基于圖像處理的指針式儀表自動(dòng)檢定系統(tǒng)

孫國(guó)平

(船舶重工集團(tuán)公司 723所,江蘇 揚(yáng)州 225001)

指針式儀表在當(dāng)前雷達(dá)裝備中有很大的應(yīng)用。主要應(yīng)用有電壓表、電流表,對(duì)于某些雷達(dá)還有液壓表、溫度 /濕度表等。作為裝備的組成部分,儀表的正確讀數(shù)對(duì)裝備的性能具有重要的參考價(jià)值,因此儀表質(zhì)量的穩(wěn)定性對(duì)裝備具有很大的影響,尤其在裝備開(kāi)高壓時(shí),儀表的正常工作是裝備安全穩(wěn)定工作的直接反應(yīng)。因此有必要對(duì)指針式儀表進(jìn)行檢定,以確定指針式儀表的精度和準(zhǔn)確度。對(duì)于大部分指針式儀表,特別是準(zhǔn)確度比較高的儀表的檢定,目前仍利用傳統(tǒng)的方法需要人來(lái)手工記錄讀數(shù)、處理結(jié)果。這種傳統(tǒng)的方法不僅耗時(shí)多、成本高,而且會(huì)加入人的主觀因素的影響帶來(lái)檢定結(jié)果不準(zhǔn)確。而采用圖像處理技術(shù)對(duì)指針式儀表進(jìn)行檢定是對(duì)傳統(tǒng)的儀表質(zhì)量檢測(cè)方法的一個(gè)根本改進(jìn),它消除了人工觀測(cè)方法所造成的主觀誤差,提高了檢定精度和速度,因而得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。本文設(shè)計(jì)了基于圖像處理的指針式儀表自動(dòng)檢定系統(tǒng),運(yùn)用差影法確定指針旋轉(zhuǎn)軸心位置,采用距離法識(shí)別讀數(shù),檢定的結(jié)果以Excel表格的形式保存數(shù)據(jù),作為該儀表是否合格的判斷依據(jù),分析了誤差來(lái)源。

1 指針式儀表自動(dòng)檢定系統(tǒng)的構(gòu)成

指針式儀表自動(dòng)檢定系統(tǒng)由 3部分構(gòu)成[3-4]:

(1)計(jì)算機(jī)(PC)是整個(gè)系統(tǒng)的控制和處理核心,主控程序?qū)崿F(xiàn)的功能有:

1)控制程控標(biāo)準(zhǔn)源輸出的標(biāo)準(zhǔn)量:計(jì)算機(jī)通過(guò)串行口對(duì)程控標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行通訊和控制,控制程控標(biāo)準(zhǔn)源的輸出模塊的輸出量大小。

2)采集表盤(pán)圖像:具有USB攝像頭相應(yīng)得設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,通過(guò) USB接口實(shí)時(shí)采集攝像頭的圖像,得到 BMP格式的表盤(pán)圖像。

3)圖像處理及識(shí)別讀數(shù):對(duì)采集到的表盤(pán)圖像進(jìn)行處理和計(jì)算,識(shí)別圖像中表盤(pán)的讀數(shù)。

4)數(shù)據(jù)管理:利用計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能,把鑒定數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中,并根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)被檢儀表的性能進(jìn)行可行性的分析和判別。

(2)程控標(biāo)準(zhǔn)源:可在程序控制下,輸出標(biāo)準(zhǔn)電源,電源要求比被檢定儀表精度高,符合鑒定要求;程控標(biāo)準(zhǔn)源應(yīng)遵循與計(jì)算機(jī)匹配的串口通訊規(guī)約,對(duì)計(jì)算機(jī)的命令做出正確的執(zhí)行和回答。

(3)USB接口的攝像頭:可由計(jì)算機(jī)控制采集被檢定儀表的圖像,系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 指針式儀表自動(dòng)檢定的流程和算法

2.1 指針式儀表自動(dòng)檢定流程

在指針表自動(dòng)檢定系統(tǒng)中,按照功能模塊將圖像處理部分劃分為刻度線(xiàn)的自動(dòng)標(biāo)定和儀表的自動(dòng)檢定兩個(gè)部分,其流程圖如圖2所示。

圖2 指針式儀表自動(dòng)檢定流程圖

2.2 指針式儀表自動(dòng)檢定主要算法

2.2.1 差影法指針旋轉(zhuǎn)軸心位置的確定

指針旋轉(zhuǎn)軸心位置的確定是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢表后續(xù)工作的關(guān)鍵步驟,采用差影法確定指針旋轉(zhuǎn)軸心的位置,算法如下:

首先采集一幅指零圖像,然后由上位機(jī)發(fā)出命令通過(guò)程控電流源驅(qū)動(dòng)指針旋轉(zhuǎn)到指針表滿(mǎn)量程的80%后再采集一幅圖像,然后對(duì)這兩幅圖做二值化處理。結(jié)果分別如圖3(a)和圖3(b)所示。在這兩幅圖像中變化的物體只有移動(dòng)的指針,在采集圖像的過(guò)程中由于儀表和攝像頭的位置固定,采集到的兩幅圖中刻度線(xiàn)、刻度數(shù)字、表盤(pán)參數(shù)是重合的。將兩幅圖像作差影運(yùn)算后,濾除掉刻度線(xiàn)、刻度數(shù)字、表盤(pán)參數(shù)等信息,只留下圖像中變化的部分,如圖3(c)所示。

圖3 差影法提取指針旋轉(zhuǎn)軸心位置圖

由于攝像頭采集指零圖像和指針偏轉(zhuǎn)的兩個(gè)時(shí)刻光照不完全相同,有微弱的差別,這些微弱的差別反映到差影處理后的結(jié)果中就有一些離散的像素點(diǎn),如圖3(c)所示。很顯然這些離散的像素點(diǎn)對(duì)欲獲取只有兩指針信息產(chǎn)生干擾,必須清除這些干擾。由圖3(c)可觀察出這些離散的像素點(diǎn)構(gòu)成的連通域包含的像素很少,相反由兩指針構(gòu)成的連通域包含的像素最多。據(jù)此,將最大的兩個(gè)連通域保留,其余連通域的像素都作為背景信息。經(jīng)此處理后剩下的就只有兩指針不同位置的圖像,其結(jié)果如圖3(d)所示。兩指針的直線(xiàn)方程的交點(diǎn)坐標(biāo)即為指針旋轉(zhuǎn)軸心位置。

2.2.2 距離法讀數(shù)識(shí)別

采用最小二乘法擬合指針和指針左側(cè)第一條刻度線(xiàn)[5]。擬合過(guò)程如下:設(shè)點(diǎn)集{(xi,yi), i=1, 2,…,N}指針左側(cè)刻度線(xiàn)的邊界點(diǎn)集,采用一條曲線(xiàn)擬合該點(diǎn)集,使給定點(diǎn)集到該曲線(xiàn)y=f(x)的距離之和為最小,亦即使擬合的均方誤差

為最小。設(shè)曲線(xiàn)為

它經(jīng)過(guò)邊界點(diǎn)集的每一點(diǎn),那么可表示成矩陣式為

式(3)簡(jiǎn)記為

于是表示每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)誤差的列向量可以寫(xiě)作

式中矩陣積Xc是由式(2)算出的 y=f(x)值的列向量。因此均方誤差式(1)可寫(xiě)為

將式(5)代入式(6),對(duì) c中的元素進(jìn)行微分,并令其為零,則可求得均方誤差極小的系數(shù)向量

因采用直線(xiàn)擬合指針左側(cè)第一條刻度線(xiàn),所以取y=f(x)=c0+c1x。利用式(7)可分別得到指針左側(cè)第一條刻度線(xiàn)的斜率 c1和截距 c0。同理,得到指針的斜率和截距分別為 c1′和 c0′,指針左側(cè)的一條刻度線(xiàn)示值為M,指針右側(cè)第一條刻度線(xiàn)示值為N,指針左側(cè)第一條刻度線(xiàn)到指針的距離取指針左側(cè)第一條刻度線(xiàn)上的所有點(diǎn)到指針的平均距離記為d,同理指針右側(cè)第一條刻度線(xiàn)到指針左側(cè)第一條刻度線(xiàn)的距離可求得記為L(zhǎng),由此可得到指針表的示值為V=M+(N-M)*d/L。

3 誤差來(lái)源分析

(1)攝像頭分辨率不理想,能夠有效處理的像素點(diǎn)較少,將降低后續(xù)圖像處理識(shí)別精度。

(2)拍攝環(huán)境不理想,光照給表盤(pán)刻度和指針帶來(lái)陰影。

(3)拍攝角度不合適使表盤(pán)圖像產(chǎn)生微小形狀畸變,產(chǎn)生的誤差。

(4)圖像處理識(shí)別算法帶來(lái)的誤差,如指針旋轉(zhuǎn)軸心位置的確定,刻度線(xiàn)識(shí)別等都有可能出現(xiàn)誤差。

根據(jù)以上分析,可以通過(guò)提高攝像頭分辨率,改善拍攝環(huán)境,優(yōu)化圖像處理識(shí)別算法,將系統(tǒng)誤差控制在有效精度內(nèi),提高讀數(shù)準(zhǔn)確度,達(dá)到系統(tǒng)處理識(shí)別的要求。

4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)是對(duì)無(wú)錫電表廠生產(chǎn)的型號(hào)為WXC10精度等級(jí)為 1.5的一款直流電流表進(jìn)行檢定,如圖4所示。

檢定過(guò)程嚴(yán)格按照國(guó)家檢定規(guī)程先緩慢上升再緩慢下降對(duì)帶有刻度數(shù)字的每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行檢定。檢定的結(jié)果以Excel表格的形式保存數(shù)據(jù),作為該儀表是否合格的判斷依據(jù),檢定結(jié)果如圖5所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)指針式儀表在當(dāng)前雷達(dá)裝備中的廣泛應(yīng)用,儀表的正確讀數(shù)對(duì)裝備的性能具有重要的參考價(jià)值,儀表質(zhì)量的穩(wěn)定性對(duì)裝備具有很大的影響,因此有必要對(duì)指針式儀表進(jìn)行檢定,以確定指針式儀表的精度和準(zhǔn)確度。本文設(shè)計(jì)了基于圖像處理的指針式儀表自動(dòng)檢定系統(tǒng),運(yùn)用差影法確定指針旋轉(zhuǎn)軸心位置,采用距離法識(shí)別讀數(shù),檢定的結(jié)果以 Excel表格的形式保存數(shù)據(jù),作為該儀表是否合格的判斷依據(jù)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理,簡(jiǎn)便易行,便于實(shí)際操作。

[1] 王博,秦嶺松.基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的指針式儀表自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程,2005,31(11):19-21.

[2] 李沛玲,丁慶生.基于數(shù)字圖像處理的指針式儀表自動(dòng)檢定系統(tǒng) [J].信息與電子工程, 2006, 4(2): 145-148.

[3] 薛建榮,楊明.基于圖像處理的復(fù)雜指針式儀表的識(shí)別[J].中國(guó)儀器儀表,2005(10):73-74,82.

[4] 楊新華,張琢.模擬指針表自動(dòng)檢定裝置的研制[J].計(jì)量技術(shù), 2007(2):41-44.

[5] 范江濤,汪仁煌.基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的針式儀表讀數(shù)識(shí)別[J].廣州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007(12): 76-78.