機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的水表新型檢定方法探討

(深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院民生計(jì)量測(cè)試所 廣東 深圳 518055)

水表檢定廣泛用于供水領(lǐng)域，應(yīng)用十分廣泛，但是傳統(tǒng)水表檢定方法效率較低，受人為因素干擾較大，目前機(jī)器視覺(jué)這項(xiàng)技術(shù)在水表檢定方法進(jìn)行應(yīng)用不失為一項(xiàng)解決措施。該方法不僅是檢定準(zhǔn)確的保證，又能夠使檢定時(shí)間縮短，使水表檢定提升效率，此外還使得濕式水表存在的氣泡對(duì)于檢定結(jié)果的影響降低甚至消除。

一、結(jié)構(gòu)組成

水表檢定由圖像采集儀器與數(shù)據(jù)采集儀器以及PC機(jī)等組成。其中圖像采集選用數(shù)臺(tái)相機(jī)，至于數(shù)據(jù)采集包括水壓力傳感器，水溫度傳感器、以及進(jìn)/出口控制閥門(mén)接口還有數(shù)據(jù)采集卡和無(wú)線式便攜掃碼槍。這一系統(tǒng)主要模塊為視頻圖像的采集與通水閥門(mén)的自動(dòng)控制和電子天平的數(shù)據(jù)采集以及工控機(jī)組成。

二、硬件特點(diǎn)

(一)采集視頻圖像。視頻圖像動(dòng)態(tài)采集時(shí)數(shù)據(jù)極多，采用合適采集卡不僅分辨率較高，同時(shí)采集速度較快，有效避免數(shù)據(jù)丟失造成拉道的現(xiàn)象。此外為了充分發(fā)揮總線帶寬，需要在通水排氣時(shí)通過(guò)建模算法定位水表指針。

(二)通水閥門(mén)的自動(dòng)控制。采取ATMEGAl6型號(hào)微控制器達(dá)成的控制核心進(jìn)行工控機(jī)的通信工作，當(dāng)工控機(jī)進(jìn)行流量測(cè)試的程序需要開(kāi)啟總進(jìn)/出水閥時(shí)，此時(shí)工控機(jī)會(huì)發(fā)送包含延時(shí)信息時(shí)間與相應(yīng)數(shù)據(jù)至微控制器，此時(shí)微控制器在接收命令時(shí)會(huì)解析數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行相關(guān)閥門(mén)的打開(kāi)關(guān)閉。

(三)電子天平的數(shù)據(jù)采集。借助電子天平采集標(biāo)準(zhǔn)水量的數(shù)據(jù)，電子天平借助通道直接與工控機(jī)進(jìn)行串行通信，例如測(cè)量前后采集到電子天平的穩(wěn)定數(shù)據(jù)或采集的其它參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢定，隨后換向器開(kāi)始引導(dǎo)水流在電子天平進(jìn)出，同時(shí)采取方法解決天平的數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

(四)工控機(jī)。采用工控機(jī)進(jìn)行整個(gè)水表的檢測(cè)工作控制，包括諸如動(dòng)態(tài)視頻的圖像數(shù)據(jù)采集與電子天平采集的標(biāo)準(zhǔn)量值分析等工作，此外還可以實(shí)現(xiàn)指針定位精確位置等算法過(guò)程以及閥門(mén)按序或自動(dòng)控制，同時(shí)協(xié)調(diào)各模塊共同工作與人機(jī)對(duì)話和判別合格以及報(bào)表打印諸多功能。

三、水表表盤(pán)

由于濕式水表與干式水表表盤(pán)梅花針的形狀有所差異。計(jì)算系統(tǒng)誤差的方法為比較法，其檢測(cè)原理大致為：取標(biāo)準(zhǔn)表串聯(lián)被測(cè)量表，而這一同在一起進(jìn)行檢測(cè)，使水表流過(guò)相同量的水，正確讀取標(biāo)準(zhǔn)表與被測(cè)量表的實(shí)際讀數(shù)，隨后計(jì)算水表不同流量點(diǎn)出示值誤差大小，最后與國(guó)標(biāo)規(guī)定進(jìn)行比較，判斷是否合格。

濕式水表的表盤(pán)梅花針處容易受到氣泡影響，若存在氣泡，則對(duì)現(xiàn)場(chǎng)拍攝圖像二值化處理時(shí)，梅花針會(huì)由于受到氣泡干擾出現(xiàn)錯(cuò)誤分割，甚至采樣點(diǎn)剛好處于氣泡處，會(huì)導(dǎo)致無(wú)法計(jì)數(shù)。我們選擇借助二值圖像處理施行形態(tài)學(xué)操作來(lái)使氣泡消除。

四、軟件設(shè)計(jì)

水表檢測(cè)軟件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，例如梅花針的定位模塊，數(shù)值計(jì)數(shù)模塊與數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)模塊以及參數(shù)設(shè)置的模塊，最后還有顯示打印的模塊。在水表檢定進(jìn)行之前，需要工作員將基準(zhǔn)表的誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)信息以及待檢表的類型與檢定員信息輸入，然后開(kāi)始水表檢定工作。

(一)梅花針計(jì)數(shù)。通過(guò)梅花針計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)齒數(shù)，來(lái)間接測(cè)取經(jīng)過(guò)水流體積。若梅花齒位于采樣點(diǎn)位置，該點(diǎn)變?yōu)楹谏?，否則該點(diǎn)變?yōu)榘咨?，采樣點(diǎn)的顏色從黑色變成白色及白色變成黑色為一遍黑白交替，通過(guò)記錄采樣點(diǎn)的顏色交替，得出采樣點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)齒數(shù)的計(jì)數(shù)值。

五、軟件特點(diǎn)

(一)系統(tǒng)組成與要求。整個(gè)系統(tǒng)功能由多模塊組成，包括含電子閥門(mén)的定時(shí)控制模塊、系統(tǒng)的注冊(cè)安全模塊、攝像頭檢定算法模塊、系統(tǒng)全局設(shè)置模塊等等，其中，系統(tǒng)全局設(shè)置模塊最為關(guān)鍵，內(nèi)部有水表檢定時(shí)間以及狀態(tài)

參數(shù)設(shè)置功能，方便操作人員的參數(shù)設(shè)置和控制，實(shí)現(xiàn)水表檢定的自動(dòng)化。水表檢定環(huán)境條件比較復(fù)雜，要求確保照明充足，各種電路能持續(xù)穩(wěn)定工作。

(二)圖像識(shí)別及數(shù)據(jù)建模算法。在檢定階段，為了連續(xù)跟蹤水表指針，以獲得水表示值的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，攝像機(jī)需實(shí)時(shí)傳輸大量的圖像數(shù)據(jù)，若算法過(guò)于復(fù)雜的話，就不能實(shí)時(shí)完成任務(wù)，但算法過(guò)于簡(jiǎn)單又不能解決水珠、氣泡等遮擋的問(wèn)題。因此除了采用新型圖像采集卡及新型總線外，設(shè)計(jì)一個(gè)有效合適的圖像處理算法極其重要。這樣就排除了光照、水珠和氣泡等的影響，保證水表讀數(shù)的準(zhǔn)確性。

六、實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

水表檢定方法種類繁多，新型方法層出不窮，這里我們選取一種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究主要目標(biāo)為同等檢測(cè)精度，使檢測(cè)時(shí)間大幅縮短能否通過(guò)用水量減少來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先按相關(guān)規(guī)程要求，水表讀數(shù)為使誤差處于允許范圍，實(shí)驗(yàn)時(shí)水表所用檢定水量不可以少于水表最小單元檢定分格數(shù)值的兩百倍，已知普通機(jī)械式水表最小標(biāo)準(zhǔn)分格數(shù)值是0.05升，所以傳統(tǒng)水表在檢測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)用水量需要大于10L。隨后對(duì)水表進(jìn)行常用流量、分界流量與最小流量這3種流量點(diǎn)作出出廠檢定，使后兩種流量點(diǎn)的用水量控制在10L，由于流量值小但是檢定時(shí)間十分漫長(zhǎng)，占到檢定時(shí)間整體93%左右，可以看出減少這兩種流量點(diǎn)試驗(yàn)檢定時(shí)間能夠有效提高檢定效率。新型檢定方法為借助高速攝像儀器，計(jì)算機(jī)建模以及擬合結(jié)合算法做到水表指針的定位準(zhǔn)確，其中水表最小讀數(shù)精確度可達(dá)0.0005升，用水量減少至1L，處于指針消除運(yùn)轉(zhuǎn)影響的考慮，檢定用水量確定為1L。以此水表所得數(shù)據(jù)的可靠性可以借助實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。一般檢驗(yàn)檢測(cè)方法是否準(zhǔn)確有效，常用辦法是可以將待檢測(cè)儀表使用其他成熟檢測(cè)方法再測(cè)一遍比較，美中不足的是機(jī)械式普通水表其重復(fù)性較差，同一條件下測(cè)試同一水表重復(fù)性時(shí)仍存在巨大誤差，失去比較意義。指針數(shù)據(jù)為確?？煽啃裕捎谙到y(tǒng)軟件設(shè)置數(shù)據(jù)獲得同時(shí)，檢定前后時(shí)間段保留瞬間指針?biāo)緢D像，采取人眼識(shí)別確定水表顯示數(shù)值，最后比較二種方法所獲數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示二種方法雖然所獲數(shù)據(jù)存在差異，但十分接近，需要注意，人工讀數(shù)時(shí)末位數(shù)據(jù)為估讀數(shù)值，不可避免存在一定誤差，同時(shí)表盤(pán)分度也有一定誤差存在，機(jī)器視覺(jué)所得數(shù)據(jù)由系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確定位從而得到讀數(shù)，分辨率高。對(duì)比傳統(tǒng)檢定方法與機(jī)器視覺(jué)檢定方法的最小讀數(shù)與水表用水量和最終檢定時(shí)間，可以得出最小讀數(shù)取決于水流量大小以及攝像儀器采集，若攝像儀器采集速度30幀/s，則全部水表檢定的時(shí)間大致為傳統(tǒng)的16%。

七、結(jié)束語(yǔ)

檢定方法各有不同，這里采取高精度的高速攝像儀器代替人眼對(duì)水表所示圖像數(shù)據(jù)連續(xù)獲取，然后借助計(jì)算機(jī)在處理動(dòng)態(tài)視圖以及模式識(shí)別的功能來(lái)獲得分辨率更高的水表示值，不僅減少大量檢定時(shí)間，同時(shí)檢定過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，節(jié)省大量人力物力，同時(shí)考慮水表用于安裝拆卸與試驗(yàn)封閉性的時(shí)間，水表檢定的效率總體可提升約3倍左右。但是人影光照等環(huán)境因素一定程度上干擾了機(jī)器圖像的準(zhǔn)確，嚴(yán)重者會(huì)使得圖像變化劇烈，影響最終處理圖像的結(jié)果。