一种针对矩形透明塑料袋的尺寸测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种针对矩形透明塑料袋的尺寸测量方法，步骤包括：对待测塑料袋进行连续拍照；对图像进行灰度变换得到灰度图像，再对灰度图像进行高斯滤波；对高斯滤波后的灰度图像进行边缘检测，再进行Hough变换提取出满足Hough变换的直线；求出所有直线的两端端点并构成一个端点集合；利用端点集合中的各个端点分布求出端点集合的凸包，再对凸包求出最小的覆盖矩形；计算出最小覆盖矩形的长和宽分别占用像素点的个数，再使用最小二乘的方法建立像素点与毫米之间的函数关系；根据函数关系计算出每张照片最小矩形的长和宽，再取平均值得到最终的塑料袋的长和宽。该尺寸测量方法计算量小、易于实现，满足工业现场实时性要求，具备较高的工程应用价值。
【专利说明】
-种针对矩形透明塑料袋的尺寸测量方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种尺寸测量方法，尤其是一种针对矩形透明塑料袋的尺寸测量方 法。
【背景技术】
[0002] 尺寸测量是现代制造业的重要环节，是产品制造中的关键技术问题。传统的测量 方法是采用机械式量具，由人工测定。运种方法受量具和人为因素影响严重，测量误差大。 因此，传统的接触式人工测量方法逐渐被非接触测量所代替。目前，非接触式测量的研究方 向主要集中在激光测量技术和计算机视觉技术两个方向，激光扫描法存在应用环境受限， 且价格昂贵的问题;而计算机视觉技术具有可视化、快速、高精度等优点，对环境无特殊要 求，且价格低于激光扫描，使其在测量领域具有很大的发展前景。在大部分机械零件中，直 线和圆是构成零件几何元素的基本特征，对零件的测量基本可归结到对直线和圆的测量。 在视觉检测中，由于良好的鲁棒性及抗干扰性，化U曲变换已成为模式识别中提取直线的一 个常用的重要的工具。
[0003] 然而，化U曲变换容易产生虚假直线，导致其检测精度低。同时，由于对塑料袋运种 透明物体进行拍照时，存在严重的漫反射问题，使得化U曲变换求解塑料袋边界直线时存在 很多问题。因此，在实际生产中，如何在保证降噪效果的前提下，针对于化U曲变换的不足， 提出一种针对透明目标物体检测方法是很有必要。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是塑料袋运种透明物体进行拍照时存在严重的漫反射 问题。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种针对矩形透明塑料袋的尺寸测量方 法，包括如下步骤：
[0006] 步骤1，将待测塑料袋置于四周封闭的环境中，并W红光作为背景光源，再对待测 塑料袋进行连续拍照；
[0007] 步骤2,对拍照采集的每张图像进行灰度变换得到灰度图像，再对每张灰度图像进 行局斯滤波；
[000引步骤3,对高斯滤波后的每张灰度图像采用Sobel算子进行边缘检测，再对边缘检 测后的每张灰度图像进行化U曲变换，提取出所有满足化U曲变换的直线；
[0009] 步骤4，求出所有满足化Ugh变换的直线的两端端点，并将所有求出的端点构成一 个端点集合；
[0010] 步骤5,利用端点集合中的各个端点分布求出端点集合的凸包，再对凸包求出最小 的覆盖矩形；
[0011] 步骤6,计算出最小覆盖矩形的长和宽分别占用像素点的个数，并利用已知塑料袋 的尺寸和计算出的最小覆盖矩形的长和宽分别占用像素点的个数建立训练集，再使用最小 二乘的方法建立像素点与毫米之间的函数关系；
[0012] 步骤7,根据步骤6得到的函数关系，计算出每张照片最小矩形的长和宽，再取全部 照片计算结果的平均值，从而得到最终的塑料袋的长和宽。
[0013] 作为本发明的进一步限定方案，步骤5中对凸包求出最小的覆盖矩形的具体步骤 为：
[0014] 步骤5.4.1，将凸包两个相邻的点连线作为矩形一条边；
[0015] 步骤5.4.2,寻找凸包上距离已得到的边最远的点，过该点做平行线，得到矩形第 二条边；
[0016] 步骤5.4.3,再将凸包上点向已求得的边投影，求得投影点相距最远的两个点，过 该两点做直线，作为矩形另外两条边；
[0017] 步骤5.4.4,遍历凸包所有相邻两点重新运行步骤5.4.1~5.4.3,将面积最小的矩 形作为最小覆盖矩形。
[0018] 本发明的有益效果在于:首先对照片进行图像的灰度变换、高斯滤波、边缘检测等 预处理工作，再通过化U曲变换得到直线段，把运些直线段的端点构成集合，然后在集合上 求凸包，最后在凸包上求出最小覆盖矩形得到塑料袋的长、宽，其目的是充分利用化U曲变 换的判断直线的特点，同时针对拍照时塑料袋存在漫反射，Hou曲变换无法直接检测到边界 直线的问题，结合凸包、最小覆盖矩形的方法，求出边界直线，从而实现塑料袋的长、宽的尺 寸测量;本发明的方法计算量小、易于实现，有效的满足了工业现场实时性的要求，因此有 效地解决了塑料袋拍照时存在漫反射的问题，鲁棒性较好，具备较高的工程应用价值。
【附图说明】
[0019] 图1为本为本发明系统方法流程示意图；
[0020] 图2为本发明中得到的塑料袋长、宽所占像素点数效果图；
[0021] 图3为本发明中采用最小二乘方法得到的拟合函数曲线图；
[0022] 图4为本发明中列举的凸包示意图。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明，所述的实施方式是示例性的， 仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域的技术人员可W理解，除非 另外定义，运里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普 通技术人员的理解相同的意义。
[0024] 如图1所示，本发明公开的一种针对矩形透明塑料袋的尺寸测量方法包括如下步 骤：
[0025] 步骤1，对塑料袋进行拍照采样，具体是将待测塑料袋放置在一个四周封闭的系统 环境中，并W红光作为背景光源，再对塑料袋进行拍照，连续采集10张照片；
[0026] 步骤2,对采集的每张图像进行灰度变换得到灰度图像，RGB转换到YUV运两大类色 彩空间，具体计算方法为：
[0027] Y = 0.30R+0.59G+0.11B (1)
[002引 U = 0.493(B-Y) (2)
[00 巧]V = 0.877(R_Y) (3)
[0030] 式1-3中，R为红色分量，G为绿色分量，B为蓝色分量，Y为明亮度，U为色彩，V为饱和 度;再利用式4对每张灰度图像进行高斯滤波为：
[0031] (4)
[0032] 式4中，O为高斯分布的标准方差，G(x，y)表示滤波后的图像，X和y为像素点的坐标 位置；
[0033] 步骤3,对高斯滤波后的每张灰度图像采用Sobel算子进行边缘检测，再对边缘检 测的每张灰度图像进行化U曲变换，提取出所有满足化U曲变换的直线，具体计步骤为：
[0034] 步骤3.1 ,Sobel算子包含两组3x3的矩阵，分别为横向及纵向，将之与灰度图像作 平面卷积，即可分别得出横向及纵向的梯度近似值为：
(5)
[0035] (6)
[0036]
[0037] 式5和6中，Gx和Gy分别代表横向及纵向的梯度近似值，A代表原始灰度图像；
[0038] 步骤3.2,再通过图像中每一个像素的横向及纵向的梯度近似值来计算梯度为：
[0039] (7)
[0040] 3来计算梯度方向为：
[0041 ] 悚）
[0042] 步骤3.4，再对边缘检测的每张图片进行化U曲变换，提取所有满足化U曲变换的直 线，设定直线方程为y = a*x-b，用极坐标表示为P =巧COS目+y*sin目，其中P是原点到直线的 垂直距离，0是直线的垂线与X轴正向的夹角，具体步骤为：
[0043] 步骤3.4.1，在参数空间（P，0)中建立离散的参数空间，建立相应的累加器F(P，0)， 并且初始化为零；
[0044] 步骤3.4.2，对图像中的每一个点进行化U曲变换，计算出参数空间(P，0)的对应曲 线，并且在相应的累加器F(P，0)上加1;
[0045] 步骤3.4.3,找出累加器F(P，0)中的多个峰值，如果峰值超过阀值，其对应的坐标 (P，目)表示的直线就是检测的直线；
[0046] 步骤4,求出所有满足化U曲变换的直线的两端端点，并将所有求出的端点构成一 个端点集合；
[0047] 步骤5,利用端点集合中的各个端点分布求出端点集合的凸包（凸包就是将最外层 的点连接起来构成的凸多边型），再对凸包求出最小的覆盖矩形，具体步骤为：
[004引步骤5.1，在所有端点中选取y坐标最小的一点H，当作基点，如果存在多个点的y坐 标都为最小值，则选取X坐标最小的一点，坐标相同的点应排除;然后按照其它各点P和基点 构成的向量<H，P>与X轴的夹角大小进行排序，夹角由大至小进行顺时针扫描，反之则进行 逆时针扫描，实现中无需求得夹角，只需根据余弦定理求出向量夹角的余弦值即可，如图4 所示，基点为H，根据夹角由小至大排序后依次为山1(，0,0，1^，。，6,6，1，8,4和1，然后进行逆 时针扫描；
[0049] 步骤5.2,线段<H，K>一定在凸包上，接着加入C，假设线段<K，C>也在凸包上，因为 就H，K和C=点而言，它们的凸包就是由此=点所组成，但是接下来加入D时会发现，线段<K, D〉才会在凸包上，所W将线段<K，C>排除，C点不可能是凸包；
[0050] 步骤5.3,即当加入一点时，必须考虑到前面的线段是否会出现在凸包上，从基点 开始，凸包上每条相邻的线段的旋转方向应该一致，并与扫描的方向相反，如果发现新加的 点使得新线段与上线段的旋转方向发生变化，则可判定上一点必然不在凸包上，实现时可 用向量叉积进行判断，设新加入的点为pn+1，上一点为pn，再上一点为pn-1，顺时针扫描时， 如果向量处11-1，911〉与处11，911+1〉的叉积为正（逆时针扫描判断是否为负），则将上一点删 除，删除过程需要回溯，将之前所有叉积符号相反的点都删除，然后将新点加入凸包；
[0051 ]在图4中，加入K点时，由于线段化C〉要旋转到化K〉的角度，为顺时针旋转，所Wc 点不在凸包上，应该删除，保留K点，接着加入D点，由于线段<K，D>要旋转到化防的角度，为 逆时针旋转，故D点保留，按照上述步骤进行扫描，直到点集中所有的点都遍历完成，即得到 凸包；
[0052] 步骤5.4,对凸包求出最小的覆盖矩形，具体步骤为：
[0053] 步骤5.4.1，将凸包两个相邻的点连线作为矩形一条边；
[0054] 步骤5.4.2,寻找凸包上距离已得到的边最远的点，过该点做平行线，得到矩形第 二条边；
[0055] 步骤5.4.3,再将凸包上点向已求得的边投影，求得投影点相距最远的两个点，过 该两点做直线，作为矩形另外两条边；
[0056] 步骤5.4.4,遍历凸包所有相邻两点重新运行步骤5.4.1~5.4.3,将面积最小的矩 形作为最小覆盖矩形；
[0057] 步骤6,根据最小覆盖矩形的长和宽，计算得到塑料袋的长和宽所占的像素点的个 数，如图2所示，高占1449个像素点，宽占2716个像素点，再将已知尺寸塑料袋和步骤5中计 算的最小覆盖矩形的长和宽(像素点的个数)作为训练集，基于最小二乘法建立像素点与毫 米之间的函数关系，最小二乘法通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，最小 二乘法回归模型为：
[0化引
[0059] 式9中，（xi，yi)代表一组观测值，f (Xi)表示拟合函数，如图3所示，基于最小二乘回 归模型公式9经过回归拟合最后得到拟合的函数如下：
[0060] f (x) =pl*x^+p2*x^+p3*x^+p4*x+p5 (10)
[0061 ]式 10 中，pl = 3.928e-ll，p2 = -2.959e-07，p3 = 0.0008021，p4 = -0.8459，p5 = 390;拟合时的参数说明：拟合误差的平方和为0.961;决定系数为0.9999;校正后的决定系 数为0.9998;标准差为0.6932;x表示像素点个数，f(x)表示毫米数；
[0062] 步骤7,根据步骤的寻到的拟合函数计算出塑料袋的尺寸。
[0063] W实际数据为例说明本发明的实用性和实施效果:拟合函数的R-square(确定系 数:是通过数据的变化来表征一个拟合的好坏)越接近1表明运个模型对数据的拟合越好； SSE(误差平方和)统计参数计算的是拟合数据和原始数据对应点的误差的平方和，SSE越接 近于0，说明模型选择和拟合更好。从拟合的性能指标看:拟合函数R-square接近1，SSE接近 0,说明拟合效果很好。同时，从图3可W看出尺寸测试的最大误差在Imm之内，平均误差在 0.5mm之内。
【主权项】
1. 一种针对矩形透明塑料袋的尺寸测量方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤1，将待测塑料袋置于四周封闭的环境中，并以红光作为背景光源，再对待测塑料 袋进行连续拍照； 步骤2,对拍照采集的每张图像进行灰度变换得到灰度图像，再对每张灰度图像进行高 斯滤波； 步骤3,对高斯滤波后的每张灰度图像采用Sobel算子进行边缘检测，再对边缘检测后 的每张灰度图像进行Hough变换，提取出所有满足Hough变换的直线； 步骤4,求出所有满足Hough变换的直线的两端端点，并将所有求出的端点构成一个端 点集合； 步骤5,利用端点集合中的各个端点分布求出端点集合的凸包，再对凸包求出最小的覆 盖矩形； 步骤6,计算出最小覆盖矩形的长和宽分别占用像素点的个数，并利用已知塑料袋的尺 寸和计算出的最小覆盖矩形的长和宽分别占用像素点的个数建立训练集，再使用最小二乘 的方法建立像素点与毫米之间的函数关系； 步骤7,根据步骤6得到的函数关系，计算出每张照片最小矩形的长和宽，再取全部照片 计算结果的平均值，从而得到最终的塑料袋的长和宽。2. 根据权利要求1所述的针对矩形透明塑料袋的尺寸测量方法，其特征在于，步骤5中 对凸包求出最小的覆盖矩形的具体步骤为： 步骤5.4.1，将凸包两个相邻的点连线作为矩形一条边； 步骤5.4.2,寻找凸包上距离已得到的边最远的点，过该点做平行线，得到矩形第二条 边； 步骤5.4.3,再将凸包上点向已求得的边投影，求得投影点相距最远的两个点，过该两 点做直线，作为矩形另外两条边； 步骤5.4.4,遍历凸包所有相邻两点重新运行步骤5.4.1~5.4.3,将面积最小的矩形作 为最小覆盖矩形。
【文档编号】G06T7/60GK106023201SQ201610335188
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月19日
【发明人】王雄, 王一雄, 周国平, 宋军, 杨绪兵, 云挺, 仲骥
【申请人】南京林业大学