[发明专利]一种基于图像处理的圆盘造球机生球尺寸监控系统及方法

权利要求书

1.一种基于图像处理的圆盘造球机生球尺寸监控系统，其特征在于：包括摄像设备、嵌入式图像处理器、球团抓取控制系统、球团抓取设备，所述的嵌入式图像处理器中包括灰度处理单元、滤波单元、阈值处理单元和圆检测单元，所述的摄像设备与嵌入式图像处理器连接，嵌入式图像处理器与球团抓取控制系统连接，所述的球团抓取控制系统控制所述的球团抓取设备动作；

所述的摄像设备采集圆盘造球机内造球过程中的RGB图像，并将图像传递给所述的嵌入式图像处理器；

所述的嵌入式图像处理器将采集到的图像通过灰度处理单元、滤波单元、阈值处理单元和圆检测单元来进行图像处理和图像检测，识别出造球过程中是否有超大球出现，当出现超大球时，向所述的球团抓取控制系统发送抓取信号；

所述的球团抓取设备包括支架、机械大臂、机械小臂和筛铲，所述的机械大臂与支架连接，机械大臂由电机驱动其在水平方向运动；机械大臂与机械小臂垂直连接，机械小臂由电机驱动其在垂直方向运动；机械小臂最下端设有筛铲，筛铲由电机驱动其收起与下放；当机械大臂运动到位后，机械小臂进行运动；在机械大臂和机械小臂上分别安置四个位置传感器：机械大臂设置左限位、右限位、抓取位A和卸料位A；机械小臂设置上限位、下限位、抓取位B和卸料位B；

所述的摄像设备设置在球团抓取设备的支架上；

所述的筛铲内部由多根铁条相间排列。

2.一种根据权利要求1所述的基于图像处理的圆盘造球机生球尺寸监控系统的监控方法，其特征在于包括如下步骤：

1)图像采集

通过摄像设备采集圆盘造球机内实时造球彩色图像，图像格式为RGB；

2)图像处理

将采集的RGB格式的图像传递给嵌入式图像处理器，通过其灰度处理单元将接收到的彩色图像进行灰度化处理变成灰度图像，像素的灰度值如式(1)所示：

Gray＝(R×299+G×587+B×114+500)/1000 (1)

其中R、G、B代表彩色图像的红、绿、蓝三个通道的颜色；将灰度图像传递给滤波单元，滤波单元将接收的灰度图像进行中值滤波去除噪声干扰，式(2)为中值滤波计算公式：

g(x,y)＝med{Gray(x-k,y-l),(k,l∈{-1,0,1})} (2)

其中Gray(x,y)为原始图像上(x,y)坐标点的灰度值，g(x,y)为处理后图像上(x,y)坐标点的灰度值，med是中值函数，该函数功能是将集合中的所有坐标点的灰度值按从大到小的顺序排列起来，形成一个数列，处于该数列中间位置的灰度值为函数返回值；由于光源的变化会对阈值处理单元的处理效果产生影响，设备运行前根据专家经验建立光源参照值与二值化阈值对应的专家知识库，设备运行时选取监控画面中的光源参考区域，计算此区域像素的灰度均值，将此灰度均值设为当前光源参照值，根据专家知识库自动寻找最接近的光源参照值所对应的二值化阈值来进行灰度图像的二值化处理；

3)生球检测

通过嵌入式图像处理器的圆检测单元将接收到的二值化图像进行所有圆形物体和似圆物体检测，当找到超出规定半径的超大球时系统产生抓取信号，圆检测单元的圆检测方法包括以下步骤：

3.1)在二值图像中，1代表目标点，0代表背景；这样一张M×N的图像可以表示为一个二维数组A[M][N]，满足式(3)的像素点定义为内部点：

A_i,j＝1且A_i-1,j+A_i,j-1+A_i+1,j+A_i,j+1＝4(i∈[1,M],j∈[1,N]) (3)

定义S₁为内部点集合，如式(4)所示：

S₁＝{(x,y)|A_i,j＝1,且A_i-1,j+A_i,j-1+A_i+1,j+A_i,j+1＝4,(i∈[1,M],j∈[1,N])} (4)

满足式(5)的像素点定义为边界点：

A_i,j＝1且1＜A_i-1,j+A_i,j-1+A_i+1,j+A_i,j+1＜4(i∈[1,M],j∈[1,N]) (5)

定义S₂为边界点集合，如式(6)所示：

S₂＝{(k,l)|A_i,j＝1,且1＜A_i-1,j+A_i,j-1+A_i+1,j+A_i,j+1＜4,(i∈[1,M],j∈[1,N])} (6)

定义数组D为内部点集S₁所有像素点相对边界点集S₂所有像素点的最短距离集合，如式(7)所示，其中S₁中任一像素点与S₂中任一像素点的欧式距离如式(8)所示；

D[x][y]＝min{disf[(x,y),(k,l)],(x,y)∈S1,(k,l)∈S2} (7)

3.2)定义D_row为行最大值数组，将数组D的每行最大值依次放入行最大值数组D_row，将行最大值数组转化为折线图，找出折线图中所有的波峰，则波峰值为圆的半径，该波峰值在D中对应的像素坐标为圆心坐标，其中圆心数量定义为n_row；定义D_col为列最大值数组，将数组D的每列最大值依次放入列最大值数组D_col，同理找出圆心和半径，圆心数量定义为n_col；通常情况求得的n_row＝n_col，当出现两球水平粘连和垂直粘连情况时所求得的n_row≠n_col，此时以圆心数量最多的一组为最终结果；

4)超尺寸大球取出

嵌入式图像处理器将抓取信号传递给球团抓取控制系统，球团抓取设备的筛铲运行至收起状态将超尺寸大球挖入筛铲中，带入的小球通过筛铲的缝隙落回圆盘造球机后，机械小臂从抓取位B运行至卸料位B，机械大臂从抓取位A运行至卸料位A，运行到位后筛铲运行至“下放状态”位，将超尺寸大球放入下道工序；机械大臂从卸料位A运行至抓取位A，机械小臂从卸料位B运行至抓取位B，其中卸料位A和卸料位B的位置根据下道工序的具体位置和机械尺寸设定。