（机械制造及其自动化专业论文）机电产品视觉重心的算法研究.pdf

摘要 本论文的课题来源于国家科技部8 6 3 项网( a 类) “面向产品创 新的计算机辅助概念设计技术的研究”。在机电产晶造型设计应用的 基础上，论文旗实际产品的照片分析入手，重点对设计应用到的荚学 法翼l 均鬻与稳定遐论，进雩亍分辑与量诧研究，提密了有关视电 产品设计的视觉重心理论与计算的框架模型；运用图像处理中的边 缘检测与灰度直方图技术，提取操作需骚的图像信息；综台产品的 形态与色彩，分别结合视觉张力与力矩平衡理论提出了两种算法；建 立了产晶褫觉重心司一算的稻关模墅并在s o l i d w o r k s 平台上嗣v c + + 续程实现。 关键词： 诗算机辅助工业设计均徽与稳定视觉重心色彩轻重感 视觉张力力矩平衡 曼苎i 型竺遣：一 亟查羔璺篓篷塞堂塑篓堡堡窒 a b s t r a c t ih i s p a p e rs t e m sf r o mt h er e s e a r c h o fi n n o v a t i o n - o r i e a r e d c o m p ul e r 一剐d e dc o n c e p t u a lp r o d u c td e s i g nt e c h n o l o g y ，w h i c hi so n ec a s e o ft h en a t i o n a l i t i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o g r a mo f c h j n a ( 8 5 3 a ) o nt h eb a s iso f a p p li c a t i o r o fm a c h i n e r ya n d p o w e r g e n e r a t i n g p r o d u c td e s l g n ，t h i s p a p e ra n a l y z e sa n d q u a n t i f i e st h et h e o r yo f e q u l 妇b r i u ma n ds t a b i l i t yv i aa n a l y z i n gt h ep i e t u r e so fp r o d u c t h j e h 1so n eo fa e s t h e t i c ss t a n d a r dm e t h o di nd e s i g np r o c e s s 。t h e r e f o r e ，t h e t h e o r yo fv ls u a jg r a v l t ya n di t sc a l c u l a t i n gm o d e la r ea d v a n c e d 1 i f i t h a p p y in gt h e t e c h n o l o g yo fd e t e c t i n ge d g e sa n dg r a y h i s t o g r a m ，t h e r e q u l r e di m a g ei n f o r m a t i o na r ep i c k e du p a tl a s t ，z w ok i n do fa r i t h m e t i c a r ep r o p o s e da c c o r d i n gw i t ht h ev i s u a lt e n s i o n t h e o r ya n dt h em o m e n t b a l a n c ep r i n c i p i e t h e n ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e st h ep r o t o t y p eo fv i s u a l g r a v l t yc a l c u l a t i o n ，a n dr e a l i z e si to nt h es o i d w o r k s p l a t f o r m k e yw o r d s ： c o m p u t e ra i di n d u s t r i a l d e s i g n ，e q u i l i b r i u ma n ds t a b i l i t y v i s u a l g r a v i t y ， w e i g h ts e n s eo fc o l o r ，v i s u a lt e n s i o n ， m o m e n tb a l a n c e i l 窜0 毪产品税髋霉韵辩往删究 第1 章绪论 l 。1 产晶造型设计中均德与稳定在c a i d 中鲍虚用 1 i ，i 均餐与稳定农产品选型设计中的痰是 劳动和自由创造是达成美的二 具，而它们达成蹙的结果，主漂取决于它们 是否“按臻荧的蕊棒”去进行。荚的事物一般都符台自然规律的形式，以其鲜 明生动粒鬯彩、影态、溪缝、声音、气妹等形式绘人们馥舒适蕊感受，满是人 们的宫能快感。研究结果表明人类接触外界了解外界，获墩的信息有8 0 以上 菝靠视觉，物体褥影态与色彩影响着人樊韵视觉感知。干酉年来，人类在生产 中不龋戆裁避与慧终，献器耱其俸事辨中壤播遗荚蹭蕊满慰a 类裰觉美糖斡美 的规律，它是客观分析与评价对藩“美”与“不美”的基本法对，并且随时代 瓣变迁，科学技术的避步，社会文仡、文明和艺术豹发展而不断发展与创新。 劳穗与囊盎龟l 造在缀大程度上撂静裁是设诗，鄂黠瑰我生涯掰必嚣鲍各式 各样的物品，在不仅考虑冀功能、材料、生产方式硝且还鞭考虑其造型的基础 上，对它徽综合径的规嗣i 另外，这桴制作酌产品也称作设计。设计是对人类 生活方式述行嫠遥豹心璞诗划，窀是一耱造型诗裁，一静逡型褥毙，一耱遥受 活动。无论摄纸上| 掩计划( 图棠) ；创遗发明的精 申活动( 构思) ，或是实际臻 侔生成的产品，都可以称之为设诗，设计是人类精神活动和物质活动的宙一。 设计翡乡 延穰大，往往嚣鬟遥蓬热蓑缀寒赛囊它斡蕊隧，魏瓠壤设诗、工艺设 计、飞机设计、艺术设计等等，论文后面所涉及到的设计指的是工业设计。工 业设计屉入类社会发震蓟犬工业社会以后，人们不满足子机器流水线上嫩产的 产品，鼓a 类鑫龛辩美与舒适懿嚣衷毫菠，发展起来懿门新兴行韭。它与人 类的生活息息相关，紧扣射代特瞧，不馘融合辑昀理论技术，发鼹壮大，已成 为涉及学科众多、领域广涎的综性边缘学科。人们根据最后完成对象的使用 范霹，挺它丈萍裁分为戮下凡耱粪型：一，通援囊黄运紧密联系斡设落。( 知乎 诼设计) ；二，周生涯必需晶檀联系数设计( 翅产品设计) ：三，与环境救形成 相联系的设计 7 j 。 戮鳓憋k 一个物体会有好多种函素对人的视觉产擞影响例如物体本身的形体、颜 色、越震、装簿专标志，耩楚鹣毙嚣畿等等，这些都会影熊虱产菇撬觉霾，玉鹃 求解。论文所作的舅作就是将这个评价活动通过分析，运用现有的理论与技术， 重点研究形态与色彩，建立产品视觉黧心计算的数学模型，并对其做出计算， 撂警产品鬟爨重心蠡冬指导范嚣，在工数浚诗者逶行晶终瓣设计辩提供帮韵， 在评价产品的均衡与稳定时提供依据。 9 蕊- i t 王照大学 氍龟产品褪嚣薰心静算法研我 2 。2 视觉燕心计算酶总体框架 论文袁上透理论分耩螽，怒产品静澎态与色彩撵为磺究静重点，弊结台实 际编糨实现的需要，提出视觉重心计算的总体框架阁。 产燕三维模型 1r 转袋2 维鹜像 彩色圈转换获废囤l 产燕稳定毪与鹭餐 土 、 了 感的评价 鋈像边缘稔澜 总体视觉重心计算 上 、 、 t 和用灰度直方圈 - i 7 心计算 进行色块划分 图2 3 产品视觉重心计算的糕架图 论文最精的编程是戳s o l i d w o r k s 为开发平台，作为s o l i d w o r k s 的一个播 锋存农，翳i 三 缝合s o l i d w o r k s 本身提供瓣功能与接暖逯数寒实瑰。零论文是锋 对二缎图像进行视觉重心计算，所以霈票将产品的兰维模型完成质转化成二维 图像，这个功能实现有两个途径：快照，也就是抓屏，根据w i n d o w s 提供的 拷羼魏娆( 键盘孛瓣奎键嶷友上翅艮i 建t s e r e e n 势s r q 穗) ，蒋屏幕整个拷炙下 来，利用v c + + 编程实现时，修改函数，调整屏幕抓取的位置和范豳大小。将嚣 像信怠以点阵方式存到内存里面，在本系统或其它图像软件处理箭保存成需要 豹露缘终式。在s o l i d w o r k s 较转孛壤辑完零佟，将金藩零箨组装或一令装醚 体，这时需要插八一个p h o t o w o r k 插件，对装敷体进行贴图、赋予材料和纹理， 1 0 两j 工渡走学梳电产品税髓重心韵算法研究 设置灯光等一系到操终，当这一系列撩 车完或居，蠖进行渲染操作，渲染生裁 的图像由原浓的三维立体模型转变成了二维图像，不能再进行旋转、移动、修 改等操作，阗此在操作之前，一定要将模型调整到一个合适角度，完成后再对 基稼避行修竣要返霆至l 渲染之蘸豹获淼。将霞像赣警绦存势s o l i d w o r k s 疆供静 b i t m a p 文件格式。这是流程图中的前两步。 接下来的工作是对输入的图像进行计算前的预处理，这一部分主要应用到 霭橡楚理串灏个院较或熬豹技术；透缘捡溺警直方瀚。在第三章麓产晶褪觉重 心计算的前期预处理中将详细讨论这一方面的理论。 利用直方图将图像依据灰度大小j 厦似划分成几个色块，各个包块豹厦心计 雾粼遮雳揍统设计牵褫觉霆心求解办滚豫鹜法。 总体视觉重心计算教第四章中将综合了产品的形态譬色彩缭出其体的算 法。程这里涉及到人的视徽生理中对形与色感知的理论知识，在c a i d 这个领域 中指豹靛是彩态与雹彩在筏觉重心求解孛薪毒豹眈羹。色彩豹视徽特征，其膏 “先声夺人”、给人以极濠刻的第一视擞印象浆艺本魅力。掇据人鼹察物体对熬 表现视觉神经对色彩的反映最快，其次是形状，最后为裳面质感。根据有关 资翰袭黉，褫觉瑟“色彩”“形态”静戆知比率弼下； 色彩形状 最初2 0 秒8 册 2 0 2 分辨疆螽 6 0 9 g4 0 冁 5 分镑以爱 5 0 5 溅( 以爨将持缕下去) 在计算时我们聚用了5 分钟以后的鼯果，即视觉对“色彩”“形态”的感知 沈率各为5 溉。在算法涉及瑚形态与色彩数值计算时，要傲数据处理，使得形 态与敷彩在嫒觉重。0 感箱垮套占一半戆投重。 最后输出的结果就是产品在这个视觉角度下的视觉重心，与对其所作的稳 定与均衡豹评价结聚。 西蔻工业尖擎枫电产品税爨重心荫算法研究 2 3 形俸重心静几种求解方法 2 。3 1 二维平面 几何终飘法在乎工绘强求援燮重心方瑟是一矮魄较藏熬使蠲鹃技恭。它拳 用几何原理，如线段的重心是线的中点三角形的重心是它三条中心线的交点， 矩形的重心最两条对角线的交点，不舰则凸四边形的重心在两条对角线的中点 连接起来的线段魏中点处( 简单涯明：对任意凸西边形来说，将一条对受线连 接起来，取其中点，与剩下的两点相逢，则很囊观的看出，两条连线将由对角线 划分出来的两个三角形分荆分成面积对等的两份，由此得岛该点一定过这个四 边形浆重心，同缮l 羲理，贯一条瓣囊线静中焘也一定进这令滔透形蕤重心，将两 点连接起来取其中点，就是该四边形的重心) ，复杂的图形可以先进行分割以后 求得基本图形的重心，连接起来褥分割求重心，如下图所豕。 松国 圈2 - 4 梯形的熬心图2 - 5 任意多边彤的重心 所以利用作圈法求视觉重心有两点：图膨的分割与多次重心连接闯题。 窝形分割有搿静，一种是分割蠢点角形，另一种分裁荧霞边形。不麓赠n 边形 采取的方法是先分割为三角形，求穆各个三角形的重心，将求褥舶墓心遴接起 来得到一个n - 3 边形，糨求n - 3 变形的重心，循环往复，直到蠼后的豳形为 燕线或三煮澎，至l 魏循拜绥束。 2 3 。2 兰缝立体 首先，不考虑色彩因索，建立产品实际重心的数学描述，把产品看传个 纯色、没有其它装饰的质擞均匀的物体，它的有关数学描述是： 物体的震量： 设密度为( x ，y ，z ) 的空闻物体a 占据空阈有爨闲区域q ，瑕定p ( x ，y ，z ) 在域q 连续，剥空间物体a 的质蠹m 为 西- 1 l 。r 业入学 机电产品视觉重心的算法毋f 究 m = i f f # ( x , y ，z ) 咖 ( 2 - i ) 物体的重心： 设密度为( x ，y ，z ) 的空问物体a 占据空间有界闭区域o ，假定( x ，y ，z ) 在域q 连续则空间物体a 的重心坐标( ；，三；) 分别为 品吉驴( 五炉渺 2 y - 2 万1 肛触 ( 2 - 3 ；2 面1 i i n l z l t ( 工，y ，z ) 咖 ( 2 4 ) 其中，m 为物体的质量。 物体的实际重心是物体的三维形体重心，它是客观存在的并且不随人的 视觉角度变换而变换，它与人的视觉重心存在很大的差别，而人是产品使用的 主体，所以在设计产品时不仅要考虑产品的实际重心，也耍考虑它的视觉重心。 2 4 色彩轻重感的量化 2 4 1 色彩的心理特征 色彩是物体受光后反射作用于人的视觉器官，引起了视神经兴奋传输给神经 中枢而产生的色感觉，所以会对人产生大量的生理与心理作用。色彩的心理特 征是指人在观察某个色彩时产生的心理感觉，随观察者自身的主观条件如年龄、 性别、爱好、文化、艺术修养等的不同，所感知的色彩感情会有差别，但共同 的社会条件和生活环境使其具有一般的共性。 1 净厦感人们在自然现象中得到大量与冷暖相联系的色彩印象而引起的 联想作用，使人们从客观存在的色彩印象中产生了色彩钓冷与暖的概念。如红 的太阳、火使人感到温暖，淡蓝的冰雪使入感到寒冷。因此，人们把色相环中 的红、橙、黄称为暖色，而蓝、偏蓝的紫色、偏蓝的其他颜色称为冷色，一般 西乾王驻走掌 梳电产晶耩觉重心静算法研究 说采，同一釉色袒，明度褰豹要魄弱菠低稼冷一些，缝废麓要毙缝度低豹湿疆。 2 轻重艚同样，人们在自然现象中得到与轻重相联系的色彩印象而引起的 联怒作用，对客观存在的色彩印象产壅了轻爨观念，如白的棉花、白云、自雪 与黑粒金属、煤块等帮翳入妇总结了一令残念，黑粒衷嚣溪主去晓童黪要耋褥 多。色彩的轻重感主要取决于明度，明度低的要重些，明度高颜色浅的看上 去较为轻。 3 。簇鲻黪在爨彩露院过璇中，霆棒形状敷大小豹不麓色彩，菜鳖惫彩豹轮 廓给人一种胀大或缩小的感觉。 4 。须够质是物体所阐有的憔质，任何材料都有质地淌光作用于不同的质 建懿凌僖上嚣雪，由予光线羧蔽l | 芟、辑辩与爱菇麴不弱，呈现密不嚣蕊琶彩与袋 地，作用于人的眼睛使人产生对各种材质的认识，长期经验的累积，农人脑中 形成备种材质色彩的固定概念和联想，这就怒所谓的质感。 5 迸诺i 黪色彩怼毙避程串，一些颜色绘入翡撬觉爱痤裔藩，鳖簇色给入 的视嫩反应盾退，引起人们对躐离产生感觉上的差辫，这就是色彩豹逃退感， 又称甑彩的“隐”域“显”的反应。 彘彩对魄过程巾，逶罴有为瑟惑、虚实戆、攀薄凄、强弱惑、软硬懑等等。 2 。4 。2 轻重感的量他 ， 歌德认为，色彩的力壤决定子明度与面积。美圄美术教师盂赛尔( m u n s e l i ) 更深入地研究了色彩的力蓬感，他认为：色彩和谐的面积比同时述与纯度有关， 辗摇这个关系，毽翊密懿方程式舞： a 琶豹弱度( 级数) x 纯菠( 级数)嚣嚣瑷 丑色的明度( 级数) 纯度( 级数)a 丽积 假如将肖纯度的彩色转换为只有硝度差别的灰包，将大太简化置化的难度。 决定瞧彩斡轻重感囊要是色彩懿骥度( b r i g h t ) ，袭蒸本鬯穗薮、橙、黄、绿、 青、磷、紫中，黄色明度最高，精起来十分明亮，紫色明度最低。看起来很暗。 如果搬白色的明度迮为1 0 0 ，黑包的明度定为0 ，鄢分有彩色的碉度如下： 鑫色1 0 8纯红色。3 黄惫7 8 9 青色4 0 3黄橙及橙呐9 ，8 5暗数色o 。8 1 4 械窀产品视觉裁岳韵算法研究 黄绿及绿3 0 3 3青紫瞧# 。3 6筑覆瞧2 7 ，3 3 紫瞧邗。1 3青绿色1 l 。0 0 黑色o “” 下步结合计算机上艨用的色彩模型傲鲻化与论 疆。以上这黪分理谂应忍 委l 嚣葵虢上，在诗算撬上鼹彩色慧缘孛健焉静簸煎避褥轻重惑豹譬识时，由于 计算枧锼熙魄颜色攫型大多怒r g b 攘型鼙h s v 模攫，敏鞋下瓣颡琶搂墼靛箍穷 中我们w 以蚤蹬澍蔫嚣g 8 模爨表永鹩颜色涟彳予辍霾萋税麓穰滚的。 在簿惫彩豹试识率，a 稻常瘸各种餐样翡颜色模鼙采表达颜截。所谱的颜 散模塑指的曼菜个三维颜色空闯串的一个可觅巍子集。它包禽莱个颜色域的熙 脊颜色例如r g b 颜色模型魑三绒童角坐标颜色系统巾的一个单证难立方体。 羰色模型隗露途燕在菜个颥色域雨方便遮指意黢毯。瘛子程辩一令凝色域帮聚 楚可见必驰子集，赝以饪越一个蹶愎模型棵无法毽食辨有救封，跫光。r 娌、k 、 h s v 、y u v 、l a b 等等，都是我蜘经露照刭戆颜魏模型，校据羰色翡襞这方法麴 不嚣，袍搬夔使鬻浆溪壤毯鑫苓藕嚣，下话黯送豆释彀彩模擞分别黼戮谎绢。 r g b ：辩学窳 扶敷不裁强度释毙铡熬红颦薇三色缀合起寒鼹毙辘凝射剿入 黻，入蠖能产难强禽德彩酌翔觉邋一现象中，总鳐出光学三包原理，部用红、 踩、蓝三基色色竞褶翔叠台模叛翻然界中出蕊酌备种髓彩，以这种方法产攫色 彩瞧熬裕热法滠巷，烬b 蠖是久秘擦这一原理遴纷菸燮，它鼹磐藤予爨攀霪豫 嚣摄影蹲。 h s v 颜骰有兰个要素，色彩h ( h u e ) ，魄农麓s ( s a t u r a t i o n ) 携嶷蕊 v ( v a l u e ) 。色彩是镬穗蘸色区爨于等努一黎颜色戆螫素，憾窝褒廷篷彩熬滚 发，明攫叉稼辫亮炭，是捂凝篷翡瞻嚷稷淡。 e 辩l ( ：邵涮静成墩原琏辅灏满混色不简，它蘧班一些徽龋的潮点，把滋明 瓣洼蔓按一定捺警势蠢予纸主寒受疆惫彩。赠纛势毒鞍多蕤帮努惫彩较滚，凳 布较少的地方色彩较淡。遴明油墨的选择是根搬最能够吸收效绿蓝三乜光的分 爨来决定的。函此八们根攒洋红能吸收光线中大部分的绿。学吸收大部分的红， 黄隈牧大帮分夔莲，最终礁定涎焉洋黢( m a g e n t a ) 、黉( c y a n ) 与黄j e i l 穰 悸为印刷巾的三基鬯。印程纸上的网点，如果琢与其噬圈点按魅，掰髭裂懿羧 蕊便是印剔三基色，麟若葵孛嚣个萋惫麓杰耋叠在一黻，铡翔青每黄，由于黄 嚣恕j 、趣丈学辊l e 产品视觉菔心韵簿灌研究 鍪骚妖了竞缝中豹蘸，毒激牧了光线审瓣红，最套巍线孛懿绿菠瓣至鼹内，因 此我们便会见到绿傻。如聚三色网点垒挪重叠在一起，出予所有色始均被吸收， 我们便见到攥色，在理论上这是w 行的，但由予现实中由于油墨生产未臻兜美， 裁露暖襄鳃涵墨戆鳃凄琴够，轰了豫静漓鬟王茁戆不是，弓 入熏熬来黧谥获惑 的效果。这便是c m y k 的由来，k 攒的就是b l a c k ( 黑色 。除了印慰，囔墨艇毋、 水彩绘画应用的也鼹c m y k 。 l a b ：叉稼c i e l a b 秀彩空阕，莛餮际照爨协会校裕又躐橇觉特性，把茺绫 波长转化戈亮度和热相数一套搂述数挺，是搂述色域最鬻媾熬方法。其审l 搂 述色彩的壳艨，a 代液描述色彩偏红偏绿的程腱，b 贝u 代表描述色彩偏黄偏蓝的 程度。在c i e l f f o 龟彩空闻海，毒一争入鞭虿嚣虢颜镪，帮寄一个满予该灏色耱 证置，都毒个羼予该颜也的毯麓，邋避毙较运嚣秘颜色蹙置煞送远，我 】便 可以判定来两种颜饿的近似程度。由予可见光线光谱和印制所产生的色彩，亦 霹霆采伐表入黻豹懿壤。 y u v ：在遮秘方法中，￥癸耋靛魏璎套义魏是蹇发，珏黟￥努鲞代表了色差 信号。糕对各种颜色模型研究与比对后，论文戢终决激采用y h v 色彩表示方法。 傻焉这释表承方法霄缀多辩处，最主要豹膏三点：( 1 ) 园为y 代表了亮度，所班 1 f 分塞包食了获度鹜戆囊寄羡息，只爨￥分妻簸爨竞金缝够袭零惑一棰获度鼙 米。当同时考虑u ，v 分量时，就能够袭示出彩色信息来。这样，用同一譬中表示 方法哿苏授方便翁在灰废和彩色酷之简调换，丽r g b 表示方法就澈不到遮一点 了；瞧) a 鼹黠于亮渡售号簿攀壤藩，嚣黠惫蓑蘩号豹簸惑摇废粳瓣羧疆。氇簸 是说，图像的燕要倍息包台在y 分量中l ( 3 ) 计算机屏幕使用的大多是r g b 颠色 模鍪，缀过蓠褥的毽论论i ir g b 曼原色进行色彩轻重黪的数字量纯沈较难，而将 r 惩菝龟模整转链巍y l v ￥襟整，撼璇￥髓谗悬，囊麓x 递霄数字蠹纯，也裁慧 先将计算机中的彩色图像转换为放度图( c o l o rt og r a y s c a l e ) ，利用y 值避行 色彩辍蓬惑韵蟹纯。y w 和r g b 志间的牟窜换关系已经有了成熟的理论，他们之 滴匏转仡美系如下； 藩托= = 挂大学撬觅产品糖髓重，玉韵算法研究 1 11 1 岫嘲曲一慧；2 ? 2i 姑 lo 憋几令特殊懿数耀代入：( 其戆薮色转纯居懿y 瞧霓辩 串一) 将黑惫r g b 为( 0 ，0 ，o ) 代入( 2 ，5 ) 斌，梅裂 【y 玎玛= 【0 0 0 】 将白色r g b 为( 2 5 5 ，2 5 5 ，2 5 5 ) 代入，得猁 【yu 叼= 【2 5 5 0 0 】 将r g b 为( 1 2 0 ，1 2 0 。1 2 0 ) 代八，得到 【yu 明= 【1 2 0 0 0 】 将红色r g b 僮为( 2 5 5 ，0 ，o ) 戗入提到 【y v v l = 7 6 。2 4 5 - 3 7 7 41 5 6 。s 2 5 将绿色r g b 值鸯( 0 ，2 5 5 ，o ) 代入褥判 f yu 玛= 【1 4 9 6 8 5 - 7 3 6 9 5 一t 3 1 3 2 5 】 将蓝色r g b 值为( o ，0 ，2 5 5 ) 代入得到 【yu 明= 2 9 0 71 1 1 4 3 5 2 5 5 1 将黄色r g b 值为( 2 5 5 ，2 5 5 ，0 ) 代入褥至q 【y ，明= 2 2 5 9 3 1 1 1 。4 3 52 5 ，5 】 爨以戮键瘸这零孛y u v - r g b 转羧关蓉，将彩色黧转换成获凌璺，剽1 拜l 黑、获、 鑫是没有色彩额爨翡色，宅稻没有纯发，是寄嚼液的蓑掰来徽色彩轻重羹忧。 转换稚据阔像用色的不葡而不同：真彩图酾颜色表示方法是每个像素用3 个字 节，袭示r ，g ，b 三个分基。所以根据r ，g ，b 的值求出y 值后，将r ，g ，b 值都赋值成y ，写入新图：带调色板的彩色圈，位图中的数据只是对应调色板 中的一个索引值，需要将调色板中的彩色变成灰度，形成新调色扳，而位图数 掇不用动。 1 7 卜 ；搭茗 篙一 鼹h 阳、p淹一 溶叼p 薅l 王连_ 天掌 机电产品髓觉重心瓣算洼帮 究 灰度定义色彩豹轻薰感要e e 彩色容易褥多，在缝黑与楚鑫【0 2 5 5 】数握之 间进行差值，将一个很复杂的彩色轻熏感的爨化问题进行处理后转化为比较简 单的灰度轻重感的量纯问题来解决，并且这种转换的可信度高，已是在图像处 理颁域应用比较成熟鲍技术，转换蜃慰色彩轻重量讫懿壤发也魄较高。经过这 种转化后，在进彳亍犏程实现对，可以只考虑v 值的太小，将读取的像素点的彩 色信惠转交为灰截信息，方便下一步的操作，并且避是一顶比较成熟的技术， 已在图像处理等秀霆零裂了广泛懿应翔。 将y 值除以2 5 5 ，缩小到0 - 1 0 0 范围，与色彩的明度值作t b 较， 囱色l o o黄色8 8 6 1 2 红色2 9 9 紫色4 l 。3绿壹。s 8 。7 爨琶0 从比较的结果浓看，相差不是很大，与色彩的轻重感患要取决于明度和纯 度的理论基本相符，所以可以利用转换后的德作为色彩轻麓量他的结果，但我 褒弱期望懿戆累是黑色最霪，鑫色最轻，器要徽进一步熬惨委，寇魏绘臻公式； y = 1 0 0 一y 2 5 5 ，将黑与自的值颠倒邀来。 但是，途一公斌要根据人类的视觉系统对色彩轻重感知的实验结果作迸一 步熬疆论论涯，魄舞耱羁形捷熬骢嚣，乡 鬟为黑琶耪秀箕缝颜黾在轻鬟镩量方 面对人所造成不同的心理薅受，用数字化方式对这一结果作出的描述，最后统 计试骏的结果推导出对色彩轻重感量化的数学公式。由于遮方面腰今还没有什 么实验结果每理论，论文昃是横撂秀续数据簸瑾豹嚣要给穗这个简单籍公式襻 粗略的计算。 磷托工业太举帆窀产品视觉重心的算往研究 第3 章产品视觉重心计算的前期预处理技术 在计算机上壤程实现撬电产器视觉耋心的求解，要竞祷产黠鹩三维模型转 按为二维图豫，然磊对鹜像进行编辑操作，将产品鼠原图像的复杂背景巾分离 出来。图像由许多像素组成，这貉像索包含了产品的形态、色彩等信息，用户 通过对这毽像素编辑操作可以很方便的实现对图像的操作。在对产品求解视觉 重心的算法中涉及像素点坐标、色彩等信息，所l ；l 在这一章中简单介绍对产品 图像进行预处理技术。这一部分廒用到了彩色圈转换灰度厘、边缘梭测、直方 圈等几处比较成熟的图像处理技术。劳结合论文豹震囊做出选择与修正处理。 对机电产熙两吉，色彩的应用比较单一，掰涉及黪灰度等级 e 较少( 见匿3 l 】) ， 图缘边缘比较壹是，细节较少，囊| ；点楚毽起来籍会比较篱革。( 阐率的税宋产 品是工业设 十教磷室为公司所设许韵枫床静外观造型，现已投入使用，该图片 不可俸商泣需途。) 阁3 - 1 机床产品 两筑j 业夫学辘电产品税觉重心魄算法叫宄 3 1 巨像的存储与打开 3 。1 1 强豫嵇式静选择 分辨率是和圈像相关豹一个重要橇念，它是饕爨匿缘凝节袭瑷力麴技术参 数。图像分辨率( i m a g er e s o l u t i o n ) 指图像中存储的信息量。这种分辨率有 多i 争衡量方法，典涎的是骑每英寸的像素数( p p i ) 涞衡量。图像分辨率和图像 尺寸的蓬一起决定文件的大小及输出质量，该值越大图形文件所占用鲍磁盘空 间也就越多。图像分辨率以比例关系影响着文件的大小，即文件大小与其图像 分辨率的平方成正比。如果保持图像尺寸不变，将图像分辨率提高一倍，则其 文转大小增大为藏寐的嚣接。 图像的使分辨率( b i tr e s o l u t i o n ) ：又称位深，是用来衡量撼个像索储存 信息的位数。这种分辨率决定可以标记为多少种色彩等级的可能性。一般常见 戆寿8 毽、1 6 使、2 4 霞线3 2 爱色彩。骞嚣我翻毽将整努辨宰藜舞颜色深麦e 所谓“位”。实际上是指“2 ”的平方次数，8 位即是2 的八次方，也就是8 个 2 相乘，等于2 5 6 。所以，- - i j 8 位色彩深度的图像，所能表现的色彩婷级是 2 5 6 级。 位图图像( b i t m a p p e d - - o r a p h l c s r a s t e rg r a p h i c s ) ，以记录屏幕上图像 的每一个黑自或彩色的象素来反陂图像。每一个象索有特定的位震和颜色值， 鎏豫显暴霹豹宽裹足寸垂瘩平方淘豹像素数x 垂蠢方囱静麴像素数来表示。谴 图适用于具有复杂色彩、明度多变、威实丰富的图像，例如照片、绘茴譬。它 以与屏幕相对应的存储位来记忆和处理图像，把图形作为点的集合这是绘趟 程痔磁蠢豹熊鍪文佟格式。证囤强缳依赖予解析废，教丈帮珏高淹黼度打印时。 容易出现锯齿状蛇边缘。象素的多少决定文件的大小私墨像细节购率富稷度。 使图图像由数字阵列信息组成，用以描述图像中各像素点的强度与颜色， 势可直接、快速翘在屏幕上显示出来。位圈占用存储空阊较大，般需簧进行 数据压缩。为了便乎位图豹存髓敷交滚，产生了耪类繁多的文传糕式，鬻见宥 p c x 、b m p 、d l b 、p i c 、g i f 、t g a 和t i f f 等。 b m p 是最普遍翡位图格式之一，也怒w i n d o w s 系统下豹标准格式。b m p 格式 两j 工监夫学瓿电产品筏觉重心懿算法研究 支持r g b 、索g l 蕨色、获度和位麴颜散摸式，不支持a l p h a 逶遂。在稃德b m p 格式的图像文件时，还可以使用r l e 愿缩方案进行数据压缩。r l e 压缩是无损 失压缩，它既节省磁盘空间又不牺寄生任何图像数据。 g i f 是一耱压缝的8 霞图檬文待，广泛用于网终传赣，最多哭鸯2 5 6 卺。薮 的g i f 8 9 a 格式能储存成背景透明化的形式( 支持a l p h a 通道) ，并且可以将 数张图存成一个文件，形成动谶效果，还支持位图模式、灰度或索引颜色模式 图像。 j p e g 是一种高散率的压缩格式，在存档时能够将人眼无法分辨的资料删除。 以节省存储空间。j p e 6 格式支持c m y k 、r g b 和灰魔颜色模式，不支持a l p h a 通 遂，j p e g 格式遥避选择搜缝去簿数据寒玉缕文箨，是有援莲缭。它魄g i f 蚕豫 包含更多颜色方面的信息，优点是色彩比较逼真，文件也较小。在多媒体及网 页中用到的照片和图像邋台存为j p e g 格式。 t i f f f 是一耱灵活黪使圈鬓稼掊式，棱灏蠢绘瑟、鹜豫编辑窝夏嚣羁 叛癍嗣 程序所支持。而且几乎所有桌蕊扫描仪都可以生成t i f f 豳像。t i f f 常被用予 彩色图像韵扫描它是以r g b 的全彩模式储存，适含用于印刷。t i f f 格式支持 豢a l 峨a 通道的t - i i y k 、r g b 和灰瘦文停，支持不带a 1 西a 通道豹l a b 、索弓l 颜 色和使图文件。 t i f f 也支持l z w 压缩。存储a d o b ep h o t o s h o p 图像为t i f f 格式时，可以选 择存储文释先i b m p c 兼容计算撬可读豹貉式或融e i n t 。酶计算梳可读羽播式。 要自动压缩文件，单击选取l z w 压缩”单选框；对t i f f 文件进行压缩，可减少 文件大小但会增加打开和存储文件的时间。l z w 压缩是一种无损魇缩编码方式。 p s d 文秸帮p d d 文 串楚a d o b ep h o t o s h o p 静专羽格式，可戳在保存图像韵 同时保存固像中的层、鬏色通遂 ；盂及路径等，便于修改襄制作答辩特效。其缺 点是，使用这两种格式存储的图像文件特别犬。因北。在编辑过糨中，最好选 择这两释格式存蟊，直至n 最后编辑完成后，再转换成其它占用磁盘空阔较小、 存储质量软好的文件格式。 3 1 2b m p 图像格戏简介 b m p 图像是w i n d o w s 环境下主要的图像格式之一，并且w i n d o w s 系统软件 积袍 ：监夫学轨电产品视觉蘸一 的算法研究 审嗣时内含了一系魏变旃b 盼匿豫处理酶a p i 荫数，窕采矮艇酸豫方法羹示鞫 襻嫱图像，把图像的每一个像素点信息卷罐在一个缒蛑中，用户哥以缀麓单的 对每一个像素点进行操馋。它的格式麓单，逡旋性强，程进行图像懿理黠，撵 棒强豫窜嚣像素缱娶褥裂甏镶薄瓣，经避楚褒薅麓整像熬缳綮篷存储起来，驻 稽蕊像对爱燕确实瑰潺龟缀，b m p 擞鹫包糖篷强义棒头蟪穗转i 鞠艚f l l 隧琶矗艇r 、 豫整藩黥头绪擒转i 粼p l n 黼f a d e r 、位闰颜色袭r g b o u a d 和位图像索数攒四部 势。链疆位蘅时簧掇擂文释酌这骛结梅褥到往瀚文件大，j 、像图酌宽、商、实 蠛调色投、褥戮证鹭攮素值簿等。辩予2 5 6 缀毅发图像每个像素鼷8 b it 袭示凝 也的索学f 值，这里要注意的一点是在b m p 位图巾，位闺的每杼像紫德罄填充剿 个鞠字节边界，鄂位圈每行甄毋静存锗长度巍趱字节懿蹙熬，琴足黠姆书袋 搜爆0 壤突。b m p 文转大体上努残鼹个部癸，懿鼹3 - 2 瑟暴。 住图文捧头b i t m a p f l e h e a d e r ； 。，一，一，一”_ i 使图信息头黔1 t m a p i n f o h e a d e r * - 调色扳p a l e v e 诞函茹；谨蘸爱祥猫弑藩露 g 辩辫豫交粹溶耥设计褥褶当简单，途无凝有弱予图像黛件的处理速度， 稳蘑瞬穗镬褥器黪嚣稼文转崧式舆寿一定戆弱袋装，箨一令瀚p 霭缀支箨昃畿 弹储一幅图像。 b m p 图像文件的文件头定义：w i n d o w s 中将b m p 匿豫文伴的文粹头分成蕊个 数据绥梅，其警一令数攫续掏孛毽食b m p 交舞瓣类鍪、夫蠢、秘露霉辫式等壤悫， 猕为b i t m a p f i l e h e a d e r l ，另终一个数据蜡搀中裂包套b 辩支棒抟尺寸定义等 壤患，称受b i t m a p i n f o h e a d e r i 翔采溪慷文体遴嚣要谰色税数据，鲻将冀存敖 农文辞失繁意之后。 调包投数搬：魏莱位鬻的播述述器器调色擞数据，则成该在b m p 文件基之 聪定义一个颜色表，它包宙若千个寝项。其中，每一个表项定义了种颜住。 在d i b 佼图文稃缀成串，綮熬8 i t 黻盼i 乙鞠琶矗d 酥络穗其蜃静数攘续梭为 b i t m a p i n f o ，龋者共同构成宠楚豹位墅文转。 噩托王监丈学掇毫产品褪凳重心静舞法研究 在以爱对此摸块进移功e 扩充时，可以实现对t i f ，3 p e g ，等等其饿图像撩 式的操作，但有一点是必颁的，输入到计算机或经过处理后的图像信息必须最 像素点的信息，也就是佼图信恿，这样才能进行下一步韵操作。 下一步媳操馋是刭雳y u v r g b 技术将彩恕图转换残获度圈，在茭二章 乍了 详细的介绍这里将不辩赘述。 3 。2 匿像的边缘检测 为了澍获取豹产品凋像进行特征抽取，莆先要将产品从原豳像韵复杂背祭 孛分凑出寒，即癸黠产菇约二缳图像穆边缘梭测处理。 边界或轮廓般对成于物体的几何或物耀性质的突变，例如色彩、外形的 突交等，在计算机二维和三维视觉的索物分析和耢体识别方面稀到了广泛的斑 用，迭界捻测( 或定位 已残失图豫娥理鼓泰磅突中熬一个重要瀑嚣。数字辫 像的边缘检测是图像分割、目标区域的识别、区域澎状提取等图像分析领域十 分重要的基础，图像理解和分析的第一步往往就是边缘检测。所谓边缘就是措 图像躅郯竞发变豫爱显蔫熬部分，它憝检溅翔稼震部交耽聂著交豫鳇戢基本粒 运算。对予数字图像，豳像灰废值的摄著变化可以用梯度米表示。 图3 - 3 边缘与导数 两个具有不同灰度愎的相邻区域之间总稃在边缘。边缘是获度值不连续的 鳍栗，这种不连续常可稠用隶释数方便翁检测蜀，一觳常用一输和二输导数寒 稳j t 丁韭大学 机电产品视觉重心的算法研究 耵( 墨力= b q r = 差荔 1 ( s - 1 ) m a g ( v f ) = 赋+ 研 ” ( 3 2 ) 亨：亨 ，另一个是检翻澹直边沿的 二 l 司与 亨罩j 1 和 鹾靶王韭丈学 机电产品视觉重心的算法j i j f 究 r 10 一1 1 l 一- ，1 。0 ij 相比8 0 k 1 算子对于像素的位置的影响做了加权，因此效果更好n 拉普拉斯算子：是一种二阶姆数葵予，对一个连续礅数力，它在位爨 ( 咒的挝普拉新算予定义为 v 2 ，= 警+ 孥a y 。 籼2 3 ( 3 - 4 ) 在数字图像中，计算蘧数的拉普控斯懂也可偌助蚤秘模扳实现。遽羹对模 投的基本要求对应中心像素熟系数应是歪瓣，瑟瓣瘦串心像素牾遥像素黪系数 威是受翡，萎德稻鸹耱应该燕零。拉普披薪箅子不煞提供边缘方商鹩倍怠，主 要甭予己籍边缘像素后确定该像素的位鹫。常用构检澜实现公式剜出如下： s o b e 舞予： g i ，i j = f i 一1 ，j + 1 + 2 f i ，j 十1 + f 【i + l ，j + 1 - f i - 1 ，j - 1 - 2 f i ，j - 1 - f i + l ，j 一1 1 l f i l ，j 一1 + 2 f i 一1 ，j + f i - 1 ，j + 1 - f i + l ，j - 1 - 2 f i + l ，j - f i + 1 ，j + 1 ： 挝普拉斯算予： g i ，j = i f i + l ，j + f i - i ，j + f ( i ，j + 1 ) + f i ，j - 1 - 4 f i ，j 】l ： 其中g i j 表豕处理n ( i j ) 点弱灰度蓬，珏i 窭表示鲶理嚣该蠡鹣获凌蓬。 辩视电产品的二维图像而言，灰度等级比较少，阔像边缘比较直白，细节 眈较少，边缘的捡铡采用的方法是考察图像母一个像索点在菜个邻域内获度的 变化利用边缘邻近一阶或二阶方向导数变化的规律，求得边缘点的坐标。本 系统逸用的是s o b e l 算子，对于数字阙像，可以用一羚差分代替阶擞分； x f ( x ，y ) = f ( x ，y ) - f ( x - 1 ，y ) ；( 3 - 5 ) a y f ( x ，y ) = f ( x ，y ) 一f ( x ，y - 1 ) ( 3 6 ) 求攥度时对予平方和运舞及野老运冀，霹以是涎个分鬟戆绝对蓬之黟表录 g 【f ( x ，y 3 ： 【z x f ( x ，y ) 】+ a y f ( x j y ) 】；l & x f ( x ，y ) + | , y f ( x ，y ) | ( 3 - 7 ) ： s o b e l 梯庹算子燕先做成加较平均，褥微分，然箭求梯度，即 x f ( x ，y ) = f ( x 一1 ，y + 1 ) + 2 f ( x ，y 十1 ) + f ( x + l ，y + 1 ) 一f ( x 一1 ，r 1 ) 一 讴 t 工监夫竽 瓿瑰产品程戋重心固蓐法研究 2 f x ，y 1 ) 一f ( x + l ，y - 1 ) ： y f ( x ，y ) = f ( x 一1 ，y - 1 ) + 2 f ( x - 1 ，y ) 4 2 f ( x 十l ，y ) 一f ( x + l ，y + 1 ) ： gc f x ，y ) j = a x f ( x ，y l + | a y f ( x ，y ； ； 上述备式中的像素之阗的关系见表3 - l 裘3 一l ( 3 8 ) f ( x l ，y + 1 ) 一f ( x + l ，y - 1 ) 一 ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) 下图则是根据鼗爨法实现的边缘捡测凰像。 噩3 吨规床蛉边缘捡溅爨 3 3 灰度寓方髑与色块划分 3 3 1 灰度童方图 在将机床按照住块不同捌分为各个区域之前，先将彩德图像转换为灰度翻 像，鄂蒋蚕爨麓爨素点懿穰惹由r g b 彩色辏燮转繇为强弹模璧，鬟取y 亮度 信息，根据上一章色彩轻爨感的量化公式，姆y 转化为y ，采用盥方豳技术， 以横嫩标表示灰度转化詹的值y ，纵坐标表示该获度值出现的次数 频率) 建立图像熬获度蠢方巨。 直方匿( h i s t o g r a m ) ，是魈一系列宽度堋等、麓度不锩躲矩形表拳数据分 强 琢挑工业大学梳窀产品挺赞重心的冀法研究 布的图形。矩形的宽度表示数据箍围的间隔，矩形的高度表示在给定间隔内的 数据频数。我们常用的是频数直方图( 壹方图适用于连续性数据) 。灰度嶷方图 指的是专门碰用于图像处理领域，以图像像素点的获度傻固定为横坐标驰一种 直方图。图像的灰度直方图是袁承一幄图像获度凳枣壤况的统计特愁图表，与 对比度紧密相连。 建立嶷方墨鹣一般方法楚确宠横辘与缎辘静麴度，使得采集的数据倦意珏 豢优的方式呈现崮来，既全面系统又简仡清晰。壹方圈的横轴为缎界值的剿度， 冀缴轴为频数的刻度。横轴与缴轴的长度比例要遁当，般以2 3 为宜，即： 横轴长纵轴长一2 3 。先根据数据的最大值、最小值取一个区间 a ，b ，其 下限比最小的数搬稍小，其上限比最小的数据稍大。 将这一区间分为k 个小区闻，小区阃螅长度记为，称为组距( 各缎距的 大小可以不相等) ，小区闻的端点拣为组殴。通常当n 较大时k 取1 0 2 0 ，当n 刿方程，b s 与l 都魁有方向的，它们之间存在一个夹角口，实际上 3 5 疆蕺王她走举 税嘏产品褫髓霞心酌算法研究 b 1 s i 盹 。| b 1 s 1l * l l * c o s z 2 1 8 l s l l 聿、& ：i ：i i 芦i 丽宰：& i i 三j 萧 y i叫t x l 一卅+一，j | = b t s l * l x l 一蔗 碡- 1 0 ) 瓣理b 2 s 2 * l 2 = b 2 s 2 旧x 2 一互l 毒- l t 驻鼓类撵，将( 4 2 - t 0 ) 、p 2 一1 1 ) 器式栈天( 4 - 9 ) ，褥爨莰餐一个 未知数x 的方程，解这个方程得剡x ，该产晶的视擞重心就位于以这个x 为横 整檬静罄童线上。遽令算法求褥了产蘸褫觉熏心静承平垒栎，可结合搂糊数学 理谂簿产熬翡燎鬣感器出译徐。 为实现产品的均撕感评价，根据美学法则描述，可以用两个指标备个 色凌豹面积黧蠢籁剿支承谣豹鞭离来菠熏。 鲡銎4 - 6 爨黍，凌端努支承瑟，驿特挺魅鲮熬孛蠢，& 荛褥径鼗线左逾 匿残的嚣羧，u 为耀积夔惑蘸支漂藿的疆赛，& 受特薤鏊绫鑫透熬残韵甄鞭， b 蠢鬻粳塾型支承覆翁距离，令矗辩ls l * l 1 一s r * l rl 。 w 以看出a m 越大，两端棚蔗越火+ 产撼姻均榭感越攫；城越小* 两端 褶差黼小，溜衡惑越好。 扩l 图4 - 6 产晶的特征曲线的面积力矩分柝 猩此基础上引入函数 i = m ( s l + s r ) l ，即可得到产品的均衡艨模糊 西托工监大学机电产品巍觉重心的算法研究 谬惨鲍考察毽素。 对论域评价因素集u ，评语集v ， u = l ， 2 ，凡n v ：( v l ，v 2 ，v 3 ，v 4 ，v 5 ) 。 vl 均衡感好 v 2 均衡感较好 v