一種小色差瓷磚顏色自動(dòng)分類(lèi)器設(shè)計(jì)

王文洪+劉洪江

摘 要：研究小色差含紋理圖像的在線檢測(cè)方法，通過(guò)描述顏色組成和表達(dá)，確定顏色檢測(cè)手段；分析大幅面、小色差檢測(cè)對(duì)象在圖像采集中的難點(diǎn)，建立適合企業(yè)應(yīng)用的采集環(huán)境；根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的紋理特點(diǎn)，選擇合適顏色特征統(tǒng)計(jì)方法，獲得表示顏色的特征向量；運(yùn)用K類(lèi)均值無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，通過(guò)小批量樣本自動(dòng)生成分類(lèi)器，并將分類(lèi)器應(yīng)用到同批產(chǎn)品的檢驗(yàn)分類(lèi)中。實(shí)驗(yàn)證明采集環(huán)境能穩(wěn)定獲取顏色檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)學(xué)習(xí)生成的分類(lèi)器能達(dá)到人工分類(lèi)效果。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué)；顏色分類(lèi)；小色差；K均值聚類(lèi)

1 概述

市場(chǎng)對(duì)樓房室內(nèi)用瓷磚花色一致性要求高，導(dǎo)致生產(chǎn)企業(yè)對(duì)生產(chǎn)線后段處理顏色一致性檢測(cè)、識(shí)別的技術(shù)需求日趨強(qiáng)烈。目前陶瓷顏色依賴(lài)人工分揀，檢測(cè)主觀性大，導(dǎo)致檢測(cè)精度低、效率低[1]，在我國(guó)人口紅利不斷消失的情況下，通過(guò)機(jī)器設(shè)備進(jìn)行顏色檢測(cè)是必然途徑。

瓷磚窯爐中溫度，上色工藝等因素導(dǎo)致產(chǎn)品存在顏色差異，但是差異程度很小，即小色差。另瓷磚長(zhǎng)邊尺寸都在0.5m以上，表面有豐富的紋理花紋，難以通過(guò)有限的采樣點(diǎn)獲得代表產(chǎn)品的顏色，即大幅面。

為解決企業(yè)含自然紋理的大幅面、小色差顏色檢測(cè)分類(lèi)問(wèn)題，在生產(chǎn)環(huán)境和企業(yè)成本限制下，提出用工業(yè)相機(jī)采集瓷磚表面圖像，通過(guò)穩(wěn)定的光照環(huán)境測(cè)量顏色特征，經(jīng)過(guò)小批量樣本的學(xué)習(xí)分類(lèi)，自動(dòng)生成分類(lèi)器，實(shí)現(xiàn)顏色分類(lèi)過(guò)程，該方法提高了顏色分類(lèi)穩(wěn)定性與產(chǎn)品一致性。

2 研究對(duì)象和采集環(huán)境

顏色檢測(cè)需要在特定的采集環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，本文研究對(duì)象以含紋理、大幅面、小色差為特點(diǎn)，必須避免或減少光源穩(wěn)定性、光照均勻性和采集穩(wěn)定性對(duì)顏色檢測(cè)的影響。

首先檢測(cè)對(duì)象的大幅面特征決定了使用多個(gè)傳感器檢測(cè)顏色。多個(gè)傳感器對(duì)相同顏色的不同響應(yīng)差異需要通過(guò)矯正解決。其次，光源的穩(wěn)定性是顏色檢測(cè)可重復(fù)性保障，LED專(zhuān)業(yè)光源是檢測(cè)首選。檢測(cè)要求光源尺寸超過(guò)檢測(cè)對(duì)象尺寸，否則照明的非均勻光將干擾小色差的檢測(cè)。最后，一個(gè)半封閉、采集部件固定的檢測(cè)設(shè)備，是減少外界環(huán)境干擾、穩(wěn)定測(cè)量的一個(gè)關(guān)鍵。

由此檢測(cè)環(huán)境設(shè)置為一個(gè)半封閉的罩子，內(nèi)固定CCD線陣相機(jī)垂直向下采集，高亮度白色線性光源在相機(jī)下方。檢測(cè)對(duì)象從罩子下方通過(guò)時(shí)，到位開(kāi)關(guān)觸發(fā)并給出脈沖通知CCD開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)，工業(yè)計(jì)算機(jī)通過(guò)編碼器輸出脈沖信號(hào)控制CCD抓取圖像，通過(guò)圖像采集卡讀取相機(jī)采集圖像。

3 顏色特征選取

顏色指的是某種光以及他對(duì)人眼的影響，這種影響在觀察者的大腦里產(chǎn)生的結(jié)果[2]。依據(jù)人工分色的經(jīng)驗(yàn)，提煉不同色號(hào)差異最大的顏色特征。顏色特征選取包括兩個(gè)方面：

（1）選取一定范圍的顏色，作為目標(biāo)彩色圖像：前景圖像，背景圖像，主色圖像。

（2）在RGB、LAB、HSV顏色空間下，計(jì)算顏色數(shù)字特征，包括均值、方差。

記原始彩色圖像，目標(biāo)彩色圖像，原始灰度圖像。

前景圖像，像素點(diǎn)灰度值大于等于閾值T的彩色圖像，按公式（1）計(jì)算

背景圖像，像素點(diǎn)灰度值小于閾值T的彩色圖像，按公式（2）計(jì)算

主色圖像，只包含主要顏色的圖像。首先計(jì)算的彩色直方圖，從最多顏色點(diǎn)至最少顏色點(diǎn)，依次累加，直至占圖像總像素點(diǎn)的比例大于P為止，得到分界點(diǎn)的顏色值及其統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù)。則主色圖像為顏色點(diǎn)個(gè)數(shù)大于的像素點(diǎn)集合。

顏色通常用三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的屬性描述，三個(gè)獨(dú)立的變量綜合作用，構(gòu)成顏色空間。不同顏色空間是以不同的角度去衡量同一個(gè)對(duì)象[3]。從相機(jī)獲取的圖像數(shù)據(jù)，是在RGB顏色空間下的表示。除此之外，顏色空間還有HSV、CIELAB等，均由RGB顏色空間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

HSV顏色空間用色相（H），飽和度（S）和明度（V）表示任一種顏色。從RGB到HSV的轉(zhuǎn)換由公式（3）計(jì)算：

CIELAB顏色空間是國(guó)際照明委員會(huì)制定的一種色彩模式，本文采用1976標(biāo)準(zhǔn)。L表示明度，A表示顏色（從紅到綠），B表示顏色（從黃到藍(lán)）。從RGB到LAB的轉(zhuǎn)換，先轉(zhuǎn)換到CIEXYZ顏色空間，計(jì)算出三基色刺激值X、Y、Z，如公式（4）所示，得到X、Y、Z后，按公式（5～8）計(jì)算L、A、B。

各分量值范圍：R/G/B：0～1；L：0～100；A/B：0～255。

為CIE標(biāo)準(zhǔn)照明下，白物體色刺激的三刺激值，對(duì)于D65標(biāo)準(zhǔn)光源漫反射， 。

4 分類(lèi)器制作

顏色特征提取后，每個(gè)圖像的顏色特征即為一特征向量。為避免奇異樣本點(diǎn)對(duì)聚類(lèi)結(jié)果的影響，采用隨機(jī)抽樣一致（RANSAC）算法篩選待訓(xùn)練的樣本點(diǎn)，形成集中的樣本點(diǎn)集合。采用K均值算法對(duì)樣本進(jìn)行訓(xùn)練得到每個(gè)色號(hào)的中心特征向量，此后通過(guò)最短距離法判定待檢物的顏色。圖1a）（b）展示了K均值聚類(lèi)的過(guò)程，紅、綠、藍(lán)三種顏色分別代表3箱瓷磚樣本，選取瓷磚圖像LAB空間下的均值A(chǔ)、B作為特征向量，圓圈代表各類(lèi)的質(zhì)心。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文以12塊人工分好的瓷磚為樣本，進(jìn)行顏色分類(lèi)實(shí)驗(yàn)。其中，12塊瓷磚分為3類(lèi)，每類(lèi)4塊，人工分類(lèi)結(jié)果對(duì)應(yīng)的瓷磚序號(hào)為色號(hào)I：1～4；色號(hào)II：5～8；色號(hào)III：9～12。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每塊瓷磚重復(fù)性測(cè)試10次，以顏色空間LAB下的A、B值作為特征向量，經(jīng)過(guò)K聚類(lèi)算法生成分類(lèi)器。

3個(gè)色號(hào)之間的平均色差，。

由此可見(jiàn)，色號(hào)I、II之間的色差，色號(hào)I、III之間的色差，均在色號(hào)I、II類(lèi)內(nèi)色差范圍內(nèi)，三個(gè)色號(hào)之間顏色差值較小，屬于小色差范圍。得到每個(gè)色號(hào)的中心特征向量后，依據(jù)最小距離算法，判斷每個(gè)瓷磚的色號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，從分類(lèi)結(jié)果可以看出與人工分類(lèi)一致。

6 結(jié)論

顏色檢測(cè)分類(lèi)在瓷磚行業(yè)有廣泛的應(yīng)用。瓷磚相比其他產(chǎn)品具有大幅面、小色差的特點(diǎn)，而采集的瓷磚圖像數(shù)據(jù)量大，顏色信息多，這些成為顏色檢測(cè)的難點(diǎn)問(wèn)題。本文針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，提出了一種應(yīng)用于瓷磚的顏色檢測(cè)分類(lèi)方法，其檢測(cè)結(jié)果和人的視覺(jué)感知有很好的一致性，同時(shí)還可應(yīng)用于木地板等工業(yè)產(chǎn)品的檢測(cè)。同時(shí)，如何提高檢測(cè)速度滿足產(chǎn)線需求，圖像分辨率對(duì)顏色特征的影響，是下一步研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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[2]ROYS.BERNS編著.李小梅，馬如，陳立榮等譯.顏色技術(shù)原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

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