Устройство вычисления диагональных признаков формы плоских фигур

Устройство относится к вычислительной технике и может быть использовано в системах технического зрения для идентификации отдельных плоских геометрических фигур и ортогональных проекций трехмерных объектов. Технический результат от использования устройства - получение диагональных признаков объектов, ориентация которых заранее неизвестна. Результат достигается за счет использования алгоритма вычисления диагональных признаков формы объекта, не зависящего от угла его поворота и положения на рабочей плоскости. Алгоритм предполагает вычисление диагонального коэффициента формы и коэффициентов диагональных отрезков.

Под диагональным коэффициентом формы объекта понимается отношение двух отрезков, соединяющих две точки контура объекта. Первый отрезок соединяет две максимально удаленные друг от друга точки контура объекта. Второй отрезок лежит на диагонали минимально описанного вокруг объекта прямоугольника, и соединяет точки пересечения ее с контуром фигуры. Диагональным отрезком фигуры является отрезок, лежащий на диагонали минимально описанного вокруг фигуры прямоугольника и соединяющий центр объекта с точкой пересечения контура. Диагональный отрезок описанного прямоугольника - отрезок, соединяющий его центр и вершину. Под коэффициентом диагональных отрезков понимается отношение диагонального отрезка описанного прямоугольника к диагональному отрезку объекта.

Предлагаемое устройство содержит видео-датчик, блок предварительной обработки изображения, буфер LIFO, блок вычисления центра объекта и максимального расстояния между двумя точками контура объекта, блок определения угла наклона объекта и его поворота, буфер FIFO, блок построения минимально описанного вокруг объекта прямоугольника, блок вычисления диагональных признаков формы объекта, а также управляющее устройство.

Устройство относится к вычислительной технике и может быть использовано в системах технического зрения (СТЗ) в качестве признака для распознавания проекций объектов по их форме.

Известно устройство для измерения геометрических параметров плоских фигур (патент Российской Федерации 2031443, кл. G06K 9/48, 1995 г.), используемое для измерения геометрических параметров плоских фигур, которое по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому устройству. Это устройство содержит матрицу 1 фотоприемников, первый 2 и второй 3 коммутаторы, генератор 4 тактовых импульсов, счетчики периметра 5 и площади 6, три трехразрядных сдвиговых регистра 7, элемент И-НЕ 8 и два элемента И 10, 11, введены элемент ИЛИ 9 и элемент И 12. Недостатком устройства-прототипа является то, что оно вычисляет лишь площадь и периметр плоского объекта, что в свою очередь не позволяет предоставить СТЗ достаточно информации для классификации плоских фигур, так как по площади и периметру нельзя сгруппировать объекты одинаковые по форме, но отличающиеся по размеру.

Технической задачей настоящего устройства является вычисление диагонального коэффициента формы объекта, а так же коэффициентов диагональных отрезков.

Под диагональным коэффициентом формы объекта понимается отношение двух отрезков, соединяющих две точки контура объекта. Первый отрезок соединяет две максимально удаленные друг от друга точки контура объекта. Второй отрезок лежит на диагонали минимально описанного вокруг объекта прямоугольника, и соединяет точки пересечения ее с контуром фигуры. Диагональным отрезком фигуры является отрезок, лежащий на диагонали минимально описанного вокруг фигуры прямоугольника и соединяющий центр объекта с точкой пересечения контура. Диагональный отрезок описанного прямоугольника - отрезок, соединяющий его центр и вершину. Под коэффициентом диагональных отрезков понимается отношение диагонального отрезка описанного прямоугольника к диагональному отрезку объекта.

На основе данного определения в устройстве реализуются следующие этапы вычислений:

1. Получение координат всех точек контура объекта;

2. Определение центра объекта и максимальное расстояние между двумя точками контура объекта;

3. Вычисление угла наклона объекта и его поворот относительно центра тяжести так, чтобы угол наклона линии длины к оси Х был равен 0°.

4. Расчет значений диагональных признаков формы объекта по следующему алгоритму:

Диагональные признаки формы объекта вычисляются следующим образом. Пусть у нас есть плоская геометрическая фигура (например эллипс). Вначале находится минимально описывающий ее прямоугольник (на рис.1 MNDE).

Зная координаты вершин описанного прямоугольника, находятся координаты точки Н пересечения его диагоналей (Н принимается за центр объекта) по формуле нахождения координат середины отрезка:

Для отрезка DN, где D (x_D, y_D), N (x _N, y_N) - концы отрезка, а Н (x_H, y_H) - середина,

, ,

Для нахождения точки пересечения контура фигуры с диагональю описанного прямоугольника решается система уравнений. В данном примере система уравнений двух прямых МN и HN:

где А, В, С и А, В, С - постоянные коэффициенты, причем А и В, и соответственно А и В не равны нулю одновременно.

(x, y) - координаты точки пересечения прямых.

Длины отрезков находятся из выражения:

,

где (x₁; y₁), (x ₂; y₂) - координаты начала и конца отрезков.

Далее вычисляем значения диагонального коэффициента и четырех коэффициентов диагональных отрезков.

Данный алгоритм позволяет вычислить диагональные признаки объекта не зависимо от его положения в поля зрения СТЗ, а также от его ориентации. Кроме того, он может быть использован в качестве основного признака для идентификации отдельных плоских объектов или проекций трехмерных объектов (например, промышленные детали, транспортируемые произвольно по ленточному конвейеру).

На чертеже представлена структурная схема устройства вычисления диагональных признаков формы плоских фигур. Устройство состоит из: видеодатчика - блок 1; блока предварительной обработки изображения - блок 2; буфера типа LIFO - блок 3; блока вычисления центра объекта и максимального расстояния между двумя точками контура объекта - блок 4; блок определения угла наклона объекта и его поворота - блок 5; буфер типа FIFO - блок 6; блока построения минимально описанного вокруг объекта прямоугольника - блок 7; блока вычисления диагональных признаков формы объекта - блок 8 и управляющего устройства - блок 9.

Устройство работает следующим образом: видеодатчик (блок 1) формирует изображение рабочего поля СТЗ. Оно передается в блок предварительной обработки (блок 2). В нем над полученным изображением выполняется операция сглаживания шума, сегментация-бинаризация и выделение контура. Количество точек N, принадлежащих контуру объекта определяет размер буфера LIFO (блок 3), в который записываются их координаты. Из данного буфера они поступают на вход блока вычисления центра объекта и максимального расстоянии между двумя точками контура объекта (блок 4). Данные параметры передаются на вход блока определения угла наклона объекта и его поворота (блок 5). В нем осуществляется поворот контура объекта вокруг его центра на вычисленный угол так, чтобы в результате, угол между линией, на которой лежит отрезок максимальной длины, соединяющий две точки контура объекта и осью Х был равен 0°. Новые координаты контура объекта, занявшего исходное (стандартное) положение записываются в буфер FIFO (блок 6). С выхода буфера координаты контура объекта поступают в блок вычисления построения минимально описанного вокруг объекта прямоугольника. Далее координаты центра объекта и вершин описанного прямоугольника передаются в блок 8, где вычисляются диагональные признаки формы объекта. Управляющее устройство определяет параметры получения нового объекта и операции предварительной обработки.

Источники информации

1. Патент Российской Федерации. 2031443, кл. G06K 9/48. Устройство для измерения геометрических параметров плоских фигур. 1995 г.

2. Розенфельд А. Распознавание и обработка изображений с помощью вычислительных машин - М.: Мир, 1972. - 232 с.

Устройство вычисления диагональных признаков формы плоских фигур, содержащее видеодатчик, получающий изображение рабочего поля системы технического зрения и передающий его на вход блока предварительной обработки; блок предварительной обработки изображения, реализующий операции сглаживания шумов, сегментации-бинаризации изображения, выделения контура объекта и определение координат его точек; буфер типа LIFO, хранящий координаты точек контура объекта, полученные из блока предварительной обработки, и передающий их на вход блока вычисления центра объекта и максимального расстояния между двумя точками контура объекта; блок определения угла наклона объекта и его поворота так, чтобы угол наклона линии длины к оси Х был равен 0°; буфер FIFO, получающий координаты точек контура объекта после их выхода из блока определения угла наклона объекта и его поворота и передающий значения на вход блока построения минимально описанного вокруг объекта прямоугольника, блок вычисления диагональных признаков формы объекта; управляющее устройство, определяющее параметры получения нового объекта и операции предварительной обработки.