基于机器视觉的棒材自动计数系统
基于机器视觉的棒材自动计数系统[20191215142153]
摘 要
目前，中国钢铁行业在国际上受到美国“双反”调查的冲击和在国内受到钢材价格持续走低的打击，使的钢厂纷纷在技术上寻求突破，尤其是一直是阻碍着其生产自动化的小型棒材计数，在这种环境下，本文将对基于机器视觉的棒材自动计数系统进行了设计和研究。
基于机器视觉的棒材计数系统由图像处理模块、通信模块和控制模块组成。在这个系统中，核心的算法是棒材的图像处理和计数部分。图像处理的主要步骤有图像画面的预处理，棒材图像目标分割和棒材图像标记识别,其为计数做好准备。在本文系统的设计构思中，首先是对现场环境的布置和对辅助光源的设置，使的工业相机获取清晰棒材端面图像，再进行必要的图像格式转换。通过中值滤波法对图像进行去噪，运用模板匹配进行光学增强，使用大津法对图像进行二值化阈值分割，采用投影法,面积方差法对图像进行裁剪，分离出感兴趣区域。结合数学形态学，对图像进行开运算和闭运算，去除毛刺、孔洞和孤立噪声，再进行极限腐蚀，使的每个棒材端面成为独立的连通域，运用连通域法进行标记和计数。
经过实验发现，本文提及的棒材计数系统精度得到提高，可以满足企业生产中对精度和实时性的要求，有广阔的市场和应用前景。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:棒材计数；图像处理；大津法分割；连通域标记。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 问题的提出及研究意义 1
1.2 课题的现状和应用前景 2
1.2.1图像处理技术的产生与应用 2
1.2.2棒材计数技术发展进程 4
1.3 课题研究的主要内容 6
第2章 棒材图像的特征分析 8
2.1棒材图像的特征分析 8
2.1.1现场环境和光源分析 8
2.1.2棒材特性及其棒材端面分析 9
2.2 棒材图像获取 10
2.2.1 棒材图像的采集 10
2.2.2数字图像的格式转换 11
第3章 棒材图像的预处理和分割 16
3.1 棒材图像的预处理 16
3.1.1 图像感兴趣的的区域截取 16
3.1.2 图像的平滑去噪 18
3.2 画面中心增强 20
3.3 棒材的分割算法 21
3.3.1 大律法分割 21
3.3.2 灰度直方图分割 22
3.2.3 迭代法阈值分割 23
第4章 棒材计数识别和计数 25
4.1 数学形态学研究 25
4.2 棒材识别计数 27
4.2.1棒材端面的连通域标志识别..............................................................27
4.2.2 棒材端面的中心识别和计数 29
第5章 总结和展望 31
5.1 总结 31
5.2 展望 32
参考文献 33
致谢 35
附录A 英文原文 36
附录B 中文翻译 44
第1章 绪论
1.1 问题的提出及研究意义
近年来，中国的钢材价格持续走低。中国钢材工业协会分布了2014年第一季度数据显示，钢材企业的钢材结算价格每吨下降了368元，同比下降了超过10%。与此同时，美国商业协会宣布：由于美国六家钢材企业申诉，对从中国进口的钢材进行两反调查。使的已经岌岌可危的钢材行业，生存环境更加的艰难。
面对整个行业不景气的情况，占据整个钢材产量23.5%~27.7%的小型棒材也不能幸免。所以各家棒材厂家纷纷进行技术上的革新，引进先进生产设备来提高生产率。为了能够走向更广阔的国际市场上，国内的各大棒材企业采用国际上通用的负公差轧制[1]和理论重量交易。这就要求实际重量和理论重量不超过相应的理论范畴中，按照理论重量进行交易，工厂才能从中获利。
为了能够更加全面地了解国内和国际标准，首先了解棒材的生产流程。钢坯先在加热炉中进行锻造，出炉后经过粗轧、中扎、精扎、减定径机四个机组，得到所要求的特种钢材。经倍尺裁剪后送至冷却台冷却。棒材冷却后，把棒材经过定尺冷剪，切割出所需要的固定规格的棒材。在棒材的裁剪过程中部分棒材存在缺陷，同时在倍尺切割和定尺裁剪过程中，可能存在断面氧化和变形的现象。所以在定尺之后，需要在检验台处进行检测。棒材交付用户之前，需要按用户的要求的规格进行封装打包。
在按照理论重量交易，还要保证棒材的质量合格的前提下，在交易之前必须对棒材的数量进行确定。然而，小型棒材准确，高效的计数一直是困扰我国钢材企业的难题之一。目前，我国的大部分钢材企业还停留在人工计数的阶段。该方法劳动的强度大，处理区域小，数量有限，与自动化生产不协调。同时长时间劳作，工人容易视觉疲劳，造成棒材数量不准确。由于人工计数存在的种种的弊端，交易时不得不采用按重量标价，即造成企业不能够从棒材交易的国际标准中获得应有的利润，也可能是企业的形象受到影响。
长期以来，棒材的计数已经成为阻碍企业发展，严重的困扰着棒材生产自动化进程，让钢材企业不能够很好的与国际市场进行接轨的因素之一。但是，随着图像处理技术的迅猛发展和日益成熟，并且在工业生产上的成功运用。使得越来越多的科研人员开始尝试把图像处理技术应用在在棒材的自动计数系统中，使之成为这个领域的热点。
本文主要研究的是通过计算机视觉即工业摄像机，将摄取的目标转化成图像信号。在经过图像处理卡作用，根据图像的亮度，像素分布的因素，进一步转换成数字图像。在工控机对它进行一系列运算来提取目标物的某些特征信息，再根据特征信息来控制现场的装置。通过这个周期的操作，把棒材按照提前设定数量分离出来。本课题在解决棒材计数的基础上，也丰富了机器视觉的研究内容，具有很好的现实和理论意义。
1.2 课题的现状和应用前景
1.2.1图像处理技术的产生与应用
数字图像技术[2]基本上可以分成两大类：模拟图像处理和数字图像处理。数字图像处理本质上是将图像信号转化成数字信号，再利用计算机进行处理的过程。显著的优点有处理的精度高，处理信息量大，有灵活的变通能力。广泛地运用于空间探测，生物医学，工业检测等许多的领域。数字处理技术主要包括如下几个内容：图像处理、几何处理、图像识别、算数处理、图像编码、图像增强、图像重建、图像复原。
数字图像处理首先是在报刊上面得到应用的，当时，图像信息第一次由海底光缆从伦敦传输到纽约。在20世纪20年代引进了 电缆传输系统，把跨越大西洋传输一幅图片的时间从一个星期缩短到仅仅只需要三个小时。
数字图像处理技术的进程和数字计算机的历史密切相关，第一台真正意义上具备图像处理能力的计算机，出现在二十世纪六十年代早期。这促使了人们开始将目光集中数字图像处理的潜力上。当时通过“徘徊者7号”卫星采集了了月亮图像，被传输到一台计算机进行了处理，这揭开了图像增强和复原的序幕。二十世纪七十年代，发明了计算机轴向断层技术，这成为图像处理在医学诊断应用的开端，促使的两者后来的结合更加的紧密。近年来，图像处理技术与其他学科进行结合，拓展出许多新的科学范畴，使之与人类的生活越来越息息相关。
随着工业化进程的加快和人类活动领域扩展，图像处理所涉及的领域也自然而然的不断扩展。由于图像处理技术的结果能够帮助人类分析和集中解决机器感知问题，使人能够从繁琐的运算中解脱出来，所以几乎不存在和图像数字处理技术无关的科技领域。下面介绍一下图像处理技术运用的范例：
(1)在航天航空技术方面，除了上面已经介绍的月球图像处理，还应用在飞机和卫星的遥感技术中。通过他们拍摄感兴趣地区的图像，进一步处理分析影像，得到有用信息。这些图片在成像、存储、传输、判读分析都有数字图像处理方法的身影出现。现在，世界各国都在频繁的运用陆地卫星获得的图像信息来进行城市规划，资源探测，灾害检测，农业规划，气象预报等。得到了良好的效果。
(2)在生物应用学方面，存在着一类对医用显微图像的处理分析技术，例如白细胞分类，染色体分析等，便于微型结构体的特征提取。另外在心电图分析，X光胸透，伽马射线进行骨骼扫描也是数字图像处理运用的成功案例。
(3)在工业和工程方面运用得尤为突出，如检测零件质量和对零件进行分类，弹性力学照片和应力分析，邮政信件的分类等，这其中最值得一提的是把图像处理技术运用于开发具备听觉，视觉和触觉功能的智能机器人，帮助人们完成一些在极端恶劣环境下的工程操作。
基本的数字处理系统[2]由图像输入、图像存储、图像输出、图像通信以及图像处理和分析5个部分组成，如图1.1所示，每个模块都有特定的功能，各司其职。在数字图像处理分析模块，根据要求处理的图像的数据量的大小，算法的复杂程度以及运行速度，提供了三种形式的系统。即通用图像处理，专用图像处理系统，图像处理芯片。
图1.1 数据处理模型
数字图像处理领域已经得到生机勃勃的发展，但是在提高精度兼顾处理速度上面还有很长的路要走，许多的研发者为了解决这个问题，正在开发新的处理软件，在原来基础上，加强边缘学科和图像处理的结合[3]。由于图像处理技术越发的成熟完善，同时具备简单易行等诸多的优点，所以在在棒材计数系统上运用被人们看好。
1.2.2棒材计数技术发展进程
(1)人工棒材计数的方法就是棒材打捆封装之前需要人工进行点数。工人长时间呆在传送带旁边按照规定的数目对传送的棒材进行计数，分离，打捆封装。计数和质检一步完成是它的主要的优势。但是，其缺点在要求高精确的工业生产上被放大。首先，尽管棒材已经经过了冷却，但是依然是远远高于环境的温度，使在现场计数的工人备受煎熬。其次，传送的移动速度快，工人需要精神高度集中，工作的时间稍长时出错在所难免。在夜间工作时，由于灯光，疲劳等因素往往会加大错误率。在计数细的钢材时候，传送数量多，节奏快，工人无法适应这种节奏，有时工人甚至需要停下来重新计数。这导致生产不协调，无法实现生产自动化的要求，桎梏了生产率的提高。
这种重复率极高，工作环境十分恶劣的工作，不仅给工人的身心都造成了严重的危害，而且它也越来越不能满足现代化企业对生产的要求，因此工厂需要一种高效的计数方法。
(2)机电计数法：充分利用光电管的光生伏特现象，也就是光电管通过光电流的强度变化来反应光通量的变化。把光电管放置在紧挨传输带，当棒材在传输带上移动，使的光电管光通量变动，继而导致光电管的光电流强度发生变化。通过分析光电流的变化的状况，计算出经过光电管的棒材的数量。
早在2003年，李朴，孙云芝等人提出采用电子电气设备实现棒材计数的方案[4]：使用摄像像素分析方法实现计数目标，运用霍尔元件实现计数目标和光电器件实现计数目标。2004年，章家岩，金俊针在《棒材生产在线计数问题的研究》中构思出了一种机电一体化的光电检测设备[5]。他们设计位移传感器，产生一系列的脉冲波形，结合算法计算波形的个数和宽度来确定棒材个数。2006，章家岩又提出了一种基于多传感器计数的螺纹钢材在线自动计数方案[6]。但是以上的方法都无法克服光电装置或者其他传感器易受现场环境高温，强光，强烈震动等因素影响而出现设备老化和计数准确度降低的问题。
(3)基于数字图像处理的棒材计数系统：很早就有人提出将计算机视觉和模式识别技术相互结合用来代替人的视觉系统来进行棒材计数，对输入计算机的图像数据进行相应处理得到相关的判断信息。这种设想停留在理论阶段，直到模式识别技术，图像处理和计算机视觉的研究有了可借鉴的理论和实践成果之后，它才开始真正进入人们的视野。基于机器视觉的自动控制系统，是在已设定的判断标准下，给出基于此标准下的分析出的客观判断结果。其系统具有很好的稳定性。但是因为棒材计数的现场相当复杂，到现在为止，还没有任何机构或者个人给出完善的棒材计数的设备。目前检测识别方法有如下几类：
摘 要
目前，中国钢铁行业在国际上受到美国“双反”调查的冲击和在国内受到钢材价格持续走低的打击，使的钢厂纷纷在技术上寻求突破，尤其是一直是阻碍着其生产自动化的小型棒材计数，在这种环境下，本文将对基于机器视觉的棒材自动计数系统进行了设计和研究。
基于机器视觉的棒材计数系统由图像处理模块、通信模块和控制模块组成。在这个系统中，核心的算法是棒材的图像处理和计数部分。图像处理的主要步骤有图像画面的预处理，棒材图像目标分割和棒材图像标记识别,其为计数做好准备。在本文系统的设计构思中，首先是对现场环境的布置和对辅助光源的设置，使的工业相机获取清晰棒材端面图像，再进行必要的图像格式转换。通过中值滤波法对图像进行去噪，运用模板匹配进行光学增强，使用大津法对图像进行二值化阈值分割，采用投影法,面积方差法对图像进行裁剪，分离出感兴趣区域。结合数学形态学，对图像进行开运算和闭运算，去除毛刺、孔洞和孤立噪声，再进行极限腐蚀，使的每个棒材端面成为独立的连通域，运用连通域法进行标记和计数。
经过实验发现，本文提及的棒材计数系统精度得到提高，可以满足企业生产中对精度和实时性的要求，有广阔的市场和应用前景。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:棒材计数；图像处理；大津法分割；连通域标记。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 问题的提出及研究意义 1
1.2 课题的现状和应用前景 2
1.2.1图像处理技术的产生与应用 2
1.2.2棒材计数技术发展进程 4
1.3 课题研究的主要内容 6
第2章 棒材图像的特征分析 8
2.1棒材图像的特征分析 8
2.1.1现场环境和光源分析 8
2.1.2棒材特性及其棒材端面分析 9
2.2 棒材图像获取 10
2.2.1 棒材图像的采集 10
2.2.2数字图像的格式转换 11
第3章 棒材图像的预处理和分割 16
3.1 棒材图像的预处理 16
3.1.1 图像感兴趣的的区域截取 16
3.1.2 图像的平滑去噪 18
3.2 画面中心增强 20
3.3 棒材的分割算法 21
3.3.1 大律法分割 21
3.3.2 灰度直方图分割 22
3.2.3 迭代法阈值分割 23
第4章 棒材计数识别和计数 25
4.1 数学形态学研究 25
4.2 棒材识别计数 27
4.2.1棒材端面的连通域标志识别..............................................................27
4.2.2 棒材端面的中心识别和计数 29
第5章 总结和展望 31
5.1 总结 31
5.2 展望 32
参考文献 33
致谢 35
附录A 英文原文 36
附录B 中文翻译 44
第1章 绪论
1.1 问题的提出及研究意义
近年来，中国的钢材价格持续走低。中国钢材工业协会分布了2014年第一季度数据显示，钢材企业的钢材结算价格每吨下降了368元，同比下降了超过10%。与此同时，美国商业协会宣布：由于美国六家钢材企业申诉，对从中国进口的钢材进行两反调查。使的已经岌岌可危的钢材行业，生存环境更加的艰难。
面对整个行业不景气的情况，占据整个钢材产量23.5%~27.7%的小型棒材也不能幸免。所以各家棒材厂家纷纷进行技术上的革新，引进先进生产设备来提高生产率。为了能够走向更广阔的国际市场上，国内的各大棒材企业采用国际上通用的负公差轧制[1]和理论重量交易。这就要求实际重量和理论重量不超过相应的理论范畴中，按照理论重量进行交易，工厂才能从中获利。
为了能够更加全面地了解国内和国际标准，首先了解棒材的生产流程。钢坯先在加热炉中进行锻造，出炉后经过粗轧、中扎、精扎、减定径机四个机组，得到所要求的特种钢材。经倍尺裁剪后送至冷却台冷却。棒材冷却后，把棒材经过定尺冷剪，切割出所需要的固定规格的棒材。在棒材的裁剪过程中部分棒材存在缺陷，同时在倍尺切割和定尺裁剪过程中，可能存在断面氧化和变形的现象。所以在定尺之后，需要在检验台处进行检测。棒材交付用户之前，需要按用户的要求的规格进行封装打包。
在按照理论重量交易，还要保证棒材的质量合格的前提下，在交易之前必须对棒材的数量进行确定。然而，小型棒材准确，高效的计数一直是困扰我国钢材企业的难题之一。目前，我国的大部分钢材企业还停留在人工计数的阶段。该方法劳动的强度大，处理区域小，数量有限，与自动化生产不协调。同时长时间劳作，工人容易视觉疲劳，造成棒材数量不准确。由于人工计数存在的种种的弊端，交易时不得不采用按重量标价，即造成企业不能够从棒材交易的国际标准中获得应有的利润，也可能是企业的形象受到影响。
长期以来，棒材的计数已经成为阻碍企业发展，严重的困扰着棒材生产自动化进程，让钢材企业不能够很好的与国际市场进行接轨的因素之一。但是，随着图像处理技术的迅猛发展和日益成熟，并且在工业生产上的成功运用。使得越来越多的科研人员开始尝试把图像处理技术应用在在棒材的自动计数系统中，使之成为这个领域的热点。
本文主要研究的是通过计算机视觉即工业摄像机，将摄取的目标转化成图像信号。在经过图像处理卡作用，根据图像的亮度，像素分布的因素，进一步转换成数字图像。在工控机对它进行一系列运算来提取目标物的某些特征信息，再根据特征信息来控制现场的装置。通过这个周期的操作，把棒材按照提前设定数量分离出来。本课题在解决棒材计数的基础上，也丰富了机器视觉的研究内容，具有很好的现实和理论意义。
1.2 课题的现状和应用前景
1.2.1图像处理技术的产生与应用
数字图像技术[2]基本上可以分成两大类：模拟图像处理和数字图像处理。数字图像处理本质上是将图像信号转化成数字信号，再利用计算机进行处理的过程。显著的优点有处理的精度高，处理信息量大，有灵活的变通能力。广泛地运用于空间探测，生物医学，工业检测等许多的领域。数字处理技术主要包括如下几个内容：图像处理、几何处理、图像识别、算数处理、图像编码、图像增强、图像重建、图像复原。
数字图像处理首先是在报刊上面得到应用的，当时，图像信息第一次由海底光缆从伦敦传输到纽约。在20世纪20年代引进了 电缆传输系统，把跨越大西洋传输一幅图片的时间从一个星期缩短到仅仅只需要三个小时。
数字图像处理技术的进程和数字计算机的历史密切相关，第一台真正意义上具备图像处理能力的计算机，出现在二十世纪六十年代早期。这促使了人们开始将目光集中数字图像处理的潜力上。当时通过“徘徊者7号”卫星采集了了月亮图像，被传输到一台计算机进行了处理，这揭开了图像增强和复原的序幕。二十世纪七十年代，发明了计算机轴向断层技术，这成为图像处理在医学诊断应用的开端，促使的两者后来的结合更加的紧密。近年来，图像处理技术与其他学科进行结合，拓展出许多新的科学范畴，使之与人类的生活越来越息息相关。
随着工业化进程的加快和人类活动领域扩展，图像处理所涉及的领域也自然而然的不断扩展。由于图像处理技术的结果能够帮助人类分析和集中解决机器感知问题，使人能够从繁琐的运算中解脱出来，所以几乎不存在和图像数字处理技术无关的科技领域。下面介绍一下图像处理技术运用的范例：
(1)在航天航空技术方面，除了上面已经介绍的月球图像处理，还应用在飞机和卫星的遥感技术中。通过他们拍摄感兴趣地区的图像，进一步处理分析影像，得到有用信息。这些图片在成像、存储、传输、判读分析都有数字图像处理方法的身影出现。现在，世界各国都在频繁的运用陆地卫星获得的图像信息来进行城市规划，资源探测，灾害检测，农业规划，气象预报等。得到了良好的效果。
(2)在生物应用学方面，存在着一类对医用显微图像的处理分析技术，例如白细胞分类，染色体分析等，便于微型结构体的特征提取。另外在心电图分析，X光胸透，伽马射线进行骨骼扫描也是数字图像处理运用的成功案例。
(3)在工业和工程方面运用得尤为突出，如检测零件质量和对零件进行分类，弹性力学照片和应力分析，邮政信件的分类等，这其中最值得一提的是把图像处理技术运用于开发具备听觉，视觉和触觉功能的智能机器人，帮助人们完成一些在极端恶劣环境下的工程操作。
基本的数字处理系统[2]由图像输入、图像存储、图像输出、图像通信以及图像处理和分析5个部分组成，如图1.1所示，每个模块都有特定的功能，各司其职。在数字图像处理分析模块，根据要求处理的图像的数据量的大小，算法的复杂程度以及运行速度，提供了三种形式的系统。即通用图像处理，专用图像处理系统，图像处理芯片。
图1.1 数据处理模型
数字图像处理领域已经得到生机勃勃的发展，但是在提高精度兼顾处理速度上面还有很长的路要走，许多的研发者为了解决这个问题，正在开发新的处理软件，在原来基础上，加强边缘学科和图像处理的结合[3]。由于图像处理技术越发的成熟完善，同时具备简单易行等诸多的优点，所以在在棒材计数系统上运用被人们看好。
1.2.2棒材计数技术发展进程
(1)人工棒材计数的方法就是棒材打捆封装之前需要人工进行点数。工人长时间呆在传送带旁边按照规定的数目对传送的棒材进行计数，分离，打捆封装。计数和质检一步完成是它的主要的优势。但是，其缺点在要求高精确的工业生产上被放大。首先，尽管棒材已经经过了冷却，但是依然是远远高于环境的温度，使在现场计数的工人备受煎熬。其次，传送的移动速度快，工人需要精神高度集中，工作的时间稍长时出错在所难免。在夜间工作时，由于灯光，疲劳等因素往往会加大错误率。在计数细的钢材时候，传送数量多，节奏快，工人无法适应这种节奏，有时工人甚至需要停下来重新计数。这导致生产不协调，无法实现生产自动化的要求，桎梏了生产率的提高。
这种重复率极高，工作环境十分恶劣的工作，不仅给工人的身心都造成了严重的危害，而且它也越来越不能满足现代化企业对生产的要求，因此工厂需要一种高效的计数方法。
(2)机电计数法：充分利用光电管的光生伏特现象，也就是光电管通过光电流的强度变化来反应光通量的变化。把光电管放置在紧挨传输带，当棒材在传输带上移动，使的光电管光通量变动，继而导致光电管的光电流强度发生变化。通过分析光电流的变化的状况，计算出经过光电管的棒材的数量。
早在2003年，李朴，孙云芝等人提出采用电子电气设备实现棒材计数的方案[4]：使用摄像像素分析方法实现计数目标，运用霍尔元件实现计数目标和光电器件实现计数目标。2004年，章家岩，金俊针在《棒材生产在线计数问题的研究》中构思出了一种机电一体化的光电检测设备[5]。他们设计位移传感器，产生一系列的脉冲波形，结合算法计算波形的个数和宽度来确定棒材个数。2006，章家岩又提出了一种基于多传感器计数的螺纹钢材在线自动计数方案[6]。但是以上的方法都无法克服光电装置或者其他传感器易受现场环境高温，强光，强烈震动等因素影响而出现设备老化和计数准确度降低的问题。
(3)基于数字图像处理的棒材计数系统：很早就有人提出将计算机视觉和模式识别技术相互结合用来代替人的视觉系统来进行棒材计数，对输入计算机的图像数据进行相应处理得到相关的判断信息。这种设想停留在理论阶段，直到模式识别技术，图像处理和计算机视觉的研究有了可借鉴的理论和实践成果之后，它才开始真正进入人们的视野。基于机器视觉的自动控制系统，是在已设定的判断标准下，给出基于此标准下的分析出的客观判断结果。其系统具有很好的稳定性。但是因为棒材计数的现场相当复杂，到现在为止，还没有任何机构或者个人给出完善的棒材计数的设备。目前检测识别方法有如下几类：
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