一种基于空间和灰度特征的粗精二级纸张计数方法
【专利摘要】一种基于空间和灰度特征的二级纸张计数方法，通过将采集到的一叠纸张图像，首先将图像灰度化，然后用Hough变化的方法对图像进行倾斜校正，然后对纸张图像进行纵向投影后得到投影曲线图，利用模糊阈值的方法对投影曲线图进行处理，并且判定波峰和波谷特征中性质较好的一组，根据处理后的曲线的波峰或者波谷的数量对纸张进行计数，得到这叠纸张的初步数量。针对纸张在排列放置时存在纸张粘连，而用粗计数方法无法检测出纸张数量，根据纸张粘连处灰度和宽度异常变化的特征设计分类方法。分别计算纸张宽度和投影曲线波谷点与投影曲线均值的灰度差，然后计算投影曲线平均灰度差与纸张平均宽度，用纸张宽度和灰度差构成二维特征向量；最后用K?means聚类法对特征向量进行分类判断纸张粘连数量。
【专利说明】
一种基于空间和灰度特征的粗精二级纸张计数方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种利用纸张空间和灰度特征纸张进行计数的方法，主要应用领域为印刷和包装以及造纸行业。
【背景技术】
[0002]在印刷及包装行业中，为了准确把握本公司的纸张存货数量以及发货数量，经常需要对纸张进行数量清点。由于在现代印刷和造纸行业中，纸张数量规模庞大而且现代生活中人们对绿色环保理念的倡导和对印刷纸张质量的高要求，而在现在社会中对生产和印刷包装的纸张进行计数的方式大多都采用人工清点的方式或者采用机械式设备对纸张进行计数，人工对纸张或者钞票进行计数的方法虽然准确率一定程度上得到了保证，但是纸张计数的速度慢尤其当纸张数量超过200张以上时，不仅要花费大量的时间，而且人们也会产生计数疲劳，导致计数准确率下降的同时人们也会变得劳累，产生纸张计数疲劳。而采用机械式的纸张计数方法虽然计数效率得到了提高，但是由于纸张与机械式设备之间有接触，这样会导致纸张在被清点时与机械式设备之间的接触导致纸张会被磨损，尤其在当今人们对纸张质量要求较高的条件下，机械设备对纸张进行计数也不能满足人们的高标准要求，同时由于是机械设备进行计数，机械设备在运行过程中必然会发出噪声，对环境也是一种污染，不能满足现代化人们高标准的生活要求，此外由于是机械式设备计数，必然是一张一张的对纸张进行清点，当纸张数量规模较大时，纸张计数也需要很长时间，计数效率的不到保证。因此，研究出新的一种基于高效、无噪声、对纸张基本无损害的纸张计数方法就显得尤为重要，这对于印刷行业的自动化计数也具有重要的意义。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种基于空间和灰度特征的纸张计数方法，该方法通过对图像采集设备对纸张的成像效果图进行采集，得到纸张的图像后，首先对纸张图像特征进行分析和预处理，利用模糊阈值和检测曲线峰谷点算法计算出纸张的数量，从根本上解决了人工清点速度慢且不能长时间进行的缺点，同时解决了机械式设备计数时产生噪声和在纸张数量较多的情况下花费长时间的缺点。
[0004]本发明提供的一种基于空间和灰度特征的纸张二级计数方法将待检测的纸张倾斜的放在扫描仪上进行扫描得到成像图，然后对纸张成像效果图按以下方法进行处理。
[0005]a)图像预处理:将采集到的图像灰度化，并且利用Hough变换的方法检测纸张图像中的直线，根据直线的斜率计算图像的倾斜角度，将图像进行旋转做倾斜校正;标记纸张在图像中的起止点:在采集到的图像中根据图像特点，主要根据图像中有无纸张区域的灰度值明显变化的特征，用算法记录纸张起始和结束位置。
[0006]b)图像投影:对图像选取1-500的像素高度进行投影得到投影曲线图，将纸张图像的二维特征变化为一维特征，投影选取的方向与纸张平行条纹保持一致。
[0007]c)纸张粗计数: 纸张粗计数的步骤如下:
(1)由投影得到的投影曲线，首先利用算法找出曲线中所有的波峰和波谷，首先根据找出的所有的波峰点计算波峰点灰度平均值为peal计算所有波谷点的灰度平均值为
步骤SlOl ；
(2)然后分别找出两相邻波峰或者波谷之间的间隔长度，然后对所有的峰峰间隔或者是谷谷间隔进行统计，找出出现频率较高的间隔长度，初步作为一张纸的厚度同时根据投影曲线中的所有波峰和波谷，由于纸张图像在波峰与波峰之间可初步认为是一张纸，步骤S102;
(3)用服从高斯分布的函数作为模糊的隶属度函数，以初步计算得到的纸张的厚度作为窗宽。在整个投影曲线的区域进行移动，分别对所有的波峰和所有的波谷进行加权求和，找出加权求和后值较大的一组，作为性质较好的一组来对纸张数量进行判断，步骤S103;
(4)从性质好的波峰(波谷)第一点开始判断，是否在[Je/3-ric/,Jao+ ric/]的范围之内，其中rit/是为了减少计数误差自定义的一个常量，取值范围为[0，^/2]，如果在范围内则进行下一步判断，步骤S104，否则舍弃该点，步骤S105;
(5)判断该波峰值是否大于如果是波谷性质较好，则判断波谷值是否小于(peal+raDejO/2)，如果满足条件，则用方框对该点进行标记，步骤S106否则舍弃该点，对下一处的波峰或者波谷进行判断，步骤S105;
(6)纸张粗计数:根据统计得到的波峰数量或者波谷数量以及用方框进行标记的结果对纸张进行计数，此处波峰数量的选择或者波谷数量的选择取决于步骤(d)中对波峰和波谷性质进行判断得到的性质较好的一组作为最后的计数依据，步骤S107。
[0008]d)纸张精计数:
用区域生长法对图像二值化，用统计像素法得到纸张宽度，同时计算投影曲线波谷点与投影曲线均值的灰度差;然后计算投影曲线平均灰度差与纸张平均宽度，用纸张宽度和灰度差构成二维特征向量;最后用K-means聚类法对特征向量进行分类判断纸张粘连数量。完成对纸张的精计数，步骤S108。
【附图说明】
[0009]图1是基于灰度和空间特征的纸张计数算法对纸张进行计数的流程图。
[0010]图2是整个计数算法对纸张进行计数的流程图。
[0011]图3是利用图像采设备采集到的纸张原始图。
[0012]图4是使用纸张计数算法得到的中间过程图。
[0013]图5是最终检测的纸张效果图，黑色短条纹为检测到的纸张位置。
[0014]图6是整个软件系统界面显示示意图。
【具体实施方式】
[0015]以下结合附图对本发明对详细描述。
[0016]本发明对采集得到的纸张图像进行处理是由整个计数算法完成的，主要处理过程如下。
[0017]a)图像预处理:将图像灰度化，倾斜校正；同时标记纸张在图像中的起止点:设计算法自动识别图像中纸张的起止位置。
[0018]b)图像投影:对图像纵向投影，得到投影曲线。
[0019]c)模糊阈值处理:对投影曲线进行处理，得到模糊阈值处理后的曲线。
[0020]d)纸张粗计数:根据曲线中波峰(波谷)的数量对纸张进行计数。
[0021]e)纸张精计数:主要针对粘连处纸张数量无法用粗计数识别的问题，采用提取特征聚类方式具体识别粘连处纸张数量。
[0022]本发明的最终的纸张计数结果，以及其它的参数设定和检测效果等均在软件系统的界面上显示出来，见图6，使操作人员可以及时了解系统的工作状态并及时调整，整个软件系统界面包括三大模块，一是图像采集参数调整模块，包括对分辨率和采集图像的存储类型的设置;二是图像显示模块，主要用于显示加载的采集到的纸张图像和显示纸张数量检测效果图；三是采集图像和计数模块，纸张计数和显示纸张计数结果等操作。
[0023]本发明的纸张计数方法基本可以实现以下性能指标:
(1)每叠纸张的处理时间〈28;
(2)计数准确率:一次性检测纸张数量小于500张，计数准确率99.7%以上；
(3)用于被计数的单张纸张的厚度在0.07mm以上。
[0024]以一叠200张厚度为0.09mm的纸张进行计数的例子来说明本发明的计数方法的工作流程，图3是采集到的200张纸张图像的部分效果图。
[0025]S201:首先对图像进进行灰度化操作，然后进行倾斜校正，主要是利用Hough变换检测纸张条纹形成的直线，然后在检测到的直线上任取不同位置上的两点，根据计算得到两点的斜率，得到图像的倾斜角度，该步骤并不一定要求倾斜校正有很高的精度，只要保证图像倾斜角度控制在-0.5-0.5度范围内。
[0026]S202:对图像进行投影得到投影直方图。投影即选取纸张图像的一定高度对图像中该区域内像素灰度值进行纵向相加，得到一个一维向量，用此一维向量的数据可以得到图像的投影图。
[0027]S203:设计算法自动识别图像中纸张的起止位置。图像预处理后，为了得到图像中纸张在图像中的起始点和终止点，根据图像中纸张区域和非纸张区域的灰度差，即非纸张区域到纸张区域会存在灰度跳变的过程，根据此特征找出图像中纸张区域的起始位置和结束位置。
[0028]S204:由灰度投影得到的投影曲线，首先利用算法找出曲线中所有的波峰和波谷，然后分别找出两相邻波峰或者波谷之间的间隔长度，然后对所有的峰峰间隔或者是谷谷间隔进行统计，找出出现频率较高的间隔长度，初步作为一张纸的厚度同时根据投影曲线中的所有波峰和波谷，由于纸张图像在波峰与波峰之间可初步认为是一张纸，用服从高斯分布的函数作为模糊的隶属度函数，以初步计算得到的纸张的厚度作为窗宽。在整个投影曲线的区域进行移动，分别对所有的波峰和所有的波谷进行加权求和，找出加权求和后值较大的一组，作为性质较好的一组来对纸张数量进行判断，图4是对采集到的原图即图3进行模糊阈值处理后的曲线图在原图上显示的效果图。
[0029]S205:纸张粗计数。根据模糊阈值处理后的投影曲线图，根据找到的波峰和波谷性质较好的一组曲线，找出该性质较好的一组曲线中的波峰或者波谷的数量个数，得到纸张的数量。图5是对这叠纸张进行计数并显示检测效果的效果图，黑色的短条纹表示检测的纸张的位置，即由步骤S204确定的波峰或者波谷的位置，通过对黑色短条纹进行统计计数就可以得到纸张的数量。
[0030]S206:纸张精计数:用区域生长法对图像二值化，用统计像素法得到纸张宽度，同时计算投影曲线波谷点与投影曲线均值的灰度差;然后计算投影曲线平均灰度差与纸张平均宽度，用纸张宽度和灰度差构成二维特征向量;最后用K-means聚类法对特征向量进行分类判断纸张粘连数量。完成对纸张的精计数。
【主权项】
1.一种基于空间和灰度特征的纸张计数方法，其特征在于: 1)纸张计数方法是基一种基于空间和灰度特征的粗计数和基于灰度特征的精计数的二级结构的方式； 2)对灰度投影后的直方图进行模糊阈值处理，突出投影曲线的波峰和波谷特征，然后根据计算得到的单张纸平均间隔作为一张纸的宽度； 3)模糊阈值参数的选取主要由算法得到的纸张的厚度确定的，然后用模糊阈值法对投影曲线加权平均； 4)计算纸张的数量是根据得到的波峰或者波谷的数量进行计算得到的，具体选择波峰还是波谷，根据灰度加权平均法判断； 5)针对纸张在排列放置时存在纸张粘连，根据纸张粘连处的特征设计分类方法判断粘连处纸张数量。2.如权利要求1所描述的一种基于空间和灰度特征的纸张计数方法，其特征在于，纸张计数方法是基一种于粗计数和精计数的二级结构的方式，包括: 1)基于空间和灰度特征的纸张粗计数:根据纸张图像在空间域灰度分布具有峰谷特征，设计峰谷检测算法对纸张数量进行粗计数； 2)基于灰度特征的纸张精计数:对于纸张存在粘连，根据粘连处灰度变化特征设计算法，对纸张存在粘连和不存在粘连的区域进行分类，判断粘连处纸张的数量。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对灰度投影后的直方图进行模糊阈值处理，突出投影曲线的波峰和波谷特征，然后根据计算得到的单张纸平均间隔初步作为一张纸张的宽度，包括: 1)对图像选取1-500的像素高度进行投影得到投影曲线图，将纸张图像的二维特征变化为一维特征，投影选取的方向与纸张平行条纹保持一致； 2)由投影得到的投影曲线，首先利用算法找出曲线中所有的波峰和波谷，首先根据找出的所有的波峰点计算波峰点灰度平均值为peal，计算所有波谷点的灰度平均值为valleryx 分别找出两相邻波峰或者波谷之间的间隔长度，然后对所有的峰峰间隔或者是谷谷间隔进行统计，找出出现频率较高的间隔长度，初步作为一张纸的厚度4.如权利要求1所描述的方法，其特征在于，模糊阈值参数的选取主要由算法得到的纸张的厚度确定的，然后对投影曲线加权平均，包括:用服从高斯分布的函数作为模糊的隶属度函数，以初步计算得到的纸张的厚度作为窗宽，在整个投影曲线的区域进行移动，分别对窗宽区域内投影曲线灰度值加权平均。5.如权利要求1所描述的方法，其特征在于，计算纸张的数量是根据得到的波峰或者波谷的数量进行计算得到的，具体选择波峰还是波谷，根据灰度加权平均法判断，包括: 1)分别对所有的波峰和所有的波谷进行加权求和，找出加权求和后值较大的一组，作为性质较好的一组来对纸张数量进行判断； 2)从性质好的波峰(波谷)第一点开始判断，是否在[Jao-ric/,2en+ ric/]的范围之内，其中ric/是为了减少计数误差自定义的一个常量，取值范围为[0，^/3]，如果在范围内则进行下一步判断，否则舍弃该点； 3)判断该波峰值是否大于(/7eal+raH^)/2(如果是波谷性质较好，则判断波谷值是否小于(/7eahraDejO/2)，如果满足条件，则用方框对该点进行标记，否则舍弃该点，对下一处的波峰或者波谷进行判断； 4)根据统计得到的波峰数量或者波谷数量以及用方框进行标记的结果对纸张进行粗计数，此处波峰数量的选择或者波谷数量的选择取决于对波峰和波谷性质进行判断得到的性质较好的一组作为最后的纸张粗计数的依据。6.如权利要求1所描述的方法，其特征在于，采用机器学习分类的方式完成对纸张的粘连处数量的分类识别的，包括: 1)用区域生长法对图像二值化，用统计像素法得到纸张宽度，同时计算投影曲线波谷点与投影曲线均值的灰度差； 2)计算投影曲线平均灰度差与纸张平均宽度，用纸张宽度和灰度差构成二维特征向量； 3)用K-means聚类法对特征向量进行分类判断纸张粘连处的纸张数量。
【文档编号】G06M7/06GK106096713SQ201610425062
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】龙永红, 石伟, 钟云飞, 黄晓峰, 杨丹君, 舒小华, 李健, 蔡叶菁, 龙晓薇
【申请人】湖南工业大学