基于輪胎標識點的輪胎分類系統(tǒng)研究

王 勇，郭 慧*，邢金鵬

（1.華東理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，上海 200237；2.聊城大學(xué)東昌學(xué)院 機電工程學(xué)院，山東 聊城 252000）

中國作為汽車保有量大國，輪胎的需求量隨汽車數(shù)量的增長與日俱增，然而輪胎的分類問題一直困擾輪胎生產(chǎn)廠家?，F(xiàn)有文獻分析表明，目前我國絕大多數(shù)輪胎生產(chǎn)廠家仍然采用人工分類的方法，不僅效率低，而且易出現(xiàn)誤檢、錯分等現(xiàn)象[1]。

隨著工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展，輪胎制造業(yè)也不斷地應(yīng)用新技術(shù)，從而優(yōu)化輪胎生產(chǎn)制造工藝過程[2-3]。機器視覺作為新興技術(shù)，在工業(yè)自動化中得到廣泛應(yīng)用[4-6]。

為解決輪胎制造過程中的輪胎分類問題，本工作基于機器視覺的理論基礎(chǔ)和VC＋＋開發(fā)平臺，依據(jù)工業(yè)輪胎分類的實際需求，研發(fā)一種基于輪胎標識點的輪胎自動分類系統(tǒng)。該輪胎分類系統(tǒng)主要由輪胎標識點圖像采集裝置、標識點圖像處理系統(tǒng)和輪胎分類執(zhí)行系統(tǒng)組成，旨在實現(xiàn)輪胎的有效分類，提高輪胎制造業(yè)的效益。

1 工作原理

本工作研究的輪胎分類系統(tǒng)主要由硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。硬件設(shè)備主要用于輪胎標識點圖像的采集。軟件系統(tǒng)由VC＋＋開發(fā)平臺設(shè)計完成，主要用于輪胎標識點圖像的識別。輪胎標識點圖像如圖1所示。

圖1 輪胎標識點圖像

輪胎分類系統(tǒng)首先利用硬件設(shè)備采集圖1中的輪胎標識點圖像，然后將采集到的輪胎標識點圖像輸送到分類系統(tǒng)的軟件部分，識別出獲取的輪胎標識點圖像顏色和形狀信息。最后，分類系統(tǒng)將輪胎標識點圖像信息輸送給輪胎分類執(zhí)行系統(tǒng)，依據(jù)輪胎標識點信息，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)輪胎的分類。輪胎分類系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 輪胎分類系統(tǒng)工作原理

2 硬件部分

輪胎分類系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要由工業(yè)相機、工業(yè)電腦、照明裝置和支架組成，用于輪胎標識點圖像的采集。因此也可以將輪胎分類系統(tǒng)的硬件部分視為輪胎標識點圖像采集裝置，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由于打碼機在輪胎的側(cè)面印刷上標識點后，輪胎隨機掉落在輸送帶上，因此不能保證印有標識點的一側(cè)朝向一致。為保證能夠采集到所有的輪胎標識點圖像，設(shè)計了如圖3所示的上下光源和相機結(jié)構(gòu)。

圖3 輪胎分類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.1 硬件控制系統(tǒng)

輪胎標識點圖像采集裝置僅僅是圖像采集的硬件設(shè)備，要準確獲取輪胎標識點圖像，還需要驅(qū)動硬件設(shè)備的控制系統(tǒng)。本工作采用可編程控制器（PLC）結(jié)合光電開關(guān)和旋轉(zhuǎn)編碼器設(shè)計圖像采集控制系統(tǒng)。

光電開關(guān)安裝在導(dǎo)軌的兩側(cè)，用于檢測輪胎到來的信號。旋轉(zhuǎn)編碼器置于輸送帶下側(cè)，且安裝在編碼器上的旋轉(zhuǎn)輪與輸送帶緊密貼合。旋轉(zhuǎn)編碼器安裝位置如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)編碼器安裝位置示意

當光電開關(guān)檢測到輸送帶上有輪胎到來的信號時，光電開關(guān)將該信號輸送給PLC控制器，PLC隨即啟動旋轉(zhuǎn)編碼器的計數(shù)功能。當旋轉(zhuǎn)編碼器計數(shù)到設(shè)定值T1時，PLC啟動上相機對輪胎上側(cè)面進行拍攝；當旋轉(zhuǎn)編碼器計數(shù)到設(shè)定值T2時，PLC啟動下相機對輪胎下側(cè)面進行拍攝。圖像采集裝置控制系統(tǒng)工作原理如圖5所示。

圖5 圖像采集裝置控制系統(tǒng)工作原理

2.2 上相機與光源

對于分布在輪胎上側(cè)面的標識點，可以采用一次拍照而獲取完整的標識點圖像。因此將上相機和光源設(shè)計成如圖6所示的相機外露式。同時，為消除外界光照對拍攝圖像質(zhì)量的影響，采用光照均勻、工作壽命長且易于設(shè)計的發(fā)光二極管（LED）外加光源[7]。

圖6 上相機和光源結(jié)構(gòu)示意

2.3 下相機與光源

受圖像采集裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計和實際應(yīng)用的限制，對分布于輪胎下側(cè)面的輪胎標識點拍攝一次不能采集完整的輪胎標識點圖像。通過設(shè)置相機拍攝的感興趣區(qū)域?qū)挾?，對同一輪胎進行多次拍照（一般拍攝6次），獲取條狀輪胎標識點圖像，最后通過圖像拼接技術(shù)，將其拼接成一幅完整的輪胎標識點圖像，如圖7所示。

下相機和光源結(jié)構(gòu)如圖8所示。如果直接采用工業(yè)相機對輪胎下側(cè)面的輪胎標識點圖像進行拍攝，相機與輪胎之間的距離過小會導(dǎo)致景深不能滿足拍攝要求，因此在設(shè)計下相機圖像采集裝置時，利用鏡面反射原理，通過反光鏡的鏡面反射增大相機與輪胎下側(cè)面之間的距離，滿足下相機拍攝對景深的要求。

圖8 下相機和光源結(jié)構(gòu)示意

3 軟件系統(tǒng)

圖像處理軟件是該輪胎分類系統(tǒng)的核心，軟件的設(shè)計主要包括輪胎標識點圖像降噪處理、標識點顏色和形狀特征向量的提取、標識點顏色識別器和形狀識別器的構(gòu)建。在軟件設(shè)計時采用VC＋＋軟件作為設(shè)計平臺，結(jié)合LIBSVM軟件包[8]，設(shè)計了如圖9所示的輪胎分類系統(tǒng)可視化平臺。

圖9 輪胎分類系統(tǒng)可視化平臺

3.1 標識點圖像降噪

利用圖像采集裝置采集到的輪胎標識點圖像，在電路中傳輸時，會在圖像中引入噪聲，導(dǎo)致圖像質(zhì)量降低。為消除圖像噪聲對標識點圖像識別的影響，在標識點識別前，采用中值濾波技術(shù)對圖像進行降噪處理。中值濾波能夠在去除圖像噪聲的同時，保護圖像邊緣信息不受破壞[9]，為后續(xù)標識點識別奠定基礎(chǔ)。

3.2 標識點圖像顏色特征量提取

采用CCD工業(yè)相機獲取的輪胎標識點圖像存儲為RGB顏色空間，該空間的R，G和B三個顏色分量具有較高的相關(guān)性，不適于顏色識別研究。為此，本工作在進行標識點顏色識別前，將原始圖像從RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到HLS顏色空間，HLS顏色空間中的色度向量能夠較為準確地區(qū)分不同種顏色特性。因此，在識別標識點顏色時，只需要識別不同顏色的色度向量即可，提高了顏色識別的效率。

3.3 標識點圖像形狀特征量提取

形狀識別是標識點識別的另一項重點研究內(nèi)容。本工作采用復(fù)數(shù)傅里葉子系數(shù)描述作為輪胎標識點形狀識別的特征向量。在提取標識點形狀傅里葉描述子系數(shù)前，先要對降噪后的標識點圖像進行圖像分割、邊緣檢測和輪廓坐標提取等操作。然后，對標識點輪廓坐標進行傅里葉變換，獲取描述標識點形狀特征的傅里葉描述子系數(shù)。

3.4 標識點識別器的構(gòu)建

采用機器視覺技術(shù)中較為常用的支持向量機(Support Vector Machine，SVM)人工智能算法，進行輪胎標識點識別器的構(gòu)建。支持向量機是由V.Vapnik[10]提出的一種經(jīng)典人工智能算法。由于典型的支持向量機僅適用于兩類分類問題，而本研究的輪胎標識點涉及紅、黃、藍、白4種顏色和方形、圓形、菱形、圓環(huán)、十字形5種形狀，屬于多類別分類問題，因此直接采用典型支持向量機算法不能達到有效分類的效果。

采用由J.C.Platt等[11]提出的導(dǎo)向無環(huán)圖多類支持向量，構(gòu)建輪胎標識點識別器。應(yīng)用J.C.Platt等提出的決策導(dǎo)向無環(huán)圖支持向量機分類算法，可有效解決多類別分類問題。該算法通過在N類樣本中構(gòu)建N（N－1）/2個二值樣本分類器，并利用這N（N－1）/2個樣本分類器對每類樣本進行“淘汰”測試，以識別樣本種類。

4 輪胎分類執(zhí)行系統(tǒng)

輪胎標識點識別器識別出輪胎標識的顏色和形狀信息后，將該信息輸送給輪胎分類執(zhí)行系統(tǒng)。分類執(zhí)行系統(tǒng)根據(jù)輪胎標識點信息，將輪胎分類至相應(yīng)類別。輪胎分類執(zhí)行系統(tǒng)實物如圖10所示。本工作依據(jù)實際要求，設(shè)計了3套輪胎分類機構(gòu)，每套輪胎分類機構(gòu)代表一種類型的輪胎。當輪胎在輸送帶上輸送到相應(yīng)分類機構(gòu)處時，分類器將其從輸送導(dǎo)軌上撥離至分類導(dǎo)軌，從而實現(xiàn)輪胎的分類輸送。

圖10 輪胎分類系統(tǒng)

5 結(jié)語

針對輪胎制造過程中輪胎分類入庫困難的問題，設(shè)計研制一種基于輪胎標識點的輪胎自動分類系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過采集并識別打印在輪胎側(cè)面的輪胎標識點信息，依據(jù)輪胎標識點的顏色和形狀信息的不同，將輪胎劃分為相應(yīng)種類，實現(xiàn)了輪胎的自動高效分類。應(yīng)用該系統(tǒng)能夠有效地提高輪胎分類效率，顯著提高輪胎制造業(yè)的生產(chǎn)效益。