本发明涉及机器视觉测量技术领域，涉及一种管水准器气泡偏移量自动测量方法。
背景技术：
在众多工业制造生产活动中，人们常常需要对被测物体表面进行平面度的检测，因此通常会借助一些带有管水准器的计量器具(例如：水平仪等)来完成此类精密测量，目前使用最为广泛的方法是通过测量管水准器中的气泡偏移量来判断被测物体表面是否水平。当今市面上有很多用来检测被测物体表面平面度的带有管水准器的计量器具，许多厂家为了保证自己生产的带有管水准器的计量器具测量准确性，都会在产品出厂前对管水准器内的气泡进行检测和校准。一般校准的方式，就是将带有管水准器的计量器具置于标准水平检测台上，根据管水准器内气泡偏离中心的程度来判断出厂的计量器具是否合格。不同精度的计量器具在检测时允许的误差范围也不相同。目前国内的对于管水准器内气泡偏移量常用的检测方法：
(1)通过人眼识别管水准器内气泡的偏移量，借此来判断计量器具合格与否，对产品进行校正也还只是人工调整管水准器的方式，显然这种方式不仅误差大，还大量消耗人力物力，产品精度很难得到提高。
(2)基于canny边缘检测和加权最小二乘的方法进行气泡偏移量的测量，虽然该方法对于质量较差的图像有很强的鲁棒性，但通过该方法找到的计算气泡偏移量的固定边界区域不够精确，导致最后计算出的气泡偏移量存在明显误差。
(3)利用局部灰度梯度平均值曲线以及亚像素精度定位的方法进行气泡偏移量的测量，虽然该方法对于气泡轮廓边缘端点的提取精确度很高，但由于在实际测量矫正管水准器气泡的过程中，会受到电机振动的影响，气泡调整时，其轮廓形状会随之发生微小变化，因此，在持续调整的过程中若只提取气泡左右端点进行偏移量测量，则会严重影响到整个测量过程的测量精度。
技术实现要素：
本发明针对现有技术的不足，提供了一种管水准器气泡偏移量自动测量方法，该方法采用自动确定感兴趣区域的方式，在气泡中心刚进入计算气泡偏移量的固定区域中心时，采用粗略测量方法；在气泡中心接近计算气泡偏移量的固定区域中心时，采用精确测量方法；提高了测量精度，同时可用于机器替代人类对带有管水准器的计量器具进行矫正，解决了人眼识别、人工敲击费时费力，误差大的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种管水准器气泡偏移量自动测量方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：读取管水准器气泡原始灰度图像；
步骤2：对原始灰度图像进行二值化与中值滤波处理；
步骤3：对中值滤波后的二值图像进行轮廓检测，计算各轮廓所包围区域的面积与各轮廓最小外接矩形面积之比以及各轮廓最小外接矩形长边长度；
步骤4：通过对各轮廓所包围区域的面积与各轮廓最小外接矩形面积之比以及各轮廓最小外接矩形长边长度的限制，来判断图像中是否存在计算气泡偏移量的固定区域；
步骤5：若存在计算气泡偏移量的固定区域，则对计算气泡偏移量的固定区域进行外扩得到感兴趣区域；
步骤6：求取计算气泡偏移量的固定区域的最小外接矩形的倾角，以及固定区域轮廓所包围区域的面积与此固定区域轮廓的最小外接矩形面积的比值，根据此倾角和比值来判断气泡的偏移位置；
步骤7：若气泡进入计算气泡偏移量的固定区域范围内，则计算气泡反光产生的月牙形区域最小外接矩形中心与固定区域最小外接矩形中心的水平物理距离，粗略测量气泡的偏移量；
步骤8：若月牙形区域最小外接矩形中心与计算气泡偏移量的固定区域最小外接矩形中心的水平物理距离非常小时，则计算包围气泡周长最大轮廓的外接矩形中心与固定区域最小外接矩形中心的水平物理距离，精确测量气泡的偏移量；
至此，实现了管水准器气泡偏移量的自动测量。
本发明的有益效果是，通过图像处理技术根据管水准器中气泡的不同位置，计算气泡月牙形区域中心或气泡整体区域中心偏离管水准器固定区域中心的距离，实现管水准器气泡偏移量的测量。本发明方法，能有效解决采用人眼识别时，费时费力，误差大的问题，采用气泡中心与两条黑线包围的矩形中心的水平距离值的方法代替气泡轮廓左右边缘点与两条黑线轮廓中心水平距离值的方法，计算实际的偏移量，前者算法鲁棒性更佳，同时简单实用，精度高。
附图说明
图1是本发明方法的步骤流程图；
图2是本发明方法获取的初始图像；
图3是本发明方法获取的二值化中值滤波图像；
图4是本发明方法获取的轮廓检测图像；
图5是本发明方法获取的固定区域实际包围轮廓图像；
图6是本发明方法获取的固定区域外接矩形图像；
图7是本发明方法获取的感兴趣区域图像；
图8是本发明方法获取的消去短0行程后的感兴趣区域二值图像；
图9是本发明方法获取的标有气泡月牙形区域最小外接矩形图像；
图10是本发明方法获取的气泡二值化取反图像；
图11是本发明方法获取的标有气泡轮廓周长最大的外接矩形图像。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明方法的步骤是：
步骤1：读取管水准器气泡原始灰度图像
读取待进行气泡偏移量测量的管水准器气泡原始灰度图像，得到的结果如图2所示。
步骤2：对原始灰度图像进行二值化与中值滤波处理
对原始灰度图像src采用otsu法进行二值化分割处理得到二值化图像bi；对bi采用5×5窗口进行中值滤波去除噪声，得到滤波后的图像ifilt，如图3所示。
步骤3：对中值滤波后的二值图像进行轮廓检测，计算各轮廓所包围区域的面积与各轮廓最小外接矩形面积之比以及各轮廓最小外接矩形长边长度
对滤波后的图像ifilt进行轮廓检测，得到的轮廓检测图像如图4所示。计算中值滤波后图像ifilt中每个轮廓ci(i＝1，2，3，...，n)的实际包围面积areai(i＝1，2，3，...，n)与其最小外接矩形面积之比ri(i＝1，2，3，...，n)，以及最小外接矩形的长边长度li(i＝1，2，3，...，n)，其中n为中值滤波后图像ifilt中轮廓个数。
步骤4：通过对各轮廓所包围区域的面积与各轮廓最小外接矩形面积之比以及各轮廓最小外接矩形长边长度的限制，来判断图像中是否存在计算气泡偏移量的固定区域
对步骤3得到的各轮廓所包围区域的面积与各轮廓最小外接矩形面积之比ri以及各轮廓最小外接矩形长边长度li进行限制，当比值ri大于某个定值tr且长边长度li在某个固定范围[ll，lh]内时，即：
ri＞tr且ll＜li＜lh(1)
则判定为中值滤波后图像ifilf中存在计算气泡偏移量的固定区域rect，将满足公式(1)的轮廓设为固定区域rect的轮廓cr，继续进行后续处理；否则，判定为中值滤波后图像ifilt中不存在计算气泡偏移量的固定区域轮廓，给出“气泡不在当前图像中”的信息提示，不再进行后续处理。
步骤5：若存在计算气泡偏移量的固定区域，则对计算气泡偏移量的固定区域进行外扩得到感兴趣区域
若中值滤波后图像ifilt中存在计算气泡偏移量的固定区域轮廓cr，则先获取固定区域轮廓cr的外接矩形rmax，如图6所示。再将矩形rmax向上、向下、向左和向右外扩一定距离ioffset，得到矩形rn。将矩形rn在中值滤波后图像ifilt中所包含的区域图像iroi作为感兴趣区域图像从中值滤波后图像ifilt中提取出，感兴趣区域图像iroi如图7所示。同时，设感兴趣区域图像iroi的最左上角的第一个像素点在原始灰度图像src中的坐标为(tlx，tly)。
步骤6：求取计算气泡偏移量的固定区域的最小外接矩形的倾角，以及固定区域轮廓所包围区域的面积与此固定区域轮廓的最小外接矩形面积的比值，根据此倾角和比值来判断气泡的偏移位置
计算固定区域轮廓cr的最小外接矩形mer的倾角θ和固定区域轮廓cr实际包围的面积area与其最小外接矩形面积的比值r，判断气泡的当前位置，如果r大于某个定值trn，则判定气泡在计算气泡偏移量的固定区域外侧；气泡在外侧时，可根据计算气泡偏移量的固定区域的倾角θ判断气泡在哪一侧；如果θ＜-45，则气泡在计算气泡偏移量的固定区域之外左侧，给出“气泡在固定区域左侧”的信息提示；否则，气泡在计算气泡偏移量的固定区域之外右侧，给出“气泡在固定区域右侧”的信息提示。
步骤7：若气泡进入计算气泡偏移量的固定区域范围内，则计算气泡反光产生的月牙形区域最小外接矩形中心与固定区域最小外接矩形中心的水平物理距离，粗略测量气泡的偏移量
若气泡开始进入计算气泡偏移量的固定区域rect，则先寻找气泡反光引起的月牙形区域rm；在感兴趣区域图像iroi中按照从左到右、从上到下的顺序进行0行程(像素值为0的像素，即黑像素)的搜索；如果某0行程的长度rl满足属于某个区间[thl，thh]时，即：
thl＜rl＜thh(2)
则消去此短0行程(将此行程中的所有黑像素变为白像素)。所有满足公式(2)的短0行程消去后，得到图像biroi，如图8所示。在图像biroi中进行轮廓检测，如果轮廓的最小外接矩形的长边长度wf满足公式(3)，且这样的轮廓有且仅有1个，则判定存在月牙形区域rm。
wl＜wf＜wh(3)
其中，wl和wh为感兴趣图像中轮廓最小外接矩形长边长度的下限值和上限值。
如果存在月牙形区域rm的轮廓cm，则求取月牙形区域rm的最小外接矩形mm，如图9所示，将月牙形区域的最小外接矩形mm的中心设为mc，mc在感兴趣区域图像iroi中的横坐标设为mcx，则月牙形区域最小外接矩形的中心mc在原始灰度图像src中的横坐标mx为：
mx＝mcx+tlx(4)
其中，tlx为感兴趣区域图像iroi的最左上角的第一个像素点在原始灰度图像src中的横坐标。
设计算气泡偏移量的固定区域rect的最小外接矩形mer的中心为mec，mec在原始灰度图像src中的横坐标为mex；用计算气泡偏移量的固定区域的最小外接矩形中心横坐标mex与月牙形区域轮廓外接矩形中心在原始灰度图像src中的横坐标mcx间的差值δx1，来表示气泡在图像中的偏移量(单位：pixel)：
δx1＝mex-mcx(5)
如果δx＞0，则气泡偏左；否则，气泡偏右。根据图像标定结果res(单位：mm/pixel)粗略计算气泡物理偏移量dr1(单位：mm)：
dr1＝|δx1|×res(6)
其中|δx1|表示δx1的绝对值。
如果δx1＞0，则给出“气泡偏左xxmm”的信息提示；否则给出“气泡偏右xxmm”的信息提示；其中xx为dr1的值。
步骤8：若月牙形区域最小外接矩形中心与计算气泡偏移量的固定区域最小外接矩形中心的水平物理距离小于1mm，则计算包围气泡周长最大轮廓的外接矩形中心与固定区域最小外接矩形中心的水平物理距离，精确测量气泡的偏移量
若月牙形区域最小外接矩形中心mc与计算气泡偏移量的固定区域最小外接矩形中心mec的水平方向距离小于某个阈值dt时，即|dr1|＜dt，则从中值滤波后图像ifilt中截取固定区域轮廓cr的外接矩形rmax对应区域的图像并对其进行取反操作，得到取反后的图像isub，如图10所示；对图像isub进行轮廓检测，提取出周长最大的轮廓cb，轮廓cb即为气泡轮廓；计算气泡轮廓cb的外接矩形rb，如图11所示，气泡轮廓外接矩形rb的中心mbc的横坐标设为mbx，则气泡轮廓外接矩形中心mbc在原始灰度图像src中的横坐标mb为：
mb＝mbx+tln(7)
其中，tln为图像isub的最左上角的第一个像素点在原始灰度图像src中的横坐标。
用计算气泡偏移量的固定区域外接矩形中心横坐标mex与气泡轮廓外接矩形中心在原始灰度图像src中的横坐标mb的差值δx2来表示气泡偏移量(单位：pixel)：
δx2＝mex-mb(8)
根据图像标定结果res(单位：mm/pixel)精确计算气泡物理偏移量dr2(单位：mm)：
dr2＝|δx2|×res(9)
其中|δx2|表示δx2的绝对值。
如果dr2＞0，则给出“气泡偏左xxmm”的信息提示；否则给出“气泡偏右xxmm”的信息提示；其中xx为dr2的绝对值；当|dr2|＜tp时，则判定气泡已处于管水准器中心，给出“合格”的信息提示，其中tp为给定的气泡偏移量最大允许误差。
至此，实现了管水准器气泡偏移量的自动测量，即成。