[發明專利]滾輪罐耳運行狀態檢測方法、裝置、計算機設備及介質

有效

• 申請號: 202210571584.2
• 申請日: 2022-05-25
• 公開（公告）號: CN114663433B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 陸翔;張婉迎;白星振;郭銀景;朱奧;周元鵾;王興蕊;呂新政;溫安昊
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G06T7/10;G06T7/136
• 代理公司: 青島錦佳專利代理事務所(普通合伙) 37283
• 代理人: 朱玉建

1.基于機器視覺的滾輪罐耳運行狀態檢測方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1. 首先對采集的滾輪罐耳圖像利用Retinex算法進行圖像增強以及濾波預處理；

步驟2. 對預處理后的圖像進行投影變換處理轉換成正視拍攝視角下的滾輪罐耳圖像；

所述步驟2具體為：

對經過步驟1預處理后的圖像進行投影變換矯正時，給出如下公式（3）至公式（5）；

（3）

X= x’/ w’=(a₁₁u+a₁₂v+a₁₃)/(a₃₁ u+a₃₂v+a₃₃) （4）

Y= y’/ w’=(a₂₁u+a₂₂v+a₂₃)/(a₃₁ u+a₃₂v+a₃₃) （5）

其中，(u,v)為預處理后的圖像的像素坐標，(X,Y)為投影變換之后的圖像的像素坐標；(x’,y’,w’)為投影變換后的齊次坐標，a_ij表示變換參數，i=1,2,3，j=1,2,3；

在預處理后的圖像中通過橢圓檢測提取膠輪的內圈輪廓，并在膠輪的內圈輪廓上提取以橢圓中心o為坐標原點建立的xoy坐標系與x軸、y軸相交的4個坐標點的坐標；

然后求得當內圈輪廓轉換成以橢圓長軸為半徑的正圓時4個坐標點對應點的坐標；

將以上4個坐標點在變換前、后的坐標值，分別代入上述公式（3）中建立方程組，通過解方程組得到投影變換矩陣T_r；

進一步將該投影變換矩陣T_r與預處理后的圖像相乘，將預處理后的圖像中的每一個像素點都還原到正視拍攝視角下的場景中，得到正視拍攝視角下的滾輪罐耳圖像；

步驟3. 對投影變換后的圖像進行裁剪并提取滾輪圖像；

步驟4. 使用Otsu閾值分割與連通域結合的方法對滾輪圖像進行處理，提取膠輪圖像；

所述步驟4具體為：

步驟4.1. 分別計算滾輪圖像中膠輪區域和非膠輪區域的灰度均值，得到膠輪區域的像素均值u_A以及非膠輪區域的像素均值u_B，并代入下述公式（6）；

u_A=1/N_A*∑_{(m,n) ∈A} f(m,n)，u_B=1/N_B*∑_{(m,n) ∈B} f(m,n) （6）

其中，A表示膠輪區域，B表示非膠輪區域，(m,n)表示滾輪圖像中的像素坐標；

N_A和N_B分別表示膠輪區域和非膠輪區域的像素個數；

定義O(T)表示類間方差，如公式（7）所示；

O(T)=N_A(T) *N_B(T) *[u_A(T)- u_B(T)]² （7）

其中，T表示分割閾值；

N_A(T)、N_B(T)表示分割閾值為T時對應的膠輪區域和非膠輪區域的像素個數；

u_A(T)、u_B(T)表示分割閾值為T時對應的膠輪區域和非膠輪區域的像素均值；

當O(T)取最大值時對應的分割閾值T，作為最佳分割閾值T_max；

步驟4.2. 將最佳分割閾值T_max代入到公式（8），將步驟3提取的滾輪圖像中像素點灰度值大于T_max的設為1，即為膠輪區，非膠輪區域的灰度值設為0，進行閾值分割；

當f(m,n)T_max時，g(m,n)=1，f(m,n) ≤T_max時，g(m,n)=0 （8）

其中，f(m,n)表示分割前的滾輪圖像像素值，g(m,n)表示分割后的圖像像素值；

步驟4.3. 經過閾值分割后膠輪圖像的連通域最大，因此，將滾輪圖像中其他較小的連通域像素值取0，以實現膠輪區域的提取，通過提取得到膠輪圖像；

步驟4.4. 使用數字形態學對經過步驟4.3提取得到的膠輪圖像進行細化，去除膠輪圖像中的邊緣毛刺和孤立斑點，最終得到較為光滑的膠輪圖像；

步驟5. 從膠輪圖像中提取并分離出膠輪的內圈邊緣和外圈邊緣，并通過擬合的方式分別補全膠輪的內圈邊緣輪廓和外圈邊緣輪廓；

進一步基于補全后的內圈邊緣輪廓和外圈邊緣輪廓圖得到完整的膠輪圖像；

所述步驟5具體為：

步驟5.1. 先進行Canny邊緣檢測，從膠輪圖像中提取出膠輪的邊緣得到膠輪邊緣圖像；

步驟5.2. 使用最小二乘法圓擬合從膠輪邊緣圖像中分離出膠輪內圈邊緣與外圈邊緣；

所述步驟5.2具體為：

首先對步驟5.1處理后的膠輪邊緣圖像進行最小二乘法圓擬合；

其中，擬合出來的圓位于膠輪內圈邊緣輪廓與外圈邊緣輪廓之間，通過擬合的圓建立掩膜與膠輪邊緣圖像進行邏輯運算，即可將膠輪的內圈邊緣和外圈邊緣輪廓分割出來；

步驟5.3. 分別對膠輪內圈邊緣以及外圈邊緣圖像進行亞像素點提取；

步驟5.4. 對提取的亞像素點進行3次B樣條曲線擬合，彌補缺失的邊緣部分，通過擬合得到膠輪的內圈邊緣輪廓圖和外圈邊緣輪廓圖；

進一步基于補全后的膠輪內圈邊緣輪廓圖和外圈邊緣輪廓圖得到完整的膠輪圖像；

所述步驟5.4具體為：

在對膠輪邊緣提取的亞像素點進行擬合時，設置三次B樣條曲線方程的基函數為：

F_0,3(t)=1/6(-t³+3t²-t+1),F_1,3(t)=1/6(3t³-6t²+4),F_2,3(t)=1/6(-3t³+3t²+3t+1),F_2,3(t)= 1/6 t³ （9）

其中，t為參數，t∈(0,1)，F_s,3(t)表示第s個3次B樣條基函數，s =0,1,2,3；

基于公式（9）中的基函數，得到三次B樣條曲線方程，如公式（10）所示：

P(t)=P₀F_0,3(t)+ P₁F_1,3(t)+ P₂F_2,3(t)+ P₃F_3,3(t) （10）

式中，P_s為控制曲線的特征點，s =0,1,2,3，P(t)表示三次B樣條曲線方程；

對擬合補全的外圈邊緣輪廓圖與內圈邊緣輪廓圖分別進行連通域填充，將填充后的外圈邊緣輪廓圖減去填充后的內圈邊緣輪廓圖得到膠輪掩膜；

將膠輪掩膜與所述滾輪圖像進行邏輯與運算得到完整的膠輪圖像；

步驟6. 在完整的膠輪圖像中以膠輪內圈圓心為坐標原點向外發射多條射線，通過抽樣測量獲得膠輪的多個厚度值，通過計算得到厚度的平均值；

然后根據該厚度的平均值與預設膠輪磨損閾值的大小比較判斷膠輪的磨損情況，進一步根據膠輪的磨損情況判斷出當前滾輪罐耳的運行狀態；

所述步驟6具體為：

在完整的膠輪圖像中以膠輪內圈的圓心為中心，向該完整的膠輪圖像所在平面內360度范圍內均勻發射多條射線，分別求取各條射線與外圈的交點到中心的距離值；

將以上各個距離值分別減去膠輪內圈的半徑值得到膠輪的多個厚度值；將各個厚度值取平均得到厚度的平均值；將該厚度的平均值與預設膠輪磨損閾值進行比較：

若厚度的平均值小于膠輪磨損閾值，則膠輪磨損嚴重，此時表明滾輪罐耳的運行狀態不良；否則認為膠輪磨損在正常范圍，此時表明滾輪罐耳的運行狀態良好。