成捆棒材端面信息码图像分割与增强方法

1.本发明涉及一种图像分割与增强方法，尤其涉及一种成捆棒材端面信息码图像分割与增强方法，属于图像增强技术领域。


背景技术：

2.特钢棒材作为诸多产业不可欠缺的基础材料，在国民经济中起着举足轻重的作用。随着我国工业水平的逐步提升，我国的钢材产量也呈增长趋势，钢材年产量在10亿吨以上。特钢棒材的种类和型号多种多样，目前，钢企在特钢棒材产品信息追溯时，普遍在产品生产代销入库之前，应用成捆棒材炉号、批号、重量、长度等信息，通过粘贴、焊接等方法实现成捆棒材的信息追溯。面对特钢棒材从生产到销售全流程信息识别、追踪与管理的重大战略需求，实现单根特钢棒材产品信息追溯取代成捆棒材产品信息追溯是大势所趋。
3.钢企在特钢棒材产品信息追溯时，在棒材产品上标记能对单根棒材进行区分的身份信息码，利用机器视觉技术对信息码进行识别，实现生产管理系统中单根棒材生产信息的上传和获取。由于钢企特钢棒材生产线现场光照环境复杂多变，信息码标记的清晰度等原因，需要根据环境需求，设计最适合的图像增强算法，进行信息码识别。现有图像增强方法很难适应钢企现场工况，图像增强效果较差，导致信息码识别准确率较低。因此，根据工业现场生产环境，提出成捆棒材端面信息码图像分割与增强方法，为实现单根棒材产品全流程信息追溯中标记身份信息码的自动识别奠定基础。


技术实现要素：

4.为了解决以上技术问题，本发明提出成捆棒材端面信息码图像分割与增强方法，为单根棒材全流程信息追溯提供技术基础。
5.本发明成捆棒材端面信息码图像分割与增强方法，包括如下步骤：第1步，把带有信息码的自然光成捆棒材端面图像分割为带有信息码的单根棒材端面图像，所述信息码标记颜色为白色，信息码标记方案从左到右依次为方形标志点、百位数字、十位数字、个位数字和圆形标志点，具体步骤为：（1）采集自然光与打光成捆棒材端面图像；（2）对打光图像预处理，进行二值化，利用形态学腐蚀和膨胀分割棒材端面黏连部分，根据钢企生产信息管理系统数据库中的棒材尺寸信息及图像采集系统摆放位置，建立世界坐标系下单根棒材面积和图像坐标系下单根棒材面积两者之间关系，自适应获取打光图像单根棒材端面像素坐标及面积信息；（3）利用获取的打光单根特钢棒材端面信息对自然光成捆棒材端面图像中的单根特钢棒材端面区域进行分割，得到带有信息码的单根特钢棒材端面图像。
6.第2步，对所有带有信息码的单根棒材端面图像分别进行增强，单根棒材端面图像增强的具体步骤为：（1）根据单根棒材端面图像的灰度均值加权自适应确定灰度级，直接灰度变换滤除图像非目标灰度级范围，对单根棒材端面图像进行线性灰度拉伸；（2）对单根棒材端面图像进行同态滤波和中值滤波，实现单根棒材端面图像增强。
7.本发明方法的有益效果：（1）根据复杂光照低对比度棒材端面图像，采集自然光与打光成捆棒材端面图像，基于钢企数据库自适应获取打光图像单根棒材区域面积及像素坐标信息，据此信息实现自然光成捆棒材端面图像中单根棒材端面图像精确分割；（2）通过灰度均值加权自适应图像增强方法进行棒材端面图像增强，提高信息码区域与背景区域对比度。
附图说明
8.图1是本发明方法采用的视觉系统结构示意图；图2是本发明方法采用的棒材端面信息码标记方案；图3是本发明成捆棒材端面信息码图像分割与增强方法的工作流程图。其中：1.方形标志点，2.百位数字，3.十位数字，4.个位数字，5.圆形标志点和6.棒材端面。
具体实施方式
9.本发明成捆棒材端面信息码图像分割与增强方法，包括如下步骤：第1步，把带有信息码的自然光成捆棒材端面图像分割为带有信息码的单根棒材端面图像，所述信息码标记颜色为白色，信息码标记方案从左到右依次为方形标志点、百位数字、十位数字、个位数字和圆形标志点，具体步骤为：（1）采集自然光与打光成捆棒材端面图像；（2）对打光图像预处理，进行二值化，利用形态学腐蚀和膨胀分割棒材端面黏连部分，根据钢企生产信息管理系统数据库中的棒材尺寸信息及图像采集系统摆放位置，建立世界坐标系下单根棒材面积和图像坐标系下单根棒材面积两者之间关系，自适应获取打光图像单根棒材端面像素坐标及面积信息；（3）利用获取的打光单根特钢棒材端面信息对自然光成捆棒材端面图像中的单根特钢棒材端面区域进行分割，得到带有信息码的单根特钢棒材端面图像。
10.第2步，对所有带有信息码的单根棒材端面图像分别进行增强，单根棒材端面图像增强的具体步骤为：（1）根据单根棒材端面图像的灰度均值加权自适应确定灰度级，直接灰度变换滤除图像非目标灰度级范围，对单根棒材端面图像进行线性灰度拉伸；（2）对单根棒材端面图像进行同态滤波和中值滤波，实现单根棒材端面图像增强。
11.上述方法第1步中对打光图像预处理，采用的是高斯滤波。
12.本发明采用的机器视觉系统包括千兆网口工业相机、相机镜头、滤光片、环形光源、网口光源控制器和上位机控制系统。上位机控制系统放置于控制室，镜头安装在工业相机上，滤光片安装在镜头上，环形光源与镜头在同一平面上，且滤光片中心线与环形光源中心线重合，工业相机布置于特钢棒材正前方，环形光源控制器和工业相机分别通过导线和上位机控制系统连接在一起。
13.本发明采用的喷码方案以三位数字码进行“炉”或“批次”棒材身份信息，以左右双标志点辅助矫正，包括左方标志点和右圆标志点。采用特钢棒材直角坐标喷码系统进行喷印，该喷码系统采用白色油墨喷印。基于特钢棒材精整线成捆棒材端面标记信息码图像进行图像分割与图像增强。本发明为验证图像分割与图像增强方法的可行性，在实验室模拟
钢厂工业场景及光照条件，通过机器视觉系统采集成捆特钢棒材端面打光与自然光图像，根据成捆特钢棒材端面图像信息特征，采用将成捆特钢棒材端面自然光图像分割为单根，对每一根自然光特钢棒材端面图像进行图像增强。
14.在特钢棒材精整生产线的工业现场，采用本发明方法对成捆棒材端面的信息码图像进行分割与增强。
[0015]1ꢀꢀ
成捆棒材图像中单根棒材图像分割由于工业现场环境复杂，因此采用环形光源结合滤光片的机器视觉系统。控制机器视觉系统采集成捆棒材端面打光与自然光图像，针对打光成捆棒材端面图像，根据成捆棒材在相机视野中的位置，裁剪出目标区域图像，通过棒材端面灰度级，对图像高斯滤波后进行二值化处理，由于特钢棒材端面为圆形区域，利用形态学腐蚀和膨胀，实现棒材端面黏连部分分割，根据钢企生产信息管理系统数据库成捆棒材实际尺寸及图像采集系统摆放位置，建立世界坐标系下单根棒材面积和图像坐标系下单根棒材面积两者之间关系，据此关系实现棒材端面连通域最大面积和最小面积参数自适应选取，采用select_shape函数精确获取棒材端面连通域，获得每根棒材的连通域面积和中心坐标。根据打光图像单根棒材连通域信息与自然光图像进行减法运算，获得单根棒材端面图像。
[0016]
在halcon环境下使用reduce_domain函数完成自然光单根特钢棒材端面图像图像获取，代码如下：read_image(image1,'e:/bar_1_2.bmp')//读取成捆棒材端面自然光图像read_image(image,'e:/bar_1_1.bmp')//读取成捆棒材端面打光图像threshold(image, region, 200, 255)//全局固定阈值分割图像reduce_domain(image, region, imagereduced)//缩小图像的域gauss_filter(imagereduced, imagegauss, 5)//使用离散高斯函数平滑图像opening_circle(region, regionopening, 30)//对区域进行开运算erosion_circle(regionopening, regionerosion, 35)//腐蚀opening_circle(regionerosion, regionopening1, 50)//对区域进行开运算connection(regionopening1, connectedregions)//计算区域相连接的部分dilation_circle(connectedregions, regiondilation, 35)//膨胀select_shape(regiondilation, selectedregions, 'area', 'and', area_min, area_max)//选择目标区域，area_min，area_max根据棒材直径信息确定area_center(selectedregions, area, row, column)//获取区域面积和中心位置tuple_sort_index(area, indices)//元组中的元素进行排序num1 :=|indices|for i :=1 to num1 by 1//获取自然光单根棒材端面图像select_obj(selectedregions, objectselected, i)//目标元组中选择图像reduce_domain(image1, objectselected, imagereduced1)//缩小图像的域crop_domain(imagereduced1, imagepart)//对自然光图像进行裁剪write_image(imagepart,'bmp',0,'c:/users/zhengyu/desktop/图片11/00-'+i+'.bmp
')//保存自然光图像endfor2
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棒材端面图像增强由于特钢棒材生产环境光照条件较为复杂，采集到的自然光成捆特钢棒材端面图像对比度较低，直接采用边缘检测法检测信息码区域较困难，因此根据信息码和背景区域存在一定灰度差特征，本发明采用基于光照环境的灰度均值加权自适应图像增强算法来完成特钢棒材端面低对比度图像的增强。首先，对分割出的单根棒材端面图像基于灰度均值加权自适应灰度切割，去除图像中不感兴趣区域，再进行线性灰度变化；其次，在频域中应用同态滤波算法，增强图像中信息码与背景之间的对比度；最后，对处理后的图像进行中值滤波，去除干扰信息。具体步骤如下：（1）直接灰度变换灰度切割的目的是增强特定范围的对比度，突出图像目标区域的灰度亮度。由于棒材端面图像中信息码的灰度值大于背景的灰度级，因此，对非目标区域的灰度级改成较低的固定灰度值，而感兴趣区域的灰度级保持不变。
[0017]
非目标区域灰度范围受工业现场光照亮度影响，因此非目标区域灰度范围需要根据现场光照亮度进行变化，本发明应用灰度均值加权自适应方法，实现自适应调节不感兴趣区域灰度范围，计算公式为：式中，a表示加权系数；m表示单根棒材图像的宽度；n表示单根棒材图像的高度；f
ij
表示像素灰度值。
[0018]
加权系数a的选择极其重要，a的值选择较小会存在过多的干扰信息，a的值选择较大会导致感兴趣信息被去除，因此，通过实验取a=1.72。
[0019]
处理后的图像灰度级较低，采用线性灰度拉伸提高图像对比度，每个像素的灰度值变化公式为：式中，s
max
表示棒材端面最大灰度值；s
min
表示棒材端面最小灰度值。
[0020]
在matlab环境下直接灰度变换的代码为：[r,c] = size(i);%获取图像行列信息av1 = 1.712*mean(mean(i));%基于大量棒材端面图像实验验证，加权系数a取1.72效果最好mi1=min(min(i));%获取图像最大灰度级ma1=max(max(i));%获取图像最小灰度级for i = 1:r%对图像进行灰度拉伸for j = 1:c
if i(i,j) 《 av1i(i,j) = 0;endca1_lashen(i,j)=i(i,j)/(ma1-mi1)*255;endend（2）同态滤波同态滤波是一种频域滤波，通过将棒材端面图像的亮度范围进行压缩的同时将图像对比度增强的一种方法，提高图像质量。同态滤波函数h(u, v)能够分别作用于傅里叶变换中的低频部分对应照明分量和高频部分对应反射分量，照明分量可表示为缓慢变化的空间，在不同物体交界处反射分量是急剧变化的，因此通过设计一个不同的h(u, v)滤波函数分别作用于高频分量和低频分量。假定h
l
《1，hh》1，则h(u, v)滤波函数必然会减弱低频部分的同时增强高频部分，最终结果实现了图像动态范围的压缩及其对比度的增强，应用的高斯型同态滤波器为：式中，d(u, v)表示到中心频率的距离；d0表示截止频率；hh表示高频增益；h
l
表示低频增益；c表示常数。
[0021]
由于成捆棒材端面存在锈迹且比较粗糙，导致采集到的未打光成捆棒材端面图像存在大量噪声，通过利用以上方法进行图像增强的后，图像中存在的噪声是孤立的噪声点，因此利用中值滤波去除孤立噪声点，该方法能够在滤除噪声的同时保护字符的边缘信息，其表达式为：式中，o(x,y)表示输出图像；i(x,y)表示输入图像；w表示滑动窗口。
[0022]
matlab环境下同态滤波的代码为：d0=10;截止频率hl=0.5;%低频增益hh=2;%高频增益c=4;常量for i = 1:rfor j = 1:cd = sqrt((i-n1)^2 + (j-n2)^2);h = (rh-rl)*(1-exp(-c2*(d.^2/d0.^2)))+rl;tongtai(i,j) = h*g(i,j);endendercizhongzhi=medfilt2(tongtai,[3 3]);%中值滤波
通过对大量不同光照环境下的棒材端面图像实验，综合考虑，以h
l
=0.5、hh=2.0、d0=10、c=4进行同态滤波。