基于機(jī)器視覺的鞋面畫線系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

李新豐

（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江溫州，325000）

0 引言

在制鞋縫線工藝中，需要在沖裁下來的鞋面上進(jìn)行畫線，工人再根據(jù)畫好的指導(dǎo)線進(jìn)行拼線縫紉。畫線是制鞋過程中的一道關(guān)鍵工序，其準(zhǔn)確度直接影響鞋面加工精度。當(dāng)前鞋面畫線通常由人工完成，主要依賴工人的經(jīng)驗與熟練度，但是人工畫線正面臨著人工成本不斷增加與效率低等挑戰(zhàn)[1]。機(jī)器視覺近年來以其檢測精度高、速度快等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中逐漸替代人做各種檢測與判斷[2]。本研究從制鞋的畫線環(huán)節(jié)入手，利用機(jī)器視覺模板匹配算法，根據(jù)鞋面輪廓自動配準(zhǔn)畫線軌跡，實現(xiàn)智能精準(zhǔn)畫線，促進(jìn)鞋加工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、高效化生產(chǎn)。

1 鞋面畫線系統(tǒng)樣機(jī)設(shè)計

畫線機(jī)的樣機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，畫線機(jī)機(jī)械系統(tǒng)主要包括皮帶傳送模塊、壓網(wǎng)、視覺采集模塊、伺服運動模塊、噴頭模塊等。皮帶傳送機(jī)將預(yù)先放好的鞋面沖裁件送進(jìn)工作區(qū)，壓網(wǎng)壓住鞋面防止產(chǎn)生偏移，視覺采集模塊再對工作臺面進(jìn)行拍照識別，伺服運動模塊再根據(jù)識別后的輪廓軌跡，將噴頭模塊移動到畫線軌跡上進(jìn)行噴涂畫線，最后傳送帶再將畫線加工好的鞋面送進(jìn)收料區(qū)。

圖1 鞋面畫線機(jī)機(jī)械系統(tǒng)

鞋面畫線機(jī)采用上位工控機(jī)+運動控制卡的模式進(jìn)行控制，攝像頭采集數(shù)據(jù)后傳輸?shù)缴衔还た貦C(jī)，工控機(jī)畫線軟件識別鞋面輪廓后得到畫線點位軌跡發(fā)送給運動控制卡，運動控制卡通過插補(bǔ)運動實現(xiàn)X、Y軸運動電機(jī)的運動規(guī)劃。另外噴射電磁閥、壓網(wǎng)氣缸、傳送帶電機(jī)的控制通過運動控制卡上的I/O接口實現(xiàn)邏輯控制，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 畫線機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 鞋面畫線視覺系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

鞋面畫線視覺系統(tǒng)主要解決鞋面工件經(jīng)傳送帶送入工作區(qū)后，攝像頭采集工作區(qū)的鞋面工件圖像后，系統(tǒng)能夠根據(jù)導(dǎo)入的鞋面輪廓設(shè)計圖樣，準(zhǔn)確識別鞋面工件的位置，進(jìn)而得到鞋面上需要畫線的路徑軌跡。這是典型的機(jī)器視覺工件定位識別應(yīng)用問題，其關(guān)鍵技術(shù)主要在于解決鞋面輪廓模板文件與目標(biāo)圖像匹配問題。

2.1 相機(jī)標(biāo)定

鞋面畫線機(jī)用于識別的鞋面輪廓為DXF格式設(shè)計文件，需要將鞋面的輪廓信息轉(zhuǎn)化到圖片像素坐標(biāo)系中，因此需要將鞋面DXF格式中的尺寸大小整體乘以單像素對應(yīng)物理尺寸大小，即可以將鞋面DXF文件用于識別圖像中的輪廓。由于畫線機(jī)采集的圖片是以像素為單位的，而實際的鞋面輪廓是物理世界的尺寸，因此需要建立相機(jī)坐標(biāo)與世界坐標(biāo)之間的換算關(guān)系，也就是單個像素對應(yīng)實際尺寸。相機(jī)標(biāo)定的主要作用是建立圖片像素坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間的關(guān)系[3]。

相機(jī)標(biāo)定過程中需要一塊標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)定板，標(biāo)定板上畫有5×5個相同大小和間隔的點，通過多次拍攝標(biāo)定板可以綜合獲得標(biāo)定板的像素尺寸，對照標(biāo)定板的實際尺寸即可獲得鞋面畫線機(jī)相機(jī)實際對應(yīng)的像素大小尺寸，進(jìn)而可以計算得到單個像素對應(yīng)的物理大小。其標(biāo)定原理的示意圖如圖3所示，相機(jī)處的xc-yc坐標(biāo)系是物理世界坐標(biāo)系，畫線機(jī)相機(jī)的高度是固定不動的，相機(jī)標(biāo)定采集的xcp-ycp坐標(biāo)系是標(biāo)定板的圖像坐標(biāo)系，由于已知標(biāo)定板兩個間隔的圓點實際物理尺寸,因而兩間隔點的像素尺寸處于物理尺寸即可得到單個像素對應(yīng)的物理尺寸。

圖3 相機(jī)標(biāo)定原理

2.2 圖像預(yù)處理

鞋面畫線機(jī)的關(guān)鍵是采集工作臺上的鞋面圖片，并對采集的圖像進(jìn)行處理，依據(jù)之前導(dǎo)入的鞋面DXF設(shè)計輪廓來識別畫線的軌跡，因此采集獲得的圖像質(zhì)量直接影響后續(xù)圖像處理的準(zhǔn)確度。機(jī)器視覺系統(tǒng)采集的圖像往往由于環(huán)境的影響會存在一定的噪點，需要對采集獲得的圖像進(jìn)行濾波處理來消除環(huán)境的干擾，同時畫線機(jī)主要根據(jù)鞋面工件的輪廓信息來識別定位工件位置，因此在消除圖像噪點后要重點提取鞋面工件的邊緣輪廓圖像用于工作定位目標(biāo)圖像。

常用的圖像濾波算法有均值濾波、中值濾波、高斯濾波等，不同的濾波算法都有各自的優(yōu)缺點[4]。均值濾波算法能夠有效的消除圖像采集后的噪聲特點，本文通過采用一個5×5的模板尺寸，卷積像素點周邊領(lǐng)域的像素值，得到本像素的像素值。均值濾波算法在一定程度上模糊了實際圖像使得削弱噪聲點的影響。

圖4 原圖

鞋面畫線機(jī)主要對工作區(qū)臺面上的鞋面輪廓信息，因此如何有效的提取鞋面輪廓邊緣信息至關(guān)重要。圖像邊緣檢測算子通常有Roberts算子、Sobel算子和拉普拉斯算子等，在樣機(jī)實際測試工作中發(fā)現(xiàn)，對均值濾波后的圖像再進(jìn)行Sobel邊緣信息提取能夠有效的得到鞋面的輪廓信息。

圖5 均值濾波處理+Sobel邊緣提取

2.3 模板匹配算法

鞋面畫線機(jī)采用模板匹配算法來定位工作區(qū)的鞋面位置。其主要原理是經(jīng)過相機(jī)標(biāo)定得到像素實際物理尺寸，進(jìn)而將鞋面DXF設(shè)計文件轉(zhuǎn)換為模板圖像用于查找鞋面輪廓信息,對拍攝的圖像進(jìn)行均值濾波處理后再以Sobel邊緣提取后的圖像作為目標(biāo)圖像。

常用的基于模板的圖像匹配算法有三種：基于灰度值的匹配、基于形狀的匹配和基于組件的匹配[5]。其中基于灰度值的匹配算法通過對比模板圖像與對象的灰度信息進(jìn)行匹配，匹配的效率高但容易受光照條件的影響；基于形狀的匹配算法是主要提取對象的輪廓特征，對于外界的環(huán)境因素相對不敏感，匹配的準(zhǔn)確度相對較高；基于組件的匹配算法往往應(yīng)用于識別兩個具有相互位置關(guān)系物體的情況，匹配的精準(zhǔn)度高但計算速度相對比較慢。綜合考慮識別精準(zhǔn)度與速度情況下，鞋面畫線機(jī)采用基于形狀匹配算法來是被鞋樣的輪廓。

畫線機(jī)模板匹配算法采用基于halcon圖像算法庫的算子來進(jìn)行定位算法設(shè)計。首先用read_contour_xld_dxf算子讀取DXF設(shè)計文件作為xld亞像素精度輪廓文件，再依據(jù)相機(jī)標(biāo)定所得的像素縮放矩陣用affine_trans_contour_xld算子對輪廓外形進(jìn)行縮放。然后再通過create_shape_model_xld算子創(chuàng)建鞋面輪廓外形的模板，由于鞋面放置是隨機(jī)的，因此模板設(shè)定角度為0~360度，并用get_shape_model_contours得到模板的輪廓信息。目標(biāo)圖像采用mean_image算子進(jìn)行均值濾波處理，再采用soble_amp算子進(jìn)行邊緣提取，最后通過find_shape_models算子匹配得到鞋面輪廓的行列與角度信息后，再用affin_trans_contour_xld算子可將模板輪廓外形仿射變換到實際的微機(jī)，即得到畫線的軌跡信息。鞋面模板匹配后如圖6所示，其中紅色線段后鞋面的輪廓線，鞋面上的藍(lán)色線段為畫線軌跡。

圖6 鞋面模板匹配結(jié)果

3 鞋面畫線系統(tǒng)軟件界面設(shè)計

鞋面畫線機(jī)在上位工控機(jī)上利用Visual C++ ΜF(xiàn)C框架編寫鞋面畫線系統(tǒng)軟件，用于集成控制相機(jī)采集、識別、運動控制等功能。畫線系統(tǒng)軟件主要功能界面主要包括相機(jī)拍攝參數(shù)設(shè)置界面、畫線操作主界面、生產(chǎn)模式設(shè)置界面、運動配置設(shè)置等，其軟件界面設(shè)計如圖7所示。相機(jī)拍攝參數(shù)設(shè)置界面位于左側(cè)一欄，主要包含原圖顯示區(qū)域以及拍攝參數(shù)設(shè)置功能；鞋面畫線系統(tǒng)軟件中間部分主要為畫線操作主界面，主要顯示鞋面輪廓匹配后的輪廓軌跡以及模板的編輯顯示；軟件界面的右側(cè)為生產(chǎn)模式設(shè)置界面與運動設(shè)置界面，生產(chǎn)模式設(shè)置界面的主要功能為對加工件次數(shù)進(jìn)行計數(shù)并設(shè)置是否連續(xù)加工。

圖7 鞋面畫線系統(tǒng)軟件界面

鞋面畫線系統(tǒng)軟件界面右側(cè)下方包含了運動設(shè)置界面與鞋樣導(dǎo)入界面，其中運動設(shè)置界面包含了伺服系統(tǒng)手動運行調(diào)試功能、傳送帶手動運行功能以及壓網(wǎng)氣缸等的手動調(diào)試設(shè)置界面；鞋樣導(dǎo)入界面主要用于導(dǎo)入顯示鞋面的DXF設(shè)計文件,圖7中可見運動設(shè)置界面，圖8中為鞋樣導(dǎo)入界面，其中紅色線條為鞋樣的外形輪廓，藍(lán)色線條為鞋面加工軌跡線條。由于傳送帶的底色為綠色，不同顏色與大小的鞋面進(jìn)行加工時，畫線系統(tǒng)的識別準(zhǔn)確率與正確率均會有所差異，因此需要綜合調(diào)整軟件參數(shù)，并配合工具欄上的模板編輯功能對鞋面進(jìn)行匹配加工。圖8所示即為對白色網(wǎng)面的鞋面加工時，需要調(diào)整以原圖的色度通道作為輸入圖像，并選取正確尺寸大小的鞋面設(shè)計輪廓作為設(shè)置模板，調(diào)試合適的參數(shù)后再用于生產(chǎn)，避免鞋面輪廓的漏識別。

圖8 鞋面畫線軟件識別案例

4 結(jié)語

本文以縫線制鞋工藝中的畫線環(huán)節(jié)為研究對象，對鞋面畫線機(jī)開展了樣機(jī)設(shè)計研究，利用機(jī)器視覺技術(shù)，智能識別鞋面輪廓并得到畫線軌跡。畫線系統(tǒng)視覺識別軟件需要對相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定后，再對鞋面輪廓工作臺面進(jìn)行拍照，得到的圖像進(jìn)行均值濾波處理后，再根據(jù)導(dǎo)入的鞋面設(shè)計DXF設(shè)計文件，通過形狀模板匹配算法識別鞋面的輪廓信息，進(jìn)而得到鞋面畫線的軌跡信息，使得鞋面縫線加工精度和生產(chǎn)效率實現(xiàn)進(jìn)一步提升。