图像处理技术在糖画机中的运用
蒲俊 王植平 黎文远
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。智能糖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：机器人;闭环控制;边缘轮廓;特征提取;Sobel算子;PID调节
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。
一、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。
二、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SOP8 AT24C04贴片存储器用于临时存储图片数据与温度数据。通讯采用ESP8266-01S WiFi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011mm（156Ω/m）鎳铬合丝总电阻值为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。
三、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。
四、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。
五、结语
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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支持项目：武汉商学院2018年大学生创新创业项目（项目号：201811654018）
作者简介：蒲俊（1999—），男，汉族，四川巴中人，在读本科，研究教育机器人与工业机器人设计与开发，探索机器人教育与文化教育相结合，慧创客科技创始人;王植平，男，汉族，湖北恩施人，在读本科，研究方向：机器人的集成设计、智能机器人编程;黎文远，男，汉族，湖北孝感人，在读本科，研究方向：机械自动化、智能机器人编程。
