基于模版匹配和查表法的高精度指針式儀表自動(dòng)檢定系統(tǒng)研制

莫文雄，裴利強(qiáng)，黃青丹，張亞茹，付武怡芳，趙永平

（1.廣州供電局有限公司電力試驗(yàn)研究院，廣州510000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱150001）

0 引 言

指針式儀表廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和計(jì)量中，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可反映出被檢參數(shù)的變化過(guò)程和變化方向，數(shù)字式儀表無(wú)法取代［1-2］。而高精度指針式儀表在檢測(cè)過(guò)程中，是一項(xiàng)耗時(shí)長(zhǎng)、工作強(qiáng)度大、效率低的重復(fù)性勞動(dòng)，因此研究一種高效率的高精度指針式儀表自動(dòng)讀數(shù)系統(tǒng)具有重要意義［3-4］。

目前，機(jī)器視覺(jué)和數(shù)字圖像處理技術(shù)已被成功應(yīng)用于指針式儀表的識(shí)別，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性以及識(shí)別精度等指標(biāo)往往達(dá)不到要求。戴海港等人提出了一種使用減影法與霍夫變換相結(jié)合的高精度儀表自動(dòng)判讀方法，提高了識(shí)別精度和效率［5］。吉林大學(xué)孫浩晏提出改進(jìn)的RANSAC方法并建立了讀數(shù)試點(diǎn)誤差模型，提高了識(shí)別系統(tǒng)的魯棒性和識(shí)別精度［6］。然而這些方法圖像處理工作復(fù)雜，識(shí)別過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳昕然提出基于查表法的高精度指針式儀表讀數(shù)識(shí)別方法［7］，消除了相機(jī)、指針以及指針在反光鏡中的影不重合時(shí)帶來(lái)單目誤差，同時(shí)無(wú)需移動(dòng)相機(jī)位置，縮短識(shí)別時(shí)間，提高讀數(shù)識(shí)別效率。查表法的關(guān)鍵在于當(dāng)相機(jī)與儀表表盤位置相對(duì)固定時(shí)，建立圖像讀數(shù)與實(shí)際讀數(shù)對(duì)應(yīng)表，前序工作［7］是通過(guò)機(jī)械夾具固定儀表位置的，而實(shí)際應(yīng)用中，由于不同批次儀表的外殼尺寸有差異，通用機(jī)械夾具固定儀表位置帶來(lái)位置誤差，使事先建立的對(duì)應(yīng)表失效，系統(tǒng)魯棒性差，識(shí)別不準(zhǔn)確。針對(duì)這一問(wèn)題，本文采用模版匹配方法實(shí)現(xiàn)相機(jī)和儀表表盤位置的準(zhǔn)確對(duì)中，并采用查表法實(shí)現(xiàn)高精度指針式儀表讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別，實(shí)驗(yàn)表明，所提出的方法大幅提高了系統(tǒng)的魯棒性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確率。

1 系統(tǒng)總體方案

根據(jù)儀表檢定要求，設(shè)計(jì)如圖1所示自動(dòng)檢定系統(tǒng)平臺(tái)。系統(tǒng)硬件平臺(tái)由計(jì)算機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)源、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、單目視覺(jué)系統(tǒng)、光柵傳感器、被檢儀表和打印機(jī)組成。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System global structure chart

其中，標(biāo)準(zhǔn)源為XF30A*型多功能校準(zhǔn)儀，可校準(zhǔn)對(duì)交、直流的標(biāo)準(zhǔn)電流、電壓，具有量程范圍廣、檔位多、高精度、操作方便等特點(diǎn)。利用上位機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)源通信，根據(jù)被檢表量程控制校準(zhǔn)儀的最大輸出值和步進(jìn)量，實(shí)現(xiàn)控制校準(zhǔn)儀標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)自動(dòng)化輸出。單目視覺(jué)系統(tǒng)采用某品牌In-Sight 7402智能相機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)，其內(nèi)部自帶圖像處理功能，可進(jìn)行高速數(shù)字圖像處理。精密位移控制平臺(tái)采用立漢光KSA150-11高精密電控平移臺(tái)，閉環(huán)控制，分辨率為1um，其X軸、Y軸位移范圍為150mm，Z軸的位移范圍為50 mm。控制器選用卓立漢光MC600系列電控位移平臺(tái)控制器，為32位DSP處理器控制，數(shù)字PID閉環(huán)控制，每一軸均有閉環(huán)反饋功能，支持通過(guò) SD卡內(nèi)置移動(dòng)方案，確保了精確的位置移動(dòng)控制。指針式儀表分別采用上海第二電表廠和上海良表儀器儀表有限公司生產(chǎn)的不同批次指針式儀表，以驗(yàn)證系統(tǒng)的魯棒性。

2 指針式儀表識(shí)別算法

本研究先通過(guò)模版匹配使相機(jī)與儀表盤準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)相機(jī)和儀表的相對(duì)位置固定，再利用查表法識(shí)別得到精準(zhǔn)讀數(shù)。

2.1 基于模版匹配的位置對(duì)中

2.1.1 模板提取算法

由于不同型號(hào)的指針式儀表刻度盤部分形狀基本相似，故選擇提取刻度盤指針輪廓作為模板。

Canny邊緣檢測(cè)算子是對(duì)信噪比和定位精度之積的最優(yōu)化逼近算子，在抗噪性能和邊緣定位方面取得了很好的折中效果［8］。本研究采用Canny算子進(jìn)行邊緣提取。其基本步驟為：

（1）選用適當(dāng) Gauss濾波器對(duì)圖像進(jìn)行平滑處理；

（2）利用一階偏導(dǎo)數(shù)的有限差分計(jì)算梯度的幅值和方向；

（3）對(duì)得到的梯度幅值進(jìn)行非極大值抑制，保留局部梯度極大值和在該點(diǎn)梯度最大的像素點(diǎn)；

（4）采用雙閾值法檢測(cè)并連接邊緣，得到邊緣圖像如圖2所示。

圖2 邊緣提取得到的刻度盤模板Fig.2 Edge extraction of dial template

2.1.2 模板匹配算法

模板匹配的基本原理是通過(guò)模板與被搜索圖像部分區(qū)域的相似性計(jì)算找到模板在被搜索圖的坐標(biāo)位置［9］，如圖3所示。

圖3 模板匹配原理圖Fig.3 Principle diagram of the template matching

假設(shè)模板T的尺寸為L(zhǎng)*H，待搜索圖像S的尺寸為M*N，，令模板T在圖像S上平移，搜索區(qū)域所覆蓋的子圖像記為Si，j，其中i、j為子圖像左上角頂點(diǎn)在圖像S中的坐標(biāo)。顯然，i、j的搜索范圍為1≤i≤M－m，1≤j≤N－n。通過(guò)比較 T和 Si，j的相似性，完成模板匹配過(guò)程［10］。計(jì)算公式如下：

根據(jù)I（i，j）得到被搜索圖像中與模板圖像相似度最高的區(qū)域位置，并根據(jù)實(shí)際模板大小計(jì)算得到該區(qū)域中心所在坐標(biāo)位置。如圖4所示，綠色區(qū)域?yàn)樗阉鞯降呐c模板相似度最高的刻度盤區(qū)域，中間綠色十字為刻度盤中心位置。

圖4 模板匹配識(shí)別結(jié)果Fig.4 Identification results of template matching

2.1.3 位置對(duì)中法

在進(jìn)行儀表讀數(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，同一型號(hào)的儀表經(jīng)不同廠家生產(chǎn)，其外表尺寸存在較大差異，會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)產(chǎn)生較大誤差。將視覺(jué)成像系統(tǒng)和指針儀表盤位置對(duì)中可消除這種誤差，方法如下：

（1）將視覺(jué)成像系統(tǒng)中心與指針式儀表表盤中心對(duì)準(zhǔn)（即刻度50下方圓弧與最長(zhǎng)刻度線交點(diǎn)在整幅圖像中心），記下圖像中心坐標(biāo)（x0，y0），作為標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)；

（2）更換其它儀表后，利用上述模板匹配法得到當(dāng)前刻度盤中心位置坐標(biāo)（x1，y1）；

（3）將當(dāng)前坐標(biāo)值與標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)值進(jìn)行比較，得到橫、縱坐標(biāo)差：

（4）根據(jù)坐標(biāo)差控制位移平臺(tái)的移動(dòng)（實(shí)驗(yàn)知圖像像素與位移平臺(tái)關(guān)系為1.7個(gè)像素：0.1 mm）：

直到刻度盤中心坐標(biāo)到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)。

此方法保證了每次讀數(shù)時(shí)視覺(jué)成像系統(tǒng)中心與儀表表盤中心精準(zhǔn)對(duì)齊，即消除了儀表尺寸差異帶來(lái)的誤差。

2.2 查表法

在單目成像的豎直方向上，若成像系統(tǒng)的中心不在指針的垂直平面上，相機(jī)、指針以及指針在反光鏡中的影不重合，會(huì)造成較大的讀數(shù)誤差，這種誤差可以通過(guò)建立模型的方法消除，但卻耗時(shí)耗力。本文采用查表法，在視覺(jué)成像系統(tǒng)中心與儀表表盤中心位置對(duì)準(zhǔn)前提下，建立實(shí)際讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)對(duì)應(yīng)表。檢定時(shí)，通過(guò)比較當(dāng)前讀數(shù)與表中實(shí)際讀數(shù)大小判斷指針是否到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)，有效避免了成像系統(tǒng)中心和指針不在同一平面產(chǎn)生的讀數(shù)誤差，同時(shí)節(jié)省了攝像頭隨指針移動(dòng)的時(shí)間，大大提高檢定效率。

2.2.1 建立對(duì)應(yīng)表建立對(duì)應(yīng)表的過(guò)程至關(guān)重要，主要步驟如下：（1）將視覺(jué)成像系統(tǒng)中心與指針式儀表表盤中心在水平方向上對(duì)齊；

（2）調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)源使儀表指向首個(gè)長(zhǎng)刻度，即圖4中的10刻度，經(jīng)人眼觀察微調(diào)標(biāo)準(zhǔn)源至指針指向整刻度，讀出此時(shí)圖像處理模塊的讀數(shù)，并連續(xù)采集圖像50次取其平均值即為刻度10對(duì)應(yīng)的圖像讀數(shù)；

（3）繼續(xù)調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)源至每個(gè)整刻度線，重復(fù)（2）過(guò)程，建立對(duì)應(yīng)表；

（4）更換同種型號(hào)不同廠家的儀表，驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。建立好的對(duì)應(yīng)表如表1所示。

表1 圖像度數(shù)與實(shí)際讀數(shù)對(duì)應(yīng)表Tab.1 Corresponding table of image and actual reading results

2.2.2 距離法獲取指針讀數(shù)

距離法是根據(jù)指針與各刻度線距離獲得讀數(shù)。記指針頂點(diǎn)與其左方、右方最近刻度線距離分別為d1、d2，則 d＝d1（d1＋d2）為讀數(shù)的小數(shù)部分；再將刻度線從左至右排序，通過(guò)指針左端最近刻度線序號(hào)推算出讀數(shù)整數(shù)部分z，則最終讀數(shù)t＝z＋d。

2.2.3 查表法識(shí)別過(guò)程

基于查表法的具體識(shí)別過(guò)程如圖5所示，其中，X1、X2……Xn為指針上升、下降過(guò)程整刻度對(duì)應(yīng)的圖像處理后距離法所得指針讀數(shù)，Y1、Y2……Yn為指針上升、下降過(guò)程整刻度對(duì)應(yīng)表中的實(shí)際讀數(shù)，T為設(shè)定閾值。

圖5 查表法識(shí)別流程Fig.5 Process of table searching method

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.6 Flow chart of system software

軟件主要流程如圖6所示。在參數(shù)配置模塊對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括儀表型號(hào)、環(huán)境溫度等等；在模式識(shí)別模塊調(diào)整精密位移平臺(tái)，使視覺(jué)成像系統(tǒng)中心與儀表盤中心在水平方向上重合；在查表法識(shí)別模塊對(duì)儀表各整刻度讀數(shù)進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)鑒定要求，獲得指針正對(duì)準(zhǔn)整刻度（即實(shí)際度數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)之差小于閾值值）時(shí)標(biāo)準(zhǔn)源讀數(shù)；同時(shí)，在Labview程控?？炜刂凭芪灰破脚_(tái)在x軸、y軸、z軸的移動(dòng)以及標(biāo)準(zhǔn)源的輸出；最后，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊對(duì)完成檢定的儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行保存并生成相應(yīng)的檢定表格。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 穩(wěn)定性

首先對(duì)系統(tǒng)對(duì)同一刻度（任取三個(gè)整刻度）進(jìn)行十次讀數(shù)，統(tǒng)計(jì)讀數(shù)差異，結(jié)果如表2所示。

表2 同刻度讀數(shù)穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì)Tab.2 Reading stability statistics of the same scale

由表2可知，同一刻度十次讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差小于0.01，系統(tǒng)讀數(shù)穩(wěn)定性良好。

4.2 準(zhǔn)確性

采用某電表廠生產(chǎn)的0.5級(jí)微安表，量程為100 μA，其最大允許誤差為0.5%。利用本系統(tǒng)該合格儀表進(jìn)行檢定，并專業(yè)檢定人員人眼讀數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

根據(jù)儀表檢定規(guī)程，儀表的準(zhǔn)確等級(jí)是由指針式儀表的讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)源數(shù)值的差值來(lái)計(jì)算的，而對(duì)于高精度指針式儀表的檢定，可認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)源沒(méi)有誤差，故檢定的準(zhǔn)確度就決定于儀表讀數(shù)的精度。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果知系統(tǒng)識(shí)別精度在允許范圍內(nèi)，與專業(yè)人員相比，檢定誤差在0.1%以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 檢定效率

實(shí)驗(yàn)利用本系統(tǒng)檢定與人工檢定時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，本系統(tǒng)檢定完成一次時(shí)間平均為3分19秒，而人工檢定時(shí)間約為20分鐘，可見(jiàn)檢定效率大大提高。

表3 某電表廠微安表實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Micro-amps table experimental results in a electrical meter company

4.4 魯棒性

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的魯棒性，實(shí)驗(yàn)采用與4.2中同種型號(hào)微安表，生產(chǎn)商為某儀器儀表有限公司，其外觀、尺寸與前者較大差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 某儀器儀表有限公司微安表實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Micro-amps table experimental results in a electricalmeter company

續(xù)表4

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，兩種儀表的識(shí)別精度均在允許范圍內(nèi)。后又對(duì)多個(gè)同種型號(hào)外觀尺寸不同的儀表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)確性均良好。可見(jiàn)本系統(tǒng)具有良好的魯棒性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于模板識(shí)別和查表法的高精度指針式儀表自動(dòng)檢定系統(tǒng)，利用模板識(shí)別方法消除了水平方向上儀表尺寸差異引起的誤差，利用查表法消除了豎直方向上機(jī)、指針以及指針在反光鏡中的影不重合帶來(lái)的誤差，與專業(yè)檢定人員檢定數(shù)據(jù)對(duì)比，效果良好，且檢定效率大幅提高。因此，系統(tǒng)能夠?qū)Ω呔戎羔樖絻x表進(jìn)行準(zhǔn)確檢定，具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性，可用于實(shí)際高精度儀表的自動(dòng)檢定。