基于圖像處理技術(shù)的指針式扭矩計(jì)量器具自動(dòng)讀取示值的方法

/ 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

指針式扭矩計(jì)量器具主要包括指針式扭矩扳子和表盤式扭矩測(cè)量?jī)x，相較于普通的機(jī)械預(yù)置式、數(shù)顯式計(jì)量器具，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、示值直觀、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，并且具有較強(qiáng)的抗干擾性，在機(jī)動(dòng)車零部件、電器設(shè)備制造等工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。但是在扭矩計(jì)量器具的傳統(tǒng)計(jì)量活動(dòng)中，靠肉眼識(shí)別表盤指針示值時(shí)，由于視覺疲勞或視差容易產(chǎn)生誤差；其次，在某些特殊工位由于受空間限制人眼無法識(shí)別表盤分度。因此，實(shí)現(xiàn)指針式儀表表盤分度的計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國(guó)內(nèi)外有許多課題組針對(duì)基于圖像處理技術(shù)的指針式儀表自動(dòng)識(shí)別進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1-6]提出了對(duì)壓力表、數(shù)字多用表、電壓表和水表等傳統(tǒng)表盤進(jìn)行自動(dòng)讀取示值的方法與設(shè)計(jì)，技術(shù)成熟但有一定的局限性，只能對(duì)特定表盤進(jìn)行識(shí)別；文獻(xiàn)[7-8]針對(duì)多指針儀表的識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究，但過程較為復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)；有的研究人員提出了基于模糊識(shí)別和圖像形態(tài)學(xué)的處理方法[8-9]，這類方法識(shí)別準(zhǔn)確度不高，并且容易受到圖像拍攝質(zhì)量的影響。文獻(xiàn)[9-15]的研究人員使用Hough變換檢測(cè)直線的方法確定指針位置，在識(shí)別360°儀表時(shí)運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，識(shí)別準(zhǔn)確度取決于計(jì)算圓心位置的準(zhǔn)確度，對(duì)圖像拍攝質(zhì)量和運(yùn)算能力的要求都很高。

1 表盤圖像的前期處理

通過正對(duì)表盤的攝像頭采集圖像，并且將圖像信息存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行自動(dòng)讀取示值過程的處理。在采集圖像時(shí)，手動(dòng)加載扭矩，使表盤上的主動(dòng)針帶動(dòng)從動(dòng)針旋轉(zhuǎn)到所需要的檢測(cè)點(diǎn)分度值位置，然后卸載扭矩，主動(dòng)針回到零點(diǎn)分度，從動(dòng)針仍停留在檢測(cè)點(diǎn)分度位置，此時(shí)操作攝像頭采集表盤圖像，通過計(jì)算機(jī)處理采集到的圖像就能得到相應(yīng)的示值。為了能夠更準(zhǔn)確地識(shí)別指針信息，并適當(dāng)減少運(yùn)算量，首先需要對(duì)采集到的表盤圖像進(jìn)行前期處理，其主要步驟包括：噪聲消除、灰度處理、閾值分割、膨脹腐蝕、去除干擾區(qū)域，經(jīng)過預(yù)處理后，再對(duì)表盤的指針進(jìn)行識(shí)別處理。

1.1 消除扭矩計(jì)量器具表盤圖像的噪聲

在采集圖像過程中，由于攝像頭的硬件參數(shù)的不足或光線過暗等原因，拍攝時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生圖像上的噪點(diǎn)或噪聲，所以為了后續(xù)能夠更準(zhǔn)確地識(shí)別出表盤上的指針和分度，需要先對(duì)噪聲進(jìn)行消除。如圖1所示，本文采用自適應(yīng)中值濾波法[16-17]，能夠應(yīng)對(duì)各種噪聲場(chǎng)景，既可以有效去除噪聲，也能夠保留圖像的邊緣信息，使表盤的指針和分度能夠完整地保留下來。

圖1 消除噪聲后的圖像

1.2 把扭矩計(jì)量器具表盤圖像轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)圖像

僅僅是一張經(jīng)過消除噪聲的表盤圖像，計(jì)算機(jī)是無法進(jìn)行圖像處理識(shí)別的。為了把圖像轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠“認(rèn)識(shí)”的計(jì)算機(jī)圖像，需要對(duì)其進(jìn)行圖像分割處理。本文采用自動(dòng)閾值分割法，以圖像的灰度直方圖[18]為依據(jù)，以目標(biāo)和背景的類間方差最大為閾值選取準(zhǔn)則，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠綜合考慮像素鄰域以及圖像整體灰度分布（圖2）等特征關(guān)系。如圖3所示，轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)圖像的同時(shí)，保留了表盤的指針、分度和中心圓盤。

圖2 灰度處理結(jié)果

圖3 自動(dòng)閾值分割結(jié)果

1.3 消除表盤圖像指針和中心圓盤的間斷點(diǎn)

進(jìn)行閾值分割后，指針會(huì)產(chǎn)生一些間斷點(diǎn)。為了能夠更準(zhǔn)確地識(shí)別指針，需要運(yùn)用形態(tài)學(xué)中的膨脹運(yùn)算把間斷點(diǎn)連接起來使指針連續(xù)。但經(jīng)過膨脹處理后（圖4），指針會(huì)變得過于粗大，影響識(shí)別準(zhǔn)確度，所以要對(duì)圖像再進(jìn)行腐蝕處理。如圖5所示，最終得到了連續(xù)清晰的指針和中心圓盤圖像。

圖4 膨脹處理結(jié)果

圖5 腐蝕處理結(jié)果

1.4 去除表盤圖像的干擾信息

進(jìn)行腐蝕處理后的表盤除了指針，還存在型號(hào)、分度等會(huì)影響識(shí)別準(zhǔn)確度的無用信息，所以還需要針對(duì)干擾信息進(jìn)行處理。本文使用的是移除小目標(biāo)的圖像處理函數(shù)，其作用是去除小于設(shè)定閾值面積的連通區(qū)域，進(jìn)一步提取出圖像包括表盤指針和中心圓盤在內(nèi)的有效信息，提高識(shí)別準(zhǔn)確度。

圖6 去除干擾結(jié)果

2 指針的識(shí)別

Hough變換是一種常用的識(shí)別特征幾何圖形的方法，通過將原始圖像上的點(diǎn)映射到用于累加的坐標(biāo)空間，檢測(cè)到的特征曲線表現(xiàn)為變換后的坐標(biāo)空間內(nèi)形成的峰點(diǎn)。由于它利用了原始圖像的全局特性，所以受噪聲和邊緣不連續(xù)的影響較小，魯棒性能較好。在對(duì)指針式儀表的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中，最常用的是通過Hough變換檢測(cè)直線，確定指針相對(duì)于零分度線的角度后，結(jié)合具體的儀表最大量程計(jì)算出示值。通過檢測(cè)直線計(jì)算示值的方法存在兩個(gè)缺陷：首先，為了確定表盤中心，需要識(shí)別到兩條以上的直線才能準(zhǔn)確地確定圓心，增大了計(jì)算量，并且可能由于圖像本身的像差產(chǎn)生圓心的偏移。其次，對(duì)于360°的指針式表盤，無法限定角度閾值進(jìn)行檢測(cè)，需要的存儲(chǔ)空間和計(jì)算量很大，影響了判別速度。扭矩計(jì)量器具的表盤中心為了固定住從動(dòng)針，都存在一個(gè)小型圓盤。針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，本文提出了一種基于Hough變換檢測(cè)圓[19-21]，通過識(shí)別主動(dòng)針和從動(dòng)針與檢測(cè)到的圓之間的交點(diǎn)來確定指針的位置。

圓在x-y坐標(biāo)系下的一般表達(dá)式：

式中的半徑r確定后，x-y坐標(biāo)系下的一個(gè)圓，能夠確定一個(gè)圓心坐標(biāo)（ai，bi），對(duì)應(yīng)了參數(shù)空間a-b坐標(biāo)系中的一個(gè)點(diǎn)。并且，這個(gè)圓上所有的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的都是參數(shù)空間中的同一個(gè)點(diǎn)。在搜索圖像中的圓時(shí)，通過在參數(shù)空間中進(jìn)行累加計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)峰點(diǎn)即對(duì)應(yīng)了圖像中的圓心和半徑。在實(shí)際操作中，為了減少計(jì)算量，會(huì)對(duì)圓的半徑長(zhǎng)度做一定的閾值限制。如圖7所示，在確定了圓心位置和半徑長(zhǎng)度后，適當(dāng)加長(zhǎng)半徑畫一個(gè)參照?qǐng)A，參照?qǐng)A與指針的交點(diǎn)連接圓心的直線即為表盤指針的準(zhǔn)確位置。計(jì)算主動(dòng)針與從動(dòng)針的夾角后，結(jié)合滿量程的角度值，即能得到表盤當(dāng)前的示值。

圖7 Hough變換檢測(cè)圓

3 與人工讀取示值的方法進(jìn)行結(jié)果比對(duì)

為了驗(yàn)證基于圖像處理技術(shù)進(jìn)行指針式扭矩計(jì)量器具自動(dòng)讀取示值的方法的準(zhǔn)確性，由三名測(cè)量人員通過手動(dòng)加載指針式扭矩扳子的方式分別加載到扭矩扳子檢定儀顯示 2 Nm、7 Nm、12 Nm 三個(gè)測(cè)量點(diǎn)后進(jìn)行人工讀取示值，讀取示值同時(shí)使用正對(duì)表盤的攝像頭采集表盤圖像，并在計(jì)算機(jī)中對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理識(shí)別。

如表1所示，三名測(cè)量人員人工讀取示值的結(jié)果之間最大差值為0.05 Nm，通過計(jì)算機(jī)圖像處理的結(jié)果與任意一個(gè)人工讀取示值的結(jié)果最大差值為0.03 Nm?？梢姡捎糜?jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理識(shí)別能夠有效地減小在測(cè)量過程中因人為因素造成的示值誤差。

表1 示值比對(duì)

4 結(jié)語

本文提出了一種自動(dòng)識(shí)別指針式扭矩計(jì)量器具讀取示值的方法?；趫D像處理技術(shù)，首先對(duì)原始圖像進(jìn)行包括噪聲消除、灰度處理、閾值分割、膨脹腐蝕、去除干擾區(qū)域等步驟在內(nèi)的預(yù)處理，去除圖像中的干擾信息，并使有效信息能夠更準(zhǔn)確地被識(shí)別。針對(duì)扭矩儀表存在從動(dòng)針和主動(dòng)針兩根指針的特殊之處，本文使用Hough變換檢測(cè)圓的方法確定指針的位置，相對(duì)于直接檢測(cè)直線有運(yùn)算效率高、圓心位置更為準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中能夠顯著提高工作效率，并且消除人為識(shí)別指針式儀表示值的誤差，在準(zhǔn)確度要求較高的使用場(chǎng)景中有巨大的價(jià)值。