（计算机应用技术专业论文）基于数学形态学的密封件检测算法研究.pdf

基于数学形态学的密封件检测算法研究 研究生签字：燕矗乡陟 指导刻磁字多z 习摘要 夸摘觅 针对国内橡塑密封件检测技术水平落后且缺乏有效实用的密封件自动检测 仪器，本论文以橡塑密封件参数尺寸的检测为研究对象，深入系统地研究了基 于数学形态学的图像处理及图像测量算法。主要研究内容如下： 认真研究了密封件产品图像的特点和数学形态学的图像处理方法，本文提 出把数学形态学图像处理的原理及实现算法应用于密封件的尺寸检测。 研究了常用的全局阈值分割算法和局部闽值分割算法，设计和实现一种既 能保持图像边缘的信息，又能实现灰度图像阈值分割的微分算子闽值分割算法。 总结了数学形态学多结构元素构成的一般规律和原则，并对数学形态学多 结构元素滤波作了深入的讨论。在定义多结构元素腐蚀、膨胀、开、闭四种多 结构元素数学形态学滤波器的基础上，讨论了它们的性质和滤波性能。多结构 元素的腐蚀、膨胀、开、闭滤波在整体滤波效果上优于单一结构元素的腐蚀、 膨胀、开、闭滤波。在噪声滤除，尤其是滤除附着在目标图像边缘上的噪声方 面，论文得出多结构元素腐蚀滤波和膨胀滤波优于多结构元素开、闭滤波：在 目标图像的细节保护方面，多结构元素开滤波和闭滤波则优于多结构元素的腐 蚀滤波和膨胀滤波。然后，针对密封件图像的噪声滤除，设计完成了一组由单 一结构元素与多结构元素共同组成的滤波算法。 在分析和研究密封件图像的基础上，设计实现了一种使用类似“十”和“x ” 字形状的结构元素来实现密封件图像边缘提取的算法。该算法提取的边缘细化 程度好，可实现单象素连接。 设计并实现了对密封件的基本参数( 内、外直径，形心，周长，面积等) 进行计算的相应算法。为提高图像测量的精度，对亚象素图像处理方法进行了 初步的研究和探讨，利用灰度矩算法对密封件的直径参数进行了亚象素细分处 理。 实验证明，将密封件原始图像经过上述算法的依次处理，计算得到的尺寸 参数数据与实测数据差的绝对值小于0 o l 咖。该算法可以应用于密封件参数的 测量。 关键词：图像处理图像测量数学形态学密封件参数 s e a l i n gi n s p e c t i o na l g o r i t h m sr e s e a r c h b a s e do nm a t h e m a t i c a lm o r p h 0 1 0 9 y d i s c i p l i n e ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y s t u d e n ts i g n a t u r e 弓脓w 苡 鼬p e r 山返喊：易必，夕形 a b s t r a c t s e a l i n g sa r ev e r yi m p o r t a n tc o m p o n e n t ss ot h a ts e a l i n gi n s p e c t i o n i sv e r ys i g n i f i c a n t t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h ea l g o r i t h m sa b o u t i m a g ep r o c e s s i n ga n di m a g em e a s u r e m e n tb a s e do n 腿t h e m a t i c a lm o r p h 0 1 0 9 y f o rs e a li n gs h a p ep l a n a rp a r a l n e t e r si n s p e c t e da c c u r a t e l y b a s e do nc h a r a c t e r so fs e a l i n g si m a g ea n d 讯a t h e m a t i c a l 皿o r p h o l o g y b e i n gs t u d i e d ， t h et h e o r ya n da p p r o a c h e so fm a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y a p p l i e dt os e a l i n g sp l a n a rp a r a m e t e r si n s p e c t i o na r ep u tf o r w a r d t h ea l g o r i t h m so fd i f f e r e n t i a li m a g es e g m e n t ， w h i c hp e r v e r s e i n f o r m a t i o no fi m a g ee d g e s ，a r er e s e a r c h e da f t e rn o r m a lg l o b a la n dl o c a l i m a g es e g m e n ta l g o r i t h m s t h ed i s s e r t a t i o ns u 唧a r i z e dt h eg e n e r a lp r i n c i p l e sa 兀dr u l e r so fh o w t od e s i g nm u l t i p l es t r u c t u r i n ge l e m e n t s t h ef i l t e ra l g o r i t h sb a s e do n m u l t i p l es t r u c t u r i n ge l e m e n t sa r ed i s c u s s e d t h eo p e r a t o r so fm u l t i p l e s t r u c t u r i n ge l e m e n t s o fe r o s i o n ， d i l a t i o n ，o p e n i n ga n dc l o s i n ga re d e f i n e da n dt h e n ，t h e i rp r o p e r t i e sa n df i l t e rp e r f o r m a n c eared i s c u s s e d i nr e d u c i n gn o i s e ，e s p e c i a l l yn o i s eo fi m a g ee d g e s ，p r o p e r t i e so ff i l t e r s o fe r o s i o no rd i l a t i o no fm u l t i p l es t r u c t u r i n ge l e m e n t sareb e t t e rt h a n t h a t o fo p e n i n ga n dc l o s i n gf i l t e r s ：i nt h ed e t a i lp r o t e c t i o no fi m a g e ， t h el a t t e ri sb e t t e rt h a nt h ef o r m e r f o rf i l t e re f f e c t s ，舢l t i p l e s t r u c t u r i n ge l e m e n t sf i l t e ra l g o r i t h m sa r eb e t t e rt h a no n es t r u c t u r i n g e l e m e n tm o r p h o l o g ya l g o r i t h m s f u r t h e r m o r e ，a ne f f e c t i v en o i s ef i l t e r ， w h i c hc o m p o s e so fo n es t r u c t u r i n ge l e 皿e n ta n dm u l t i s t r u c t u r i n ge l e m e n t s a l g o r i t h m s ， i s d e s i g n e df o rn o i s eo fs e a l i n gi m a g e a f t e ra n a l y z i n gs e a l i n g si m a g e s ， a na l g o r i t h mu s i n gs t r u c l u r i n g e l e m e n t1 i k e“c r o s s ” o r“x ”i sd e s i g n e dt og e tt h ee d g eo fs e a l i n g i m a g e ， w h i c hc a nm a k e se d g et h i n n e r s oi ti sv e r yc o n v e n i e n tf o r c a 】c u l a t jo n t h e n ， a 1 1b a s i cs h a p ep r e m i e ra l g o r i t h m sared e s i g n e d ， s u c ha s d i a m e t e r ，s h a p ec e n t e r ， a r e a ，a n dc i r c u m f e r e n c e i no r d e rt oi m p r o v e t h er e s u l tf o rm o r ed r e c i s em e a s u r e m e n t ， t h es u b p i x e lt e c h n o l o g yi s i n t r o d u c e d ，a n da sa ne x a m p l e ，a na l g o r i t h mi sd e s i g n e dt or e c a l c u l a t e t h ed i a m e t e r so fs e a l i n gu s i n gg r e yv a l u es q u a r e t h er e s u l t so fe x d e r i m e n t sc o n f i r mt h a tt h ev a l u e so fs e a l i n g sp l a n a r p a r a m e t e r sg o t t e nt h r o u g ht h ea l g o r i t h m sa b o v ea r ec l o s e rt om a n u a l m e a s l 】r e m e n t s k e yw o r d s ：i m a g ep r o c e s s i n g ；i m a g em e a s u r e m e n t ； m a t h e m a t i c a l m o r p h 0 1 0 9 y ； s e a l i n gp a r a m e t e r s 1 绪论 1 1 课题概述 1 1 1 课题来源 1 绪论 本硕士学位论文的研究得到以下科研项目的资助： 陕西省教育厅产业化课题密封件外观与尺寸在线检测仪，课题项目 编号0 3 j c 2 9 。 1 12 课题提出 橡塑密封件是现代机械产品的重要基础元器件。航空航天、汽车船舶、石 油化工、电力、机械、医药、煤炭等各个领域以及人们的日常生活，都离不开 密封件产品。随着新工业技术的迅猛发展、资源危机和对环境保护的重视，对 密封件产品的性能、可靠性和寿命提出了更高的要求，密封件行业因此也面l 临 更多挑战。为了更好地服务于汽车等主机行业，占领主机配套市场，橡塑密封 件行业自身也在不断转变观念，进行生产装备和检测技术等方面的改造创新。 a 国内外橡塑密封件行业现状 ( 1 ) 国内情况 我国中小橡塑密封件生产企业约有3 0 0 多家。近年来，企业发展在优胜劣 汰的竞争中呈两极方向：一部分企业消亡，如原化工部所属的企业“中南橡胶 厂”濒临破产倒闭；一些小型企业破产或转产；另一些企业迅速发展壮大，如 安徽宁国中鼎密封件有限公司，2 0 0 2 年橡胶密封制品产品销售3 1 亿元，其中 销往汽车行业2 1 亿元；青岛基珀密封工业有限公司，2 0 0 2 年橡塑密封件产品 销售4 4 4 7 万元，其中销往农机和工程机械行业8 8 2 万元、汽车行业2 2 4 6 万元； 中车集团南京七四二五工厂发展较快，2 0 0 2 年产品销售收入1 、2 亿元，其中销 往农机和工程车辆3 4 1 万元；广州机械科学研究院密封研究所，2 0 0 2 年生产 销售也达3 1 0 0 万元，并且发挥了其研发专长，为冶金、电力、工程机械、轻 工机械等行业研制生产了一系列大型、精密、特种橡塑密封件1 1 。 据中国液气密行业协会统计，国内较具规模的5 家橡塑密封件生产企业， 2 0 0 2 年工业总产值销售收入约5 2 3 亿元( 人民币) ，比上年增长约3 0 。表 明规模生产的增长速度是可喜的。产品销售去向( 销售额) ：其中，汽车工业占 西安上业学院硕士学位论文 5 7 8 ；工程车辆、工程建筑机械和矿山机械占5 ，6 ；冶金、化工和石油机械 占4 1 。 但是，从目前国内汽车核心部件密封制品需求的统计中来看，橡塑密封件 行业在国内自给部分占有比例非常小。核心部件用挤压、旋转、往复三大类密 封件产值产量也很小，仅占( 产量) 1 2 8 7 、( 产值) 2 1 + 9 5 ；而其他配套用 密封制品占( 产量) 8 3 6 8 、( 产值) 7 4 - 7 8 。 ( 2 ) 国际情况 2 0 0 2 年最新统计数字显示全球非轮胎橡胶制品生产商新前5 0 强中，美国 为1 5 家，日本为1 4 家，德国7 家，英国5 家，其中销售收入过1 0 亿美元的 有1 1 家。日本n o k 公司排名第1 1 ，销售收入1 1 2 亿美元。排名第5 0 名的是 日本n i c h n 公司，销售收入2 6 5 亿美元。5 0 强总销售收入为3 7 0 亿美元。 同时，国外企业为了增强其自身的生产和销售能力也在强强联合。例如， 生产橡塑密封的国际著名企业美国派克一汉尼芬公司( p a r k e r h a n n j f j n ) 近期收 购了生产橡胶一金属和橡胶复合密封的德国g u m m - m e t a i 公司，从业人员9 0 人， 年销售额1 0 0 0 万美元以上。 ( 3 ) 国内企业面临的机遇和挑战 2 0 0 3 年我国g d p 总值超过1 1 万亿元，我国固定资产投资将首次突破5 万亿元，进出口总额将超过7 0 0 0 亿美元。预计全国的g o p 总值增长8 ，将 继续保持2 0 0 2 年经济向好的趋势。2 0 0 3 年液压、气动、密封件产品需求达到 1 0 5 亿元，其中密封件产品1 3 亿元。 橡塑密封件行业是为主机配套的，主机行业的快速增长，为橡塑密封件创 造了发展空间，拉动了橡塑密封件的发展，给橡塑密封件发展带来了机遇。但 是，质量不稳定，早期故障率高，可靠性差，是国内橡塑密封件行业的致命弱 点。因此，不少主机厂为提高其市场竞争力，往往选择进口配套件。据不完全 统计，进口配件约占市场份额的1 3 以上。 正因为主机行业增长的势头强劲，加大了对国外橡塑密封件行业的吸引力， 他们纷纷投入资本和技术进入中国市场。国外几大密封件公司均在大陆设立销 售机构、建立工厂。继美国派克、日本n o k 、e k k 、n a k 公司之后，2 0 0 2 年 度全球非轮胎橡胶制品生产商5 0 强排名第4 2 位的日本西川橡胶公司于2 0 0 2 年1 2 月份在上海淞江4 万平方米的基地内建设1 9 万平方米的生产及办公场 所，总投资1 0 0 0 万美元，成立全资公司上海西川密封件有限公司，生产、 销售汽车密封件。目标是向日本出口和为中国境内的日本汽车制造厂提供配套。 国外资本的投入对我国企业在投资改造、技术水平上形成了更大的压力和挑战， 2 两安工业学院硕士学位论文 促使国内橡塑密封件厂商必须加大、加快改造和调整的力度和速度。 国内橡塑密封件厂商也认识到这一点，积极地进行产业结构和产品结构的 调整，把握机遇，提高市场占有率。 b 密封件检测现状 为保证主机工业产品在工作时的可靠性，必须对与其配套的密封件进行严 格的检测，从而解决主机行业的跑、冒、滴、漏等问题。近年来，无论是密封 件制造厂商还是主机行业及其维修行业都愈来愈清地认识到，自动化检测工作 在保证获得良好的经济效益和竞争力方面，是不可缺少的重要手段。 ( 1 ) 国际检测技术方面 国外最新的发展是采用以计算机为核心的视觉光学检测系统。例如德国 f r e u d e n b e r g 等公司采用了有k m k 公司开发的第三代新型光学系统，完全取 代了人工检测，成功将密封件的质量检测完全集成到生产过程中。这种图像处 理系统达到了极高的检测速度和检测精度，可检测到密封件表面微小的缺陷， 如裂缝、滑移线、毛孔、气泡和杂质等，操作简单方便，并能有效地保证结果 的一致性、可靠性。该系统有线形检测系统和旋转检测系统两种：线形检测系 统根据o 形圈等产品的几何形状及其表面状态，由1 6 架相机进行记录，并由 智能化的软件进行分析。经过零件的自动分离或反转，达到对表面、孔穴、滑 移线及异常因素的最优检测，带飞边毛刺的密封件还可单独挑拣出来，以便返 修。废次品也可根据不同的标准分别装到不同的容器中。每小时可检测3 0 0 0 0 个o 形圈；旋转检测系统可通过附加变形，测试密封件表面小到0 0 2 m m 的 异常。每小时可分析1 8 0 0 3 6 0 0 个零件，还可对弹簧是否装配到位进行测定。 两种检测系统均可实现完全自动化，目前主要用于高质量要求的密封件检测【z l 。 ( 2 ) 国内检测技术方面 国内橡胶密封件的检测手段，总得来说，比较落后，存在以下问题及缺陷： 1 ) 检测手段落后且缺乏可靠的检测手段 对橡胶密封件的尺寸检测和外观评价，主要是人工检测。对于精度要求不 高的，一般使用传统的卡尺、卡规或塞规进行；对于精度要求高的则采用专用 的坐标测量仪器来进行。但是两者均为人工目测读数，远远没有达到自动化检 测的程度。对于批量大、高质量要求的密封件产品，生产厂家对于产品检测通 常采用抽样检测；对要求不高的产品甚至就不检测。因此，目前这种检测状况 往往不能满足主机厂家的要求。而且，人工目视检查时，由于需要长时间工作， 3 西安工业学院硕士学位论文 工人的眼睛比较累，劳动强度高，且容易出错。 2 ) 无法对密封件的产品质量进行准确及时地统计分析 由于橡胶密封件柔软有弹性，人工检测生产效率低，误差大，人为因素多， 不利于质量控制，无法保存检测的数据结果，并谈不上统计分析，所以，也就 不能及时将检测结果反馈到生产线上，进而调整生产工艺流程，提高产品质量 和产品优良率。 3 ) 进口设备价格昂贵，难以普及 国内目前引进的2 台德国k m k 具有较高的自动化水准的检测设备。但是， 设备的售价每台在1 5 万美元以上，价格昂贵难以普及，且在检测技术上也是保 密的。同时，设备维修与零配件的供应及技术传授都存在很大困难。国内也出 现过因设备维护而使得价值十几万美元的设备长期闲置不能使用的现象。所以， 国内的橡塑密封件生产厂家，也迫切需要国内研制和生产相应的密封件自动检 测设备。 综上所述，密封件在现代工业中的应用，不仅表现在用量大，更重要是其 质量对包括汽车工业在内的主机工业关系重大。因此，进一步研究和开发实用 的检测技术与装置，已经成为严格执行各行业安全规程和国内国际规范或者标 准，保证安全，降低成本的重要问题。同时，配备有效且便于推广应用的密封 件检测设备，也是各个密封件生产厂家提出的迫切要求。 本学位论文以“基于数学形态学的密封件检测算法”作为研究的主要方向。 重点研究以数学形态学算法为主的图像处理及图像测量的原理与技术以及它们 在密封件图像处理方面的应用。 1 1 3 课题的目的与意义 本课题的目的在于，从检测原理和方法的实践出发进行深入系统的理论分 析与实验研究，并以此为基础，提出以数学形态学算法为主的，针对于密封件 的图像处理算法，以期服务于生产实践。 本课题的研究具有重要的理论和实践意义。 ( 1 ) 理论意义： 第一，本研究将促进图像处理技术及图像测量方法在非接触检测方面的应 用； 第二，本研究成果直接面向工程应用，对于开发与研制实用的密封件检测 4 两安工业学院硕七学位论文 装置具有重要的作用； 第三，本研究所用分析方法及理论成果可以应用于相似的理论问题和实际 问题的研究。对于图像测量、智能化检测装置具有实际的促进作用，尤其是对 于规则几何零件的分析处理等问题，研究的成果具有推广应用价值。 ( 2 ) 实际意义： 第一，本论文研究针对密封件图像检测的算法。同时，促进密封件检测技 术与装置的发展与完善，促进密封件厂家改善产品质量，服务于主机厂家的生 产。： 第二，本研究成果的推广应用，将产生很大的经济效益。 1 2 图像测量技术的研究现状和优势 1 2 1 图像测量简介 图像测量是图像分析和处理的一个分支。利用光学成像技术对目标成像， 然后对图像中目标的位置、尺寸、形状、方位和目标间相互关系等参数进行测 量，是图像处理分析的重要研究应用领域。同时国际上还有一个学科是摄影测 量。可以说光学图像测量与摄影测量在许多方面是相互覆盖的，甚至是相同的。 特别是在中近景摄影测量方面，相同和相通的地方就更多。但在某些特定的方 面两者是有区别的。例如摄影测量学通常不包括利用特殊光学手段，如全息干 涉法、栅格线法等进行的光学测量。而用航空或卫星照片进行的大地测量习惯 上称为摄影测量【3 】【4 】 5 】。 光学图像测量具有非接触、全场测量和高精度的三大重要特点。非接触测 量使得对被测物不用加以任何约束限制，因此可以独立地、客观地对被测物进 行静态或动态的测量。这使得许多不能在被测物上附加传感器的测量成为可能， 且更客观和直观。对于许多动态测量，人们最关心的是失效破坏过程，但是如 果传感器随着对象的失效破坏其本身也发生失效和破坏的话，就会导致动态测 量的失败。而利用光学图像测量可以完好地测量整个过程，因此光学图像测量 具有不可替代的优势【6 】。 光学图像测量的全场测量特点使得可对整个视场中目标的特性进行测量。 传统光学测量中，光学图像测量信息源是一幅图像或图像序列，其记录介 质为胶片、干板等。以往对光学图像测量图像主要是人工进行处理。例如直接 在照片上用直尺、脚规等工具进行测量，或用投影仪将胶片放大到屏幕上再对 目标进行判读测量。这种采用人工判读处理的方式，不但需要专门的判读设备， 5 西安t ：业学院硕士学位论文 而且耗时耗力，易出错，精度低，从而限制了光学图像测量的应用。 利用计算机数字图像处理分析技术对光学图像测量图像进行处理和分析就 形成了光学图像测量数字图像处理分析技术。该技术使得光学图像测量方法有 了质的飞跃，增强了光学测量的手段，扩大了光学测量的应用范围，有效提高 了测量精度。光学图像测量数字图像处理分析技术与传统光学图像测量方法相 比，有以下几个突出的优点： ( 1 ) 提高图像的质量。利用数字图像处理技术可以对图像进行各种处理。 例如图像增强、边缘锐化、滤除噪声等。这些处理可以有效地增强待测物体的 有用信息，抑制无用的噪声信息。通常可明显改善图像的质量，甚至使得传统 方法无法测量到的物理量可测。 ( 2 ) 提高测量的精度。首先利用提高摄像机、扫描仪等图像采集设备的硬 件分辨率，或调整光学镜头放大倍数等方法，使获得的图像信息比传统方法更 多、更精确。同时利用各种图像目标模式定位方法，特别是亚象素定位技术， 可以明显地提高图像目标的定位精度。 ( 3 ) 可测量传统方法不易测量的物理量。许多肉眼无法分辨的物理量，例 如某异形区域的面积，连续变化的亮度场、色彩场、条纹方位场等，都可以利 用光学图像测量数字图像处理分析技术来测量。 ( 4 ) 对成象系统的高精度标定和误差修正。成象系统的标定和误差修正是 高精度光学测量的重要环节之一。利用数字图像处理技术可以实现对摄像系统 高精度的标定和误差修正，为高精度光学测量提供坚实的基础。 ( 5 ) 自动化程度高。随着计算机技术的不断发展，各类图像采集、处理新 硬件的出现为光学图像测量技术发展提供了新的方法和手段，再加上处理算法 自动化程度和效率的提高，使光学图像测量图像处理分析的自动化程度大大提 高，这样极大地减少了处理的工作量和时间。 由于上述的优势，将数字图像处理分析技术广泛应用于光学测量已是必然 趋势。了解和掌握光学图像测量数字图像分析的基本原理和方法具有重要的理 论和应用意义。 1 2 2 图像测量方法应用于密封件检测 鉴于上述光学图像的测量方法的优点，将图像处理和分析技术应用于对密 封件制品的检测，会改变国内现有的以人工目视判读为主的检测方法，克服其 效率低下，精度不高的缺点。密封件光学测量系统构成如图1 1 所示： 6 西安工业学院硕士学位论文 图1 1 密封件检测系统原理图 1 3 数学形态学的发展与研究现状 13 1 数学形态学的发展 数学形态学( 也称为图像代数) 是以形态为基础对图像进行分析的数学工 具。相对于其它图像处理方法，它是一种用于数字图像处理和识别的新理论和 新方法，是研究数字图像形态结构特征与快速并行处理方法的理论。它是通过 对目标影像的形态变换来实现结构分析和特征提取的。它的基本思想简单而完 美 7 】【8 】1 9 】【1 0 】。 1 9 6 4 年，法国的g m a t h e r n 和j s e r r a 在积分几何的基础上首次创立了这 门学科，并第一次引入了形态学“开”的表达式，并在此基础上利用“凸”形 结构元素建立了颗粒分析方法。这一期间的工作从理论和实践两方面初步奠定 了数学形态学的基础，产生了击中击不中变换，开运算，闭运算和布尔模型的 理论描述，以及第一个纹理分析器的原型。此后，他们又在法国建立了“枫丹 白露数学形态学研究中心”，在该中心的学者和其他各国研究人员的共同努力 下，数学形态学得到了不断丰富和完善。 7 0 年代，以g m a t h e m 的工作为主要标志：拓扑学基础，随机集，递增映 射，凸性分析，随机集的若干模型等。在算子方面，数学形态学工具箱的核心 是在这一阶段发现的。在迭代运算的基础上，提出了二值细化，s k | z ，极限腐 蚀，条件对角切分及其测地框图体系。与此同时，最初面向集合的方法被拓展 到数值函数分析领域，产生了形态学梯度，t o p h a t 变换，流域变换等灰值形 态学理论及方法。1 9 7 0 年德国的w d 1 e t i z 公司购买了版权，并对其进行了商 业改进，生产了出了纹理分析系统( - t a s ) 。该系统是当时最重要的图像分析系 7 西安t 业学院硕士学位论文 统之一。 1 9 8 2 年，j s e r 陷的专著图像分析与数学形态学问世后，它才在图像 处理、模式识别和计算机视觉等领域引起广泛的重视和应用。同时8 0 年代的石 油危机，也迫使工业界采用新技术提高产品质量，降低生产成本，这也促进了 数学形态学方法在自动视觉检测技术中的应用。这些应用反过来又促进数学形 态学的进一步发展。经过十多年的理论与实践探索，g m a t h e m 和j s e r r a 在研 究中认识到，对图像先作开运算接着再做闭运算，可以产生一种幂等运算；采 用递增尺寸的交变开闭序列作用于图像，可以有效地清除图像的噪声。1 9 8 2 年， 他们形式地提出了形态学滤波器的概念。8 0 年代又加强了对形态学算法的研 究，主要是为了使复杂的多值膨胀或流域变换等基本形态学运算具有更高的运 算效率】【1 2 1 。 s e r f - a 等人建立数学形态学以后，许多研究人员在其基础上对数学形态学 进行了发展，形成了各种数学形态学的分支和变形，尤其是近年来将模糊数学、 神经网络、柔性数学等领域中的理论应用于形态学，增强了形态学的运算，提 高了形态学对噪声的鲁棒性。数学形态学目前已经成功地应用于所有线性变换、 边缘增强、局部平滑、形态学操作、图像旋转和尺度伸缩。而且，已经证明用 数学形态学编写任何图像处理程序在理论上都是可能的。 9 0 年代以后，数学形态学的两个显著的发展趋势，第一个是致力于运动分 析，包括编码和运动景物的描述，第二个是算法与硬件结构的协调发展，及用 于处理数值函数的形态学算子的开发与设计。 我国于7 0 年代开始引入以数学形态学为基础的图像处理系统。近年来数学 形态学也被广泛应用于许多的图像处理领域，如生物细胞自动识别，商标图像 提取，工程线图的计算机处理，汽车车牌图像处理与分析，卫星云图处理，遥 感图像边缘检测等方面。其中，中国科学院生物物理所开发的癌细胞自动识别 系统就是基于数学形态学方法原理设计，并把数学形态学算法作为其基本算法， 取得了很大的成功。 1 3 2 数学形态学方法的特点、优点及与其它图像处理方法的比较 a 特点及侥点 数学形态学作为一种有代表性的非线性图像处理的分析理论，在图像处理 中已获得了广泛的应用。它具有一套完整的理论、方法及算法体系，其系统性 和严密性不亚于传统的线性图像处理理论。 数学形态学算子的性能主要以几何方式进行刻画，传统的理论却以解析方 式的形式描述算子的性能；数学形态学的几何描述特点更适合于视觉几何信息 8 西安工业学院硕士学位论文 的处理和分析。它摒弃了传统的数值建模及分析的观点，从集合的角度来刻画 和分析图像，事实证明这一新观点的选择为图像处理开辟了一个新天地。从某 种意义上说，数学形态学实际构成了一种新颖的数学图像分析方法和理论。 数学形态学是在集合论的基础上发展起来的，这就使它同计算机视觉问题 紧密地结合起来。从视觉心理角度看待“看见”或“看不见”，实际上是一种“并 集”或“交集”运算。因为对于所有能看到的东西来说，其理解的结果是它们 的“并”，而对于所有因遮挡而不能看到的东西来说，其理解的结果是它们的 “交”。因此，集合的变换反映着视觉过程。 数学形态学用集合来描述图像目标，图像集合各部分之间的关系说明了目 标的结构特点。在考察图像时，要设计一种考察图像信息的探针，称为结构元 素。结构元素通常是一些小的简单集合，如十字形，正方形的集合。观察者在 图像中不断移动结构元素，便可考察图像各个部分之间的关系，从而提取有用 的信息做图像的分析和描述。 数学形态学这种采用具有一定结构和特征( 即形态) 的集合去量度图像中 的形态，进而理解和解决问题，在图像的低层次和高层次处理都是一致的，因 而，数学形态学是适宜解决计算机视觉不同阶段，从低层次到高层次的问题的 统一的理论、方法和分析工具。从集合论的角度看，数学形态学包含了从一个 集合转换到另外一个集合的运算方法。这种转换的目的是要找到原始集合的特 定几何结构，而转换后的集合包含了这种结构的信息。 在图像中，物体一般不是线性叠加关系，而集合理论所描述的一种包含关 系。由于数学形态学描述物体的方法更适合图像环境，因此在某些场合，这种 非线性方法往往能解决线性系统中很棘手的问剐1 3 】【1 郇5 1 。 数学形态学理论覆盖面非常广阔。特别地，传统图像处理中的线性算子和 非线性算子均可看成是形态学算子的特例。这个结论说明数学形态学是一种图 像处理的统一理论，是对传统理论的延伸。 形态学构成简单，其基本运算只有膨胀和腐蚀两种。但是通过不同的组合， 就可形成丰富多彩的算法和信号处理系统。膨胀和腐蚀运算非常易于用硬件实 现，这就使形态学在需要快速图像处理或实时性场合有着广阔的应用前景。 b 与其它图像处理分析方法的比较 首先，与数学形态学方法不同，许多图像处理的技术是随着边缘检测以及 模式匹配的技术而发展起来的。这些技术对图像间的关系的重视不如数学形态 学。在数学形态学中，图像处理被定义为结构元素和目标图像之间的一种操作。 构造不同的结构元素和进行基本运算的不同组合会对目标图像产生不同的效 果。 9 两安。j ：业学院硕士学位论文 其次，数学形态学仅用一些基本操作，如腐蚀、膨胀、开、闭等运算，算 法的逻辑简单明确。同时，它在一些方面比其他空域或频域图像处理和分析方 法具有一些明显的优势。如：在图像恢复处理中，基于数学形态学的形态滤波 器可借助于以前的几何特征信息，利用形态学算子可以有效地滤除噪声，从而 可以保留图像中的原有信息；基于数学形态学的边缘信息提取处理优于基于微 分运算的边缘提取算法，它不象微分算法对噪声那样敏感，同时，提取边缘也 比较光滑且可实现单象素连接：利用数学形态学方法提取的图像骨架也比较连 续，断点少。同时，正因为它在表示图像处理的逻辑上简单和有效，也比较容 易设计用于图像处理的硬件。 但是，数学形态学也有自身的不足。例如，如果目标图像的特征很难用几 何形式来表达，那么用于数学形态学操作中的结构元素设计会是非常困难的。 1 4 论文的框架及主要研究工作 本学位论文在综合分析国内外密封件行业的发展、需求现状和密封件检测 的研究现状的基础上，结合项目密封件外观与尺寸在线检测仪提出的任务、 要求和密封件检测的实际情况，将数学形态学理论为主的图像处理方法应用于 密封件的检测研究中。论文的整体框架如图1 2 所示。 第一章，对本学位论文课题有关内容的综述。 第二章，对图像测量技术的体系结构和整体框架进行介绍，并且对组成图 像测量系统中所涉及的硬件和实验阶段的软件部分也进行了简要的介绍。 第三章，本章是本课题理论研究的基础部分，通过从集合的角度来讨论数 学形态学的腐蚀、膨胀、开、闭四种基本运算，并分析了它们的各种运算性质， 并从图像以及几何的角度来描述它们的这些性质。最后，给出了形态学算法的 定量分析原则。 第四章，本章介绍了在密封件图像预处理阶段所用到的相关图像理论和实 际算法。介绍了图像阈值分割算法的原理及其实际应用的效果，并对数学形态 学的重要部分一多结构元素构成规律进行了分析和归纳；最后，对多结构元素 的滤波算法及其性质作了深入的讨论。 第五章，介绍了数学形态学梯度的概念和边缘检测算法，以及与之相关的 结构元素的构成。为了进一步提高测量精度，对图像测量的亚象素定位技术进 行了初步的探讨，并利用亚象素定位技术中的灰度矩方法对密封件直径进行实 际测量。 1 0 西安工业学院硕士学位论文 第一章绪论 第二章图像测量技术的体系结构 第三章数学形态学原理 第四章图像预处理第五章图像的分析与计算 第六章算法分析 第七章结论与展望 图1 2 论文框架图 第六章，对本论文所涉及的数学形态学算法及相关预处理算法、参数计算 算法的时间复杂度和空间复杂度进行了初步的分析。 第七章，对本论文所完成工作进行总结和对课题后续工作进行展望。 2 图象测量技术的体系结构 2 1 引言 2 图像测量的体系结构 光学图像测量使得对被测目标不用加以任何约束限制，就可以独立地、客观 地对被测物进行静态或动态的测量，使得测量结果更客观和更直观。同时，随着 计算机技术的不断发展，新型数字图像采集、处理硬件的出现也为光学图像测量 技术发展提供了新的方法和手段，再加上处理算法自动化程度和效率的提高，使 光学图像测量技术有了长足的发展【1 6 】1 1 7 】【18 】f 1 创。 本章简述了图像测量系统的基本框架，并详细介绍了测量系统所需的各种硬 件组成和为实现本论文算法的软件。硬件部分包括光学成像设备，数字化设备， 图像存储设备，计算机。软件系统包括一套在实验阶段可完成本论文所涉及算法 的图像处理软件。 2 2 图像测量系统的基本框架 在本课题的密封件图像测量系统中( 如图2 1 ) ，首先，在密封件制品被传 送的同时，相机拍摄高分辨率的图像，然后采集来的图像数据经过图像采集卡进 入计算机内进行处理和分析，处理与分析结果在显示器上显示并存入数据库中， 同时相应的机械机构会根据计算机处理的最终结果对不同质量密封件进行分类。 图2 1 图像测量系统的基本组成框架图 1 2 西安工业学院硕士学位论文 2 。3 各部分组成介绍 2 3 1 图像测量硬件 a 光学成像设备 将某个电磁能量频谱段( 如可见光、x 射线、紫外线、红外线等) 的信号转 化为与接收电磁能量成正比的( 模拟) 电信号的硬件设备主要有： ( 1 ) 电子管摄像机 根据光电转换原理的不同，电子管式摄像机可以分为光电子发射效应式和光 导效应式。目前电子管摄像机由于性价比低，设备体积较大，在实际中很少使用。 ( 2 ) c c d 摄相机 c c d 相机也称为固态摄像机( 图2 2 ) ，它由许多称为感光像元( p h o t o s t e ) 的离散成像元素所构成。这种感光像元在接收输入光以后，会产生一定的电荷转 移，于是形成了和输入光强成正比的输出电压。按照芯片几何组织形式的不同， c c d 摄像机可以分成线阵和面阵两种。 线阵c c d 每次只能得到一条线上的光学信息，要靠场景和摄像机之间的相 对运动来获得二维图像，如各类扫描仪就是利用线阵c c d 和步进电机的移动来 实现图像的扫描。面阵c c d 由排成方阵的感光像元组成，可直接得到二维图像。 相对以往的电子管摄像机，c c d 摄像机具有灵敏度高、光谱响应宽、线性 度好、动态范围大、结构紧凑、体积小、重量轻、寿命长和可靠性高等优点。目 前c c d 摄像机已经取代了传统的电子管摄像机，在各个行业都有着广泛的应用。 ( 3 ) c m o s 摄像机 c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a io x i d es e m i c o n d u c t o r ) 图像传感器是近年来 发展起来的一种新光敏器件技术。与c c d 相比，它具有体积小、耗电少和价格 低等优点。目前c m o s 摄像机发展很迅速，虽然它还有一些弱点，但在光学分 辨率、在感光度和高速成像等主要指标上都已经呈现出超过c c d 的趋势，具有 在高速、监控等方面占领主流市场的潜力【3 】【14 】【2 0 】【2 1 】。 b 数字化设备 数字化设备是完成光学成像设备得到的模拟电信号，转化为数字信号的电路 元器件。它可以集成在成像设备中，也可以独立在成像设备之外。前者就是目前 逐渐流行的数字摄像机，后者就是各类图像采集卡( f r a m eg r a b b e r 或i m a g e c a r d ) 。 1 3 西安工业学院硕士学位论文 ( 1 ) 模拟信号的图像采集卡 成像设备要将采集的视频图像以模拟电信号方式输出，常用的输出方式有两 种：标准的视频信号和非标准视频信号。因此对应的图像采集卡也一般分为两类： 1 ) 标准视频图像采集卡 标准视频图像采集卡可采集的标准视频信号有：黑白视频、复合视频 ( c o m p o s i t ev i d e o ) 、分量模拟视频( c o m p o n e n ta n a l o gv i d e o ，c 肖) 和 s v i d e o ( y ，cv i d e o ) 等。 其中i 蛩像视频包括r s 一1 7 0 、r s 一3 3 0 、r s 一3 4 3 和c c l r 等。复合视频( 首 先有一个基本的黑白视频信号，然后在每个水平同步脉冲之后，加入一个颜色脉 冲和一个亮度信号。因为彩色信号是由多种数据“叠加”起来的，故称为“复合 视频”) 主要有：n t s c ( n a “o n a lt e i e v i s i o ns y s t e mc o m m 廿e e ) 、p a l ( p h a s e a i t e m a t i o n n e ) 和s e c a m ( s y s t e me i e c t i o nc o l o ra v e cm e m o i r e ) 等制式。我国 目前广泛使用的是尸a l 制式。由于s - v i d e o 传输的图像质量要好于复合视频， 因此目前正逐渐得到广泛应用。 2 ) 非标准视频图像采集卡 非标准视频图像采集卡可采集的非标准视频信号有：非标准r g b 信号、线 扫描和逐行扫描信号。采用非视频信号通常是为了获得高分辨率、高刷新率的图 像或其他特殊要求的图像。例如c t 、m r 、x 光机、超声波等医疗的影像，要求 高分辨率和高传输率，因此这些设备的图像输出一般为非标准视频信号。也有由 于成本或速度的限制( 如高速摄像等需求) 而采用低分辨率非标准视频信号的。 ( 2 ) 数字摄像机和数字图像信号采集卡 数字摄像机是将数字化( 模数) 转换的功能集成在摄像机内，直接输出数 字图像信号。这样就避免了将模拟电信号转化为视频信号，再将视频图像转化为 数字图像过程中的图像信息损耗。这种摄像机具有很好的感光元点和象素点的几 何对应性。只要知道了每行的象素点数，就可以确定新的一行从哪里开始，从而 避免了视频信号数字化中因水平扫描不能同步而造成的象素抖动问题。 数字摄像机的输出规格标准一般有：r s 一4 2 2 、r s 一6 4 4 和l e e e l 3 9 4 等数字 输出接口标准，可以输出8 1 6 位灰度或2 4 位r g b 数据。同时为了保持通用 性，有的数字摄像机还带有复合视频输出、模拟r s 3 4 3 或r s 一1 7 0 输出。其中 r s - 4 2 2 是一常用的接口规格。l e e e l 3 9 4 ( 也称为火线，f i r e w i r e ) 接口是i e e e 标准化组织制定的一项具有视频数据传输速度的串行接口标准。同u s b 一样， i e e e l3 9 4 也支持外设提供电源，支持同步数据传输。由于其具有通用连接性和 高数据传输等优点，因而采用该接f 的数字摄像机有很好的应用前景。 计算机为了接收数字图像信号，需要根据不同的数字摄像机的输出接口规格 1 4 吨安工业学院硕士学位论文 来选用不同的数字图像信号采集卡，有些采集卡采用d m a 、多通道、多路信号 同时传输等技术，可以达到每秒1 0 0 m 字节以上的数据传输率，可以进行高分辨 率图像的实时采集。另外有些采集卡还支持图像的实时显示或模拟信号的输