一種非Hough變換的快速圓檢測算法

1、第29卷第4期 2010年8月河南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版 J OURNA L O F HENAN PO LYTEC HN IC UN IVERS I TY (NATURAL SC IE N CE V o. l 29 N o . 4Aug . 2010一種非H ough 變換的快速圓檢測算法浮紅霞, 陳西平, 毛慧珍, 杜習(xí)波, 李良先11211(1. 河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院, 河南焦作 454000; 2. 徐州機電工程高等職業(yè)學(xué)校, 江蘇徐州 221000摘要:在精密測量、自動化裝配和機器人等諸多領(lǐng)域, 往往需要對圓形器件或圖標(biāo)進行識別和定位, 而目前傳統(tǒng)的檢測方法是H ough

2、變換, 計算復(fù)雜, 對資源需求大, 且不利于實時控制. 本文利用圓形幾何對稱的性質(zhì), 采用基于顏色分類方法, 提出一種非H ough 變換的圓的檢測方法, 從而達到對彩色圖像中圓形目標(biāo)進行快速識別的目的. 設(shè)計了算法的流程,編制了相應(yīng)的圓識別程序, 通過對足球機器人定位的驗證, 表明該算法具有運算速度快及對畸變的圓形目標(biāo)適應(yīng)性好等優(yōu)點, 為圖像處理中圓目標(biāo)的快速識別與定位提供了一種借鑒.關(guān) 鍵 詞:圓檢測; 非H ough 變換; 圖像識別; 機器視覺中圖分類號:TP24 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1673-9787(2010 04-0498-04A fast non-H ough m et

3、hod f or c i rcle detecti onFU H ong-x i a , C HEN X i-p i n g , MAO H ui-zhen , DU X i-bo , LI L i a ng-x ian(1. S c hool o f M e chanical and P o w e tEngineeri ng, H e nan pol ytechnic university , J i aozuo 454000, H enan, Ch i na;lectron ic E ng ineeri ng Voc a tional Colle g e , Xuzhou 221000,

4、 J i ang su, Ch ina 112112. X uzh ouM echan ic a l and EAbst ract :Prec isi o n m easure m en, t autom ated asse mb ly and robotics fields often require an i d entification and location to a c ircular object or icon . The current detecti o n m ethod is based on H ough transfor m , wh ich is co m ple

5、x i n co m puti n g and requires m uch resource . A non-H ough m ethod is proposed , w hich can recognize c ir cular targets in co l o r i m age by m aking use of the sy mm etrica l property of circles and adopting t h e seg m entation m ethod based on co lor . The experi m ents o f apply i n g t h

6、is m ethod to the location of soccer robo t sho w that the m ethod can calcu late quick l y and adjust to defor m ed circle . The algorith m of qu ickly identify i n g circu lar targe t prov i d es a reference i n i m age processi n g .K ey w ords :circle de tecti o n ; non-H ough transfor m ; i m a

7、ge recogn ition; m ach i n e v i s ion0 引 言機器視覺輔助檢測技術(shù)具有高速度、實時性好、非接觸、低成本等優(yōu)點, 被廣泛應(yīng)用于精密測量、機器人伺服和微電子裝備等機械裝備中. 而圓孔和圓形工件在工業(yè)行業(yè)中普遍存在, 如微電子器件中的球狀陣列(BGA 元件及印刷電路板(PCB 定位基準(zhǔn)、機器人足球賽中的足球及場地中的圓形標(biāo)志線等, 因此圓檢測是機器視覺檢測中的一個典型問題.圓檢測主要是根據(jù)圓孔或圓弧的圖像求取其中心坐標(biāo)和半徑等特征參數(shù). 檢測圓特征的傳統(tǒng)方法1收稿日期:2010-03-01基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(10802027, 河南省教育廳自然

8、科學(xué)項目(科技攻關(guān) (2009A460005; 河南理工大學(xué) 博士基金資助項目(648163. 作者簡介:浮紅霞(1975-, 女, 河南獲嘉人, 工程師, 從事機電一體化、機器人技術(shù)研究. l f .第4期 浮紅霞, 等:一種非H ough 變換的快速圓檢測算法499是H ough 變換, 該方法的最大特點是可靠性高, 在噪聲、變形甚至部分區(qū)域信息丟失的狀態(tài)下仍然能取得理想的結(jié)果, 但其缺點是計算復(fù)雜、資源需求大, 而且在處理復(fù)雜圖像背景信息干擾時, 會引入大量的無用累積, 使算法性能大大降低, 甚至無法有效提取圓. 為了克服這些缺陷, 許多學(xué)者提出了改進的圓H ough 變換算法. 如XU

9、 等提出了隨機H ough 變換, 即在圖像空間隨機選取不共線的三個2-4點映射成參數(shù)空間的一個點, 以此計算圓的參數(shù), 并對結(jié)果進行累計; 文獻5在隨機H ough變換的基礎(chǔ)上, 利用梯度方向信息來決定是否對采樣到的兩點進行參數(shù)累積, 以減少無效累積; 文獻6在邊緣曲線上適當(dāng)選取三點, 計算圓參數(shù), 通過重復(fù)此過程, 在圓參數(shù)空間進行統(tǒng)計累加求極值; 還有人采用線段模式H ough 變換檢測圓, 將圓分割成一組分段線性的線段, 然后對這些線段進7行廣義H ough 變換提取圓. 以上方法都基于圓參數(shù)空間的統(tǒng)計累加, 如果統(tǒng)計較少則準(zhǔn)確性減弱,統(tǒng)計較多則實時性減弱, 一定程度上限制了復(fù)雜圖像的

10、圓檢測效果.本文提出了一種非H ough 變換的圓檢測方法, 該方法具有原理簡單、計算速度快、適應(yīng)性強等特點, 能夠滿足類似足球機器人等實時性要求較高場合的需要.1 算法描述算法的基本思想:首先采用閾值法對圖像進行分割和對像素進行標(biāo)記, 然后利用圓的幾何對稱性提取出圓的直徑參數(shù)和中心坐標(biāo), 最后分別對以直徑為邊長、圓的中心為區(qū)域中心的正方形區(qū)域掃描, 統(tǒng)計出滿足一定條件的像素的數(shù)量, 即在圓上的像素的數(shù)量, 通過這個數(shù)量與對應(yīng)圓周長的比較來判斷是否為我們所要提取的圓. 下面以足球機器人比賽中的圓形目標(biāo)識別為例進行說明, 圖1為比賽現(xiàn)場獲取的圖像, 它是通過全向視覺系統(tǒng)得到的, 并且有一定的畸變

11、. 算法流程如圖2所示 . 1 1 圖像分割采用基于顏色分類的閾值分割方法. 由于從攝像機得到的彩色圖像是基于RGB 顏色模型, 而R, G , B 分量之間有很強的相關(guān)性, 直接使用RGB 分量進行顏色分類通常效果很差, 而且當(dāng)光照條件有所改變或者出現(xiàn)陰影和遮擋時, 將直接影響分類的效果; HLS 顏色模型(H代表色調(diào), L 代表亮度, S 代表飽和度 則能把亮度和顏色區(qū)分開, 并具有符合人的視覺特性, 以及對環(huán)境8變化、適應(yīng)性強等優(yōu)點, 故宜采用HLS 顏色模型.首先, 對彩色圖像進行顏色空間轉(zhuǎn)換, 即將圖像像素的R, G, B 分量值轉(zhuǎn)換為H, L , S 分量值, 然后在HLS 顏色空

12、間中對像素進行分類, 設(shè)定H, L, S 分量的閾值, 通過顏色標(biāo)定得到每個像素點的顏色所屬的類別. 假設(shè)把圖像中的像素分為3類, 當(dāng)像素的H, L , S 分量的值分別在第一個設(shè)定的3個分量的閾值范圍內(nèi)時, 把此像素標(biāo)記為A; 當(dāng)在第二個設(shè)定的三個分量的閾值范圍內(nèi)時, 把此像素標(biāo)記為B ; 其余的像素則標(biāo)記為C , 并分別用白色、灰色和黑色顯示. 其圖像處理結(jié)果如圖3所示.1 2 提取圓的直徑參數(shù)和中心坐標(biāo)根據(jù)圓相對于圓心中心對稱的性質(zhì), 可以初步得到所有可能存在圓的圓心坐標(biāo)及其直徑參數(shù). 當(dāng)然, 這里得到的結(jié)果可能存在很多噪聲, 還需要在后面剔除. 提取圓的圓心坐標(biāo)和直徑參數(shù)的算法描述如下

13、.逐行掃描圖像, 如果第J 行中第I 個像素和第I +D 個像素分別位于A 類和B 類交界處, 則假設(shè)這兩個像素的連線為一圓的直徑, 直徑長度為D , 圓心坐標(biāo)為I +D /2, J , 再以圓心為起點, 向上掃描第I +D /2列, 如果在D /2-N (N為設(shè)定的偏差范圍, 本文取N 為3 和D /2+N 范圍內(nèi)存在位于A 類和B 類交界處的像素點, 再以圓心為起點, 向下掃描第I +D /2列; 如果在D /2-N 和D /2+N / 通過對機器人足球比賽場地圖像的實驗測試, 表明該方法對圓形目標(biāo)識別效果好、計算效率高, 同時對圖形具有較強的適應(yīng)性, 能夠滿足機器人足球比賽中圓形圖像信息

14、實時處理的要求.參考文獻:1 于新瑞, 王石剛, 關(guān)柏青, 等. 一種快速檢測圓的抗干擾變形模板方法J.光學(xué)學(xué)報,1115-1119.2 XU LE I , O J A E, KULTANEN P . A ne w cu rve de tecti on m ethod :random ized hough transfor m J.P atte rn R ecogniti on L etters , 1990, 11(5:331-338.3 RENATO M HADAD, ARNA L W DE A ARAU J O. U sing the H ough transform t o detec

15、t to detec t c ircu l ar for m s i n sa tellitem agery J.IEEE T rans on I i mage Processi ng , 2001,derstand i ng, 2001, 83(2:172-191.5 L I N S HU ZH I , HU Q I FE I . A nove l a l go rith m for fast c ircle detecti on usi ng random izedH ough transfor m J.Compute r Eng i neeri ng ,2003, 29(11:2003,

16、 29(6:87-88. 17-18. 6 LONG L I N JI N, YUN S H I Q I N. C i rc l e recognition t hrough a po intH ough transfor m ati on J.Compu ter Eng i neer i ng,7 Y IP R K K, LEUNG D N K, HARROLD S O. L i ne seg m ent patternsH ough transfo r m for circles detecti on using a 2-d i m ensi ona l a rray C/I EEE In

17、dustr i a l E l ectronics Soc iety . Industr i a l E l ec tron i cs , Control and Instru m entati on , Pro ceedi ngs o f t he IECON '93Internati ona l Confe rence ,1188.9 毛慧珍. 自主式足球機器人的視覺識別與視覺定位研究D .焦作:河南理工大學(xué),10薛婷, 孫梅. 類橢圓特征自動識別及亞像素提取的完整實現(xiàn)J.光電子 激光,1078. 2009. 2008, 19(8 :1076-1993:1361-1365. 200

18、9(3:1174-1176, 8 蘭海濱, 王平, 趙保軍. 基于色調(diào)空間的彩色圖像匹配算法J.計算機應(yīng)用研究, 15(6:406-414. 4 C HEN T C, CHUNG K L. An effi c ient random i zed a l gor it hm for detecti ng c i rc l es J.Co m pute r V i s i on and I m age U n 2004, 24(8 :(責(zé)任編輯 楊玉東科技論文量和單位使用中常見的問題a . 使用已廢棄的量名稱. 如比重、比熱、原子量、質(zhì)量百分比濃度等.b . 未使用國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的量符號. 如質(zhì)量符號不用m, 而用W , P 或Q 等; 用多個字母構(gòu)成一個量符號, 如用C H T 作 臨界高溫! 的符號.