黨士許　李　磊　張志鴻

(鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院　鄭州　450001)

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基于改進(jìn)亞像素邊緣提取的一種異性纖維檢測(cè)方法*

黨士許李磊張志鴻

(鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院鄭州450001)

摘要為了提高異性纖維檢測(cè)的時(shí)效、精確性,降低誤檢率,論文提出一種基于改進(jìn)的亞像素邊緣檢測(cè)技術(shù)上的異性纖維檢測(cè)方法,首先以多結(jié)構(gòu)元素的改進(jìn)的形態(tài)學(xué)算子對(duì)采集的圖像進(jìn)行像素級(jí)邊緣提取,然后利用三鄰域的非極大值抑制方法抑制初步提取時(shí)膨脹的邊緣以及去除誤檢測(cè)的小范圍棉花邊緣,最后使用基于Zernike矩的亞像素邊緣檢測(cè)方法進(jìn)行亞像素級(jí)細(xì)化檢測(cè)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,文中的方法對(duì)各種常見噪聲都具有抗噪濾噪能力強(qiáng)、計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn),能夠快速準(zhǔn)確地識(shí)別高速棉流中的異性纖維,滿足生產(chǎn)中異性纖維揀出的性能需求。

關(guān)鍵詞棉花異性纖維; 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué); 非極大值抑制; 亞像素; 邊緣檢測(cè); Zernike矩

Class NumberTP391.41

1　引言

棉花由于采摘、運(yùn)輸?shù)冗^程中的問題,往往存在各種異性纖維,其目標(biāo)小、種類多,早期的棉紡行業(yè)中主要采用人工分揀法剔除異性纖維,檢測(cè)結(jié)果主要依賴于分揀人員的主觀意向,而且人工成本較高,人員的效率也是一個(gè)問題[1]。近年來(lái)機(jī)器視覺相關(guān)領(lǐng)域的高速發(fā)展,利用機(jī)器視覺相關(guān)技術(shù)在開松棉花的過程中對(duì)高速棉流進(jìn)行異性纖維檢測(cè)的方法逐漸發(fā)展。各國(guó)的相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者對(duì)于圖像識(shí)別技術(shù)在棉花異性纖維分揀中的應(yīng)用都有所研究,這些研究的早期檢測(cè)技術(shù)大多采用基于色差分析的方法或者采用灰度閾值法識(shí)別目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)定位[2],此種方法需要分析大量數(shù)據(jù),效率低下、誤檢率也較高,對(duì)于目前越來(lái)越追求高速高精度的檢測(cè),適用性不高。隨后,丁天懷等選用紅外光源照明,根據(jù)棉纖維與異性纖維的紅外波段吸收特性來(lái)實(shí)現(xiàn)異性纖維識(shí)別,但其硬件需求復(fù)雜不易實(shí)現(xiàn)[3];李國(guó)輝等提出了基于不規(guī)則成像機(jī)器視覺的棉花白色異性纖維檢測(cè)算法,對(duì)于白色纖維識(shí)別效果較好,但是有一定的局限性,在擴(kuò)展到其他種類異性纖維上存在困難[4]。而隨著圖像處理技術(shù)中邊緣檢測(cè)技術(shù)的突飛猛進(jìn),使用邊緣檢測(cè)相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)異性纖維檢測(cè)迅速發(fā)展起來(lái),林寧等的基于數(shù)字圖像處理的棉花異性纖維檢測(cè)研究,利用拉普拉斯算子相關(guān)進(jìn)行處理,但拉普拉斯算子實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜,且對(duì)部分其他類型異性纖維處理效果不明顯[5]。因此為了實(shí)現(xiàn)在各類異性纖維檢測(cè)中都有較好的結(jié)果、降低棉花錯(cuò)誤分檢率,同時(shí)更要易于實(shí)現(xiàn),本文提出了在一種改進(jìn)的亞像素邊緣檢測(cè)技術(shù)上的異性纖維檢測(cè)方法。

2　多結(jié)構(gòu)元素形態(tài)學(xué)預(yù)處理

2.1形態(tài)學(xué)邊緣檢測(cè)算子

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)是一種非線性的圖像處理理論,以幾何學(xué)為基礎(chǔ),著重研究圖像的幾何結(jié)構(gòu),利用一定形態(tài)的結(jié)構(gòu)元素來(lái)度量和提取圖像中對(duì)應(yīng)的幾何結(jié)構(gòu)[6]。較傳統(tǒng)的算法,形態(tài)學(xué)變換操作簡(jiǎn)單,運(yùn)算快并且,數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算子能在不破壞圖像原有信息的基礎(chǔ)上濾除噪聲,這非常有利于進(jìn)行圖像分析,包括邊緣檢測(cè)[7]。

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的基本運(yùn)算包括膨脹(⊕)、腐蝕(Θ)和開(°)、閉(·),在這些運(yùn)算上產(chǎn)生了3種典型的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)邊緣檢測(cè)算子[8]:腐蝕型邊緣提取算子、膨脹型邊緣提取算子、膨脹腐蝕型邊緣提取算子,這三種算子都是一種非線性差分算子,但是處理圖像之后依然會(huì)有噪聲存在。

對(duì)于形態(tài)學(xué)算子的改進(jìn),楊述斌等提出了一種改進(jìn)的形態(tài)學(xué)邊緣檢測(cè)算子,假設(shè)E為結(jié)構(gòu)元素,B為灰度圖像,R為邊緣提取結(jié)果[9]:

R(B)=(E°B)⊕E-(E·B)ΘE

(1)

這種形態(tài)學(xué)算子已經(jīng)有了較好的效果,可以有效抑制噪聲,但是由于隨機(jī)噪聲的不確定性,檢測(cè)結(jié)構(gòu)元素單一并不能產(chǎn)生很好的效果,魏本征等在此基礎(chǔ)上提出了一種使用十字形和交叉形兩種形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素,然后進(jìn)行加權(quán)組合的改進(jìn)形態(tài)學(xué)梯度濾波算子[10]:

R1(B)=(E1°B)⊕E1-(E1·B)ΘE1

(2)

R2(B)=(E2°B)⊕E2-(E2·B)ΘE2

(3)

R(B)=α1R1(B)+α2R2(B)α1,α2為加權(quán)系數(shù)

(4)

2.2多結(jié)構(gòu)元素改進(jìn)形態(tài)學(xué)算子

在實(shí)際應(yīng)用中,在生產(chǎn)環(huán)境下通過高速線陣3 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)相機(jī)對(duì)高速棉流大量采樣,共采樣含有異性纖維的圖片22000余張,通過對(duì)圖片分析可以發(fā)現(xiàn)高速棉流中異性纖維的形態(tài)、結(jié)構(gòu)等是多種多樣的,較為普遍的異性纖維見圖1。

圖1　異性纖維形態(tài)圖

魏本征等采用的兩種形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素對(duì)形態(tài)學(xué)梯度濾波算子進(jìn)行的改進(jìn),在這種情況下僅能適用于異性纖維呈現(xiàn)線性形態(tài)的幾種異性纖維形態(tài),對(duì)于一些非線性形態(tài)的幾種異性纖維的檢測(cè)效果不好,本文對(duì)其改進(jìn)形態(tài)學(xué)算子做了進(jìn)一步的改進(jìn),使算法具有更好的適用性。

本文考慮對(duì)結(jié)構(gòu)元素從多結(jié)構(gòu)、多尺度及多方向這三個(gè)方面來(lái)進(jìn)行改進(jìn):對(duì)于結(jié)構(gòu)元素的選取,應(yīng)該盡可能使結(jié)構(gòu)元素和圖像待測(cè)形狀相似,但是要小于待檢測(cè)異性纖維的大小;結(jié)構(gòu)元素的尺寸應(yīng)該大于噪聲大小,尺度也不能太大,因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)元素的尺度正比于檢測(cè)時(shí)間;同時(shí)使用多種結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行組合增加檢測(cè)到的細(xì)節(jié),考慮到待測(cè)物的方向各異,選取的結(jié)構(gòu)元素應(yīng)考慮到方向性。最終測(cè)試使用三個(gè)結(jié)構(gòu)元素,一個(gè)水平向E1、一個(gè)垂直向E2和一個(gè)近似空心圓形結(jié)構(gòu)元素E3:

(5)

分別使用三個(gè)結(jié)構(gòu)元素E1、E2、E3代入式(2)進(jìn)行運(yùn)算之后,對(duì)運(yùn)算后得到的三個(gè)結(jié)果R1(B)、R2(B)、R3(B)賦予不同的權(quán)值α1、α2、α3之后,進(jìn)行加權(quán)的融合計(jì)算,通過計(jì)算之后可以得到像素級(jí)的形態(tài)學(xué)邊緣矩陣R(B):

R(B)=α1R1(B)+α2R2(B)+α3R3(B)

(6)

其中,α1,α2,α3為加權(quán)系數(shù)。

3　三鄰域非極大值抑制

使用形態(tài)學(xué)相關(guān)的算子進(jìn)行處理之后,必然會(huì)產(chǎn)生檢測(cè)到的異性纖維邊緣輪廓有一定的膨脹,這是由于形態(tài)學(xué)的基礎(chǔ)理論使然;同時(shí),在采樣過程中,高速棉流圖像會(huì)出現(xiàn)與背景融合度不高的現(xiàn)象,造成棉流圖像的邊緣值較大,在使用多結(jié)構(gòu)元素形態(tài)學(xué)方法初步提取像素級(jí)邊緣時(shí)可能會(huì)將部分高速棉流的邊緣檢測(cè)出來(lái),這樣會(huì)造成異性纖維的誤檢測(cè)。為了得到準(zhǔn)確的異性纖維邊緣,剔除誤檢測(cè)的小部分棉流邊緣,因此需要對(duì)初步提取到的形態(tài)學(xué)邊緣矩陣進(jìn)行一定的處理,然后才能進(jìn)行最后的細(xì)化檢測(cè)。

N鄰域的非極大值抑制處理可以有效地應(yīng)對(duì)存在偽邊緣的情況,由于已經(jīng)提前做了一定的處理,一維的3鄰域的非極大值抑制對(duì)形態(tài)學(xué)邊緣矩陣進(jìn)行處理就可以實(shí)現(xiàn)很好的效果。假定形態(tài)學(xué)邊緣矩陣為I(W,H),式中W為圖像矩陣寬度,H為圖像矩陣高度,Temp(W,H)為臨時(shí)數(shù)據(jù)矩陣,則如果當(dāng)前點(diǎn)I(i,j)的值大于左側(cè)的點(diǎn)I(i,j-1)以及右側(cè)的點(diǎn)I(i,j+1),則該點(diǎn)為極大值點(diǎn);如果當(dāng)前點(diǎn)I(i,j)不滿足同時(shí)大于左側(cè)的點(diǎn)I(i,j-1)以及右側(cè)的點(diǎn)I(i,j+1),當(dāng)前點(diǎn)不為極大值點(diǎn),則將其對(duì)應(yīng)臨時(shí)矩陣的值進(jìn)行抑制。3鄰域模板如下:

圖2　3鄰域模板

對(duì)形態(tài)學(xué)邊緣矩陣為I(W,H)進(jìn)行3鄰域非極大值抑制算法如下:

算法11D 3鄰域非極大值抑制

i←1,j←1;

whilei

ifI(i,j)>I(i,j+1) then

ifI(i,j)>I(i,j-1) then

Maximum At(I(i,j));

Temp(i,j)←I(i,j);

Temp(i,j+1)←0;

j=j+2;

else

Temp(i,j)←0;

Temp(i,j+1)←0;

j=j+2;

else

Temp(i,j)←0;

j=j+1;

經(jīng)過3鄰域非極大值抑制的方法,對(duì)于零星的檢測(cè)到的邊緣點(diǎn)進(jìn)行抑制,同時(shí)對(duì)膨脹的邊緣輪廓也進(jìn)行了抑制,這樣重新產(chǎn)生一個(gè)包含邊緣信息的圖像矩陣,然后再進(jìn)行亞像素級(jí)的檢測(cè),就可以避免局部的零星高速棉流的邊緣,有效降低檢測(cè)的誤差。

4　亞像素級(jí)邊緣檢測(cè)

在進(jìn)行過三鄰域非極大值抑制后,進(jìn)行亞像素級(jí)邊緣檢測(cè),獲取更細(xì)化精確的邊緣結(jié)果。亞像素級(jí)的邊緣檢測(cè)方法中綜合考慮到執(zhí)行的時(shí)效性和計(jì)算量,基于矩的方法中Zernike矩效果較為理想。

Zernike矩具有正交性,計(jì)算量較小,基于Zernike矩的亞像素邊緣檢測(cè)主要利用了Zernike矩的旋轉(zhuǎn)不變性,通過三個(gè)Zernike矩Z00、Z11以及Z20計(jì)算出在理想邊緣模型下檢測(cè)邊緣所需的4個(gè)參數(shù):背景灰度值h、躍階高度k、圓盤中心到邊緣的垂直距離l和垂線與x軸的夾角φ[11]。

圖3　理想邊緣模

離散情況下7*7的Zernike矩Z00、Z11以及Z20的模板系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1～表4[12]。

表1　Z00的模板M00

表2　Z11實(shí)數(shù)模板M11

表3　Z11的虛數(shù)模板1

表4　Z20的模板M20

5　實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

采樣環(huán)境:在多家棉紡織廠區(qū)內(nèi),采用3 CMOS線陣相機(jī),線速率為16180 Line/s,采樣圖像位寬3*8 bit,采樣圖片大小4096*50 pixel,使用標(biāo)準(zhǔn)Camlink接口連接圖像采集卡進(jìn)行圖像存儲(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境為:Windows 7操作系統(tǒng);CPU:Intel Core i5-3470 3.2GH;內(nèi)存:4GB。

為了驗(yàn)證改進(jìn)方法在檢測(cè)異性纖維上的性能,使用Matlab R2012b編寫相關(guān)算法,對(duì)采樣得到的圖片進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)。

5.1檢測(cè)效果

分別進(jìn)行了三組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比檢測(cè),驗(yàn)證改進(jìn)方法在各方面的效果。

第一組實(shí)驗(yàn)主要對(duì)比改進(jìn)的形態(tài)學(xué)算子在處理噪聲方面的效果,分別使用傳統(tǒng)的Canny邊緣檢測(cè)算法、基于空間矩的亞像素邊緣檢測(cè)方法以及本文的改進(jìn)形態(tài)學(xué)方法。

為了驗(yàn)證改進(jìn)方法抗噪、濾噪的性能,首先對(duì)采樣得到現(xiàn)場(chǎng)圖片,分別添加了各種噪聲,由于原圖較大,取高速棉流中異性纖維相關(guān)部分放大如圖4所示。

圖4　高速棉流中異性纖維部分放大圖片

檢測(cè)效果如圖5所示。

圖5　對(duì)椒鹽噪聲檢測(cè)效果對(duì)比圖

對(duì)于加入椒鹽噪聲的圖像,傳統(tǒng)的Canny算法檢測(cè)的效果受到噪聲的影響較大,檢測(cè)到較多的噪點(diǎn),沒有檢測(cè)到清晰的異性纖維邊緣;基于空間矩的亞像素方法已經(jīng)能夠檢測(cè)到異性纖維邊緣了,但是存在較多的噪點(diǎn),噪點(diǎn)數(shù)目相對(duì)Canny算法有所減小;本文的改進(jìn)形態(tài)學(xué)算子處理之后的檢測(cè)效果不受椒鹽噪聲的影響,能夠檢測(cè)出清晰的異性纖維的邊緣形狀。

圖6　對(duì)高斯噪聲檢測(cè)效果對(duì)比圖

對(duì)于加入高斯噪聲的圖像,Canny算法檢測(cè)的效果受到高斯噪聲的影響很大,沒有檢測(cè)到邊緣的存在,檢測(cè)結(jié)果沒有意義;基于空間矩的亞像素方法也受到了高斯噪聲的一定影響,檢測(cè)到模糊的邊緣,噪點(diǎn)存留過多;本文的改進(jìn)形態(tài)學(xué)算子處理之后的檢測(cè)效果受到高斯噪聲微弱影響,能夠檢測(cè)出清晰的異性纖維的邊緣形狀,但留存有少量的噪點(diǎn)。

圖7　顆粒噪聲檢測(cè)效果對(duì)比圖

對(duì)于加入顆粒噪聲的圖像,Canny算法檢測(cè)的效果圖像模糊,沒有發(fā)現(xiàn)檢測(cè)到的邊緣;基于空間矩的亞像素方法檢測(cè)到的邊緣一側(cè)模糊、不連續(xù),存在大量噪點(diǎn);本文的改進(jìn)形態(tài)學(xué)算子處理之后的檢測(cè)效果在處理顆粒噪聲上相較其他方法有較好的效果,但是也檢測(cè)到了部門噪點(diǎn),且邊緣連續(xù)性一般。

綜合第一組對(duì)于三種不同噪聲的檢測(cè)效果對(duì)比圖,可以驗(yàn)證多結(jié)構(gòu)元素的改進(jìn)性形態(tài)學(xué)算子在異性纖維檢測(cè)中對(duì)于各類噪聲都有很好的抗噪、濾噪能力,能夠有效地提高后續(xù)異性纖維邊緣細(xì)化檢測(cè)的效果。

第二組實(shí)驗(yàn)主要目的驗(yàn)證三鄰域非極大值抑制方法在消除噪點(diǎn)以及收縮形態(tài)學(xué)處理中膨脹邊緣的效果,以添加了2%椒鹽噪聲之后的圖片作為處理對(duì)象,在第一步處理中全部使用了改進(jìn)的形態(tài)學(xué)算子,第二步進(jìn)行區(qū)分,圖8(a)不使用三鄰域的非極大值抑制,直接進(jìn)行亞像素級(jí)邊緣檢測(cè),圖8(b)使用了分別使用了三鄰域的非極大值抑制后再進(jìn)行亞像素級(jí)邊緣檢測(cè)。

最終的檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖8第二組檢測(cè)效果圖

分析第二組效果圖中圖8(a)可以發(fā)現(xiàn),在未經(jīng)過三鄰域非極大值抑制時(shí),檢測(cè)到的邊緣圖像相對(duì)與圖8(b)有明顯的膨脹,邊緣周邊及內(nèi)部存在有離散的邊緣點(diǎn),而且圖像中存在少量零星的噪點(diǎn);圖8(b)中的邊緣則較為清晰,較為連續(xù),沒有噪點(diǎn)的存在。因此可以驗(yàn)證三鄰域的非極大值抑制在異性纖維邊緣檢測(cè)過程中有較好的抑制膨脹邊緣以及噪點(diǎn)的效果。

綜合以上兩組實(shí)驗(yàn),改進(jìn)性的方法在檢測(cè)過程中結(jié)合多結(jié)構(gòu)元素的改進(jìn)形態(tài)學(xué)算子和三鄰域非極大值抑制,再進(jìn)行亞像素級(jí)邊緣檢測(cè),最后檢測(cè)到的異性纖維的邊緣形狀基本吻合實(shí)際異性纖維形狀、輪廓清晰,檢測(cè)效果很好。通過對(duì)大量檢測(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)對(duì)比,在高速棉流中對(duì)異性纖維的誤檢率較低。

5.2時(shí)間效率

在算法的執(zhí)行時(shí)間效率上,對(duì)多副圖像分別使用了以下幾種算法執(zhí)行檢測(cè),傳統(tǒng)的Canny算法使用Matlab內(nèi)置函數(shù),基于空間矩的亞像素檢測(cè)使用Spatial 5*5的模板進(jìn)行,最小二乘法擬合通過編程實(shí)現(xiàn),通過多次運(yùn)行統(tǒng)計(jì)出每種算法的平均執(zhí)行時(shí)間,比對(duì)如表5所示。

表5　幾種邊緣檢測(cè)算法對(duì)比

從表中可以發(fā)現(xiàn),本文的方法在執(zhí)行時(shí)間上與基于空間矩的方法時(shí)間上相差較小,但是本文的方法檢測(cè)效果要優(yōu)于基于空間矩的檢測(cè)方法;對(duì)比其他算法,在時(shí)間效率上具有優(yōu)勢(shì),較其他方法的檢測(cè)時(shí)間短。本文這種方法的時(shí)間效率在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中也是可以接受的。

6　結(jié)語(yǔ)

本文通過分析高速棉流中的異性纖維的形態(tài),針對(duì)性的研究出三個(gè)不同的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素融合進(jìn)行改進(jìn)的形態(tài)學(xué)邊緣檢測(cè)算子,然后再經(jīng)過三鄰域的非極大值抑制的方法抑制形態(tài)學(xué)檢測(cè)后的膨脹邊緣以及去除初步檢測(cè)中的檢測(cè)誤差產(chǎn)生的噪點(diǎn),最后使用了基于Zernike矩的亞像素檢測(cè)方法進(jìn)行亞像素級(jí)的邊緣檢測(cè)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這種改進(jìn)的處理方法十分有效,很好地結(jié)合了改進(jìn)的形態(tài)學(xué)算子與非極大值抑制、Zernike矩的優(yōu)點(diǎn),具備了較強(qiáng)的抗噪性,計(jì)算量較小且又具有亞像素級(jí)的精確定位能力,檢測(cè)出的異性纖維邊緣較為準(zhǔn)確,對(duì)于異性纖維的誤檢率較低。

本文的檢測(cè)方法也有一定的局限性,這種檢測(cè)方法對(duì)于硬件環(huán)境有一定的要求,高速相機(jī)在采圖中使用的背景板要求與棉花的圖像融合度比較高,可以考慮在后續(xù)的改進(jìn)中加入FPGA芯片進(jìn)行一定的圖像處理,去除對(duì)采圖環(huán)境的外界依賴。

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收稿日期:2015年10月13日,修回日期:2015年12月3日

作者簡(jiǎn)介:黨士許,男,碩士研究生,研究方向:智能化信息處理。李磊,男,博士,研究方向:計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。張志鴻,男,教授,研究方向:智能化信息處理。

中圖分類號(hào)TP391.41

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.04.008

A Foreign Fiber Detection Method Based on an Improved Sub Pixel Edge Detection

DANG ShixuLI LeiZHANG Zhihong

(College of Information Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou450001)

AbstractTo improve the accuracy of detecting foreign fibers and the time efficiency, reduce the false detection rate, a foreign fiber detection method based on improved sub pixel edge detection is proposed. At first the captured images from camera is preprocessed through an improved morphology operator, acquire preliminary marginal texture detailed images on the pixel level. Then three neighborhood non-maximum suppression method is used to remove small area cotton edge with detection errors. Finally thinning detection is conducted by sub pixel edge detection method based on Zernike moment. The experiment proves that this method has powerful noise resistance and denoising ability, fast calculation and other advantages, it can quickly and accurately identify foreign fiber in high-speed cotton flow and meet the performance requirements in actual production.

Key Wordscotton foreign fiber, morphology, sub pixel, non-maximum suppression, edge detector, Zernike moment