基于HALCON的金剛石顆粒參數(shù)測量技術(shù)研究

王慶海

（河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，鄭州 451191）

基于HALCON的金剛石顆粒參數(shù)測量技術(shù)研究

王慶海

（河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，鄭州 451191）

0 引言

金剛石顆粒生產(chǎn)出來之后需要按照國家標(biāo)準(zhǔn)或國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級和選形，不同等級的金剛石具有不同的用途和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此金剛石的分選（分級和選形）是金剛石整個(gè)生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)。在進(jìn)行金剛石分選時(shí)，需要測量純凈度、粒徑、橢圓度、圓度、顏色等系列特征參數(shù)[1]，這些特征參數(shù)是金剛石質(zhì)量對比的依據(jù)，也是金剛石分級和分選的基礎(chǔ)。目前國際上使用的先進(jìn)的金剛石圖像和形貌檢測儀器主要有兩種，分別是德國制造的DiaInspect.OSM超硬磨料圖像自動分析系統(tǒng)和由瑞士開發(fā)的Diashape電腦檢測系統(tǒng)，它們能夠快速地獲得金剛石的各種特征參數(shù)，有效地確定金剛石的品級，但是這種設(shè)備價(jià)格昂貴，測量范圍有限[2,3]。目前國內(nèi)主要是使用光學(xué)顯微鏡放大20～100倍由人工測量特征參數(shù)的方法進(jìn)行金剛石顆粒品級的鑒定，該方法檢測效率低，鑒定結(jié)果的主觀性大，不能適應(yīng)金剛石行業(yè)發(fā)展的需要。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)不少研究者將機(jī)器視覺技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用于金剛石特征參數(shù)的測量中，實(shí)現(xiàn)了金剛石某一項(xiàng)特征參數(shù)的測量，如：史長瓊等采用改進(jìn)Canny算法實(shí)現(xiàn)了金剛石粒徑的自動測量[4]；簡麗娟等采用LabVIEW語言實(shí)現(xiàn)了金剛石晶體的面積、周長和粒徑等尺寸參數(shù)測量[5]；李銀華等用MATLAB在HIS色彩空間仿真實(shí)現(xiàn)了金剛石凈度的自動檢測[6]；江國學(xué)等采用MATLAB實(shí)現(xiàn)了金剛石顆粒數(shù)目、面積的測量[7]；張秀芳等利用MATLAB軟件進(jìn)行圖像處理和相關(guān)數(shù)值計(jì)算，識別出金剛石磨粒的粒度[8]；但是這些研究與工程實(shí)際應(yīng)用尚有一段距離。因此，金剛石顆粒特征參數(shù)的快速低成本測量技術(shù)的研究仍是金剛石行業(yè)目前迫切需要解決的問題。

本文采用機(jī)器視覺圖像處理軟件HALCON實(shí)現(xiàn)了金剛石顆粒的粒徑、圓度、橢圓度、凈度等特征參數(shù)的測量，粒徑的測量精度可以達(dá)到亞像素級別。本文的研究為金剛石顆粒特征參數(shù)提供了高速、高精度的測量方法。

1 樣品的采集

實(shí)驗(yàn)采用在Nikon Elicpse E200生物顯微鏡上拍攝的圖像進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)樣品是某公司制造的金剛石單晶體。樣品圖像采集時(shí)，顯微鏡目鏡的放大倍數(shù)為4X，物鏡的放大倍數(shù)為10X。由于金剛石晶體具有透明性及光線反射折射等作用，顯微鏡下方的光源使得圖像的亮度不均勻，中間將出現(xiàn)一個(gè)白色區(qū)域，如圖1(a)所示，影響特征參數(shù)的分析和測量。因此，為了增強(qiáng)圖像的對比度，圖像采集時(shí)，我們把金剛石顆粒放在白色濾光紙上進(jìn)行檢測，同時(shí)關(guān)閉顯微鏡下方的照明系統(tǒng)，在上方采用LED光源進(jìn)行均勻照明，得到的圖像如圖1(b)所示。

圖1 金剛石顆粒在不同光源照射下的圖像

2 金剛石顆粒參數(shù)測量中的關(guān)鍵技術(shù)

采集圖像后，本文采用HALCON圖像處理軟件進(jìn)行金剛石顆粒特征參數(shù)的測量，測量流程圖如圖2所示。

圖2 金剛石顆粒特征參數(shù)的測量流程圖

2.1 圖像分割

圖像分割是由圖像處理到圖像分析的關(guān)鍵步驟，其目的是從圖像中把目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域分開。圖像分割方法主要分以下幾類：基于閾值的分割方法、基于區(qū)域的分割方法、基于邊緣的分割方法以及基于特定理論的分割方法等。其中，基于閾值的分割方法是運(yùn)算效率較高的方法，也是目前最為常用的方法，它包括全局閾值法（threshold）、動態(tài)閾值法（dyn_threshold）、自動閾值法（bin_threshold），等等。全局閾值法和動態(tài)閾值法都是“固定閾值法”，它們僅在物體的灰度值和背景的灰度值不變時(shí)效果較好，不適合物體自動化檢測時(shí)的圖像處理。自動閾值法不需要人工設(shè)置閾值，但是它應(yīng)用在直方圖中存在雙峰的情況，且其輸入是單通道圖像才可能有較好的效果。

本文攝像機(jī)采集得到的圖像是RGB三通道的彩色圖像，需要先用decompose3算子將RGB圖像分解成R（紅色）、G（綠色）和 B（藍(lán)色）三幅單通道圖像，然后再用自動閾值算子bin_threshold對R通道圖像（或G通道圖像）進(jìn)行圖像分割處理。如圖3所示的圖像是對圖1(b)所示圖像的R通道圖像的分割結(jié)果，可以看出，目標(biāo)區(qū)域從背景區(qū)域中較好地分割出來，分割效果較好。

圖3 對圖1(b)進(jìn)行圖像處理的結(jié)果

2.2 亞像素邊緣提取

由圖3(a)可以看出，金剛石晶體投影面的各部分被分割成多個(gè)不連通的區(qū)域，需要將這些彼此分割開的區(qū)域合并為一個(gè)單一的連通區(qū)域，同時(shí)去掉一些干擾區(qū)域。為解決此問題，我們用區(qū)域形態(tài)學(xué)進(jìn)行處理。首先用算子select_shape選擇感興趣的區(qū)域（Region Of Interesting，ROI），然后用邊長為10的矩形結(jié)構(gòu)元素對ROI進(jìn)行膨脹操作，此時(shí)ROI將合并成一個(gè)單一連通區(qū)域，最后用算子reduce_domain將該單一連通區(qū)域與原始圖像進(jìn)行裁剪處理，裁剪出ROI圖像，結(jié)果如圖3(b)所示。此時(shí)，可以用算子threshold_sub_pix從該ROI圖像中提取圖像輪廓邊緣，提取的邊緣具有亞像素精度，結(jié)果如圖3(c)所示。由圖可以看出，得到的邊緣比較清晰、完整。

2.3 XLD輪廓的處理

提取的亞像素邊緣是由多個(gè)像素點(diǎn)組成的XLD（eXtended Line Descriptions）輪廓。由圖3(c)可以看出，XLD輪廓中即有金剛石顆粒黃色透明區(qū)域的輪廓，也有不透明區(qū)域的外輪廓，同時(shí)還包括噪聲、雜質(zhì)等的輪廓，因此，XLD輪廓處理的第一步是用算子select_shape_xld選擇出測量對象是黃色區(qū)域輪廓還是顆粒外輪廓。

XLD輪廓數(shù)據(jù)是由大量的輪廓邊界點(diǎn)像素信息組成，我們對這些點(diǎn)的像素信息并不感興趣，只對由這些像素點(diǎn)擬合成的幾何圖形及其特征參數(shù)感興趣，因此XLD輪廓處理的第二步是用算子shape_trans_xld將XLD輪廓轉(zhuǎn)換為凸包。圖3(d)所示中的多邊形是由圖3(c)中的XLD輪廓轉(zhuǎn)換的XLD凸包。

2.4 金剛石特征參數(shù)的測量

得到XLD凸包后，分別對XLD凸包進(jìn)行分割和擬合，得到多邊形的邊長、面積等參數(shù)，便可實(shí)現(xiàn)金剛石特征參數(shù)的測量。

2.4.1 粒徑的測量

2.4.2 圓度的測量

工業(yè)金剛石的圓度是用金剛石顆粒投影面的周長與金剛石投影面積相等之圓的周長之比表示。因此，圓度的測量需要計(jì)算金剛石顆粒投影面的周長和面積兩個(gè)參數(shù)。

金剛石顆粒投影面周長的檢測方法為：首先用算子segment_contours_xld將XLD凸包分割為線段輪廓，然后用算子select_contours_xld選擇凸包中屬于金剛石邊緣的有效輪廓，并用算子f i t_line_contour_xld對有效輪廓采用tukey權(quán)重函數(shù)進(jìn)行擬合，得到金剛石輪廓各邊的擬合直線和各擬合直線的首尾端點(diǎn)坐標(biāo)。將每條擬合直線的首尾端點(diǎn)坐標(biāo)保存到數(shù)組中，最后用算子distance_pp計(jì)算出XLD多邊形輪廓的各邊邊長，各邊邊長之和即為金剛石顆粒投影面的周長。

2.4.3 橢圓度的檢測

金剛石晶體的短軸和長軸之比稱之為橢圓度。用算子inner_circle對XLD凸包進(jìn)行擬合得到其最大內(nèi)切圓，該最大內(nèi)切圓直徑的大小即為金剛石晶體的短軸。用算子shape_trans_xld對XLD凸包進(jìn)行擬合得到其最小外接圓，該最小外接圓直徑即為即為金剛石晶體的短軸。

XLD凸包擬合的最大內(nèi)切圓和最小外接圓如圖4所示。

圖4 XLD凸包的最大內(nèi)切圓和最小外接圓

2.4.4 凈度的測量

金剛石的凈度由雜質(zhì)投影面積與金剛石投影面積之百分比表示。雜質(zhì)的顏色與金剛石晶體的顏色差異是識別金剛石凈度的重要依據(jù)。用算子threshold分割出黃色透明區(qū)域中的雜質(zhì)區(qū)域，然后用算子area_center計(jì)算雜質(zhì)和XLD凸包的面積，二者之百分比為金剛石的凈度。

2.4.5 透度和明亮度

用算子area_center測量出黃色區(qū)域的面積，該面積與XLD凸包的面積的百分比作為金剛石透光度度量指標(biāo)，該指標(biāo)表示了金剛石顆粒的成色，直觀地表征了金剛石的質(zhì)量。

用算子intensity計(jì)算黃色區(qū)域的灰度平均值，該值是金剛石顆粒明亮度的評定指標(biāo)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

為了驗(yàn)證本文所述方法的普適性，對一些金剛石顆粒樣品進(jìn)行了驗(yàn)證測量，表1是其中幾個(gè)典型樣品的測量結(jié)果。拍攝前對圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定和坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，圖像大小為768pixel×576pixel。每個(gè)樣品的計(jì)算機(jī)處理時(shí)間為160ms左右。

在表1中，代號一欄是人工進(jìn)行金剛石分選時(shí)給出的標(biāo)號，其中字母“D”代表大單晶，第一位數(shù)字表示凈度的等級，第二位數(shù)字表示形狀的分級，第三、四位數(shù)字表示其粒度的大小，第五、六位數(shù)字表示其厚度大小。

由表1可以看出：1）圖像分析得到的XLD輪廓較好地反映了金剛石的形狀，可以根據(jù)XLD輪廓的邊數(shù)和各邊邊長的比例關(guān)系進(jìn)行形狀分類，如果為正方形則為1類，接近正方形為2類，多邊形為3類。2）可以快速、準(zhǔn)確地測量出金剛石顆粒粒徑大小，測量的精度可以達(dá)到亞像素級別。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)表明，測量結(jié)果穩(wěn)健可靠。3）在進(jìn)行金剛石凈度分級時(shí)，目前大多采用經(jīng)驗(yàn)定性地進(jìn)行判斷，結(jié)果不可靠。本文將雜質(zhì)投影面積與金剛石投影面積之百分比定量地測量出了金剛石顆粒的凈度，并依此作為凈度分級的依據(jù)，方法科學(xué)、直觀。4）簡單方便地測量出了圓度、橢圓度、透度、灰度等參數(shù)值，為有效地確定金剛石的品級提供了科學(xué)依據(jù)。

表1 金剛石顆粒樣品及其測量結(jié)果

4 結(jié)論

金剛石特征參數(shù)是金剛石質(zhì)量對比的依據(jù)。本文基于機(jī)器視覺技術(shù)研究了金剛石顆粒特征參數(shù)的自動測量方法，給出了采用機(jī)器視覺圖像處理軟件HALCON進(jìn)行圖像分析的關(guān)鍵步驟和方法，實(shí)現(xiàn)了粒徑、橢圓度、圓度、凈度、形狀等特征參數(shù)的快速、準(zhǔn)確測量，為有效地確定金剛石的品級提供了依據(jù)。對一些金剛石顆粒樣品進(jìn)行驗(yàn)證測量，結(jié)果表明，采用本文所述方法，可以簡單而快速地獲得金剛石的各種特征參數(shù)，測量的精度可以達(dá)到亞像素級別，測量結(jié)果與人工檢驗(yàn)結(jié)果相吻合。本文的研究為金剛石顆粒自動分選系統(tǒng)的搭建提供了技術(shù)支撐。

[1]GB/T 16554-2010,鉆石分級[S],中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,2010.

[2]梁存,高海玲,張瑞芳,張華,王秦生,SCB金剛石磨料圖像分析[J],超硬材料工程,2009,21(1):20-23.

[3]向震澤,H.Schmid,陳偉恩,林清民,金剛石形貌電腦檢測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[A],第四屆鄭州國際超硬材料及制品研討會論文集[C],2003:217-221.

[4]史長瓊,傅明,邊緣檢測在金剛石評測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2005,22(9):39-41.

[5]簡麗娟,基于圖像分析的金剛石顆粒檢測[D],四川大學(xué),2005.

[6]李銀華,路新惠,鐘彥征,計(jì)算機(jī)視覺在金剛石凈度檢測中的應(yīng)用研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2009,169(1):67-70.

[7]江國學(xué),池王華,李海連,基于MATLAB圖像處理的金剛石微粉顆粒參數(shù)測量[J].制造業(yè)自動化,2015,37(2):67-70.

[8]張秀芳,于愛兵,賈大為,鄒峰.應(yīng)用數(shù)字圖像識別法檢測金剛石磨粒的形狀與粒度[J].金剛石與磨料磨具工程,2007,157(1):47-49.

[9]唐存印,章兼植.金剛石粒徑和每克拉顆粒數(shù)的研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2002,4(130):32-35.

Research on measurement technology of diamond parameters based on HALCON

WANG Qing-hai

基于機(jī)器視覺技術(shù)研究了金剛石顆粒特征參數(shù)的自動測量方法，給出了采用機(jī)器視覺圖像處理軟件HALCON測量粒徑、圓度、橢圓度、凈度、形狀等特征參數(shù)的關(guān)鍵步驟。最后對一些金剛石顆粒樣品進(jìn)行了實(shí)例測量，結(jié)果表明，采用文章所述方法，可以簡單快速地獲得金剛石的各種特征參數(shù)，粒徑的測量精度可以達(dá)到亞像素級別，測量結(jié)果穩(wěn)健可靠。

金剛石顆粒；參數(shù)測量；機(jī)器視覺；HALCON

王慶海（1971 -），男，河南睢縣人，副教授，碩士，研究方向?yàn)榫軠y試技術(shù)。

TP23

A

1009-0134(2015)07(下)-0056-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.07(下).18

2015-04-06

河南省教育廳自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2010B460020）