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1、用于玻璃碎片测试的图像处理技术摘 要 碎片状态试验是钢化玻璃力学性能检验的一项内容，试验目的是为了评价安全玻璃破碎时碎片引起伤害的可能性。将计算机图像处理技术应用于玻璃碎片检验中，提出了一种玻璃碎片自动检测、识别及计算的算法。首先获取蓝光背景下玻璃碎片原图，进行灰度处理，采用 sobel 算子对图像进行边缘检测并滤波去噪；然后利用灰度梯度方法提取出整幅图片的高亮区域确定缝隙线，缝隙线膨胀生长后进行骨架提取；最后根据骨架标示各碎片区域进行计算。此外，同时将该算法和欧拉数计算公式相结合，应用于图像中碎片数量的计数方面，使得碎片分割和计数变得简单、快捷。实验结果表明，该算法是一种切实可行的碎片图像的
2、分割和计数方法。【关键词】玻璃碎片 图像处理 sobel 算子 缝隙线 生长 欧拉数 为保证安全玻璃在应用和破坏时产生的伤害程度达到最小，我国对安全玻璃实行强制性质量检验制度，碎片状态试验是检验方法之一。依据中华人民共和国国家标准 GB 15763.2-2005建筑用安全玻璃 第 2 部分：钢化玻璃 、GBT 5137.1-2002汽车安全玻璃试验方法 第 1 部分力学性能试验 、GB 9656-2003汽车安全玻璃 、GB 18045-2000铁道车辆用安全玻璃中的规定，安全玻璃质量检验中碎片状态试验的要求是统计出 规定大小区域内的碎片数，碎片的数量介于 40-200 块之间，每块碎片的面积
3、大约介于 0.0625-0.625cm2 之间。目前，这项工作由人工来完成，效率低并影响检测结果的准确性。为此提出一种基于计算机图形学（Computer Graphics，简称 CG）的玻璃碎片图像检测与计算方法， 目的是确定高亮区域，获得缝隙线，再采用新型欧拉计数方法统计碎片的数量特征。 1 图像获取及预处理 按照国家标准中安全玻璃碎片状态试验方法的要求，使用自主研发的玻璃碎片检测装置，利用气动装置控制尖锐的重物自动敲击距离玻璃的长边缘 20mm 处，使玻璃破碎。并在冲击后 10s 后且3min 内使用工业 CCD 相机，在蓝光背景下采集碎片图像得到彩色照片，通过采集高度与放大率计算，从中选
4、取 50mm50mm 区域图像，将其灰度化，作为玻璃碎片原始灰度图像。图 1 即为蓝光下玻璃碎片原图，图 2 为玻璃碎片灰度化处理后图像。 2 边缘检测 欲获得玻璃碎片的形状和数量，首先要描绘出图像中玻璃碎片的缝隙线，故可以把缝隙线看作目标，用 O 表示，把碎片的内部看作背景，用 B 表示。 图 2 所示的预处理后图像比较均匀一致，即缝线比其邻域灰度值小，碎片内部的灰度没有太大起伏，但是整个图像的亮度不均匀，因此不能使用简单的阈值法进行边缘的提取。为了突出碎片内部（B）与缝隙线（O）的边缘区域，选择使用传统的边缘检测算子Sobel 算子来求原始灰度图像的梯度图像。 2.1 Sobel 边缘算子
5、 图 3 所示的两个卷积核形成了 Sobel 边缘算子，图像中的每个点都用这两个核做卷积，一个核对通常的垂直边缘响应最大，而另一个对水平边缘响应最大，两个卷积的最大值作为该点的输出位。运算结果是一幅边缘幅度图像，Sobel 边缘算子处理过的图见图 4。使用 Sobel 算子进行边缘检测后，进行滤波平滑，以利于灰度梯度方法提取出整幅图片的高亮区域。 2.2 求梯度图像 梯度图像也是灰度图像，使用一种常用的分割方法，将图像的灰度直方图分割成两部分， 选取最佳门限使类间方差最大，从而达到两部分分离性最大的目的，确定高亮区域，找出图片中的高亮点，进行灰度重建、倒置，找出整幅图片的高亮区域。该算法处理的
6、结果如图 5 所示。 2.3 缝隙线生长 由图 5 可以看出，尽管目标 O（缝隙线）的轮廓已经呈现，但是内部并不均匀一致，缝隙线的生长算法可以将缝隙线内部变成均匀一致的区域，本文采用了二值图像作数学形态学上的开运算，将距离较近的目标区域连通起来。 数学形态学是由一组形态学的代数运算子组成的。最基本的形态学运算有：腐蚀、膨胀、开、闭。形态开运算能使黑色区域首先膨胀，使缝线内部的白点去除，但缝线也变粗，接着进行一次腐蚀运算，使缝线基本恢复原来的宽度。同时，通过开运算后，边界也变得比较平滑，处理后如图 6 所示。 3 玻璃碎片分割 从图 6 可以观察到，缝隙线上的灰度值大，碎片内部的灰度值小，可以把
7、它假想成地形表面，每个像素的灰度代表该点的海拔高度。采取分水岭变换能够对图像进行分割。首先让每个像素指向具有最小值的邻居像素，然后分别处理贮水盆地坡面的平台区域和宽分水岭区域、局部最小值区域，最后根据指入链码回溯标注各个贮水盆地。同一贮水盆地的像素即属于同一玻璃碎片。该分割算法能实现完全分割，分割效果如图 7 所示。 4 玻璃碎片欧拉数的计算 本文提出一种计算图像欧拉数的公式，它只需对图像采用逐行扫描由上而下的方式扫描一次，而且每次只需使用两行数据，占用内存少。欧拉数计数公式如下： 式中，Vmk 表示图像第 m 行，第 k 个图段所对应的上相邻数。而且 Vm0=1，即当 k=0 时，Vmk=1
8、。表示当 m 行无图段时，该行对欧拉数无贡献。此外，根据国家标准里碎片计数原则横跨计数框的碎片按 1/2 个碎片计算，需对欧拉数计算公式进行优化补充定义，非封闭区域图段按 1/2 个碎片数计数。用该算法对图 7 进行碎片统计，结果为 37，与实际图片中的碎片数目相符。 5 结束语 （1）本文提出的玻璃碎片边缘检测、分割和计数方法能够较准确地检测出碎片的缝隙线，划分出碎片的区域，统计出碎片块数，并已经用实验进行了验证，证明了它的实用性和合理性。 （2）该算法整个过程无需人工参与，能够完成安全玻璃碎片的自动检测与识别，提高了安全玻璃产品质量检验的自动化程度，满足试验结果判定的客观性和准确性要求。为
9、今后的深入研究和将其应用到生产实践奠定了坚实的基础。 （通讯作者：董晨晨 李威霖 陈佳静） 参考文献 1何斌，马天予，王运坚等.Visual C+ 数字图像处理（第 2版）M.北京：人民邮电出版社，2002. 2周心明，兰赛，徐燕.图像处理中几种边缘检测算法的比较J.现代电力.2000，17（03）：65-69. 3Luc Vincent.Morphological grayscale reconstruction in image analysis： applications and efficient algorithmsJ.IEEE Transactions on Image Proce
10、ssing，1993，2（02）：176-201. 4Gordon Gaile G.Automated glass fragmentation analysisJ. Procedings of the SPIE，Machine Vision Applications in Industrial Inspection IV，1996，2665（02）：244-252. 5?O 涵，任明武.基于链码的分水岭变换算法J.中国图象图形学报，2004，9（09）：1025-1031. 6Bieniek A，Moga A.An efficient watershed algorithm based on connected components J.Pattern Recognition，2000，33（03）：907-916. 7林小竹，沙芸，籍俊伟，等.计算二维图像欧拉数的新公式J.微电子学与计算机，2005，22（11）：158-161. 作者单位 1.浙江方圆检测集团股份有限公司 浙江省杭州市 310018 2.浙江省质量检测科学研究院 浙江省杭州市 310018
