面向圆形标志符的两级优化霍夫变换快速检测定位方法
【专利摘要】本发明提供了一种面向圆形标志符的两级优化霍夫变换快速检测定位方法，首先对基准点进行霍夫变换，然后通过一级优化霍夫变换减少图像空间参与平移霍夫变换的点数和参数空间的无效累加，快速确定圆形标志符圆心所在的区域，最终通过二级优化霍夫变换高效控制参数空间累加范围，快速确定圆形标志符的圆心位置。本发明能够准确定位圆形标志符区域，快速精确计算出圆形标志符的圆心坐标，时间开销大大优于平移霍夫变换，具有快速、准确和鲁棒的特点。
【专利说明】面向圆形标志符的两级优化霍夫变换快速检测定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于机器视觉的图像检测定位技术，尤其是面向圆形标志符的、 能够满足工业生产实时需求的高精度快速检测定位技术。
【背景技术】
[0002] 随着器件封装尺寸的减小和印刷电路板贴片密度的增加，使印刷过程中印刷电路 板和钢网之间的高精度位置校准成为关键环节之一，而高精度位置校准的前提和核心就是 视觉检测系统对印刷电路板和钢网上的定位标志符的几何中心进行高精度检测定位。目 前表面贴装技术中常用的定位标志符有圆形、矩形、三角形和十字形等，其中圆形是最常见 的，因此，快速准确地检测定位圆形标志符的圆心位置具有广泛的实用价值。
[0003] 目前常用的圆形标志符圆心检测算法有：基于最小二乘原理的拟合检测算法、基 于边界曲线分组的检测算法、遗传算法、基于存在概率的圆检测算法和霍夫变换及其改进 算法。在这些方法中，霍夫变换以其鲁棒性强，在噪声、缺损、变形等情况下仍能取得理想结 果的特点而在圆形检测方面被广泛应用。但是传统霍夫变换将二维图像空间中的一个点映 射到三维参数空间，运算时间长，占用内存大，在实际工业生产中难以应用。为了克服上述 缺点，目前改进的方法主要有三类：第一类方法主要是将图像空间圆形边缘上的三点根据 圆形性质，按照一定的规则变换到参数空间中的一点，理论上大大降低了参与变换的点数， 降低了时间开销，但是当图像中存在噪声点和多个圆的情况时，算法检测精度急剧下降。第 二类方法的代表思想是梯度累加，即只对变化后落在梯度方向上的点进行累加求和，算法 执行效率高，速度快，但是该算法与传统霍夫变换相比抗干扰能力大大下降，同时由于算子 求出的梯度离散、有限，因而梯度方向往往并非指向圆心，造成检测精度降低。第三种方法 是平移霍夫变换，该方法综合上述两类方法的改进思路，借助"坐标平移"思想，对图像空间 中的某一基准点进行霍夫变换，通过将基准点在参数空间中的投影集合平移来得到其他需 要变换的点在参数空间的投影集合。这种算法有利于降低时间和空间开销，但是通过平移 得到的坐标点集合和通过计算得到的坐标点集合不可能完全一样，导致算法最终检测误差 的存在。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种既能保证圆心检测精度，又能满足印 刷电路板视觉检测中实时性要求的圆形标志符快速检测定位算法，针对现有圆形标志符圆 心检测中的速度和精度相互制约问题，对平移霍夫变换算法进行改进，提出两级优化霍夫 变换算法，能够准确定位圆形标志符区域，快速精确计算出圆形标志符的圆心坐标，时间开 销大大优于平移霍夫变换，具有快速、准确和鲁棒的特点，能够满足印刷机视觉检测中，对 印刷电路板上的圆形标志符实现精确实时检测定位的要求。本发明同样适用于钢网上圆形 标志符的精确实时检测定位。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
[0006] 步骤一、定义图像坐标系为X轴正方向水平向右，Y轴正方向垂直向上，原点位于 左下角；定义霍夫变换后的参数空间坐标系为a轴正方向水平向右，b轴正方向垂直向上， 原点位于左下角；
[0007] 设图像Ibi为形状质量检测达到合格标准的N行M列圆形标志符二值化图像，I bi =f(x, y) ,0彡X彡M-1,0彡y彡N-I ;对Ibi进行轮廓提取,构造边缘点集V = {(xvi, yvi) I i =1，2,…，Q}，式中，Q为边缘点的总个数，由边缘点集可得到圆形标志符的外接矩形，外接 矩形的宽= ,_，外接矩形的高H = Ayv = yv_max-yv_min，式中，Xv_ max，Χν_ min分别为V中的X坐标的最大值和最小值；yv_max，yv_ min分别为V中的Y坐标的最大值和最 小值，取W和H中较小者为dmin，较大者为dmax ;
[0008] 在图像空间中任取Ibi上的一点（xbase, ybase)作为基准点，以内径rin = dmin/2,外 径^ut = dmax/2作为半径r的约束条件对该点进行圆形霍夫变换；规定xb_的取值范围为 [r_ M-rwt]，yb_的取值范围为[Irat, N-r J ;贝U基准点经过霍夫变换后在参数空间得到的 变换圆边缘点集合 Fbase = {(a, b) I (a_xbase)2+ (b_ybase)2 = r, rin < r < rQUt}，式中，（a, b)为 变换圆的边缘点坐标，记Fb_中变换圆边缘点的个数为D ;
[0009] 步骤二、对圆形标志符边缘点集V中的Q个元素，以3个像素为周期进行等间隔采 样，得到边缘采样点集V' ={(x' vj，y' vj) |j = 1,2, "'Q' }，式中，Q'为边缘采样点的 个数，仅边缘采样点参与平移霍夫变换；当采样到点（X' ^时，可计算得到该点在X 方向和Y方向相对于（xbase，ybase)的偏移量，点（X' VP经过霍夫变换后在参数空间 得到的变换圆边缘点集合 Fj = {(a」,bj) I a」=a+ (X' vj-xbase)，bj = b+ (y ' vj_ybase)}，式中 为变换圆的边缘点坐标；对？」中处于此范围内的变换圆边缘点进行累加，累加器累 加区域戈
【权利要求】
1. 一种面向圆形标志符的两级优化霍夫变换快速检测定位方法，其特征在于包括下述 步骤： 步骤一、定义图像坐标系为X轴正方向水平向右，Y轴正方向垂直向上，原点位于左下 角；定义霍夫变换后的参数空间坐标系为a轴正方向水平向右，b轴正方向垂直向上，原点 位于左下角； 设图像Ibi为形状质量检测达到合格标准的N行M列圆形标志符二值化图像，Ibi =f(x,y) ,0彡X彡M-1,0彡y彡N-I;对Ibi进行轮廓提取,构造边缘点集V= {(xvi,yvi)Ii= 1，2, ...，Q}，式中，Q为边缘点的总个数，由边缘点集可得到圆形标志符的外接矩形，外接矩 形的宽W=ΔXv = Xvji α i，外接矩形的高H=Δyv = yv_max-yv_min，式中，Xv_max，Xvjiin 分别为V中的X坐标的最大值和最小值；yv _，yVJlin分别为V中的Y坐标的最大值和最小 值，取W和H中较小者为dmin，较大者为dmax; 在图像空间中任取Ibi上的一点（xbase;，ybaJ作为基准点，以内径rin =dmin/2,外径Iwt =dmax/2作为半径r的约束条件对该点进行圆形霍夫变换；规定xb_的取值范围为 [r_M-rwt]，yb_的取值范围为[Irat,N-rJ;贝U基准点经过霍夫变换后在参数空间得到的 变换圆边缘点集合Fbase = {(a,b)I(a_xbase)2+ (b_ybase)2 =r,rin <r<rQUt}，式中，（a,b)为 变换圆的边缘点坐标，记Fb_中变换圆边缘点的个数为D; 步骤二、对圆形标志符边缘点集V中的Q个元素，以3个像素为周期进行等间隔采样， 得到边缘采样点集V' ={(x'vj，y' vj)|j= 1,2,...,0' }，式中，Q'为边缘采样点的个 数，仅边缘采样点参与平移霍夫变换；当采样到点（X' ^时，可计算得到该点在X 方向和Y方向相对于（xbase，ybase)的偏移量，点（X' VP经过霍夫变换后在参数空间 得到的变换圆边缘点集合Fj = {(a」,bj)Ia」=a+(X'vj-xbase)，bj=b+(y'vj_ybase)}，式中 为变换圆的边缘点坐标；对？」中处于此范围内的变换圆边缘点进行累加，累加器累 加区域为X. + 战，<".<x -战、V.+^*^<b-<v -战、 7. V 2J v_max 2 ,r-mm 1 2 J ^ v_max〕 式中代表了圆内接矩形的最大边长；对于每一个Fi,以3像素为周期对处于累加区 域范围内的坐标进行采样累加统计，记需要统计的变换圆边缘点个数为D'; 在参数空间建立一个数组累加器A1 (a」，bj)，A1 (a」，bj)的初始值均为0 ;当参数空间中 变换圆的边缘点坐标（apbp满足匕的计算时，相应的累加器AJapbp的值加1 ;寻找累 加值最大的峰值累加器，峰值累加器所在位置代表了一级优化霍夫变换的圆心位置（x_t， Ycent) ? 圆形标志符圆心所在区域确定为以（X_t，y_t)为中心的7X7像素的小区域，即 Xcent_3 ^aj^Xcent+3?Ycent"3 ^bj^ycent+3 ； 步骤三、在图像空间中，对圆形标志符的边缘点集V中的元素逐像素进行遍历，得到参 数空间中变换圆边缘点集Fi =Ka^bi)Iai =a+(xvi-xbas丄bi=b+(yvi-ybase)};对于每一 个Fi，在步骤二确定的7X7区域中对变换圆边缘点进行逐点累加统计； 在参数空间建立一个数组累加器A2 (ai，bj，A2 (ai，bj的初始值均为0 ;当参数空间中 变换圆的边缘点坐标（?,bj满足式Fi的计算时，相应的累加器^(%，bj的值加1 ;寻找 累加值最大的峰值累加器，峰值累加器所在位置即为二级优化霍夫变换得到的精确圆心位 (Xcenter^ 。
【文档编号】G06T7/60GK104463920SQ201410617003
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月5日 优先权日:2014年11月5日
【发明者】齐敏, 辛红娟, 吴志超, 董勇, 樊养余 申请人:西北工业大学