例不變性而被廣泛應(yīng)用于圖像識(shí)別領(lǐng)域。投影法是將圖像中高維信息用低維信息來(lái)表示，能夠簡(jiǎn)單快速地提取圖像特征[3]。其中，模板匹配能夠?qū)ふ覐?fù)雜單一的特征，但是計(jì)算量大；投影法適用于簡(jiǎn)單的特征查找，計(jì)算量小；Hu不變矩計(jì)算量小，且能夠獲取多種集合特征，適用于簡(jiǎn)單物體的識(shí)別。本文采用Hu不變矩來(lái)識(shí)別電容的中心位置和傾斜角度。

1 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電容裝箱流程分解為上料、裝盤、振平、引腳校形、開(kāi)箱、取托盤、裝箱與封箱等8個(gè)步驟[4]，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)主要由傳送帶、裝盤機(jī)器人、工業(yè)相機(jī)和計(jì)算機(jī)組成，其系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

電容加工完成后，從下料口散落在傳送帶上，傳送帶將電容運(yùn)送到另一端的識(shí)別區(qū)，相機(jī)給電容拍照，拍攝的內(nèi)容傳遞給采集卡作處理，然后由計(jì)算機(jī)計(jì)算出電容的位置角度及針腳朝向，再將電容位置信息傳遞給機(jī)械手控制器，控制器控制機(jī)械手吸取電容到電容托盤中。排列好的電容如圖3所示。

1-電容裝箱機(jī)械手；2-儲(chǔ)料器；3-開(kāi)箱機(jī)；4-電容上料皮帶； 5-電容裝盤機(jī)器人；6-電容裝盤；7-針腳梯形機(jī)；8-封箱機(jī)圖 1 電容裝箱生產(chǎn)線

圖 2 視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖 3 電容托盤

2 電容特征識(shí)別

2.1 電容圖像預(yù)處理

電容在傳送帶的形態(tài)如圖4所示。擋板將電容約束在傳送帶中部，保證電容各部分都在拍攝范圍之中。傳送帶背部有光源，使電容與背景的區(qū)分更加明顯。

圖 4 傳送帶上的電容

為獲取單個(gè)電容在整張圖像中的位置，需要消除無(wú)關(guān)因素的干擾，同時(shí)將電容分割為獨(dú)立的部分。對(duì)電容作以下處理[5-7]：將三通道的圖像轉(zhuǎn)化為單通道的灰度圖，進(jìn)行中值濾波與二值化，腐蝕去除電容之間的粘連和針腳重疊，并將電容分割為獨(dú)立的個(gè)體，生成連通域，進(jìn)行面積選擇，并剔除不符合的區(qū)域(圖5)。

圖 5 預(yù)處理流程圖

工業(yè)相機(jī)拍攝的照片為三通道圖。該圖像不便于計(jì)算機(jī)計(jì)算(計(jì)算速度慢)，所以需要將圖像灰度化，其處理公式

(1)

式中：fi,j為灰度化后(i,j)點(diǎn)的灰度值，Ri,j、Gi,j、Bi,j分別為(i,j)處紅、綠、藍(lán)分量的值。圖像背景中的噪音會(huì)影響識(shí)別效果，需要將灰度圖進(jìn)行濾波降噪處理。濾波的常用方法有均值濾波、中值濾波和高斯濾波，其濾波效果如圖6所示。

圖 6 濾波效果

由圖6可知，雖然三種濾波方式的降噪效果相同，但是中值濾波的對(duì)邊緣保留的效果最佳。

為將電容從背景中分割出來(lái)，需將圖片進(jìn)行二值化，即將大于閾值的灰度值設(shè)為1，小于或等于閾值的灰度值設(shè)為0：

(2)

式中：gi,j為二值化后的值，fi,j為原灰度值，k為閾值。二值化后的圖像如圖7所示。

圖 7 電容圖像二值化

將電容從背景中分離出來(lái)之后，所有電容為一個(gè)整體，需要將單個(gè)電容分離出來(lái)。由圖7可知，電容與電容之間有重疊與粘連，不易通過(guò)連通域?qū)⑵浞蛛x，在操作之前需要對(duì)電容進(jìn)行腐蝕操作。

圖 8 腐蝕示意圖

如圖8所示，以矩形結(jié)構(gòu)元遍歷整個(gè)區(qū)域，如果結(jié)構(gòu)元與該像素點(diǎn)及周圍像素完全重合，則保留該點(diǎn)，否則，拋棄該點(diǎn)。經(jīng)過(guò)腐蝕操作，區(qū)域范圍變小，邊緣回縮，電容粘連和交叉的部分被分離。電容腐蝕后的效果如圖9所示。

圖 9 腐蝕效果圖

腐蝕操作過(guò)后，電容之間連接的部分被分離開(kāi)來(lái)，方便單個(gè)電容的識(shí)別。電容的針腳特征在腐蝕操作中丟失，但是可以通過(guò)電容針腳端的缺口特征來(lái)識(shí)別電容的朝向。

單個(gè)像素周圍的8個(gè)像素單元稱為八鄰域(圖10)。

圖10 八鄰域

通過(guò)遍歷所有像素點(diǎn)的八鄰域，若八鄰域中有像素點(diǎn)，則認(rèn)為該點(diǎn)和中心點(diǎn)連通。遍歷所有的像素點(diǎn)，并標(biāo)記所有連通域。

通過(guò)以上處理，得到圖11所示的電容區(qū)域圖，不同的區(qū)域以不同的顏色顯示。在預(yù)處理過(guò)程中，每個(gè)電容各自區(qū)域的位置被找出，求解電容的位置角度需遍歷所有電容區(qū)域，求解每個(gè)區(qū)域中電容的中心位置和傾角。

圖11 電容區(qū)域圖

2.2 電容位置及傾角計(jì)算

由于電容針腳端有缺口，電容圖片的質(zhì)心和外接矩形的中心不重合。在抓取過(guò)程中，機(jī)器手的真空吸盤應(yīng)該吸取電容重心處。由于電容針腳有質(zhì)量，電容的重心與電容區(qū)域圖的外接矩形中心近似重合，故將電容區(qū)域圖的外接矩形中心作為抓取點(diǎn)。

(3)

式中：x、y為像素點(diǎn)的坐標(biāo)；M、N為圖像的高與寬；f(x,y)為該點(diǎn)的灰度值。

圖像的零階矩代表被測(cè)對(duì)象的面積，一階矩表示被測(cè)對(duì)象的質(zhì)心，二階矩代表其方向[9]。

(4)

式中mpq為圖像的(p+q)階矩。

對(duì)于一個(gè)二值化后的圖像，式(4)可改寫為：

(5)

由上可知，m00表示為待測(cè)物體的面積，離散的圖像中心距

(6)

將式(6)進(jìn)行歸一化，得到歸一化的中心距

(7)

對(duì)其求二階矩，得到待檢測(cè)物體的偏轉(zhuǎn)角度

(8)

通過(guò)求取電容區(qū)域最小外接矩形的一階矩，獲取電容的中心位置；通過(guò)外接矩形的二階矩獲取電容的傾角；遍歷所有電容區(qū)域，可以獲得整張圖片上所有電容的中心位置和傾角。

2.3 電容針腳朝向識(shí)別

由電容輪廓(圖12)可知，電容的針腳端有兩個(gè)小缺口，識(shí)別出缺口的方向即識(shí)別出電容針腳的方向。

圖12 電容輪廓

由于電容的針腳朝向未知，通過(guò)電容圖像的二階矩獲取電容的傾斜角度φ之后，電容旋轉(zhuǎn)至水平角度為φ或-(180°-φ)。由式(3)可知，帶缺口的電容圖像的質(zhì)心會(huì)遠(yuǎn)離缺口端。如圖13所示，將帶缺口的電容圖像旋轉(zhuǎn)φ之后至水平，分別求取電容外接矩形的中心和帶缺口圖像的質(zhì)心，會(huì)有圖13a和圖13b兩種情況，即質(zhì)心在中心左側(cè)和質(zhì)心在中心右側(cè)。若質(zhì)心在中心左側(cè)，則電容的待旋轉(zhuǎn)角度為φ；若質(zhì)心在中心右側(cè)，電容的待旋轉(zhuǎn)角度為-(180°-φ)。

圖13 電解電容針腳朝向識(shí)別流程

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)以上方法，編寫Halcon程序，其結(jié)果如圖14所示。本方法正確識(shí)別了所有電容的位置、角度與針腳朝向，運(yùn)行時(shí)間為748.219 ms，識(shí)別速度與精度到達(dá)工業(yè)要求。

圖14 電容位置角度識(shí)別結(jié)果

在手眼標(biāo)定之后，世界坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系一一映射，計(jì)算機(jī)將圖像中的坐標(biāo)值轉(zhuǎn)化為機(jī)械手的坐標(biāo)[10]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，其中，旋轉(zhuǎn)角度的正負(fù)代表機(jī)械手旋轉(zhuǎn)的方向，其旋轉(zhuǎn)角度總是小于180°。

視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別到電容位置姿態(tài)后，機(jī)械手開(kāi)始抓取電容。電容被抓取后，相機(jī)重新拍照，計(jì)算傳送帶上電容新的位置角度，即在機(jī)械手抓取過(guò)程中，計(jì)算機(jī)計(jì)算電容位置，節(jié)省單個(gè)電容識(shí)別抓取的時(shí)間。識(shí)別抓取單個(gè)電容所需的時(shí)間平均為1 s。

表1 電容位置信息

4 結(jié)論

1)運(yùn)用圖像的二階矩求解電容圖像的中心和傾角的方法精度較高，滿足工業(yè)抓取電容的要求。

2)電容針腳朝向的識(shí)別可采用模板匹配的方法，但是此方法計(jì)算量大，且穩(wěn)定性不好。但是用電容針腳端的缺口特征代替針腳，運(yùn)用電容圖像質(zhì)心與外接矩形中心的差求解針腳朝向的方法計(jì)算量小，穩(wěn)定性高，運(yùn)行時(shí)間短，縮短了單個(gè)電容抓取的時(shí)間。

3)經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，電容位置角度識(shí)別時(shí)間為748 ms，平均抓取時(shí)間為1 s，而人工抓取時(shí)間平均2 s。機(jī)器人抓取效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工。