基于机器视觉的糖画自动绘画机精确控制技术研究

基于机器视觉的糖画自动绘画机精确控制技术研究

王鹏威,张家藩,宋蒙龙

郑州科技学院

摘要：糖画是一种非常传统的手工艺，为了更好地传承中华民族的宝贵财富，我们必须要走科技创新的道路才能够摆脱糖画目前所面临的困境。糖画自动绘画机利用电脑与自动化技术，通过计算机视觉技术对输入图片的轮廓边缘进行特征提取，并形成程序指令，驱动步进电机绘制糖画图案，采用电加热融化麦芽糖固体，通过温度控制对糖稀的出料温度精确把控。图片处理主要集中于图片的轮廓进行特征提取，所采用的算法为Sobel算子，通过对图片的轮廓处理得到特征点图，再通过降噪去除细微特征得到对应图片的线条图即最终成品(糖画)图案。

关键词：机器视觉；3D糖画；边缘轮廓

一、引言

糖画是一种传统的民间手工艺,俗称“倒糖人儿”,其深受大众的喜爱。由于时代变迁科技进步,许多传统技术逐渐消亡,传统糖画也难逃其中。调研发现,目前糖画的传承与发展问题重重,主要问题有:对绘画技术的要求高;卫生安全得不到保障;糖画缺乏传承,没有新活力注入;发展闭塞,不能大范围推广发展;成品单一,不能满足大众个性潮流需求。本团队致力于传统文化的发展与推广,就以上问题提出“智能糖画机”这一课题创新项目,创新方向为:“利用电脑与自动化技术,通过通讯从PC端导入图片到糖画机,由计算机图像处理技术对输入的图片的线条轮廓进行特征提取,得到一幅“线条画”并形成程序指令,驱动步进电机绘制糖画图案,采用电加热融化麦芽糖固体,由单片机传感器进行温度控制对糖稀的出料温度精确把控在175℃正负2℃区间。

二、产品工作流程及机械结构

(1)工作流程:产品由步进电机、步进电机驱动器、同步带、数字舵机、中央处理器、存储器、通讯WiFi模块及数据总线和外部接口等一系硬件组成。操作者不需要绘画基础,只需要通过通讯WIFI输入图片、照片,产品便可以通过计算机程序导出图片对应“线条画”与其步进电机程序指令,步进电机通过同步带带动加热挤出模组在水平面(X.Y)内运动,通过数字舵机控制糖稀的流出,从而画出图片相应的图案。

(2)机械结构:由水平布置的两个步进电机作为驱动装置,构成直角坐标系机器人(二维运动模组),根据工作要求与直角坐标机器人运动特征选择结构布置,步进电机水平对置,采用蜗杆与同步带传动,并根据设计参数分别对机器人各轴数据进行选择,并计算选择适配的驱动单元和减速器。Z方向采用JX1109数字舵机,通过凸轮与反力弹簧控制加热挤出模组竖直方向小幅度运动。加热装置由加热系统、温度感知系统、搅拌系统独立组成,通过对各系统的整合,采用单一串口通讯与供电,由航空插头实现与机器人本体的连接。智能糖画机通过220V配合适配器供电,加热模组采用110V供电,功率60W,程序控制数据采集运算采用5V供电,电源输入经开关电源流向各模组。

三、控制系统

图像处理采用MNB64788IC芯片,中央处理器采用COLDFire系列32位嵌入式微处理器用于数据处理,数据存储采用SOP8AT24C04贴片存储器用于临时存储图片数据与温度数据。通讯采用ESP8266-01SWiFi模块,其带有无线收发串口,可用于接受手机等PC端图片输入,并用于处理后的“线条画”发送回PC端。糖稀温度控制:温度采集使用数字温度传感器DS18B20,可以分别在83.75ms和550ms内完成9位和12位的数字量数据采集,测量温度范围为-55~210℃,在-100~+185℃范围内,精度为0.5℃,可满足融糖温度175℃与糖稀温度变化小2℃的要求。通过传感器对糖稀的温度进行采集,经变送器、A/D转化器形成数字量数据存储,有单片机进行数据处理比对得到控制信号,再经D/A转换器、续电器达到对加热丝发热功率的控制,从而改变糖稀的温度,形成闭环回路控制系统。

单片机选择AT89C52单片机,温度调节采取PID调节,它是连续控制系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种控制算方法。不仅可以用常规的PID调节,而且可以根据系统的要求,采用各种PID的变型,如PI、PD控制及改进的PID控制等。对于时间常数比较大的被控制对象来说,数字PID完全可以代替模拟PID调节器,应用更加灵活,使用性更强。

系统设定温度值为175℃,通过传感器采集糖稀温度数据,由单片机将传感器数据与设定数据进行比对运算,当传感器采集温度低于174℃时,输出数字信号1,续电器工作导通加热电路,发热丝工作,系统程持续加热;当传感器采集数据高于176℃时,输出数字信号0,续电器断电,加热电路停止工作,系统冷却降温。其中加热采用电加热,电源110V交流输入,加热丝为0．11mm(156Ω/m)镍铬合丝总电阻值为825欧,加热功率为60W。为防止加热不均匀导致糖稀焦煳,产品增加了搅拌装置,搅采用GA12-N20减速马达,其具有低转速高扭矩输出,可有效适应高温及高粘度工作环境,采用5V低压直流输入。

四、图像边缘轮廓特征提取

(1)轮廓特征提取算法:图片处理主要集中于图片的轮廓进行特征提取,所采用的算法为Sobel算子,通过对图片的轮廓处理得到特征点图,再通过降噪去除细微特征得到对应图片的线条图即最终成品(糖画)图案。Sobel算子其主要用于边缘检测,在技术上用来运算图像亮度函数的梯度的近似值,由于Sobel算子对于像素的位置的影响做了加权,与Roberts算子等相比效果更好。Sobel算子包含了两组3x3的矩阵,分别为X向及Y向模板,将之与图像作平面卷积,即可分别得出X向及Y向的亮度差分近似值。糖画机图像处理使用中,常用如下两个模板来检测图像边缘。

检测水平边沿横向模板:

Gx=/beginbmatrix-101/-202/-101/endbmatrix

检测垂直平边沿纵向模板:

Gx=/beginbmatrix121/000/-1-2-1/endbmatrix

图像的每个像素的横向及纵向梯度近似值可用以下公式结合,来计算梯度的大小。

G=/sqrt[2]G2x+G2y

然后可用以下公式计算梯度方向。

/Theta=/arctan(/fracGyGx)

在以上例子中,如果以上的角度Θ等于零,即代表图像该处拥有纵向边缘,左方较右方暗。

(2)sobel算子MATLAB实现算法(部分):

1.f=imread('D:/picture/ZiXia.jpg');

2.f=rgb2gray(f);%转化成灰度图

3.f=im2double(f);%函数im2double将其值归一化到0~1之间

4.%使用垂直Sobcl箅子.自动选择阈值

5.[VSFATThreshold]=edge(f,'sobel','vertical');%边缘探测

6.figure,imshow(f),title('原始图像,');%显示原始图像

7.figure,imshow(VSFAT),title('垂直图像边缘检测');

8.%显示边缘探测图像

9.SFST=edge(f,'sobel',Threshold);

10.figure,imshow(SFST),title('水平和垂直图像边缘检测');

11.%显示边缘探测图像

12.%使用指定45度角Sobel算子滤波器,指定阂值

13.s45=[-2-10;-101;012];

14.SFST45=imfilter(f,s45,'replicate');

15.SFST45=SFST45>=Threshold;

16.figure,imshow(SFST45),title('45度角图像边缘检测。

五、糖稀挤出控制

糖稀挤出控制由数字舵机与止逆阀门控制。JX1109数字舵机,通过凸轮与反力弹簧控制加热挤出模组竖直方向小幅度运动。止逆阀门由阀芯、阀体、反力弹簧组成。当数字舵机控制加热挤出模组竖直方向当向下运动时,阀门阀芯与下端大理石板接触,阀芯向上顶升,糖稀通过止逆阀门流出,舵机控制加热挤出模组竖直方向向上运动时,阀芯与大理石板脱离接触,阀芯在反力弹簧作用下与阀体接触,阀门闭合,糖稀停止流出。通过对步进电机的运动速度的控制,可对不同最小区间内的加热挤出模组停留时间进行控制,当绘图慢时,糖稀流量大,绘制的糖画线条粗实;当绘图较快时,糖稀流量变小,糖画线条细长,从而可有效控制图案线条的粗细,使得绘制出的糖画细节更加丰富。

六、结论

图像识别处理、智能温度控制、步进电机精确运转等新技术的运用,将大幅增加糖画的多样性与精巧性,可有效的降低糖画制作技术要求,简化其传承难度推广难度。特别是智能图像提取,可满足大众对新潮、个性的追求,使传统的糖画技艺迸发了新的闪光点,使其更具有传承价值。

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