基于機器視覺的鞋面畫線系統關鍵技術研究

李新豐

（溫州職業技術學院，浙江溫州，325000）

0 引言

在制鞋縫線工藝中，需要在沖裁下來的鞋面上進行畫線，工人再根據畫好的指導線進行拼線縫紉。畫線是制鞋過程中的一道關鍵工序，其準確度直接影響鞋面加工精度。當前鞋面畫線通常由人工完成，主要依賴工人的經驗與熟練度，但是人工畫線正面臨著人工成本不斷增加與效率低等挑戰[1]。機器視覺近年來以其檢測精度高、速度快等優點，在工業生產中逐漸替代人做各種檢測與判斷[2]。本研究從制鞋的畫線環節入手，利用機器視覺模板匹配算法，根據鞋面輪廓自動配準畫線軌跡，實現智能精準畫線，促進鞋加工業標準化、高效化生產。

1 鞋面畫線系統樣機設計

畫線機的樣機機械結構如圖1所示，畫線機機械系統主要包括皮帶傳送模塊、壓網、視覺采集模塊、伺服運動模塊、噴頭模塊等。皮帶傳送機將預先放好的鞋面沖裁件送進工作區，壓網壓住鞋面防止產生偏移，視覺采集模塊再對工作臺面進行拍照識別，伺服運動模塊再根據識別后的輪廓軌跡，將噴頭模塊移動到畫線軌跡上進行噴涂畫線，最后傳送帶再將畫線加工好的鞋面送進收料區。

圖1 鞋面畫線機機械系統

鞋面畫線機采用上位工控機+運動控制卡的模式進行控制，攝像頭采集數據后傳輸到上位工控機，工控機畫線軟件識別鞋面輪廓后得到畫線點位軌跡發送給運動控制卡，運動控制卡通過插補運動實現X、Y軸運動電機的運動規劃。另外噴射電磁閥、壓網氣缸、傳送帶電機的控制通過運動控制卡上的I/O接口實現邏輯控制，其控制系統結構如圖2所示。

圖2 畫線機控制系統結構圖

2 鞋面畫線視覺系統關鍵技術研究

鞋面畫線視覺系統主要解決鞋面工件經傳送帶送入工作區后，攝像頭采集工作區的鞋面工件圖像后，系統能夠根據導入的鞋面輪廓設計圖樣，準確識別鞋面工件的位置，進而得到鞋面上需要畫線的路徑軌跡。這是典型的機器視覺工件定位識別應用問題，其關鍵技術主要在于解決鞋面輪廓模板文件與目標圖像匹配問題。

2.1 相機標定

鞋面畫線機用于識別的鞋面輪廓為DXF格式設計文件，需要將鞋面的輪廓信息轉化到圖片像素坐標系中，因此需要將鞋面DXF格式中的尺寸大小整體乘以單像素對應物理尺寸大小，即可以將鞋面DXF文件用于識別圖像中的輪廓。由于畫線機采集的圖片是以像素為單位的，而實際的鞋面輪廓是物理世界的尺寸，因此需要建立相機坐標與世界坐標之間的換算關系，也就是單個像素對應實際尺寸。相機標定的主要作用是建立圖片像素坐標系與世界坐標系之間的關系[3]。

相機標定過程中需要一塊標準的標定板，標定板上畫有5×5個相同大小和間隔的點，通過多次拍攝標定板可以綜合獲得標定板的像素尺寸，對照標定板的實際尺寸即可獲得鞋面畫線機相機實際對應的像素大小尺寸，進而可以計算得到單個像素對應的物理大小。其標定原理的示意圖如圖3所示，相機處的xc-yc坐標系是物理世界坐標系，畫線機相機的高度是固定不動的，相機標定采集的xcp-ycp坐標系是標定板的圖像坐標系，由于已知標定板兩個間隔的圓點實際物理尺寸,因而兩間隔點的像素尺寸處于物理尺寸即可得到單個像素對應的物理尺寸。

圖3 相機標定原理

2.2 圖像預處理

鞋面畫線機的關鍵是采集工作臺上的鞋面圖片，并對采集的圖像進行處理，依據之前導入的鞋面DXF設計輪廓來識別畫線的軌跡，因此采集獲得的圖像質量直接影響后續圖像處理的準確度。機器視覺系統采集的圖像往往由于環境的影響會存在一定的噪點，需要對采集獲得的圖像進行濾波處理來消除環境的干擾，同時畫線機主要根據鞋面工件的輪廓信息來識別定位工件位置，因此在消除圖像噪點后要重點提取鞋面工件的邊緣輪廓圖像用于工作定位目標圖像。

常用的圖像濾波算法有均值濾波、中值濾波、高斯濾波等，不同的濾波算法都有各自的優缺點[4]。均值濾波算法能夠有效的消除圖像采集后的噪聲特點，本文通過采用一個5×5的模板尺寸，卷積像素點周邊領域的像素值，得到本像素的像素值。均值濾波算法在一定程度上模糊了實際圖像使得削弱噪聲點的影響。

圖4 原圖

鞋面畫線機主要對工作區臺面上的鞋面輪廓信息，因此如何有效的提取鞋面輪廓邊緣信息至關重要。圖像邊緣檢測算子通常有Roberts算子、Sobel算子和拉普拉斯算子等，在樣機實際測試工作中發現，對均值濾波后的圖像再進行Sobel邊緣信息提取能夠有效的得到鞋面的輪廓信息。

圖5 均值濾波處理+Sobel邊緣提取

2.3 模板匹配算法

鞋面畫線機采用模板匹配算法來定位工作區的鞋面位置。其主要原理是經過相機標定得到像素實際物理尺寸，進而將鞋面DXF設計文件轉換為模板圖像用于查找鞋面輪廓信息,對拍攝的圖像進行均值濾波處理后再以Sobel邊緣提取后的圖像作為目標圖像。

常用的基于模板的圖像匹配算法有三種：基于灰度值的匹配、基于形狀的匹配和基于組件的匹配[5]。其中基于灰度值的匹配算法通過對比模板圖像與對象的灰度信息進行匹配，匹配的效率高但容易受光照條件的影響；基于形狀的匹配算法是主要提取對象的輪廓特征，對于外界的環境因素相對不敏感，匹配的準確度相對較高；基于組件的匹配算法往往應用于識別兩個具有相互位置關系物體的情況，匹配的精準度高但計算速度相對比較慢。綜合考慮識別精準度與速度情況下，鞋面畫線機采用基于形狀匹配算法來是被鞋樣的輪廓。

畫線機模板匹配算法采用基于halcon圖像算法庫的算子來進行定位算法設計。首先用read_contour_xld_dxf算子讀取DXF設計文件作為xld亞像素精度輪廓文件，再依據相機標定所得的像素縮放矩陣用affine_trans_contour_xld算子對輪廓外形進行縮放。然后再通過create_shape_model_xld算子創建鞋面輪廓外形的模板，由于鞋面放置是隨機的，因此模板設定角度為0~360度，并用get_shape_model_contours得到模板的輪廓信息。目標圖像采用mean_image算子進行均值濾波處理，再采用soble_amp算子進行邊緣提取，最后通過find_shape_models算子匹配得到鞋面輪廓的行列與角度信息后，再用affin_trans_contour_xld算子可將模板輪廓外形仿射變換到實際的微機，即得到畫線的軌跡信息。鞋面模板匹配后如圖6所示，其中紅色線段后鞋面的輪廓線，鞋面上的藍色線段為畫線軌跡。

圖6 鞋面模板匹配結果

3 鞋面畫線系統軟件界面設計

鞋面畫線機在上位工控機上利用Visual C++ ΜFC框架編寫鞋面畫線系統軟件，用于集成控制相機采集、識別、運動控制等功能。畫線系統軟件主要功能界面主要包括相機拍攝參數設置界面、畫線操作主界面、生產模式設置界面、運動配置設置等，其軟件界面設計如圖7所示。相機拍攝參數設置界面位于左側一欄，主要包含原圖顯示區域以及拍攝參數設置功能；鞋面畫線系統軟件中間部分主要為畫線操作主界面，主要顯示鞋面輪廓匹配后的輪廓軌跡以及模板的編輯顯示；軟件界面的右側為生產模式設置界面與運動設置界面，生產模式設置界面的主要功能為對加工件次數進行計數并設置是否連續加工。

圖7 鞋面畫線系統軟件界面

鞋面畫線系統軟件界面右側下方包含了運動設置界面與鞋樣導入界面，其中運動設置界面包含了伺服系統手動運行調試功能、傳送帶手動運行功能以及壓網氣缸等的手動調試設置界面；鞋樣導入界面主要用于導入顯示鞋面的DXF設計文件,圖7中可見運動設置界面，圖8中為鞋樣導入界面，其中紅色線條為鞋樣的外形輪廓，藍色線條為鞋面加工軌跡線條。由于傳送帶的底色為綠色，不同顏色與大小的鞋面進行加工時，畫線系統的識別準確率與正確率均會有所差異，因此需要綜合調整軟件參數，并配合工具欄上的模板編輯功能對鞋面進行匹配加工。圖8所示即為對白色網面的鞋面加工時，需要調整以原圖的色度通道作為輸入圖像，并選取正確尺寸大小的鞋面設計輪廓作為設置模板，調試合適的參數后再用于生產，避免鞋面輪廓的漏識別。

圖8 鞋面畫線軟件識別案例

4 結語

本文以縫線制鞋工藝中的畫線環節為研究對象，對鞋面畫線機開展了樣機設計研究，利用機器視覺技術，智能識別鞋面輪廓并得到畫線軌跡。畫線系統視覺識別軟件需要對相機進行標定后，再對鞋面輪廓工作臺面進行拍照，得到的圖像進行均值濾波處理后，再根據導入的鞋面設計DXF設計文件，通過形狀模板匹配算法識別鞋面的輪廓信息，進而得到鞋面畫線的軌跡信息，使得鞋面縫線加工精度和生產效率實現進一步提升。