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基于机器视觉的皮革喷涂控制系统设计摘要基于机器视觉技术，本课题对现有的皮革喷涂机进行了改造，设计了一种集图像采集、图像处理和自动控制喷涂的智能控制系统。本课题设计的智能控制系统一一基于机器视觉的皮革喷涂控制系统主要由以下硬件构成：计算机、光源、工业面阵相机、数字图像采集卡和数字量输入输出卡( d i d o 卡) 。在喷涂机的传输系统前端安装相机，以采集待喷涂皮料的图像信息；相机拍摄数字图像经由数字图像采集卡传输到计算机中，按采集的时间顺序对其进行分析处理；图像处理完成后，计算机根据图像处理的结果生成控制信号，并将此信号传输到d i d o 卡中，由d i d o 卡控制喷枪状态。基于机器视觉的皮革喷涂控系统的系统软件采用微软公司v c + + 6 0 进行编写，其主要由五部分组成：图像采集模块、图像预处理模块、区域快速识别模块、喷涂数据生成模块和喷涂控制模块。为满足皮革喷涂系统图像处理部分的实时性，本设计在系统主线程序的基础上，采用多线程的方式，实现图像采集、图像处理和显示以及p c i 2 3 2 0 的中断。出于对喷涂生产过程以及喷涂环境的考量，本课题中图像处理过程的算法确定，利用了模拟实验，对比了常用的图像处理算法，选取了适合本设计的方法。最终确定的图像处理方案为：采集到的图像先用高斯去噪法去噪，然后利用经验法灰度阈值方法进行图像分割，最后图像后处理的部分选用了灰度闭运算的方法。本设计中使用了高检测精度的机器视觉技术，实现了皮革形状的精确检测。并且，根据形状检测的结果，利用d i d o 卡快速便捷地控制各个喷枪，实现了图像采集和涂料喷涂实时同步运行。关键词：皮革涂饰，机器视觉，图像采集，图像处理，图像识别，数字量d i d o 卡c o n t r o ls y s t e md e s i g n 0 fl e a t h e rs p r a y i n gm a c h i n eb a s e do nm a c h i n ev i s l 0 na b s t r a c tb a s e do nm a c h i n ev i s i o nt e c h n o l o g y ，l e a t h e rs p r a y i n gm a c h i n ew a sr e f o r m e di no u rw o r k a n dak i n do fi n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mw h i c hi n c l u d e si m a g ea c q u i s i t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n ga n da u t o m a t i cc o n t r o ls p r a y i n gg u n ，w a sd e s i g n e d t h el e a t h e rs p r a y i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e do nm a c h i n e r yv i s i o nm a i n l yi n c l u d e sc o m p u t e r ，c a m e r a ，i m a g ea c q u i s i t i o nc a r d ，l i g h ts o u r c e ，d i d oc a r do fd i g i t a ls i g n a la n dl e a t h e rt r a n s m i s s i o ni n s t i t u t i o n s t h ep r o p o s e de x e c u t i o np r o c e s sw a sd e v e l o p e da sf o l l o w s ：w ei n s t a l l e dac a m e r ab e f o r et r a n s m i s s i o ns y s t e mc o l l e c t e dt h ei m a g ei n f o r m a t i o no fl e a t h e r t h ei m a g ec o l l e c t e dt h r o u g hi m a g eg a t h e r i n gc a r dw a st r a n s m i t t e dt oac o m p u t e ra n dt h e nb ea n a l y z e d a f t e rt h ea n a l y s i s ，t h et r e a t m e n tw a sp r o d u c e da u t o m a t i c a l l yb yc o m p u t e ra n dt r a n s m i t t e dt od i d oc a r d t h ec o n d i t i o no ft h es p r a y i n gg u nw a sc o n t r o l l e db yd i d oc a r d t h ei n t e r f a c ew a sd e s i g n e dm i c r o s o f tv c + + 6 0i n1 e a t h e ra n dt h ef u n c t i o nw a sr e a l i z e db yu s i n gs p r a y i n gm e a s u r e m e n ts y s t e m t h es o f t - w a r e so fl e a t h e rs p r a y i n gs y s t e mb a s e do nm a c h i n ev i s i o nw e r ei m a g ea c q u i s i t i o nm o d u l e ，i m a g ep r o c e s s i n gm o d u l e ，r e g i o n a lr a p i di d e n t i f i c a t i o nm o d u l e ，s p r a y i n gd a t ag e n e r a t i n gm o d u l ea n ds p r a y i n gc o n t r o lm o d u l e t om e e tw i t hs y s t e mi m a g ep r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t sf o rr e a l - t i m e ，am u l t i t h r e a d i n gw a su s e da tt h eb a s i so fs y s t e mp r o g r a mw h e nd e s i g n i n gs o f t - w a r e s m u l t i t h r e a d i n gi n c l u d e dg r a b t h r e a di m a g ec o l l e c t i o nl i n e ，i m a g ep r o c e s s i n ga n dd i s p l a yt h r e a da n dp c i 2 3 2 0 t h r e a di n t e r r u p t t h ec o m m o ni m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m sw a sc o m p a r e di nt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a n dt h ed e s i g nm e t h o dw a sf i n a l l yd e t e r m i n e db a s e do nt h er e a l i t yo ft h i ss u b j e c t t h ef i n a ld e s i g nm e t h o dw a st h a t ：i i it h ec o l l e c t e di m a g ew a sf i r s t l yd e n o i s e du s i n gg a u s sd e n o i s i n g ，a n dt h e nd i v i d e du s i n ge m p i r i c a lt h r e s h o l df o ri m a g es e g m e n t a t i o n a tl a s t ，t h ei m a g ew a sd e a l tw i t hg r a yc l o s i n go p e r a t i o nm e t h o df o rp o s tp r o c e s s i n gp a r t d e t e c t i o np r e c i s i o nm a c h i n ev i s i o ns y s t e mw a su s e dt or e a l i z et h ea c c u r a t ed e t e c t i o no f1 e a t h e rs h a p ei no u rw o r k a n d ，e a c hg u nw a sc o n t r o l l e df a s ta n dc o n v e n i e n t l yb yu s i n gd i d oc a r da c c o r d i n gt ot h es h a p ed e t e c t i o nr e s u l t s ，t oa c h i e v et h es y n c h r o n o u so p e r a t i o no fi m a g ea c q u i s i t i o na n dp a i n ts p r a y i n gr e a l t i m e k e yw o r d s ：l e a t h e rf i n i s h ，m a c h i n ev i s i o n ，i m a g ec o l l e c t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n g ，i m a g er e c o g n i t i o n ，d i d oc a r do fd i g i t a ls i g n a li v基于机器视觉的皮革喷涂控制系统设计l 绪论1 1 课题的背景皮革制造业是我国轻工行业重要的组成之一，其年产量相当可观，仅2 0 11年轻革产量就达6 8 亿平方米。但是，目前我国制革行业使用的机械设备的水平却相对落后，与国外先进的皮革机械设备存在较大差距。尤其是在制革的涂饰部分常使用的皮革喷涂机，由于其喷涂系统对皮革检测精度低，甚至有的喷涂机无皮革检测系统，从而造成浆料的严重浪费。皮革涂饰，是指在皮革的生产过程中，特别是在皮革整理过程中，需要在皮革的表面喷涂上一层薄薄的色浆、成膜剂、修饰剂、手感剂和光亮剂等。经过涂饰的皮革不仅外观得到改善，而且物理机械性能得到提高，因而提升了皮革的经济价值。因此，用于完成喷涂涂饰操作皮革喷涂机在制革厂里是不可或缺的。但目前的皮革喷涂机对浆料的浪费比较严重，几乎所有的喷涂机都无法实现“有皮则喷，无皮停喷”，所以对现有的喷涂机进行改进已迫在眉睫。为使皮革喷涂机具有高检测精度，自动化控制，达到“有皮则喷，无皮停喷”，节约浆料，减少污染，本课题对皮革喷涂机的控制系统进行了改造，为其设计了一个集图像采集、图像处理、自动控制喷涂于一体的基于机器视觉技术的智能控制系统。机器视觉技术【1 o 】是一种集图像处理技术、信号传输技术、自动检测技术、机械工程、控制工程和计算机技术等多种技术于一体的综合性新型技术。这种新兴技术可以应用于各种场合，其具有将强的实用性和通用性。与一般的图像处理技术相比，机器视觉在实时、速度和精度等方便的优异表现是其他技术无法超越的。虽然，目前机器视觉系统还不具备像人类那样高效、灵活和通用的视觉，但不可否认，机器视觉理论和技术的发展是相当迅速的，在理论领域机器视觉的研究吸引了各类学科的诸多学者的目光，同时机器视觉的研究成果也被应用到不同的实践层面，其主要应用领域为 7 - 2 2 1 ：自动流水线生产和装配，自动焊接，切割加工，以及各种危险场合工作的机器人；在大规模集成电路生产线上的自动连接引线操作，对准芯片操作和封装操作；在石油，煤矿等钻探中的数据流自动监测和去噪；玻璃产品上裂痕和气泡的检测，纺织品质量监控，皮革缺陷检测与分类，食品表面质量检测，印刷电路板和集成电路芯片检测，工业探伤等。1 2 课题的基础理论和研究意义1 2 1 基础理论陕西科技大学专业学位硕士论文机器视觉及机器视觉系统的构成 2 3 - 2 4 机器视觉，顾名思义它是利用机器( 或计算机) 来模仿人类的视觉系统，拥有人类视觉系统所具有的功能。机器视觉是一种集图像处理技术、信号传输技术、自动检测技术、机械工程、控制工程和计算机技术等多种技术于一体的综合性的技术，其可应用领域较广，尤其可用于不利于人类工作的环境中。机器视觉系统主要由三部分组成：主端计算机，图像采集装置，图像处理装置，工业相机或摄影机，照明设备( 如高周波萤光灯源、l e d 光源、h a l o g e n卤素灯光源、闪光灯源和其他特殊光源) ，图像显示装置，控制装置和其他装置。图像采集【：”s 】在机器视觉系统中，图像采集一般是由相机和图像采集卡实现的，其作用是将物理图像转换成数字图像，最终存储到计算机中。图像采集系统的工作原理是：光线入射到相机中的图像传感器感的光面上，各个感光单元将感应到的光强信息转换成为标准的电信号，这些电信号经由图像采集卡的a d 转换模块处理，最终转化成数字信号。图像处理【2 7 2 | l图像处理是机器视觉系统中重要的组成部分，如果将机器视觉系统与人的视觉系统相比的话，图像处理部分相当于人脑的作用，其主要作用是提取或加强原始图像中感兴趣的部分，并针对于不同的部分生成不同的处理方案。一般的图像处理步骤有：图像预处理、图像分割和特征提取。1 2 2 研究意义成品革一般是从以下几个方面进行评价的【2 9 】：颜色、光泽、透明度、各种效应、花纹图案等。而这些特性全是通过涂饰操作来控制的，涂饰后的还能提高皮革的使用性能。用于服装、鞋靴、箱包和家具的革均为轻革，作为世界加工中心的中国，其轻革产量巨大。而在在轻革生产中，普遍采用手工揩、刷底浆，中上层用喷涂机喷涂。因此可以看出，如果在轻革涂饰时，继续使用目前涂饰浆料浪费达3 0 以上的皮革喷涂机的话，其每年的浪费总量相当巨大。此外，涂饰剂中存在大量的挥发性物质，这些挥发物质大多是有毒的，对人体健康危害很大。为了提高皮革喷涂机的检测精度和喷涂精度，实现喷涂的实时有效自动控制，节省浆料，减小有机溶剂挥发，有利于环保以及皮革厂职工身体健康，增加企业效益的目的，对现有皮革喷涂机的控制系统进行改造，具有相当重大的现实意义。2基于机器视觉的皮革喷涂控制系统设计1 3 皮革喷涂系统研究概况及发展趋势1 3 1 皮革喷涂系统概述在制革工艺中最后一道工序是涂饰，皮革涂饰 3 0 l 的主要作用是遮掩瑕疵，增强皮革的物理机械性能，从而提高成品革的等级。常用的皮革涂饰方法有五种：刷、揩、淋、辊和喷。因为皮革制造工艺差异、涂饰层不同、涂饰风格有别等原因，对皮革进行涂饰时选用不同的涂饰方法。喷涂的方法主用用于服装、鞋靴、箱包和家具革，其优点为涂饰均匀，适合于各层涂饰，但缺点浆料浪费严重。皮革喷涂主要由皮革喷涂机 3 1 。：】来实现的。目前应用于生产的主流皮革喷涂机可实现均匀喷涂和高温干燥功能，其主要组成部分有：皮革传送机构、喷涂室机构、干燥机构和控制系统。其中，皮革传送机构主要实现皮革的传送，此部分一般用传送带将皮革依次传送通过喷涂室、干燥室。传送带的传送速度为2 8 m m i n 。喷涂室一般成方形，四面装有可滑动的玻璃窗，用以观察喷涂情况，喷室顶设置喷涂架。供气、供浆装置装于喷室外侧，共同组成喷涂系统。喷室内部的除尘装置由两部分组成，一是下部的水槽和导水板，二是侧面的抽尘风道。干燥机构：主要组成为温度控制装置和干燥线。干燥线外部由保温板保护，侧面有轴流风扇，内有两个散热器，设有风筒、风箱和导流叶，导流叶下是传送线，两侧设有门；温度控制装置包括压力式温度计及热力管路，其测温探头设置在干燥线内。工作原理：当温度控制装置通入额定的蒸汽后，启动干燥线，轴流风扇旋转，流动空气通过热风箱经导流叶分层吹向传送线，随着空气被加热形成热风，温度由控制装置控制，近似恒定，这样喷涂后的皮张经过干燥线后即可被干燥。控制系统：静电控制、射流控制、光电控制、超声波控制、单片机或者p l c 控制等类型。1 3 2 皮革喷涂系统研究现状现如今，在各个生产行业中机械自动化已经相当普及，但是在我国的皮革行业中机械自动化程度仍相对落后。为了提高皮革生产过程的自动化水平，尤其是皮革喷涂过程的机电一体化程度，我国的许多学者在对皮革喷涂机的改良方面做了大量的尝试和努力。2 0 0 0 年，连云港皮革机械厂的徐根华工程师在一篇论文里描述了一种用电脑控制的喷浆机【3 3 】。这台喷浆机工作原理是：皮革从传动辊进入，通过光电检测装置时，此装置未检测到光信号即有皮通过，反之，则无皮通过；于此同时，陕西科技大学专业学位硕士论文传送编码器和旋转编码器将完成皮革与喷枪间距的测量和喷枪需转动的角度的测量。检测到的三组数据信息同时传输到信息处理系统中，按照预先编好的程序对其进行计算处理，最终生成控制信号。此控制信号负责控制喷枪上的电磁阀的开合状态，以此来完成较为精准的皮革喷涂工作。这台机器的控制系统的主要技术措施为：采用光电传感检测技术和单片机或p l c 的信息处理及控制的装置。2 0 0 5 年，我校的王桂林 3 4 1 等人设计了一种新型能对皮革进行仿形的皮革喷浆机。该机可以完成皮革仿形、自动喷涂和高温干燥等功能。其主要的技术措施为：采用p c 机实现皮革仿形，利用可编程控制器( 西门子s 7 2 0 0c p u 2 2 4型p l c ) 实现控制喷枪状态。现今，皮革涂饰时使用的喷浆机的控制系统主要有两类：光电检测，单片机或p l c 控制；工业相机检测，p l c 控制。这两种新型喷浆机都对原有的机械式喷浆机进行了改造，很大程度地改善了原有喷浆机有革无革都喷的状况。同时，这两种机器也存在一些需要改进的地方：光电检测装置最大的缺点就是容易受到外界干扰，其检测精度不高。p l c 控制系统结构复杂，响应时间较长，制造成本高。1 4 皮革喷涂工艺基础1 4 1 喷涂涂料喷涂涂料又叫皮革涂饰剂，它是由多种化学试剂混合而成的，主要包括成膜物质、着色物质、溶剂和助剂。成膜剂成膜剂能将着色材料、其他助剂牢固地粘着在革表面，因此又称为粘着剂；用不同的成膜物质和不同的用量，可以控制涂层的光泽和手感，故也作为涂层项层的光亮剂。着色剂着色剂的作用是使涂层着色，革的颜色明亮，或更浓厚，颜色更均匀。另外对未染色的的坯革着色，用颜料着色还可遮盖皮革表面的缺陷，提高涂层的坚牢度。溶剂分为有机溶剂和水两类。涂饰剂中的溶剂的多少直接与革上涂层的厚薄和涂饰浆料的稠度有关。溶剂量加大，涂饰浆料变稀，在革上产生的涂饰效果则较小，通常，底涂浆料浓度最大，含固量在l0 2 0 ，顶层浆则较稀，含固量仅2 5 。助剂其种类较多，主要用于改善手感、光泽、涂层饱满度和涂层的物理机械性能。1 4 2 喷涂工艺参数4基于机器视觉的皮革喷涂控制系统设计一般喷涂工艺参数如下：有效工作宽度：15 0 0 r a m ，18 0 0 r a m ，2 2 0 0 r a m ，2 4 0 0 r a m ；枪距革面距离：o 17 o 3 3 m ：气泵的压力为：0 4 9 m p a 以上；供料速度：2 8 m m i n 。本文在皮革喷涂控制系统设计过程中，是基于以下参数：喷涂的有效工作宽度：15 0 0 m m ；供料速度：5 m m i n ；每个喷头的有效喷涂宽度：5 0 m m 。注：喷枪呈一字排列于喷涂架上。见图1 1 。图1 - 1 喷枪排列示意图f i g l 1s c h e m a t i ca r r a n g e m e n to fs p r a yg u n1 5 本课题主要研究内容1 5 1 主要研究内容本课题的主要设计思路为：利用工业相机和数字图像采集卡采集待喷涂的皮革图像；通过计算机中编写好的程序对皮革图像进行分析处理，生成执行信号：由控制信号执行部分控制喷枪启合。其主要研究内容如下：( 1 ) 硬件选型一般的机器视觉系统主要包括：光源、摄像机、数字图像采集卡、计算机和控制机构。光源：光源是机器视觉系统中图像采集单元的重要组成，它能够将被测物体与背景之间的区别加大，光源的好坏直接影响到图像采集时图像数据的质量和速度。摄像机或相机：主要作用是对待喷涂皮料进行摄像。一般的分为线阵相机陕西科技大学专业学位硕士论文和面阵相机两种。数字图像采集卡：主要是将物理图像转化成数字信号，并存储于计算机中，它是数字图像采集必不可少的硬件组成部分。计算机：主要是储存数据形式的图像信号，按照事先编写好的程序对图像进行分析，然后根据分析结果自动生成数字形式的控制信号。控制机构：主要作用是，根据图像处理结果所生成的控制信号来控制喷枪的状态，做到有皮则喷，无皮不喷。此机构一般有：可编程控制器( p l c ) 、单片机和数字量输入输出卡( d i d 0 卡) 等。以上几种硬件的选型，要根据皮革喷涂的工艺要求具体确定。( 2 ) 图像采集策略及图像处理算法的选择图像采集策略：由传感器、工业相机( 带光源) 以及图像采集卡获取皮革的图像数据，并将采集到的图像进行数字化，存储到计算机中，以备进行图像处理。此过程要求皮革与传输带的灰度差别明显，采集的图像覆盖整个传输带宽度，且每帧图像之间无空隙，无重叠。图像处理算法的选择：本课题中图像处理过程大致分为三个阶段，图像预处理一一图像分割一一图像后处理。目前图像去噪、图像分割和图像后处理中使用的形态学方法，均有很多种算法，每种算法有各自的优缺点。本文的主要内容之一就是选择适合本设计的图像处理算法，能够实时、快速的识别皮革形状。( 3 ) 喷涂控制策略及实现方法的研究基于设计中要求实时、快速实现皮革形状识别和喷涂，如何实时、合理的实现喷枪的自动控制，也是本课题的研究内容之一。( 4 ) 系统软件设计本控制系统的软件系统包括界面、处理、控制和调试四个部分。界面编写主要包括实时监控界面和参数设置界面，主要用于动态显示皮革移动过程、设置皮革移动速度以及各种硬件参数的设置等。处理，即图像处理，其分为图像预处理、图像分割和图像后处理三大模块。控制程序包括皮革部分喷涂，有孔洞的地方和皮革边缘外侧不喷涂。调试部分包括调试界面和皮革移动的动态显示等。1 5 2 研究目标设计合理的机器视觉系统，精确检测皮革形状，控制喷枪对皮革的精确喷涂，达到“有皮则喷，无皮停喷”的效果，是本课题的研究目标。本课题中设计的机器视觉喷涂控制系统由以下部分组成：6基于机器视觉的皮革喷涂控制系统设计数字图像采集系统一一其实现的功能是：拍摄皮革图像，将皮革物理图像转化成数字图像，并将数字图像存储到计算机中。皮革图像处理系统将采集到的皮革图像进行去噪、分割和形态学处理，确定皮革形状以及孔洞的位置、面积等。皮革形状以及皮革孔洞的信息确定后，系统自动生成处理信号。喷枪状态控制系统接收并识别图像处理系统传输的信号，实现对喷枪启合状态实时有效的合理控制。1 5 3 研究方法( 1 ) 查阅文献法通过查阅各类书籍、刊物等学术资料，掌握大量的专业理论知识，如机器视觉、图像检测、皮革喷涂机和v c + + 编程等。( 2 ) 经验研究法和比较研究法借鉴前人的研究经验，并比较各种研究设计的优劣，确定初步的设计方案。( 3 ) 实地考察法开展实地考察，了解常用的喷涂机的技术参数，逐步调整初步方案，确定最终设计方案。( 4 ) 实验研究法在课题的研究过程中使用最多、最频繁的就是实验研究法。在硬件的选型、喷涂装置的搭建、实验数据的采集、系统软件的设计以及系统的最终调试中均采用了这一方法。1 6 本课题的关键技术及创新之处1 6 1 关键技术( 1 ) 本方案中硬件的选型。根据本设计中皮革喷涂工艺的具体要求对硬件进行选型。需要选择的硬件主要包括：相机、镜头、光源、数字图像采集卡和数字量d i d o 卡等。( 2 ) 确定具体的图像去噪、图像分割和图像后处理的算法，以确保能够快速、有效的实现皮革形状检测。( 3 ) 本方案中软件的设计。软件设计是本设计的核心工作，以实时有效地检测皮革形状及控制喷枪状态。1 6 2 创新之处( 1 ) 采用高检测精度的机器视觉检测皮革形状，根据皮革形状检测结果自动控制喷枪状态，实现了“有皮则喷，无皮停喷 的目标。与现有的光电检测系统相比，本课题基于机器视觉的检测系统不仅检测精度高，而且具有较强的7陕西科技大学专业学位硕士论文抗干扰能力。( 2 ) 利用数字量d i d o 卡实现对喷枪上电磁阀的状态控制。相比现有的可编程控制器和单片机控制单元，数字量d i d o 卡可直接插在p c 机主板上，处理数据更快捷，且卡身体积小，价格便宜。1 7 本文主要工作介绍本论文主要对基于机器视觉的皮革喷涂控制系统设计，在结构上分为六章，各章具体安排如下：第一章主要介绍课题研究的背景、理论基础、研究意义、现状以及皮革喷涂工艺基础。本课题的主要研究内容、关键技术及创新之处是本章的重点。第二章利用实验考察了几种常用去噪方法，对于喷涂时所采集到的皮革带噪图像的实际去噪效果，决定出具体使用何种去噪方法。第三章首先介绍了边缘检测图像分割法和阈值图像分割法，然后分别用这两种方法做图像分割实验，最终确定适合本设计的图像分割方案。第四章引入了形态学的图像处理方法，并一一比较了四种基本的形态学方法，然后确定了本课题的具体实施方案。第五章着重介绍了本设计的硬件选型过程以及系统软件设计过程。第六章总结全文以及展望。8基于机器视觉的皮革喷涂控制系统设计2 基于机器视觉的皮革喷涂图像预处理算法的研究2 1 图像信息处理和识别的基本过程在机器视觉系统运作时，图像信息处理和识别过程是至关重要的一环，这一环节由图像预处理、图像分割、图像理解、图像识别四个阶段组成。其基本过程为f 3 5 o 】：第一步，图像预处理。图像信号在采集和传输过程中会被噪音污染，为了提高数字图像的质量，我们对其做图像预先处理，比如对其进行去除或者减少噪音处理，以增强图像中有利用价值的部分。第二步，图像分割。每一幅待处理的数字图像都有区别于其他图像的特性，图像分割是将数字图像信号中感兴趣的部分从图像中提取出来。第三步，图像理解。图像理解就是图像中所要提取的特征，采用一定的算法，对其进行分类、解释。最后一步，图像识别。数字图像经过图像增强( 如图像去噪，图像复原等)处理后，对其按照一定规律进行分割，提取其中感兴趣的特征后，最后对其进行判别分类。对于基于机器视觉的皮革喷涂控制系统来说，此系统的喷涂速度一般为2 s m m i n ，其速度相对较慢。但由于图像采集和图像处理的过程需要一定的时间，可能使皮革的喷涂过程落后于皮料实际传输位置。为了降低这种情况发生的可能性，本系统将采用较为简单，但是处理效果较好的图像处理过程，其具体包括以下四步：皮革图像预处理、皮革图像分割、基于形态学的图像后处理和图像分块。2 2 图像预处理图像预处理【j s l 是对数字图像进行分割之前的预备步骤，也是各种机器视觉系统中的关键部分。在图像的采集和传输过程中，由于工作现场的环境影响，采集到的数字图像存在各种各样的干扰和误差，图像质量不佳。而且在对图像进行分割和识别之前，对数字图像进行必要的预处理，可改善图像的质量，能够提高图像清晰度，可使图像采集系统的灵敏度和分辨率能够满足后续处理的要求。为达到改善图像质量和过滤干扰噪声，以及使图像分割和识别过程更加快捷等目的，对采集到的原始图像做一定的预处理的工作是必须的。2 3 缺陷图像的去噪预处理的必要性基于机器视觉的皮革喷涂控制系统，采集皮革图像并处理的工作是在皮革喷涂生产的状态下进行的，其环境较为复杂，干扰因素繁多。比如，光线强弱，皮料传送的运动，空气悬浮颗粒，相机失真，空气流动等因素的影响；并且，9陕西科技大学专业学位硕士论文在图像传输时因为线路中的各种问题，以及设备自身的问题，也会使所采集的图像收到不同程度的噪声污染。因此，在皮革喷涂生产线上采集到的皮革图像或多或少的会被噪音污染。如果噪声相当严重，其信噪比低于一定值时，就会使图像质量下降，有可能影响后续的图像处理过程【掘5 0 。综上所述，本课题中对采集到的皮革图像必须进行去噪预处理。目前常用的去噪方法比较多，选择一种适合本课题的去噪方法也是本课题的研究内容之2 4 噪声及噪声分类2 4 1 噪声分类图像中噪声产生的原因多种多样，根据噪声产生的原因是否与图像信号相关联，可将噪声分为关联噪声和不关联噪声，其中关联噪声为乘性噪声，不关联噪声为加性噪声。2 4 2 噪声模型常见的噪声模型有高斯噪声和椒盐噪声 5 1 s 2 ，这两种噪声都是加性噪声。( 1 ) 高斯噪声高斯噪声，即服从高斯分布的噪声。其数学模型为：p = 志e x p 【- 簪】( 2 - 1 )其中，方差和均值分别为p 和6 。若z 服从式2 1 ，那么近似7 0 的值在【( 肛- o ) ，( “+ o ) 】区间内，近似9 0 的值分布在 ( 肛一2 g ) ，( p + 2 6 ) 的区间范围内。( 2 ) 椒盐噪声椒盐噪声，其噪点为黑、白两色的脉冲噪声，因而形象的将其中黑、白色的噪点比喻为洒在图片上的椒盐。其数学模型为：f p og=ap ( z ) = 易z = b( 2 - 2 )【0其他其中，b a 时，则b 点显示为亮点，a 点显示为暗点；反之，则b 点为暗点，a 点为亮点。2 5 去噪方法综述2 5 1 常用的去噪方法由于噪声产生的各异，所以目前发展起来的去噪方法有很多种。在图像去噪的众多方法【5 3 j 5 】中，在空间域处理中有以高斯去噪为代表的线性去噪，也有以中值去噪为代表的非线性去噪；在频域处理中，有小波去噪。下面介绍三种1 0基于机器视觉的皮革喷涂控制系统设计常用的、简单且有效的图像去噪方法。( 1 ) 均值滤波器均值滤波器主要原理是，对带噪图像在小范围( 即“窗口”) 中进行中值运算。一般用于处理存在许多噪音“麻点”的带噪图像，易于实现，效果较好。常用的去噪窗口为3 3 的，其数学表达式如下：【m - -111999111999111999= 吉卜( 2 3 )该模板在图像中沿着水平和垂直两个方向逐个点移动，把模板的中心对准要处理的点，然后把被窗口覆盖的3 3 阵列与m 相乘，对乘积矩阵中的9 个数字求均值，将所求均值赋予窗口中心像素作为新的灰度值输出。由以上处理方法和式2 3 可以得出，经均值滤波后的带噪图像的灰度矩阵的期望变为零，即表示噪声被有效去除。但是，由于均值去噪的核心是对窗口中的像素做均值处理，它必然会使图像中的高频部分和锐化细节去除，造成图像中的边界不清晰，细节不明显，所以在处理椒盐噪音时，均值滤波器效果令人不满意。但是，其处理方法比较简单易于实现，且对高斯噪音能良好的抑制，所以在图像去噪中，依然有广泛的应用。( 2 ) 高斯滤波器在均值滤波器中，忽略了模板中心点在整个模板中的重要作用，将模板中的所有点做共同的处理，这样处理加剧了图像的模糊。为此，人们利用高斯函数选择了加权值，然后再利用经过高斯加权后的模板对图像进行平滑处理，这种滤波器就是高斯滤波器，其显著地突出了模板中间像素点的重要性。常用的高斯滤波模板有：r 111 r 121 【m 】= 击l ：詈 | m 】= 去l 宇2 4 芋f - 4 )高斯滤波器在均值滤波的基础上引入了加权系数，使其不仅具有较好滤波去噪能力，并且缓解了对边缘特征的模糊现象。( 3 ) 中值滤波器中值滤波器是不同于均值滤波和高斯滤波的另一种新的图像滤波去噪方法，它不仅能够有效的滤除图像中的噪声，同时又能够很好的保护图像的边缘陕西科技大学专业学位硕士论文特性，不会其发生模糊现象。中值去噪的原理是：滤波模板的窗口在图像中漫游，窗口中对应的图像灰度数值矩阵中的所有数字组成一个序列，对这个序列求中值，然后赋予窗口中心像素点，然后输出。以一维容量为7 的中值滤波器为例，若原图中像素灰度序列为 4 0 ，2 0 ，l o ，3 0 ，5 0 ，6 0 ，7 0 ，取其中值为4 0 ，将4 0 作为序列中心点的像素值输出。2 5 2 图像去噪的质量评价方法对滤波器去噪的质量评价方法i s 6 分为主观和客观两种：第一种，主观评价。即通过人眼对经滤波器处理后的图像的观察，然后评判此去噪方法的好坏。这种方法对观察者要求比较高，且主观色彩比较浓重，常常不采用此方法评判。第二种，客观评价。图像去噪质量的客观评价标准主要为一些定量方法，在实际应用当中，峰值信噪比( p s n r ) 的评价方法得到人们的广泛认可，其数值越大代表滤波器的滤波去噪功能越突出。峰值信噪比( p s n r ) 定义如下：p s n r = 1 0 l g上m n 等m = l 妇n - i ( m ) 一厂( 哪) 2( 2 - 5 )式中，m 、分别表示图像阵列中行数和列数，q 代表图像量化的等级数，f ( m ，雅1 和厂( m ，雅1 分别代表原始图像和滤波去噪后的图像。2 6 基于机器视觉的皮革喷涂图像预处理算法的研究2 6 1 常用去噪方法处理过程为确保本课题所设计的喷涂控制系统能够及时、精确的检测皮革形状，并作出迅速处理，减少图像处理过程的时间，所要选用的图像去噪算法必须有效去噪且算法简单。基于以上要求，本课题将对均值滤波、高斯滤波和中值滤波进行实验对比，根据实验结果确定具体的去噪算法。( 1 ) 基于本课题的均值去噪方法的具体实施过程选用3 3 的均值模板吾 ：，模板矩阵中的第二行第二列所在的点表示模板中心像素，求图像中与模板相对应的九个点的灰度值的平均值，将此平均值作为图像中与中心点对应的像素点的数值，并输出。将此模板在图像中滑动，最终实现整幅皮革图像的均值去噪过程。( 2 ) 基于本课题的高斯去噪方法的具体实施过程1 2基于机器视觉的皮革喷涂控制系统设计121i选用去l ；2 4 詈l 作为高斯滤波去噪模板，处理方法与均值处理基本类似。( 3 ) 基于本课题的中值去噪方法的具体实施过程f a l ，口1 3 选用3 3 的正方形中值模板i 乞-口2 sl ，皮革图像中的与此模板对应的l 码1a 3 2a 3 3 j九个像素点的值组成数列 口1 l ，口1 2 ，q 3 ，a 2 1 ，a 2 3 ，a 3 1 ，口3 2 ，a 3 3 ) ，求出这个数列的中值，将此值作为皮革图像中与口，相对应点的新像素值输出，这一模板在图像中滑动，滑过整幅图像，处理结束。2 6 2 常用去噪方法处理结果比较为了对比前面介绍的三种滤波方法在皮革喷涂的图像中的去噪效果，本课题在模拟皮革喷涂环境的情况下拍摄的羊皮黑白图像( 见图2 1 ，2 - 2 ，2 3 中的a 图) ，利用m a t l a b 软件做仿真实验，先对其加入噪音，然后再使用几种常用的滤波器对其进行去噪，对比各滤波器基于本课题实际条件的去噪能力的优劣，最终确定本课题的去噪算法。对于高斯噪音的滤除，三种滤波器的表现大致相同，其处理结果详见图2 1 。在图2 1 中，b 图为加入0 1 的高斯噪音污染的图像，c 图为使用3 x 3 的均值去噪滤除高斯噪音的结果图，d 图为使用3 3 的高斯去噪滤除高斯噪音的结果图，e 图为使用3 3 的中值去噪滤除高斯噪音的结果图。对比c ，d ，e 三张图，可以明显的得出以下结论：在滤除高斯噪声时，这三种滤波器均表现良好，其中均值表现最佳；但这三种去噪方法均不同程度的过滤了原图中的边缘特性，其中均值滤波器表现特别明显。在对含有椒盐噪声的图像做噪音滤除处理时，三种滤波器效果各异，其处理结果详见图2 2 。在图2 2 中，b 图为含有o 1 的椒盐噪音的皮革图像，c 图为使用3 x 3 的均值去噪滤除椒盐噪音的结果图，d 图为使用3 3 的高斯去噪滤除椒盐噪音的结果图，e 图为使用3 x 3 的中值去噪滤除椒盐噪音的结果图。对比c 。d e 三张图，可以明显的得出以下结论：在滤除椒盐噪声时，与其他两种方法作对比，中值滤波器的最为突出，最为优秀。图2 3 为三种去噪方法处理含有两种混合噪声的皮革图像的滤波去噪结果。在图2 3 中，图b 图被0 1 椒盐噪音和0 1 的高斯噪音混合污染的皮革图像，c ，d ，e 图分别是使用3 3 的均值滤波器、高斯滤波器和中值滤波器滤除混陕西科技大学专业学位硕士论文合噪音的结果图。对比c ，d ，e 三张图，可以明显的得出以下结论：这三种滤波器对含混合噪音的皮革图像进行滤波去噪时，处理效果差异不大。表2 1 三种去噪方法的p s n r 值t a b 2 1p s n rd e a l tw i t ht h r e ef i t e r s利用m a t l a b 软件得三组实验结果的峰值信噪比( p s n r ) 值，如表2 1所示。p s n r 值越大，说明去噪能力越好。表2 1 中的数据表明：在抑制和去除高斯噪声方面，均值去滤波器表现最佳；在抑制和去除椒盐噪声时，中值滤波器表现最佳；但是在滤除两种综合噪声时，高斯方法的p s n r 值却最高。其中，两种综合噪声更接近于实际喷涂生产环境的噪声。从三种去噪算法的复杂程度来看，中值去噪最复杂，均值去噪和高斯去噪复杂程度相当，其去噪方法的算法越繁琐意味着在计算机中处理的时间越长。基于本课题简单有效去噪要求，结合实验结果，最终选用高斯去噪法。2 7 本章小结本章首先分析了本课题所设计的控制系统的图像预处理部分的必要性，然后对目前常用的预处理技术做了简单的介绍，并使用均值滤波、高斯滤波和中值滤波的方法分别对采集到的皮革图像做了去噪处理。最后综合三种去噪方法的试验结果和本课题的工艺要求，选择了高斯去噪法作为本设计中的图像去噪算法。1 4基于机嚣视觉的皮革喷涂控制系统设计a ) 原图a ) o r i g i n a li m a g ec ) 经均值滤波后的图像b ) 加入0 1 高斯噪音的图像b 1i m a f 一, ew i t h0 1 。e a u s s i a nn o i s ed ) 经高斯滤波后的图像c ) i m a g ed e a l tw i t hm e a nf i l t e rd ) i m a g ed e a l tw i t hg u a s s i a nf i l t e re ) 经中值滤波后的图像e ) i m a g ed e a l tw i t hm e d i a nn l t e r图2 1 三种滤波器滤除高斯噪声的结果f i g2 - 1t h er e s u l t sd e a l ! w i t ht h r e ef i l t e r s15陕西科技大学专业学位硕士论文a ) 原圈a ) o r i g i n a li m a g ec ) 经均值滤波后的图像b ) 加入0 1 椒盐噪音的图像b ) i m a g ew i t h0 1p e p p e r s a l tn o i s ed ) 经高斯滤泼后的图像c ) i m a g ed e a l tw i t hm e a nf i i t e rd ) i m a g ed e a l tw i t hg u a s s i a nf i l t e re ) 经中值滤波后的图像e ) i m a g ed e a l tw i t hm e d i a nf i l t e r图2 2 三种滤波器滤除椒盐噪声的结果f i g2 - 2t h er e s u l t sd e a l tw i t ht h r e ef i l t e r s1 6基于机器视觉的皮革喷涂控制系统设计a ) 原图a ) o r i g i n a li m a g ec ) 经均值滤波后的图像b ) 加入0 】高斯和0 】椒盐的噪音图像b ) i m a g ew i t h0 1g a u s s i a nn o i s ea n d0 1p e p p e r s a l tn o i s ed ) 经高斯滤波后的图像c ) i m a g ed e a l tw i t hm e a nf i t e rd ) i m a g ed e a l tw i t hg u a s s i a nf i l t e re ) 经申值滤波后的图像e ) i m a g ed e a l tw i t hm e d i a nf i l t e r图2 3 三种滤波器滤除混合噪声的结果f i g2 3t h er e s u l t sd e a l tw i t ht h r e en i t e r s】7陕西科技大学专业学位硕士论文3 基于机器视觉的皮革喷涂图像处理的研究3 1 图像分割及其意义图像分割1 6 0 6 2 1 是这样一个过程，在这个过程中按照图像中的某种一致的属性，将其划分成几个互不相交的区域。用数学思想对图像分割描述如下：假设x 为所有的像素点组成的集合，p ( 1 表示一个一致性谓词( 它是定义在一组互相连通的像素点上的) ，所以图像分割就是把集合x 划分成为一组连通子集 s ，& ，人，最 ，且这个划分必须满足以下四个条件：( 1 ) x = y s ,( 2 ) s 厂、s ，= 对所有的i j( 3 ) 尸( s ) = l对所有的i( 4 ) 尸( sr 、s ，) = 对所有的i j ：s ，s ，相邻图像分割在机器视觉系统的图像处理中起着重要的作用，在低级视觉与高级视觉之间，它扮演着纽带的角色。常用的图像分割方法是：边缘检测法和灰度阈值分割法。3 2 边缘检测图像分割法边缘检测的图像分割法基本原理：在物体图像的边缘部分，其灰度值会发生剧烈的变化1 6 3 。s 1 ，利用这一现象对图像分别求其一阶和二阶导数，其一阶导数的幅值出表示图像的边缘，通过二阶导数可判断其边缘点是明或暗。在实际使用时，常常使用特定的梯度算子来对图像进行运算，以判断图像边缘，梯度算子的数学定义式为：r1 1g 胁) = + ( 掰，i 1 0 - 2 0 - 1 0i10 00 00 0li1 02 01 0l1 8基于机器视觉的皮革喷涂控制系统设计雕瑚瞄00 。1 j 0 纠1 i- 2 0- 4 o- 4 o- 4 0- 2 o- 4 o0 o8 o0 o- 4 0- 4 o8