基于機(jī)器視覺的金剛石原石檢測系統(tǒng)*

石廣豐, 王 雪, 王淑坤, 郭豐杰, 于大偉

(長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 長春 130022)

在開展金剛石原石加工前，對其加工的過程和結(jié)果進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計必不可少，原石檢測是設(shè)計前最重要的步驟[1-2]，檢測上的略微失誤都將導(dǎo)致整個設(shè)計方案失敗。隨著高新技術(shù)的發(fā)展，新的方法與設(shè)備逐漸被引入到了金剛石檢測環(huán)節(jié)中來。以色列、美國等率先研發(fā)出了在珠寶行業(yè)內(nèi)應(yīng)用的檢測設(shè)備[3]，其圖像檢測軟件雖然效果明顯，但成本過高。近年來，國內(nèi)眾多學(xué)者也對人造金剛石顆粒檢測進(jìn)行了研究。郭樹青等[4-7]通過數(shù)字圖像處理對片狀金剛石顆粒形貌、尺寸進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了對片狀金剛石顆粒的形狀、大小、凈度、透明度等參數(shù)的測量。但目前國內(nèi)研究者對金剛石原石檢測系統(tǒng)進(jìn)行的相關(guān)研究較少，國內(nèi)的大部分廠家仍采用較為落后的手段進(jìn)行檢測。

傳統(tǒng)的金剛石原石檢測分級每一步都需要專人使用專用的檢測工具進(jìn)行。金剛石的尺寸通常使用游標(biāo)卡尺、表盤卡尺、電子數(shù)顯卡尺進(jìn)行測量。金剛石的顏色測量是寶石學(xué)家使用精密儀器將鉆石放在白紙上，面朝下與一套比色石進(jìn)行比較。其外形檢測則需要10倍或更低倍率的放大鏡來完成。但僅靠寶石學(xué)家的眼睛進(jìn)行檢測分級容易出現(xiàn)誤差[8-10]。

因此，需開發(fā)出一套基于機(jī)器視覺的天然金剛石原石檢測系統(tǒng)，用來檢測金剛石的尺寸、形貌與顏色，并生成一個可自由視角顯示的天然金剛石原石三維模型，以減少檢測成本和人為誤差，并可以為后續(xù)的計算機(jī)輔助設(shè)計提供金剛石原石的三維模型。

1 試驗(yàn)原理

1.1 金剛石原石檢測系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

金剛石原石檢測系統(tǒng)原理如圖1所示。其主要由照明子系統(tǒng)、光學(xué)成像子系統(tǒng)、機(jī)械運(yùn)動子系統(tǒng)、圖像采集子系統(tǒng)以及計算機(jī)組成。照明子系統(tǒng)由光源及光源控制器組成。標(biāo)準(zhǔn)鉆石燈光源由2根15 W的色溫為5 000～6 500 K的熒光燈及一根波長為365 nm的長波紫外光管構(gòu)成。光學(xué)成像子系統(tǒng)由變焦鏡頭等組成。圖像采集子系統(tǒng)由1 800萬像素的CMOS和圖像采集卡構(gòu)成。機(jī)械運(yùn)動子系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)工作臺、底座和步進(jìn)運(yùn)動系統(tǒng)(步進(jìn)電機(jī)、51單片機(jī)、驅(qū)動控制器、led顯示屏)構(gòu)成。

檢測過程中，運(yùn)動控制子系統(tǒng)控制天然金剛石在指定位置以一定速度勻速旋轉(zhuǎn)，照明子系統(tǒng)、光學(xué)成像子系統(tǒng)、圖像采集子系統(tǒng)獲取圖像數(shù)據(jù)，并由計算機(jī)軟件進(jìn)行處理。

圖1 基于機(jī)器視覺的金剛石原石檢測原理圖

1.2 金剛石原石檢測系統(tǒng)的工作原理

金剛石原石的尺寸測量：通過CMOS相機(jī)獲取原石的圖像，隨后對圖像進(jìn)行預(yù)處理，通過測量程序?qū)Ρ粶y金剛石原石的圖像進(jìn)行各邊尺寸測量，生成尺寸模型。

金剛石的顏色分級：將金剛石原石特定位置的顏色均值(RGB)與在同一試驗(yàn)環(huán)境測得的金剛石比色石或比色卡的均值進(jìn)行對比，得到其顏色等級。

金剛石的形態(tài)檢測：通過識別圖片中金剛石的表面特征與其典型晶面熔蝕特征對比，判斷金剛石表面的(110)晶面和(111)晶面；再通過2種典型晶面面積的大小，確定其晶體類別(生長形態(tài)、過渡形態(tài)和熔解形態(tài))；最后將帶有尺寸、顏色與表面特征信息的金剛石二維圖片進(jìn)行三維重建，得到可交互的金剛石自由視角的三維顯示模型。

圖2為金剛石原石檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。通過圖像傳感器(CMOS)獲取被測物體圖像的模擬信號，再通過圖像采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換得到其數(shù)字信號，輸入到計算機(jī)，然后由開發(fā)的檢測軟件對被測物體進(jìn)行檢測。檢測軟件需要實(shí)現(xiàn)的功能包括獲取圖像并對圖像進(jìn)行預(yù)處理(包括：濾波除噪、圖像增強(qiáng))、直線圖元測量(測量金剛石各邊邊長)、交互式測量指定位置的顏色均值、晶面熔蝕特征對比、三維重建等。

圖2 金剛石原石檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 金剛石原石檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵算法

2.1 圖像預(yù)處理

由于圖片在拍攝的過程中有各種因素的影響，會使圖像與被測物體或原始圖像產(chǎn)生差異。因此，在圖像測量之前需要預(yù)處理，來降低噪聲的干擾。由于要測量物體輪廓邊緣的幾何信息，所以圖像的邊緣信息提取極為重要。一般物體和背景對比度較大，反映在圖像上是物體和背景的灰度差別較大，圖像直方圖將呈現(xiàn)較為明顯的雙峰型。因此，系統(tǒng)采用閾值法分割圖像[11-12]。

2.2 直線圖元測量算法

對于直線圖元，采取先逐行或逐列掃描的方法去除邊緣圖像中干擾的“毛刺”噪聲點(diǎn)，同時采用細(xì)化算法細(xì)化物體邊緣圖像。然后再對邊緣圖像利用最小二乘法進(jìn)行線性回歸分析后，得到其直線方程?？紤]到一些未能去除的干擾的噪聲點(diǎn)，所以在第一次線性回歸分析后，計算各點(diǎn)到擬合直線的距離，將距離大的離散點(diǎn)去除，然后再進(jìn)行一次校正線性回歸分析。

2.3 典型熔蝕圖元識別算法

對于金剛石切磨師而言，外形檢測不僅可以鑒定原石的真?zhèn)?，還可以幫助切磨師判斷加工取向，是原石檢測中不可或缺的步驟。由軟件對被測圖元進(jìn)行判斷，通過判別其熔蝕類型來確定金剛石各面的晶面，從而判斷其晶體形態(tài)(生長形態(tài)、過渡形態(tài)、熔解形態(tài))。不同晶面表現(xiàn)出的熔蝕痕跡各不相同[13]，如圖3。

典型的(111)晶面熔蝕痕跡有6種，如圖3a所示，分別為：1-底部銳利的倒三角蝕像；2-階梯狀下沉的平底倒三角蝕像；3-平底倒三角蝕像；4-正三角蝕像；5-截角倒三角蝕像；6-六邊形蝕像。(110)晶面熔蝕如圖3b，分別為：1-平行蝕紋像；2-網(wǎng)狀蝕紋像；3-趨(210)隆起曲線像；4-疊瓦狀蝕像；5-盤狀蝕像。(100)晶面的熔蝕為方形蝕像，如圖3c。

利用一種基于圖元特征的圖元自動識別算法判別晶面熔蝕[14]。先通過圖像處理識別圖形外部輪廓，接著找到內(nèi)部特征圖形的起始點(diǎn)。按照從左到右，從上到下的順序搜索，找到第一個輪廓點(diǎn)，定義為起始點(diǎn)，并將其存儲在圖形輪廓數(shù)組中。從起始點(diǎn)開始，在當(dāng)前搜索方向的基礎(chǔ)上逆時針旋轉(zhuǎn)90°，用同樣的方法依次找到各個輪廓點(diǎn)，并按照順序存儲在輪廓數(shù)組中。若全部搜尋完畢，能夠返回到最初的起始點(diǎn)，證明此圖元為封閉圖元，否則為非封閉圖元，從而最先篩選出(110)面熔蝕。

通過輪廓跟蹤獲取輪廓點(diǎn)數(shù)組后，再通過角度判別三角形、矩形和六邊形，即根據(jù)輪廓信息計算曲率，判別拐角點(diǎn)數(shù)目。具體判別方法為：要判別輪廓點(diǎn)數(shù)組中第ai點(diǎn)是否為拐角點(diǎn)，則選擇此點(diǎn)前后間隔為s的輪廓點(diǎn)，即分別找到第ai-s、ai+s2個點(diǎn)，s的大小經(jīng)驗(yàn)證選4～6個點(diǎn)效果較好。將ai-s，ai，ai+s3個點(diǎn)組成三角形，采用反余弦定理，可計算3點(diǎn)在ai點(diǎn)出構(gòu)成的夾角。計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

將計算的角度θi與規(guī)定的閥值T比較，若小于T，如公式(7)所示，則判定ai是拐角點(diǎn)。

有2個拐點(diǎn)，判別為三角形，為(111)晶面熔蝕；有3個拐點(diǎn)為矩形，為(100)晶面熔蝕；有5個拐點(diǎn)，判別為六邊形，為(110)晶面熔蝕。

2.4 指定區(qū)域的顏色均值算法

金剛石原石的顏色根據(jù)晶體表面的不同形態(tài)(生長形態(tài)、過渡形態(tài)、熔解形態(tài))進(jìn)行分級，如圖4所示。因此，機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)顏色分級時不能簡單計算整個金剛石原石的顏色均值(RGB)，而是根據(jù)形態(tài)檢測判定后，對不同類型的金剛石原石采用不同部位的顏色均值(RGB)再進(jìn)行比較。

交互式選取指定位置圖形，并計算此圖形的顏色均值(RGB)，編寫圖像測量程序。測量算法為——

選取圖中任意2點(diǎn)p1(x1,y1),p2(x2,y2)，通過2點(diǎn)在圖片上取1個矩形，其長、寬分別為：

q=x2-x1,w=y2-y1

(5)

提取該矩形的所有顏色信息，構(gòu)成3個矩陣：

(6)

矩陣中每個元素的值為：

rnm=image(x1+n-1,y1+m-1,1)

gnm=image(x1+n-1,y1+m-1,2)

(7)

bnm=image(x1+n-1,y1+m-1,3)

其中，n∈[1,w]、m∈[1,q]，image表示儲存此幅圖片信息的文件名稱。圖像的顏色信息由R、G、B矩陣構(gòu)成，這3個矩陣的值分別存儲在圖像的1、2和3矩陣通道中。因此此式中的rnm為圖像image中第一通道矩陣坐標(biāo)點(diǎn)(x1+n-1,y1+m-1)存儲的值。gnm為圖像image中第二通道矩陣坐標(biāo)點(diǎn)(x1+n-1,y1+m-1)存儲的值。bnm為圖像image中第三通道矩陣坐標(biāo)點(diǎn)(x1+n-1,y1+m-1)存儲的值。

2.5 金剛石原石的三維重建

重建步驟為：(1)對采集到的圖片序列利用中值濾波去除噪聲，并利用Canny算子檢測每幅圖片中物體的邊緣輪廓；(2)由于實(shí)際測量過程有一定程度的誤差，通過Hough變換對這些近似于直線的零散點(diǎn)做直線檢測，得出直線方程參數(shù)[15]；(3)應(yīng)用LOWE[16]提出的SIFT方法找出各幅圖片中的匹配點(diǎn)，進(jìn)行兩兩匹配；(4)基于Levenberg-Marquardt算法的Bundler匹配結(jié)果，利用射影定理計算得到相機(jī)的位置場景信息，再結(jié)合PMVS 算法將場景信息與原始照片結(jié)合在一起，得到照片中物體的三維點(diǎn)云[17]；(5)用泊松表面重建算法[18]把這些點(diǎn)連成面，最終形成金剛石原石的三維模型。

3 結(jié)果與討論

3.1 比例尺設(shè)定

影像的測量過程需將測到的像素值換算成毫米，而在不同的放大倍率下像素所代表的被測物體長度不同，需調(diào)整比例尺。通常的做法是用標(biāo)定板(即刻有不同尺寸正方形的白色圓板)在不同放大倍數(shù)下對標(biāo)定板進(jìn)行像素值測量，實(shí)際尺寸與像素值的比值即為比例尺數(shù)值。對同一標(biāo)準(zhǔn)板上的圖像像素長度測量如圖5所示。

表1為比例尺測量結(jié)果。在同一放大倍數(shù)下，測量了8組不同正方形的像素和物長，計算出其比例尺平均值為0.004 58 mm/px，由公式(8)得出其測量精度3σ為0.5 μm。

(8)

圖5 比例尺設(shè)定試驗(yàn)

表1 系統(tǒng)比例尺的標(biāo)定結(jié)果

3.2 金剛石原石檢測結(jié)果

將得到的比例尺輸入到程序中進(jìn)行金剛石原石尺寸測量。點(diǎn)擊尺寸檢測按鈕，即可利用檢測軟件中的圖元測量程序測量金剛石各邊尺寸，金剛石各邊邊長測量結(jié)果如表2所示。根據(jù)測量的邊長結(jié)果生成金剛石原石的尺寸模型，如圖6所示。

表2 金剛石各邊邊長測量結(jié)果

圖6 金剛石原石的尺寸模型

金剛石原石的形態(tài)檢測如圖7所示。圖7中，通過圖元自動識別算法捕獲到了金剛石晶體表面存在正三角形熔蝕與平行蝕紋，即可判斷此試驗(yàn)用金剛石的表面由(111)晶面和(110)晶面組成，晶體表面(111)的面積是(110)面積的2.541倍。結(jié)果表明此試驗(yàn)用金剛石為早期過渡形態(tài)金剛石。

圖7 金剛石原石的外形檢測

根據(jù)形態(tài)檢測得到的結(jié)果，交互式選取金剛石指定區(qū)域圖形，運(yùn)行顏色檢測程序，計算此區(qū)域內(nèi)顏色的均值(RGB)，得到R為241、G為233、B為227。對比在同一試驗(yàn)條件下測得的比色石的顏色均值，表明此試驗(yàn)用金剛石原石沒有達(dá)到鉆石級別的顏色要求，為工業(yè)級金剛石原石。

3.3 金剛石可自由視角顯示的三維模型

選擇由硬件平臺采集到的144幅金剛石原石旋轉(zhuǎn)一周的圖像序列，運(yùn)行三維重建程序，即可得到可以自由視角顯示的金剛石原石的三維模型，如圖8所示。表明此系統(tǒng)可以為后續(xù)計算機(jī)輔助設(shè)計提供金剛石原石的三維模型。

圖8 金剛石原石的三維模型

4 結(jié)論

將金剛石原石的尺寸檢測、外形檢測、顏色檢測以及金剛石原石的三維重建等功能集為一體，開發(fā)了基于機(jī)器視覺的金剛石原石檢測系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：尺寸檢測模塊中比例尺精度為0.5μm，圖元的測量精度在微米級。外形檢測可以判別金剛石晶體表面熔蝕及晶體形態(tài)，判斷試驗(yàn)用金剛石顏色等級并生成可自由視角顯示的金剛石原石的三維模型。該系統(tǒng)可減少人為誤差，為后續(xù)的計算機(jī)輔助設(shè)計提供金剛石原石的三維模型。由于此系統(tǒng)為自主研發(fā)，因此所需成本僅為硬件成本，成本不足購買國外同類產(chǎn)品價格的十分之一。