摘要:圖像邊緣提取是基于機器視覺的光學玻璃精密切割的前提和基礎。通過Sobel、Roberts、Prewitt、LOG、Canny傳統算法分別對光學玻璃切割中的圖像進行邊緣提取，發現這些算法均無法有效解決邊緣線型連續性和去噪問題。在此基礎上，引入了數學形態學理論，對圖像依次進行閉合運算、Otsu閾值處理、輪廓提取，從而獲得了連續、平滑、無噪點的光學玻璃切割輪廓曲線圖，且峰值信噪比相對較高，仿真實驗證明了該方法的有效性。

　　關鍵詞:機器視覺;圖像邊緣提取;形態學;光學玻璃切割

　　0引言

　　數學形態學是一種基于元素形狀、大小和方向等的空間結構非線性分析理論[1]，其在近些年逐漸應用于圖像處理和機器視覺等領域，并成為圖像邊緣提取研究的熱點[2-5]。光學玻璃廣泛使用于諸如軍事潛艇、航天航空和光學儀器等重要領域，因此切割的精確化程度是光學玻璃應用效果的關鍵之一。然而，目前仍存在大量的僅憑經驗的人工切割，造成如崩邊、裂紋、切割不均等現象的高廢品率。為實現光學玻璃切割的自動化，機器視覺的引入將有望解決這一難題，而邊緣提取是這一工作的前提和基礎。

　　在圖像處理中，邊緣提取的算法較多，應用領域較廣，一些學者針對軍事、醫學和微生物組織等領域的圖像邊緣提取進行了算法研究并取得了豐碩成果[6-9]。其中，焊縫及裂縫等的提取一直是學者關注的焦點。對于焊縫而言，傳統Sobel算子的提取速度雖然較快但其抗噪效果不佳，因此，李靜等[10，11]采用Sobel變換進行粗定位后，再利用貪婪Snake模型或Canny算子進行精確的定位，提高了邊緣提取的精度;申俊琦等[12]通過對Roberts、Sobel、Canny、LOG算子和典型數學形態學算子的比較發現，這5種算法的邊緣提取效果仍不精確，而采用抗噪膨脹腐蝕型算子可獲取到更為清晰的焊縫邊緣。

　　此外，建筑中混凝土表面裂縫的檢測也可通過圖像提取的方式獲得，相較于人工檢測更為精確。DorafshanS等[13，14]分別采用Robrts、Prewitt、Sobel、LapacianofGaussian、Butterworth、Gaussian和DCNN算子進行了裂紋檢測，而應用DCNN和FSM算法不僅可檢測到更細微的裂紋，而且計算時間較短。目前，學者對光學玻璃切割的研究主要集中在切割的硬件及其工藝的研制中[15-18]，而針對切割過程中圖像的邊緣提取研究較少，因此，本文采用結構光的方式獲取玻璃條料的橫截面輪廓圖，結合灰度直方圖對圖像進行均值濾波，在對比分析6種邊緣提取算法的基礎上，找到一種適合光學玻璃切割圖像的邊緣提取算法。

　　1光學玻璃橫截面輪廓的采集及濾波

　　在光學玻璃切割系統中，機器視覺的硬件構成主要包括CCD視覺傳感器、線激光光源、低頻帶通濾光鏡、圖像采集卡、研華工控機、交流伺服系統等。需要說明的是，低頻帶通濾光鏡在CCD視覺傳感器的采集中可有效地避免外界環境雜光的干擾，使圖像在相對簡單的純色背景下獲得玻璃條料輪廓的截面曲線。灰度直方圖能直觀地看到像素點在各灰度中出現的頻率及其分布狀況，圖像的主要顏色為黑色背景和白色激光線，在直方圖中分別對應灰度值為0和255處的峰值，而灰度值在0~20的區域內仍有大量像素，說明圖像中存在噪聲雜質，在未濾波的Canny算法邊緣提取圖中也可看到噪聲的存在，因此，本文采用計算速度快且具有非線性平滑技術的均值濾波法對源圖進行濾波，如圖5所示，但仍有一些噪聲無法被完全消除。

　　2多種邊緣提取算法的試驗分析

　　邊緣提取是將圖像中灰度變化率最大的像素提取出來，一直以來，學者提出了多種邊緣提取的算法，大多為反映邊緣鄰近區域導數變化規律的方向導數模板[19]。本文通過MATLAB軟件分別對去噪后的圖像進行了Sobel、Roberts、Prewitt、LOG、Canny算法的邊緣提取，但噪聲依然明顯，因此又分別進行了二值化處理，其結果如圖6所示。經過Sobel、Roberts和Prewitt3種一階微商算子的運算后，圖像并無明顯差異，噪聲處理效果較好，運算速度較快，但邊緣定位及提取精度不高，角點丟失中的A、C點)，邊緣信息不全;而LOG和Canny算子以二階導數為基礎，運算相對復雜，不難看出，Canny算法的灰度值有所提高，但邊緣定位及提取精度依然不高，反而擴大了噪聲的干擾。可見，上述5種算法未能有效地解決邊緣線型的連續性和去噪問題。

　　3數學形態學邊緣提取算法試驗

　　在數學形態學中，二值形態學的基本運算包括腐蝕、膨脹及兩種組合的開閉算子[20]，其中，先腐蝕后膨脹為開運算，先膨脹后腐蝕為閉運算[21]。開閉算子分別起到減少或消除圖像孤立點的收縮功能和填補邊緣曲線間斷點的擴張功能[12]，前述的5種邊緣提取算法無法實現這一功能。

　　從源圖及邊緣提取圖中可以看出，獲取的光學玻璃條料橫截面激光輪廓線中存在顯著的間斷點，可以通過膨脹算子的擴張性功能將間斷點熔合，再利用腐蝕算子的收縮性將邊界點進行一部分的消除，即閉運算操作能夠獲得連續、平滑的圖像。由于閉運算后的圖像仍是二值圖像，還需要數學形態學的移位、交、并、補等集合運算才能獲取圖像邊緣。

　　考慮到實際應用中系統處理的實時性，采取調用MATLAB中bwperim函數的方式進行二值圖像的輪廓提取。從中可看出輪廓線邊緣有明顯的噪聲、毛刺，基于圖像背景像素與激光線像素差異明顯，采用閾值法對圖像進行處理。同時，王積分等[22]認為單一背景下的圖像可采用全局閾值法進行分割處理，因此，采用Otsu閾值分割并結合bwperim函數實現輪廓線的邊緣提取，實驗證明該方法符合預期目標。

　　4結語

　　本文旨在研究光學玻璃條料橫截面輪廓的邊緣提取算法，首先對源圖進行了均值濾波和二值化處理，在此基礎上，采用5種經典邊緣提取算法進行了實驗研究，結果表明經典算子的邊緣提取精度不高。根據圖像角點和邊緣信息不易提取的特點，引入數學形態學方法，基于圖像背景像素與激光線像素差異明顯，采用閾值法進行分割處理，并調用Bwperim函數提取圖像的輪廓，通過實驗獲得了連續、平滑、無噪點的光學玻璃條料橫截面輪廓邊緣圖像，且PSNR值較高，驗證了算法的有效性，有利于后續圖像特征點的提取。

　　參考文獻:

　　[1]謝巍。形態學分析方法及在圖像特征提取中的應用[D]。哈爾濱:哈爾濱工程大學，2014。[2]BouchetA，AlonsoP，PastoreJI，etal。Fuzzymathematicalmorphologyforcolorimagesdefinedbyfuzzypreferencerelations[J]。PatternRecognition，2016，60:720-733。

　　[3]夏清，胡振琪，位蓓蕾，等。一種新的紅外熱像儀圖像邊緣檢測方法[J]。紅外與激光工程，2014，43(1):318-322。XiaQing，HuZhenqi，WeiBeilei，etal。Newedgedetectionmethodforimagesofinfraredthermalimager[J]。InfraredandLaserEngineering，2014，43(1):318-322。(inChinese)

　　[4]GaoL，TangX，GongP，etal。Baselinerestorationmethodbasedonmathematicalmorphologyforhighpressurexenondetectors[J]。NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchSectionA:Accelerators，Spectrometers，DetectorsandAssociatedEquipment，2018，904:163-170。

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