一種基于最小二乘法的多圓檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于最小二乘法的多圓檢測方法，通過掃描檢測圖像上的目標(biāo)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)來判斷檢測圖像是否為目標(biāo)圓，確定檢測圖像為目標(biāo)圓后提取目標(biāo)像素點(diǎn)的坐標(biāo)并通過最小二乘法擬合，計(jì)算高精度的目標(biāo)圓圓心坐標(biāo)與半徑，更有效的、更快速的、更精確的檢測多圓圓心，并且適用于圖像質(zhì)量不高的應(yīng)用場合。
【專利說明】—種基于最小二乘法的多圓檢測方法
[【技術(shù)領(lǐng)域】]
[0001]本發(fā)明涉及一種基于最小二乘法的多圓檢測方法。
[【背景技術(shù)】]
[0002]機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺產(chǎn)品(即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動(dòng)作。
[0003]隨著機(jī)器視覺在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，各種特征提取與模式識別算法紛紛提出。在圓心檢測中，廣泛使用的算法有Hough變換及相應(yīng)改進(jìn)算法、最小二乘法、環(huán)路積分微分法、組合法、遺傳算法、模擬退火算法等，上述各種算法各有優(yōu)缺點(diǎn)，到目前為止，還沒有哪一種算法能適應(yīng)于所有環(huán)境。
[
【發(fā)明內(nèi)容】
]
[0004] 本發(fā)明克服了上述技術(shù)的不足，提供了一種基于最小二乘法的多圓檢測方法，通過掃描檢測圖像上的目標(biāo)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)來判斷檢測圖像是否為目標(biāo)圓，確定檢測圖像為目標(biāo)圓后提取目標(biāo)像素點(diǎn)的坐標(biāo)并通過最小二乘法擬合，計(jì)算聞精度的目標(biāo)圓圓心坐標(biāo)與半徑。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了下列技術(shù)方案:
[0006]一種基于最小二乘法的多圓檢測方法，其步驟如下:
[0007]第一步、設(shè)定圖像的分辨率為MXN，以左上方的第一個(gè)像素點(diǎn)為原點(diǎn)，由左向右設(shè)為X軸，由上向下設(shè)為Y軸建立直角坐標(biāo)系，設(shè)定目標(biāo)像素點(diǎn)為白色的像素點(diǎn)，背景像素點(diǎn)為黑色的像素點(diǎn)，直角坐標(biāo)系內(nèi)任意點(diǎn)坐標(biāo)為(X，y)，圓心坐標(biāo)為(Xe，Yc)，半徑為r，其中M、N、X、y為整數(shù)，r為實(shí)數(shù)；
[0008]第二步、從Χ=0，Υ=0處沿X軸正方向掃描目標(biāo)像素點(diǎn)，判斷是否掃描得到一個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)；
[0009]第三步、當(dāng)掃描得到一個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)時(shí)，設(shè)定為第一目標(biāo)像素點(diǎn)，坐標(biāo)為(XI，Υ1)，否則繼續(xù)向右掃描直至X=M-1 ；
[0010]第四步、從第一目標(biāo)點(diǎn)(XI，Yl)沿Y軸正方向掃描是否存在目標(biāo)像素點(diǎn)，當(dāng)從第一目標(biāo)點(diǎn)(XI，Yl)沿Y軸正方向掃描得到一個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)時(shí)，設(shè)定為第二目標(biāo)像素點(diǎn)，坐標(biāo)為(XI，Υ2)，否則繼續(xù)向下掃描直至Y=N-1 ；
[0011]第五步、計(jì)算圓心坐標(biāo)Xc=Xl, 丫0=(￥1+丫2)/2，半徑^ (Υ2-Υ1)/2，掃描在 Xc-r-B
<X < Xc-r+B, Yc-C < y < Yc+C的范圍內(nèi)是否存在一個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)，其中B、C為常數(shù)；
[0012]第六步、當(dāng)在Xc-r-B < X < Xc-r+B, Yc-C < y < Yc+C的范圍內(nèi)掃描得到一個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)時(shí)，則掃描在Xc+r-B < X < Xc+r+B, Yc-C < y < Yc+C的范圍內(nèi)是否存在一個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)，否則從第二目標(biāo)像素點(diǎn)(XI，Y2)繼續(xù)沿Y軸正方向掃描是否存在目標(biāo)像素點(diǎn)；[0013]第七步、當(dāng)在Xc+r-B < X < Xc+r+B, Yc-C < Y < Yc+C的范圍內(nèi)掃描得到一個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)時(shí)，則掃描以圓心為(Xe，Yc)、半徑為r-B和圓心為(Xe，Yc)、半徑為r+B組成的圓環(huán)范圍內(nèi)的目標(biāo)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，并判斷目標(biāo)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)是否多于目標(biāo)像素點(diǎn)總數(shù)閾值0.8A，其中 A=2X 31 Xr, r= (Y2-Y1) /2 ；
[0014]第八步、當(dāng)掃描以圓心為(Xc，Yc)、半徑為r-B和圓心為(Xe，Yc)、半徑為r+B組成的圓環(huán)范圍內(nèi)的目標(biāo)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)多于目標(biāo)像素點(diǎn)總數(shù)閾值A(chǔ)時(shí)，提取所有目標(biāo)像素點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)行最小二乘法擬合，計(jì)算高精度的圓心坐標(biāo)(Xe'，Yc')與半徑r'，并將上述目標(biāo)像素點(diǎn)設(shè)置成背景像素點(diǎn)，否則從第二目標(biāo)像素點(diǎn)(XI，Y2)沿Y軸正方向掃描目標(biāo)像素點(diǎn)。
[0015]所述常數(shù)B的取值范圍為O≤B≤15，所述常數(shù)C的取值范圍為O≤C≤15。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:
[0017]本發(fā)明提供了一種基于最小二乘法的多圓檢測方法，能有效的、快速的、精確的檢測多圓圓心，尤其適用于圖像質(zhì)量不高的應(yīng)用場合。
[【專利附圖】

【附圖說明】]
[0018]圖1為本發(fā)明原理圖一；
[0019]圖2為本發(fā)明原理圖二； [0020]圖3為本發(fā)明原理圖三；
[0021]圖4為本發(fā)明原理圖四；
[0022]圖5為本發(fā)明的流程示意圖。
[【具體實(shí)施方式】]
[0023]下面結(jié)合附圖與本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的描述:
[0024]如圖1所示，一種基于最小二乘法的多圓檢測方法，其步驟如下:
[0025]步驟一、設(shè)定圖像的分辨率為MXN，以左上方的第一個(gè)像素點(diǎn)為原點(diǎn)，由左向右設(shè)為X軸，由上向下設(shè)為Y軸建立直角坐標(biāo)系，設(shè)定目標(biāo)像素點(diǎn)為白色的像素點(diǎn)，背景像素點(diǎn)為黑色的像素點(diǎn)，直角坐標(biāo)系內(nèi)任意點(diǎn)坐標(biāo)為(X，y)，圓心坐標(biāo)為(Xe，Yc)，半徑為r，其中M、N、X、y為整數(shù)，r為實(shí)數(shù)；
[0026]步驟二、從Χ=0，Υ=0處沿X軸正方向掃描目標(biāo)像素點(diǎn)，判斷是否掃描得到一個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)；
[0027]步驟三、當(dāng)從Χ=0，Υ=0處沿X軸正方向掃描得到一個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)時(shí)，設(shè)定為第一目標(biāo)像素點(diǎn)，坐標(biāo)為(XI，Υ1)，并從第一目標(biāo)點(diǎn)(XI，Υ1)沿Y軸正方向掃描像素點(diǎn)，判斷是否掃描得到一個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)，否則繼續(xù)向右掃描直至X=M-1 ；
[0028]步驟四、當(dāng)從第一目標(biāo)點(diǎn)(Χ1，Υ1)沿Y軸正方向掃描得到一個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)時(shí)，設(shè)定為第二目標(biāo)像素點(diǎn)，坐標(biāo)為(XI，Υ2)，否則繼續(xù)沿Y軸正方向掃描直至Y=N-1 ；
[0029]步驟五、計(jì)算圓心坐標(biāo)Xc=Xl, 丫0=(丫1+丫2)/2，半徑^ (Υ2-Υ1)/2，掃描在 Xc-r-B
<X < Xc-r+B, Yc-C < y < Yc+C的范圍內(nèi)是否存在一個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)，其中B、C為常數(shù)；
[0030]步驟六、當(dāng)在Xc-r-B < x < Xc-r+B, Yc-C < y < Yc+C的范圍內(nèi)掃描得到一個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)時(shí)，則掃描在Xc+r-B < X < Xc+r+B, Yc-C < y < Yc+C的范圍內(nèi)是否存在一個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)，否則從第二目標(biāo)像素點(diǎn)(XI，Y2)繼續(xù)沿Y軸正方向掃描是否存在目標(biāo)像素點(diǎn)；[0031]步驟七、當(dāng)在Xc+r-B < X < Xc+r+B, Yc-C < Y < Yc+C的范圍內(nèi)掃描得到一個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)時(shí)，則掃描以圓心為(Xe，Yc)、半徑為r-B和圓心為(Xe，Yc)、半徑為r+B組成的圓環(huán)范圍內(nèi)的目標(biāo)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，并判斷目標(biāo)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)是否多于目標(biāo)像素點(diǎn)總數(shù)閾值0.8A，其中 A=2X 31 Xr, r= (Y2-Y1) /2 ；
[0032]步驟八、當(dāng)掃描以圓心為(Xc，Yc)、半徑為r-B和圓心為(Xe，Yc)、半徑為r+B組成的圓環(huán)范圍內(nèi)的目標(biāo)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)多于目標(biāo)像素點(diǎn)總數(shù)閾值A(chǔ)時(shí)，提取所有目標(biāo)像素點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)行最小二乘法擬合，計(jì)算高精度的圓心坐標(biāo)(Xe'，Yc')與半徑r'，并將上述目標(biāo)像素點(diǎn)設(shè)置成背景像素點(diǎn)，否則從第二目標(biāo)像素點(diǎn)(XI，Y2)沿Y軸正方向掃描目標(biāo)像素點(diǎn)。
[0033]其中，所述常數(shù)B的取值范圍為O≤B≤15，所述常數(shù)C的取值范圍為O≤C≤15。B和C的值根據(jù)圖像質(zhì)量作適當(dāng)調(diào)整。
[0034]對于單圓檢測，所有的目標(biāo)像素點(diǎn)都參與首次最小二乘擬合計(jì)算，但對于多圓檢測，第一步就是要將所有的目標(biāo)點(diǎn)分成點(diǎn)組，再參與各個(gè)圓的圓心檢測。
[0035]點(diǎn)組提取原理如下:
[0036]首先以圖像左上方的第一個(gè)像素點(diǎn)為原點(diǎn)，由左向右設(shè)為X軸，由上向下設(shè)為Y軸建立直角坐標(biāo)系；從X軸正方向掃描目標(biāo)像素點(diǎn)，當(dāng)掃描到第一個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)時(shí)，設(shè)定第一目標(biāo)像素點(diǎn)坐標(biāo)為(XI，Yl);從第一目標(biāo)像素點(diǎn)(XI，Yl)沿Y軸正方向掃描，當(dāng)沿Y軸正方向掃描到另一個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)時(shí)，設(shè)定第二目標(biāo)像素點(diǎn)坐標(biāo)為(XI，Y2);因此由這兩個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)的坐標(biāo)可初步確定圓心(Xe，Yc)和半徑r，分別如下:Xc=Xl，Yc= (Y1+Y2)/2，r= (Υ2-Υ1)/2。
[0037]根據(jù)圓的幾何特性，在坐標(biāo)點(diǎn)(Xc-r，Yc)和坐標(biāo)點(diǎn)(Xc+r，Yc)處會(huì)存在兩個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，若存在，則初步認(rèn)為是一個(gè)圓；若不存在，則從第二目標(biāo)點(diǎn)(X1，Y2)繼續(xù)沿y軸正方向掃描，并重復(fù)上述步驟進(jìn)行判斷圖像是否為一個(gè)圓。
[0038]但實(shí)際的圖像中，往往存在透視變換致使圖像并不是一個(gè)嚴(yán)格的圓，因此通過在坐標(biāo)點(diǎn)(Xc-r，Yc)和點(diǎn)(Xc+r，Yc)處，分別設(shè)定一個(gè)誤差范圍，掃描在誤差范圍內(nèi)是否存在目標(biāo)像素點(diǎn)，來判斷圖像是否為一個(gè)圓，原理如圖2所示，
[0039]若在如圖2所示兩個(gè)誤差范圍內(nèi)各存在一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，則初步認(rèn)為是一個(gè)圓；若不存在，則從第二目標(biāo)點(diǎn)(XI，Y2)繼續(xù)沿y軸正方向掃描，通過如上方法進(jìn)行判斷，直至圖像最下方。
[0040]誤差范圍大小可根據(jù)圖像質(zhì)量來調(diào)整，當(dāng)圖像質(zhì)量較高時(shí)，可設(shè)置較小誤差范圍；當(dāng)圖像質(zhì)量較低時(shí)，可設(shè)置較大誤差范圍。設(shè)置合適的誤差范圍可有效降低誤判率。
[0041]如圖3所示，當(dāng)初步確定為一個(gè)圓后，根據(jù)圓心坐標(biāo)(Xc，Yc)及半徑r，來對整個(gè)圓的像素點(diǎn)設(shè)定誤差范圍。
[0042]由于圖像中存在噪點(diǎn),若因噪點(diǎn)影響，剛好在目標(biāo)像素點(diǎn)誤差范圍內(nèi)存在兩個(gè)噪點(diǎn)(非目標(biāo)點(diǎn))，會(huì)產(chǎn)生誤判。因此通過比較組成這個(gè)圓的目標(biāo)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)是否不低于閾值A(chǔ)，從而判斷該圓是否為目標(biāo)圓。若判斷為目標(biāo)圓后，就將目標(biāo)圓內(nèi)所有目標(biāo)像素點(diǎn)作為一個(gè)點(diǎn)組參與最小二乘擬合，濾除殘差較大的目標(biāo)像素點(diǎn)后，再次擬合即可獲得高精度的圓心坐標(biāo)(Xe，Yc)和半徑r。
[0043]為了避免對下一個(gè)目標(biāo)圓掃描時(shí)出現(xiàn)誤判，提取點(diǎn)組后將上述組成目標(biāo)圓的目標(biāo)像素點(diǎn)置為黑色的背景像素點(diǎn)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于最小二乘法的多圓檢測方法，其步驟如下: a)設(shè)定圖像的分辨率為MXN，以左上方的第一個(gè)像素點(diǎn)為原點(diǎn)，由左向右設(shè)為X軸，由上向下設(shè)為Y軸建立直角坐標(biāo)系，設(shè)定目標(biāo)像素點(diǎn)為白色的像素點(diǎn)，背景像素點(diǎn)為黑色的像素點(diǎn)，直角坐標(biāo)系內(nèi)任意點(diǎn)坐標(biāo)為(X，y)，圓心坐標(biāo)為(Xe，Yc)，半徑為r，其中M、N、X、y為整數(shù)，r為實(shí)數(shù)； b)從X=O,Y=O處沿X軸正方向掃描目標(biāo)像素點(diǎn),判斷是否掃描得到一個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)； c)當(dāng)掃描得到一個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)時(shí)，設(shè)定為第一目標(biāo)像素點(diǎn)，坐標(biāo)為(XI，Y1)，否則繼續(xù)向右掃描直至X=M-1 ； d)從第一目標(biāo)點(diǎn)(XI，Yl)沿Y軸正方向掃描是否存在目標(biāo)像素點(diǎn)，當(dāng)從第一目標(biāo)點(diǎn)(XI，Yl)沿Y軸正方向掃描得到一個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)時(shí)，設(shè)定為第二目標(biāo)像素點(diǎn)，坐標(biāo)為(XI，Y2)，否則繼續(xù)向下掃描直至Y=N-1 ； e)計(jì)算圓心坐標(biāo)Xc=Xl，Yc= (Yl+Y2)/2，半徑 r= (Y2-Y1)/2，掃描在 Xc-r-B < x<Xc-r+B, Yc-C < y < Yc+C的范圍內(nèi)是否存在一個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)，其中B、C為常數(shù)； f)當(dāng)在Xc-r-B< X < Xc-r+B, Yc-C < y < Yc+C的范圍內(nèi)掃描得到一個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)時(shí)，則掃描在Xc+r-B < X < Xc+r+B, Yc-C < y < Yc+C的范圍內(nèi)是否存在一個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)，否則從第二目標(biāo)像素點(diǎn)(XI，Y2)繼續(xù)沿Y軸正方向掃描是否存在目標(biāo)像素點(diǎn)； g)當(dāng)在Xc+r-B< X < Xc+r+B, Yc-C < Y < Yc+C的范圍內(nèi)掃描得到一個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)時(shí)，則掃描以圓心為(Xe，Yc )、半徑為r-B和圓心為(Xe，Yc )、半徑為r+B組成的圓環(huán)范圍內(nèi)的目標(biāo)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，并判斷目標(biāo)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)是否多于目標(biāo)像素點(diǎn)總數(shù)閾值0.8A，其中A=2X 31 Xr, r= (Y2-Y1) /2 ； h)當(dāng)掃描以圓心為(Xe,Yc)、半徑為r-Β和圓心為(Xe, Yc)、半徑為r+B組成的圓環(huán)范圍內(nèi)的目標(biāo)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)多于目標(biāo)像素點(diǎn)總數(shù)閾值A(chǔ)時(shí)，提取所有目標(biāo)像素點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)行最小二乘法擬合，計(jì)算高精度的圓心坐標(biāo)(Xe, ,Xe')與半徑r'，并將上述目標(biāo)像素點(diǎn)設(shè)置成背景像素點(diǎn)，否則從第二目標(biāo)像素點(diǎn)(XI，Y2)沿Y軸正方向掃描目標(biāo)像素點(diǎn)。
2.一種基于最小二乘法的多圓檢測方法，其特征在于:所述常數(shù)B的取值范圍為O≤B≤15，所述常數(shù)C的取值范圍為O≤C≤15。
【文檔編號】G06T7/60GK103903284SQ201410110991
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月24日
【發(fā)明者】付文定 申請人:中山新諾科技股份有限公司