基于模板匹配的輪型代碼自動識別系統(tǒng)的研究

1 引言

輪轂是汽車運動中極為重要的部件，在生產(chǎn)過程中，不同的輪型選擇不同加工路線、加工機床、刀具等。在自動化生產(chǎn)線上要實現(xiàn)多品種的混流生產(chǎn)，輪轂型號的識別，過去主要是靠人工識別，這種方法效率低且不能滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)線的要求，所以急需一種快速、準(zhǔn)確的檢測方法。本系統(tǒng)研究的是一種輪型代碼自動識別系統(tǒng)。輪型代碼自動識別系統(tǒng)是一個集光、機和電技術(shù)為一體的機器視覺識別系統(tǒng)，系統(tǒng)能自動識別生產(chǎn)線上生產(chǎn)出來的輪轂型號，并進行生產(chǎn)統(tǒng)計與分檢，其優(yōu)點是機器識別、在線識別、識別準(zhǔn)確率高。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

輪型代碼自動識別系統(tǒng)主要由工業(yè)控制計算機、千兆網(wǎng)卡、工業(yè)CCD相機、LED光源、支架、定位裝置、顯示器和打印機等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 圖像采集及預(yù)處理

由于在采集過程中的光線變化、輪轂封層、設(shè)備振動等原因，圖像中不可避免的存在一些噪聲，但影響成像效果的主要是背景和光照。采集圖像時，系統(tǒng)采用LED光源，以消除背景干擾和光照不均勻帶來的影響，并且使輪轂盡量充滿CCD視野。

在對采集到的圖像進行處理前，需要先對圖像進行預(yù)處理，就是要對噪聲圖像進行濾波，平滑噪聲圖像等步驟。圖像保存為.BMP格式，大小為640x480，每一個輪轂在采集圖像之后系統(tǒng)自動將圖像存入指定的目錄。

4 用Rober邊緣檢測算子提取輪轂特征

輪毅圖像中的特征很多，為了獲取理想的識別結(jié)果，在選取特征時要考慮所選特征的穩(wěn)定性，也就是同一型號輪毅不同個體之間共有的、穩(wěn)定的，顯著區(qū)別于其他類型輪轂的特征[1]，并且依靠這些特征建立不同型號輪轂的模板庫，系統(tǒng)根據(jù)輪轂的模板庫識別輪轂型號。

 Robert邊緣檢測算子是一種利用局部差分算子提取圖像邊緣輪廓的算子。其核心公式如下，為原始像素點的灰度值，為轉(zhuǎn)換后像素點的灰度值。

     （1）

文中以輪轂型號為801775為例，運用方程(1)提出的算法提取輪轂的邊緣特征并制作模板。制作模板時，盡量選擇輪轂圖像清晰，表面潔凈的輪轂圖片作為模板，然后將模板存入數(shù)據(jù)庫，如圖2所示。

圖2  輪轂型號為801775圖像處理結(jié)果

5 模板匹配識別

根據(jù)前面列出的輪轂特征基本上能把不同類型的輪毅區(qū)分開。但分類識別的算法多種多樣，選擇一個好的算法既可減少計算時間提高效率，又可以提高正確率，避免或盡量減少誤判[1]。系統(tǒng)中根據(jù)提取的輪轂特征制作模板庫，通過模板匹配的方法實現(xiàn)輪轂型號識別。

模板就是一幅已知的小圖像。模板匹配就是在一幅大圖像中搜尋目標(biāo)，已知該圖中有要找的目標(biāo)，且該目標(biāo)同模板有相同的尺寸、方向和圖像，通過一定的算法可以在圖中找到目標(biāo)，確定其坐標(biāo)位置，它的基本原則就是通過相關(guān)函數(shù)的計算來找到它以及被搜索圖的坐標(biāo)位置。工作過程如圖3來表示，設(shè)模板疊放在上平移，模板覆蓋下的那塊搜索圖叫做子圖，為子圖左上角像點在圖中的坐標(biāo)，稱為參考點。其中取值范圍：

圖3  模板（b）與被搜索圖（a）

對于與的匹配程度，可用相關(guān)函數(shù)作相似性測度：

                                       (2)

或者歸一化為

                             (3)

式(2)、式(3)描述了模板與子圖的相關(guān)程度，最大相關(guān)處為最佳匹配處。將模板在搜索區(qū)域里平移，同時選用上面公式之一進行匹配計算，即可找到最佳匹配位置。

圖3是模板庫中只有1個輪轂?zāi)０?，對型號?01775的另一幅圖像通過圖2（c）的模板識別之后，識別相似度為86.07%，識別時間60.18毫秒。

圖3  輪轂801775識別結(jié)果

6 實驗與結(jié)論

該算法已應(yīng)用于中信戴卡輪轂制造有限公司的輪型代碼自動識別系統(tǒng)中，該算法有效地實現(xiàn)了輪型代碼的自動識別。我們對系統(tǒng)進行了全面的測試的構(gòu)成中，使用了八個型號的輪轂，每種型號各200個輪轂，模板庫中存在10個型號輪轂?zāi)０濉?/p>

測試環(huán)境為CPU：E7500 2.93G和內(nèi)存：4G DDR II。測試結(jié)果見表1所示。

表1  測試結(jié)果

該系統(tǒng)的輪型代碼正確識別率為99%以上，由此可以說明基于模板匹配的輪型代碼自動識別系統(tǒng)在輪型代碼識別過程中使用的算法是有效的。

系統(tǒng)單幅輪轂圖像識別處理時間不到0.5秒，如果再加上硬件執(zhí)行時間，2秒鐘之內(nèi)將能完成識別，并且可以保證識別率在99%以上。完全能夠滿足生產(chǎn)線的要求。因此，輪型代碼自動識別系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于輪轂企業(yè)的生產(chǎn)線當(dāng)中去，將對于提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，保證企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量具有積極的、重要的意義。

參考文獻

[1] 趙玉良，劉偉軍，劉永賢 汽車輪毅在線識別系統(tǒng)的研究 機械設(shè)計與制造[J] 2007.10

[2] 高彤，姜華，呂民 基于模板匹配的手寫體字符識別方法[J] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報1999.1