專利名稱：球形生物物料圖像的灰度變換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機圖像處理技術(shù)，尤其涉及一種球形生物物料圖像的灰度變換方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著計算機視覺技術(shù)的迅速發(fā)展，該技術(shù)已開始被應(yīng)用到農(nóng)產(chǎn)品的檢測與分級中。在利用機器視覺和圖像處理技術(shù)對球形生物物料外部品質(zhì)進行自動檢測和分級過程中，攝像頭采集的圖像質(zhì)量將直接影響最終的檢測和分級結(jié)果。因此，在圖像采集過程中需要盡量降低圖像失真程度。除了系統(tǒng)本身硬件設(shè)備的局限性造成的圖像失真外，三維物體投影到二維圖像平面時也會形成不同程度的灰度和顏色變化。這種圖像失真是不可避免的，需要通過校正算法來減小失真。
Tao Y等人提出的球體圖像灰度變換法，使水果表面的缺陷可用單閾值進行分割，解決了水果圖像由于中部缺陷部分灰度值高于邊緣正常部分灰度值而不能一次分割的問題。該方法根據(jù)帶缺陷的原始圖像計算出與原圖像相應(yīng)的反向無缺陷圖像，由二者相加得到變換后圖像，消除了物體的空間形狀對于圖像灰度值的影響，而只保留了水果表面缺陷與正常部分之間由于反射系數(shù)的不同所產(chǎn)生的灰度變化情況，因此可以利用單閾值分割。但計算與原圖像相應(yīng)的反向無缺陷圖像過程復(fù)雜，需耗費較多的處理時間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種球形生物物料圖像的灰度變換方法，從而來實現(xiàn)在圖像采集過程對圖像灰度失真進行校正。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下1)建立機器視覺系統(tǒng)，其硬件主要包括光照箱、CCD攝像機、圖像采集卡、計算機、視頻監(jiān)視器；2)準備用于試驗的形狀標準的彩色球體，根據(jù)生物物料分級標準，每種顏色的彩球有大、中、小三種；3)等光照箱內(nèi)光強趨于穩(wěn)定后，分別對每個試驗彩球在CCD攝像頭視區(qū)中心點周圍選擇間隔相同的六個不同位置采集球體圖像，把球體彩色圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榛叶葓D像，并二值化，把球體部分從背景中分割出來，并提取位于以球心像素為圓心的一系列同心圓上的像素的灰度值作為該球體圖像的灰度分布特征；4)分別計算球體圖像中各像素到球心像素的歐幾里得距離，并統(tǒng)計出同一歐幾里得距離對應(yīng)的各像素灰度值的平均值，作為與該歐幾里得距離相應(yīng)的球體圖像的灰度特征；5)通過分析球體圖像的灰度分布特征信息，分別研究球體的大小、表面顏色和圖像采集位置等三個因素對球體圖像灰度失真的影響，建立在計算機視覺工作條件下的球形物料圖像灰度校正模型；位于攝像視區(qū)中心的球形生物物料圖像的灰度校正模型是ΔG＝31.725-31.725cos(α)其中ΔG是球心像素與待校正像素之間的灰度差值，cos(α)=1-(r/R)2]]>r是待校正像素到球心像素的距離，R是球體半徑；偏離攝像視區(qū)中心的球形生物物料圖像的灰度校正模型是ΔG＝0.04975d-0.467其中，ΔG是位于視區(qū)中心和偏離視區(qū)中心的球體圖像之間的灰度差值，d是偏離視區(qū)中心的距離。
球體圖像的像素灰度失真程度與球體半徑大小沒有直接聯(lián)系，而與該像素到球心像素的歸一化距離有關(guān)。
球形物料的不同表面顏色對圖像的灰度失真沒有明顯的影響，不同表面顏色球形物料的圖像具有相同的灰度失真規(guī)律。
同一球形物料在攝像視區(qū)中心與視區(qū)中心外位置采集的圖像之間的灰度差異，與各采集位置到攝像視區(qū)中心的距離有關(guān)。
本發(fā)明具有的有益的效果是算法簡單，處理速度快，可在利用機器視覺或圖像處理技術(shù)對球形生物物料進行外部品質(zhì)檢測和自動分級過程中引起的圖像灰度失真進行實時校正處理。根據(jù)球形生物物料特征，分析球體圖像的灰度失真規(guī)律，建立一種簡便、有效的球體圖像灰度校正方法，消除由于球形生物物料的三維形狀導(dǎo)致的圖像灰度失真。


圖1是本發(fā)明的建立球形生物物料圖像的灰度校正模型的流程圖；圖2是本發(fā)明的機器視覺系統(tǒng)示意圖；圖3是本發(fā)明的球形物料成像示意圖；圖4是本發(fā)明的球形物料大小對球體圖像灰度失真的影響曲線圖；
圖5是本發(fā)明的球形物料表面顏色對球體圖像灰度失真的影響曲線圖；圖6是本發(fā)明的球形物料圖像采集位置對球體圖像灰度失真的影響曲線圖。
圖中1、攝像頭；2、光照箱；3、光源；4、球形物料；5、圖像采集卡，6、計算機，7、光線。
具體實施例方式
如圖2所示，機器視覺系統(tǒng)主要包括CCD攝像頭1、光照箱2、圖像采集卡5、計算機6等部分。將球形物料置于光照箱2內(nèi)，通過CCD攝像頭1、圖像采集卡5和計算機6獲取標準球體的圖像，并通過圖像處理提取球形物料圖像的灰度特征。
準備分別涂有19種常見顏色的形狀標準的彩色球體。根據(jù)生物物料分級標準，每種顏色的彩球有大、中、小三個。
開啟機器視覺系統(tǒng)，等光照箱內(nèi)光強趨于穩(wěn)定后，分別對每個試驗彩球在CCD攝像頭視區(qū)中心點周圍選擇間隔相同的六個不同位置0mm、10mm、20mm、30mm、40mm、50mm(分別記為0號、1號、2號、3號、4號、5號位置)采集球體圖像。把球體彩色圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榛叶葓D像，并二值化，把球體部分從背景中分割出來。并提取位于以球心像素為圓心的一系列同心圓上的像素的灰度值作為該球體圖像的灰度分布特征。
分別計算球體圖像中各像素到球心像素的歐幾里得距離，并統(tǒng)計出同一歐幾里得距離對應(yīng)的各像素灰度值的平均值，作為與該歐幾里得距離相應(yīng)的球體圖像的灰度特征。通過分析球體圖像的灰度分布特征信息，分別研究球體的大小、表面顏色和圖像采集位置等三個因素對球體圖像灰度失真的影響，建立在計算機視覺工作條件下的球形物料圖像灰度校正模型。
位于攝像視區(qū)中心的球形生物物料圖像的灰度校正模型是ΔG＝31.725-31.725cos(α)其中ΔG是球心像素與待校正像素之間的灰度差值，cos(α)=1-(r/R)2,]]>r是待校正像素到球心像素的距離，R是球體半徑。
偏離攝像視區(qū)中心的球形生物物料圖像的灰度校正模型是ΔG＝0.04975d-0.467其中，ΔG是位于視區(qū)中心和偏離視區(qū)中心的球體圖像之間的灰度差值，d是偏離視區(qū)中心的距離。
在攝像視區(qū)中心采集的球體圖像中不同像素的灰度失真程度與該像素到球心像素的歸一化距離有關(guān)，而同一球體在攝像視區(qū)中心與其他位置采集的圖像之間的灰度差異，與各采集位置到攝像視區(qū)中心的距離有關(guān)。球形物料的不同表面顏色對圖像的灰度失真沒有顯著影響，不同表面顏色球形物料的圖像具有相同的灰度失真規(guī)律。
將三類不同大小的標準球體4分別置于6個不同的位置，圖3所示為0號位置的圖像采集方式。在圖4中，x坐標是被測點到球心像素的歸一化距離，y坐標是被測點像素灰度特征值。圖4表明球體圖像靠近中心與邊緣的部分像素分別由于存在光源高光點和背景反光的原因灰度值呈上升趨勢；而中間的環(huán)面部分的像素灰度呈下降趨勢。三種大小不同的球體的圖像灰度特征分布曲線基本一致。而圖6表明同一球體在不同位置采集的圖像的灰度特征值逐漸減小，但灰度特征的分布規(guī)律基本不變。
將同一類的不同顏色的標準球體4置于6個不同的位置，在圖5中，x坐標是被測點到球心像素的距離，y坐標是被測點像素灰度特征值。圖5表明各種不同顏色球體的圖像灰度特征分布除靠近中心和邊緣部分外，都呈現(xiàn)出相同的下降趨勢。
權(quán)利要求
1.一種球形生物物料圖像的灰度變換方法，其特征在于1)建立機器視覺系統(tǒng)，其硬件主要包括光照箱、CCD攝像機、圖像采集卡、計算機、視頻監(jiān)視器；2)準備用于試驗的形狀標準的彩色球體，根據(jù)生物物料分級標準，每種顏色的彩球有大、中、小三種；3)等光照箱內(nèi)光強趨于穩(wěn)定后，分別對不同大小和顏色的試驗彩球在CCD攝像頭視區(qū)中心點周圍選擇間隔相同的六個不同位置采集球體圖像，把球體彩色圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榛叶葓D像，并二值化，把球體部分從背景中分割出來，并提取位于以球心像素為圓心的一系列同心圓上的像素的灰度值作為該球體圖像的灰度分布特征；4)分別計算球體圖像中各像素到球心像素的歐幾里得距離，并統(tǒng)計出同一歐幾里得距離對應(yīng)的各像素灰度值的平均值，作為與該歐幾里得距離相應(yīng)的球體圖像的灰度特征；5)通過分析球體圖像的灰度分布特征信息，分別研究球體的大小、表面顏色和圖像采集位置等三個因素對球體圖像灰度失真的影響，建立在計算機視覺工作條件下的球形物料圖像灰度校正模型；位于攝像視區(qū)中心的球形生物物料圖像的灰度校正模型是ΔG＝31.725-31.725cos(α)其中ΔG是球心像素與待校正像素之間的灰度差值，cos(α)=1-(r/R)2,]]>r是待校正像素到球心像素的距離，R是球體半徑；偏離攝像視區(qū)中心的球形生物物料圖像的灰度校正模型是ΔG＝0.04975d-0.467其中，ΔG是位于視區(qū)中心和偏離視區(qū)中心的球體圖像之間的灰度差值，d是偏離視區(qū)中心的距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種球形生物物料圖像的灰度變換方法，其特征在于球體圖像的像素灰度失真程度與球體半徑大小沒有直接聯(lián)系，而與該像素到球心像素的歸一化距離有關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種球形生物物料圖像的灰度變換方法，其特征在于球形物料的不同表面顏色對圖像的灰度失真沒有明顯的影響，不同表面顏色球形物料的圖像具有相同的灰度失真規(guī)律。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種球形生物物料圖像的灰度變換方法，其特征在于同一球形物料在攝像視區(qū)中心與視區(qū)中心外位置采集的圖像之間的灰度差異，與各采集位置到攝像視區(qū)中心的距離有關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種球形生物物料圖像的灰度變換方法。根據(jù)球形生物物料的形狀特征、表面顏色特征和物料與攝像頭間相互位置關(guān)系等因素對球形生物物料圖像灰度失真的影響，運用下述灰度變換模型對圖像灰度失真進行校正。位于攝像視區(qū)中心的球形生物物料圖像的灰度校正模型ΔG＝31.725－31.725cos(α)，cos(α)＝
文檔編號G06K9/36GK1584918SQ200410025098
公開日2005年2月23日 申請日期2004年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月11日
發(fā)明者應(yīng)義斌, 徐惠榮, 饒秀勤, 付峰 申請人:浙江大學(xué)