一种基于轮廓归并和凸包拟合的圆半径测量方法技术

本发明专利技术的一种基于轮廓归并和凸包拟合的圆半径测量方法，对于中部分裂、部分可见的不完整圆形具有鲁棒性。该方法能够检测出物理材料表面内的一个或多个圆坑。能够精确计算出被检测到的圆坑的像素半径。该方法可替代传统的人工的物理材料表面圆坑检测方法，能提高效率和节约劳动成本。

A Round Radius Measurement Method Based on Contour Merging and Convex Hull Fitting

The invention provides a method for measuring the radius of a circle based on contour merging and convex hull fitting, which has robustness for a partially split and partially visible incomplete circle. This method can detect one or more pits on the surface of physical materials. The pixel radius of the detected circular pit can be calculated accurately. This method can replace the traditional manual method for detecting circular pits on the surface of physical materials, and can improve efficiency and save labor costs.

【技术实现步骤摘要】
一种基于轮廓归并和凸包拟合的圆半径测量方法
本专利技术属于机器视觉
，涉及一种基于轮廓归并和凸包拟合的圆半径测量方法。
技术介绍
在物理材料领域，常常通过在物理材料表面用金属球砸出一个或多个圆坑，依据圆坑的半径大小可有效的测试出材料的硬度等性能。目前，对于物理材料表面圆坑半径的测量都是依赖于人工测量。通过传统的人工测量方法的确能够测量出圆形的半径，但在科技发展的今天，完全可以让机器来代替人工测量。其方法大体思路是，在物理材料表面砸出圆坑之后，在设定的光照和几何条件下获取放大的圆坑图像，通过图像处理技术定位并分割圆坑，得到以像素为单位的圆坑半径，通过对成像系统的标定，计算得到圆坑亚毫米级的半径。机器测量的方法相较于人工测量精确度更高，速度更快，更稳定，而且可以24小时不间断工作。因此，采用机器视觉的方法来检测物理材料表面的圆坑并测量出其半径显得尤为重要。采用机器视觉的方法分割并测量物理材料表面圆形的半径时存在以下四个难点：第一，物理材料表面在测量前通常要做净化处理，造成其表面具有复杂纹理，这些纹理给圆的检测带来很大的干扰，如果这些纹理未被正确分割，很容易被当作圆的边缘点而检测出一个假圆。第二，当物理材料表面有多个圆时，需要将所有圆都检测出来并计算其半径。第三，由于成像条件所限，如果某个圆不完整，由两个分裂的半圆块组成，已有方法通常难以将其归为同一个圆处理，而一般会将这两个半圆作为两个不同的圆来处理，显然会造成误测量。第四，如果只有一部分圆在图像中，已有方法对该圆进行分割并测量。常用的圆检测方法主要有改进的Hough变换法。1991年，因DanaH.Ballard的一篇期刊论文“GeneralizingtheHoughtransformtodetectarbitraryshapes”，Hough变换被引入到计算机视觉界，Hough变换的方法逐渐成为检测圆形的主流方法。此后也涌现出许多经典的基于Hough变换改进的圆检测算法。Hough变换对不完整边缘具有鲁棒性的优点,然而这个优点在有些时候却会导致目标的错误识别，在实际圆检测过程中，误检率得不到控制，并且Hough变换计算量往往太大，对于单幅图片的检测可行，若要批量检测，检测效率得不到保证。此外，还有许多根据应用场景不同而产生的圆检测方法，中国专利201310159686.4公开了一种基于梯度方向分割的圆检测方法，该方法虽然能检测多个圆形情况，但方法对于含有纹理的物理材料图像，并不能完全正确的检测出圆坑。中国专利201410111415.6公开了一种基于边缘检测与拟合曲线聚类的圆检测方法，该方法能够很好定位出圆的位置，但该方法不能精确测量出圆的半径。中国专利201510478231.8公开了一种基于适应性高斯差分演化的圆检测方法，该方法适用于检测物理材料表面含有一个圆的情形，对于物理材料表面含有多个圆却不能同时检测到。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于轮廓归并和凸包拟合的圆半径测量方法，可替代传统的人工的物理材料表面圆坑检测方法，能提高效率和节约劳动成本。本专利技术提供一种基于轮廓归并和凸包拟合的圆半径测量方法，包括如下步骤：步骤1：采集物理材料表面含有圆坑的图像，并转化为灰度图像；步骤2：将灰度图像通过Gabor变换，结合局部方差、梯度强度和信息熵，进行纹理增强，高强度区域为背景，低强度区域为可能的目标；步骤3：将步骤2得到的图像进行阈值分割，去除灰度图像中背景纹理；步骤4：将步骤3得到的图像进行形态学闭运算操作，获得多个连通目标区域；步骤5：对步骤4得到的每一个连通目标区域提取轮廓；步骤6：遍历步骤5得到的图像中的每一个轮廓，初步排除非圆轮廓；步骤7：判断步骤6得到的每个圆是否与其他圆交叉，若交叉则合并属于同一个圆的轮廓；步骤8：提取步骤6得到每个合并的或者单独的圆形轮廓包围的圆形区域的凸包；步骤9：得到步骤8提取的归并区域的凸包，求凸包点与区域轮廓的公共点；步骤10：利用步骤9中得到的点拟合圆，在原图像上标记圆坑及其半径；步骤11：重复步骤7，8，9，10，直到遍历步7的所有轮廓；步骤12：输出最终结果。在本专利技术的基于轮廓归并和凸包拟合的圆半径测量方法中，所述步骤1包括：步骤1.1：用工业相机拍摄物理材料表面含有圆坑的数字图像；步骤1.2：将图片传送到计算机中；步骤1.3：将彩色图像转化为灰度图像，彩色图像转为灰度图像满足下列公式：Gray＝R×0.299+G×0.587+B×0.114其中，R，G，B分别为彩色图像中像素的红色，绿色，蓝色分量，Gary为转换到灰度空间的像素值。在本专利技术的基于轮廓归并和凸包拟合的圆半径测量方法中，所述步骤2包括：步骤2.1：以45°方向，5×5的模板尺寸对步骤1得到的图像做Gabor变换，其中滤波器由如下公式决定：其中，x′＝xcosθ+ysinθ,y′＝-xsinθ+ycosθ，λ表示正弦曲线波长，它的值以像素为单位指定；θ表示平行条纹的发现角度方向；表示相位差；σ表示高斯的方差参数；γ空间纵横比率；步骤2.2：对步骤2.1得到的图像取绝对值；步骤2.3：结合局部方差、梯度强度和信息熵，进行纹理增强，增强变换公式为：Ie＝λ1IGabor+λ2IVar+λ3IEntropy+λ4IEdgeλ1,λ2,λ3,λ4为系数，根据经验设定，IGabor、IVar、IEntropy、IEdge分别为Gabor滤波图像、方差图像、熵值图像和平均梯度图像。在本专利技术的基于轮廓归并和凸包拟合的圆半径测量方法中，所述步骤3包括：步骤3.1：计算步骤2得到图像的直方图；步骤3.2：在直方图中计算出0到阈值之间的峰值作为自适应阈值；步骤3.3：在自适应阈值上加一偏移量作为新的阈值；步骤3.4：应用新的阈值对步骤2得到的图像进行阈值分割。在本专利技术的基于轮廓归并和凸包拟合的圆半径测量方法中，所述步骤4具体为：经过阈值分割后，在高灰度的背景区域有一些低灰度小区域存在，表现为白色背景中的黑孔洞，由于目标为黑色，所以利用数学形态学中的闭运算去除这些黑孔洞。在本专利技术的基于轮廓归并和凸包拟合的圆半径测量方法中，所述步骤5具体为：经步骤4处理后，形成了多个彼此连通的点区域即连通区域，黑色点构成的区域是圆坑区域，在圆坑区域内部，像素值为黑色，其八邻域点也为黑色，在区域轮廓点上，其邻域点有黑色点也有白色点，据此提取目标区域的轮廓。在本专利技术的基于轮廓归并和凸包拟合的圆半径测量方法中，所述步骤6包括：步骤6.1：计算出轮廓的面积S；步骤6.2：计算出轮廓最小外接矩形的长宽比K；步骤6.3：若满足条件1，条件2，条件3中的一种则排除该轮廓；条件1为S小于最小圆坑的像素面积，条件2为S大于最大圆坑的像素面积，条件3为K小于在本专利技术的基于轮廓归并和凸包拟合的圆半径测量方法中，所述步骤7包括：步骤7.1：对步骤6得到的图像中的每个区域做出一个外接矩形；步骤7.2：判断外接矩形较长边的中点是否为切点，若同时满足条件1和条件2记录为切点；条件1为其中：I(x,y)为步骤3得到的图像在(x,y)处的像素值；条件2为表示中点与轮廓重心的距离：为步骤6得到图像中的第i个轮廓上的第m个点，n为轮廓点个数；表示中点与轮廓最小外接矩形中心的距离，步骤7.3：从切点出发沿本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于轮廓归并和凸包拟合的圆半径测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：采集物理材料表面含有圆坑的图像，并转化为灰度图像；步骤2：将灰度图像通过Gabor变换，结合局部方差、梯度强度和信息熵，进行纹理增强，高强度区域为背景，低强度区域为可能的目标；步骤3：将步骤2得到的图像进行阈值分割，去除灰度图像中背景纹理；步骤4：将步骤3得到的图像进行形态学闭运算操作，获得多个连通目标区域；步骤5：对步骤4得到的每一个连通目标区域提取轮廓；步骤6：遍历步骤5得到的图像中的每一个轮廓，初步排除非圆轮廓；步骤7：判断步骤6得到的每个圆是否与其他圆交叉，若交叉则合并属于同一个圆的轮廓；步骤8：提取步骤6得到每个合并的或者单独的圆形轮廓包围的圆形区域的凸包；步骤9：得到步骤8提取的归并区域的凸包，求凸包点与区域轮廓的公共点；步骤10：利用步骤9中得到的点拟合圆，在原图像上标记圆坑及其半径；步骤11：重复步骤7，8，9，10，直到遍历步7的所有轮廓；步骤12：输出最终结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于轮廓归并和凸包拟合的圆半径测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：采集物理材料表面含有圆坑的图像，并转化为灰度图像；步骤2：将灰度图像通过Gabor变换，结合局部方差、梯度强度和信息熵，进行纹理增强，高强度区域为背景，低强度区域为可能的目标；步骤3：将步骤2得到的图像进行阈值分割，去除灰度图像中背景纹理；步骤4：将步骤3得到的图像进行形态学闭运算操作，获得多个连通目标区域；步骤5：对步骤4得到的每一个连通目标区域提取轮廓；步骤6：遍历步骤5得到的图像中的每一个轮廓，初步排除非圆轮廓；步骤7：判断步骤6得到的每个圆是否与其他圆交叉，若交叉则合并属于同一个圆的轮廓；步骤8：提取步骤6得到每个合并的或者单独的圆形轮廓包围的圆形区域的凸包；步骤9：得到步骤8提取的归并区域的凸包，求凸包点与区域轮廓的公共点；步骤10：利用步骤9中得到的点拟合圆，在原图像上标记圆坑及其半径；步骤11：重复步骤7，8，9，10，直到遍历步7的所有轮廓；步骤12：输出最终结果。2.如权利要求1所述的基于轮廓归并和凸包拟合的圆半径测量方法，其特征在于，所述步骤1包括：步骤1.1：用工业相机拍摄物理材料表面含有圆坑的数字图像；步骤1.2：将图片传送到计算机中；步骤1.3：将彩色图像转化为灰度图像，彩色图像转为灰度图像满足下列公式：Gray＝R×0.299+G×0.587+B×0.114其中，R，G，B分别为彩色图像中像素的红色，绿色，蓝色分量，Gary为转换到灰度空间的像素值。3.如权利要求1所述的基于轮廓归并和凸包拟合的圆半径测量方法，其特征在于，所述步骤2包括：步骤2.1：以45°方向，5×5的模板尺寸对步骤1得到的图像做Gabor变换，其中滤波器由如下公式决定：其中，x′＝xcosθ+ysinθ,y′＝-xsinθ+ycosθ，λ表示正弦曲线波长，它的值以像素为单位指定；θ表示平行条纹的发现角度方向；表示相位差；σ表示高斯的方差参数；γ空间纵横比率；步骤2.2：对步骤2.1得到的图像取绝对值；步骤2.3：结合局部方差、梯度强度和信息熵，进行纹理增强，增强变换公式为：Ie＝λ1IGabor+λ2IVar+λ3IEntropy+λ4IEdgeλ1,λ2,λ3,λ4为系数，根据经验设定，IGabor、IVar、IEntropy、IEdge分别为Gabor滤波图像、方差图像、熵值图像和平均梯度图像。4.如权利要求1所述的基于轮廓归并和凸包拟合的圆半径测量方法，其特征在于，所述步骤3包括：步骤3.1：计算步骤2得到图像的直方图；步骤3.2：在直方图中计算出0到阈值之间的峰值作为自适应阈值；步骤3.3：在自适应阈值上加一偏移量作为新的阈值；步骤3.4：应用新的阈值对步骤2得到的图像进行阈值分割。5.如权利要求1所述的基于轮廓归并和凸包拟合的圆半径测量方法，其特征在于，所述步骤4具体为：经过阈值分割后，在高灰度的背景区域有一些...

【专利技术属性】
技术研发人员：卫闻达，张斌，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21