基于機(jī)器視覺的廣電監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)字化升級(jí)改造項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張偉

摘 要 本文介紹了一種基于機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行老舊監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)字化改造的方案，論證了相關(guān)軟硬件及圖像處理算法的選取，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備示值自動(dòng)判讀與回傳。

關(guān)鍵詞 機(jī)器視覺；數(shù)字化；改造；示值判讀

中圖分類號(hào) G2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2017）193-0069-02

機(jī)器視覺技術(shù)是人機(jī)交互和智能化的主要研究方向之一，起源于20世紀(jì)60年代對(duì)機(jī)器人感知系統(tǒng)的研發(fā)，并于20世紀(jì)70年代形成了較為完整的視覺理論體系，在感知的量化、外界信息識(shí)別和處理方面有重要意義，并成為包括監(jiān)測(cè)工作在內(nèi)社會(huì)各項(xiàng)事業(yè)的發(fā)展方向。

我國(guó)廣電部門經(jīng)過(guò)幾十年建設(shè)，基本建成了覆蓋省、地市各級(jí)的完整、全面的監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)。但受限于高精度接收機(jī)、場(chǎng)強(qiáng)儀等設(shè)備高昂的價(jià)格及系統(tǒng)成套的特殊方式，老舊監(jiān)測(cè)設(shè)備無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)被替換。利用機(jī)器視覺為主體的圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)老舊設(shè)備進(jìn)行改造，將其結(jié)果自動(dòng)判讀，形成數(shù)字化結(jié)果后接入專用網(wǎng)絡(luò)回傳，從而減少人工判讀誤差、增加工作效率、增強(qiáng)傳統(tǒng)監(jiān)管系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，對(duì)當(dāng)前監(jiān)測(cè)監(jiān)管事業(yè)的發(fā)展具有重大應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成及軟件環(huán)境

本系統(tǒng)主要利用機(jī)器視覺原理，針對(duì)指針式儀表的示值進(jìn)行自動(dòng)判讀后回傳數(shù)據(jù)。系統(tǒng)主要由補(bǔ)充照明設(shè)備、數(shù)字式工業(yè)相機(jī)及服務(wù)器構(gòu)成。其中系統(tǒng)服務(wù)器與其他設(shè)備共用，整套系統(tǒng)造價(jià)較低，架設(shè)方便。

目前市面上較為易得的補(bǔ)充照明設(shè)備有白熾燈、疝氣燈、鹵素?zé)?、熒光物質(zhì)及LED光源等。傳統(tǒng)的白熾燈、疝氣燈等壽命較短，耗能較高，體積較大且存在一定安全隱患，熒光物質(zhì)的照度也無(wú)法滿足要求，故本系統(tǒng)采用LED光源作為補(bǔ)充照明設(shè)備。LED光源的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在其異色發(fā)光管采購(gòu)便捷替換容易，便于在特定的工業(yè)相機(jī)上實(shí)現(xiàn)最佳對(duì)比度。

數(shù)字式工業(yè)相機(jī)模塊是本系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分。目前常見的工業(yè)相機(jī)分為CCD相機(jī)與CMOS相機(jī)兩大分類。CCD相機(jī)分辨率高但采購(gòu)價(jià)格也較高，而CMOS工業(yè)相機(jī)基于互補(bǔ)金屬氧化物傳感器，有低成本、高性價(jià)比、高穩(wěn)定度的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于中低端圖像識(shí)別系統(tǒng)。本系統(tǒng)由于機(jī)房室內(nèi)操作環(huán)境較為理想，焦距固定且有補(bǔ)充照明光源，故選取了ALEIENTEK公司的OV2640攝像頭模塊作為圖像采集相機(jī)。該模塊接口簡(jiǎn)單，集成有源晶振和LDO，較為適用。相機(jī)分辨率固定為1600×1200像素。

本系統(tǒng)數(shù)字圖像處理開發(fā)平臺(tái)選取常用的VC++6.0，開發(fā)環(huán)境功能較為完整，可調(diào)用函數(shù)系統(tǒng)也較為易用。視覺庫(kù)系統(tǒng)選取OpenCV開源機(jī)器視覺庫(kù)，封裝有較多圖像算法。

2 圖像處理及示值判讀

系統(tǒng)工作流程圖如圖1。

工業(yè)相機(jī)輸出圖像為真彩圖像，將其轉(zhuǎn)化為黑白圖像再做處理即為灰度化。由于OV2640相機(jī)模塊可直接輸出未進(jìn)行預(yù)壓縮的RGB565格式圖片，故采取直接取用圖片中Y分量的方法即可完成灰度化處理。

將圖像相關(guān)特征突出、顯著化的過(guò)程稱為圖像增強(qiáng)，增強(qiáng)后的圖像有利于保留細(xì)節(jié)元素，方便后續(xù)示值識(shí)別。本系統(tǒng)采用直方圖增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行圖像增強(qiáng)，即拉開圖像灰度間距，均勻化全局的灰度值，從而增強(qiáng)圖像細(xì)節(jié)。其圖像算法的數(shù)學(xué)原理簡(jiǎn)示如下：

設(shè)r為原始灰度值，s為最終灰度值，對(duì)0≤r，s≤1，在[0，1]區(qū)間內(nèi)任意一個(gè)r值，經(jīng)過(guò)T（r）變換后可產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)的S=T（r）。

T（r）作為變換函數(shù)需滿足：在0≤r≤1區(qū)間為單調(diào)遞增函數(shù)，且在0≤r≤1內(nèi)有在0≤T（r）≤1。即保證灰度無(wú)論如何變化，均保持從黑到白的順序不變且在從黑到白的區(qū)間內(nèi)。

當(dāng)變換函數(shù)T（r）為給定圖像的灰度直方圖累積分布函數(shù)時(shí)，即完成圖像直方圖均衡化。

將灰度圖像處理為只有黑白兩種顏色的過(guò)程成為二值化，對(duì)后續(xù)識(shí)別工作有重要意義。本系統(tǒng)采用較為成熟的闕值分割算法進(jìn)行圖像二值化，即只輸出大于某亮度闕值的像素點(diǎn)為1。

在完成各類圖像處理預(yù)操作后，需要將儀表指針識(shí)別并提取。對(duì)指針的識(shí)別有Hough變換法、差影法等途徑。Hough變換法魯棒性強(qiáng)，復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)度高，但運(yùn)算復(fù)雜，輸出結(jié)果有時(shí)延。鑒于本系統(tǒng)圖像采集環(huán)境較為簡(jiǎn)單且固定，故采用差影法進(jìn)行指針提取，即預(yù)采集一張圖像并處理為無(wú)指針的標(biāo)準(zhǔn)圖像，將待測(cè)圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像的二值化圖像進(jìn)行對(duì)比，將結(jié)果相減。由于兩幅圖像采集環(huán)境相同，除指針圖像外均可相減得0，得到一副僅有指針的二值化圖像。差影法的細(xì)小噪聲用連通域識(shí)別算法可輕易除去，在本系統(tǒng)中有較好適應(yīng)性。

指針提取后需進(jìn)行計(jì)算得到儀表示值。由于指針儀表以角度區(qū)分不同示值的特點(diǎn)，故只需檢測(cè)出指針與基準(zhǔn)線間偏差角即可。其算法原理簡(jiǎn)示如下：

設(shè)基準(zhǔn)線直線方程為：

待測(cè)指針直線方程為：

則兩直線交點(diǎn)坐標(biāo)即為旋轉(zhuǎn)軸心坐標(biāo)（X，Y），可示為：

即可得到儀表示值，其中M為儀表最大量程，α為相應(yīng)的最大偏轉(zhuǎn)角。

將示值通過(guò)廣電專用網(wǎng)絡(luò)回傳至遠(yuǎn)端，即完成整個(gè)流程。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，本系統(tǒng)針對(duì)某常用場(chǎng)強(qiáng)儀示值判讀，相對(duì)誤差小于2.52%，符合使用要求。

3 結(jié)論

此項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)依托機(jī)器視覺技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備示值結(jié)果自動(dòng)判讀回傳，在充分考慮廣電網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)環(huán)境的前提下，以較小的成本完成了老舊設(shè)備的數(shù)字化改造，有效降低了人工成本，符合新時(shí)期廣電監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展要求。

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