基于機(jī)器視覺(jué)的水表小流量檢定方法研究

林柯楠, 莊 園, 黃詠梅

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

1 引 言

水表在人們?nèi)粘Ｉ钣盟康挠?jì)量中起著至關(guān)重要的作用,機(jī)械水表目前是我國(guó)普及最廣的水表。機(jī)械水表檢定最重要的工作就是水表示值誤差的檢定,該檢定需要準(zhǔn)確讀取水表讀數(shù)。機(jī)械水表大都沒(méi)有電信號(hào)輸出,需要通過(guò)人工進(jìn)行讀數(shù),存在讀取誤差大,檢定效率低,勞動(dòng)強(qiáng)度高等問(wèn)題。目前對(duì)水表讀數(shù)的研究很多集中在指針讀數(shù)上,通過(guò)圖像處理識(shí)別水表指針獲得讀數(shù)[1～7],但在小流量檢定時(shí)存在耗時(shí)長(zhǎng)、檢定效率低等問(wèn)題。梅花轉(zhuǎn)子是水表的最小計(jì)量單位,目前采用的主要方法有激光測(cè)量法[8]和機(jī)器視覺(jué)法[9～11]。激光測(cè)量法是利用梅花轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)入射激光的反射,通過(guò)反射信號(hào)處理得到梅花轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)。機(jī)器視覺(jué)法是利用模板匹配技術(shù)定位梅花指針進(jìn)行計(jì)數(shù),相比激光反射計(jì)數(shù)法檢定準(zhǔn)確度更高,但不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的水表梅花指針齒數(shù)及形狀不同,需要有不同的模板和參數(shù),增加了復(fù)雜性。

本文提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的水表小流量檢定方法。以圖像疊加方法為基礎(chǔ),通過(guò)梅花轉(zhuǎn)子圖像獲取被檢表的指示體積。該方法可有效利用梅花轉(zhuǎn)子區(qū)域整體圖像,減小氣泡或臟污影響,提高水表檢定準(zhǔn)確性，縮短檢定時(shí)間。

2 基于機(jī)器視覺(jué)的梅花轉(zhuǎn)子計(jì)數(shù)方法

通過(guò)工業(yè)相機(jī)以自適應(yīng)的采樣頻率采集梅花轉(zhuǎn)子圖像,選擇檢定起始時(shí)梅花轉(zhuǎn)子所在位置為參考位置,對(duì)應(yīng)圖像為初始幀,利用圖像疊加的方法令后續(xù)每一幀的圖像在初始幀圖像的背景上進(jìn)行疊加并二值化,計(jì)算圖像中黑色點(diǎn)占比的大小繪制出曲線圖,用可變閾值對(duì)曲線圖進(jìn)行二值化處理,通過(guò)雙計(jì)時(shí)原理計(jì)算檢定時(shí)間內(nèi)梅花轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的齒數(shù)；利用梅花轉(zhuǎn)子脈沖當(dāng)量得到該段時(shí)間內(nèi)被檢水表的指示體積。

2.1 梅花轉(zhuǎn)子圖像采集及處理

工業(yè)相機(jī)對(duì)準(zhǔn)水表表盤(pán)中梅花轉(zhuǎn)子區(qū)域進(jìn)行攝像,初始獲取的圖像是彩色的,為方便后續(xù)處理,對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)的3個(gè)分量R、G、B求平均得到該點(diǎn)的灰度值。為了得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)后圖像的明暗變化,對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理,處理后的圖像各個(gè)像素點(diǎn)只有2個(gè)像素值0和255,分別代表黑色和白色,黑色像素點(diǎn)所在位置代表梅花轉(zhuǎn)子。為正確識(shí)別梅花轉(zhuǎn)子,減小其周?chē)臍馀菁芭K污等干擾因素,采用式(1)計(jì)算圖像的二值化閾值T：

(1)

式中:Tmax為梅花轉(zhuǎn)子視場(chǎng)最大灰度值;Tmin為梅花轉(zhuǎn)子視場(chǎng)內(nèi)最小灰度值。

2.2 梅花轉(zhuǎn)子疊加原理

圖像疊加方法是以檢定起始相機(jī)獲取的初始幀二值化后的圖像為背景,后續(xù)獲取的每一幀二值化后的圖像在此背景上做疊加處理,初始幀和當(dāng)前幀圖像中黑色部分都體現(xiàn)在疊加后的圖像中。圖像疊加規(guī)則如表1所示,即只要該點(diǎn)像素值大小在背景圖或在當(dāng)前幀圖像至少有一個(gè)為0,則疊加后的該點(diǎn)像素值大小為0。若該點(diǎn)像素值大小在背景圖或在當(dāng)前幀圖像均為255,則疊加后的該點(diǎn)像素值大小為255。通過(guò)對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行疊加處理,再將疊加后的新數(shù)組轉(zhuǎn)化成新的圖像即可得到疊加后的圖像。

表1 每個(gè)圖像點(diǎn)像素值疊加規(guī)則Tab.1 Pixel value overlap rule of each point

依據(jù)疊加原理,疊加八齒梅花轉(zhuǎn)子圖像,梅花轉(zhuǎn)子初始幀、當(dāng)前幀和疊加后的圖像如圖1所示。

圖1 梅花轉(zhuǎn)子圖像疊加示意圖Fig.1 Image overlap of the plum blossom rotor

2.3 梅花轉(zhuǎn)子計(jì)數(shù)原理

在實(shí)際檢定過(guò)程中,梅花轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)疊加后如圖2所示。因?yàn)閳D像的疊加使得轉(zhuǎn)動(dòng)不同時(shí)刻的梅花轉(zhuǎn)子疊加后黑色區(qū)域大小不同。當(dāng)水表轉(zhuǎn)動(dòng)角度為每齒角度的1/2時(shí),圖像內(nèi)黑色區(qū)域最多;當(dāng)水表轉(zhuǎn)動(dòng)角度為每齒角度時(shí),兩幅圖像的梅花轉(zhuǎn)子剛好重疊,故黑色區(qū)域最少。可見(jiàn),當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)角度從0度到每齒角度的1/2時(shí),圖像黑色區(qū)域占比呈上升趨勢(shì);當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)到1個(gè)齒位置,圖像黑色區(qū)域呈下降趨勢(shì)。

圖2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)后的疊加圖Fig.2 Image overlap of the rotor after rotation

因此,可以根據(jù)圖像內(nèi)黑色區(qū)域占比的變化規(guī)律來(lái)計(jì)算梅花轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的齒數(shù)。圖像中黑色區(qū)域即為圖像中黑色像素點(diǎn)的個(gè)數(shù),A為黑點(diǎn)占比為:

(2)

式中:N為黑點(diǎn)個(gè)數(shù);x為疊加區(qū)域橫向像素點(diǎn)個(gè)數(shù);y為疊加區(qū)域縱向像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。

以黑點(diǎn)占比個(gè)數(shù)的大小為y軸,檢定時(shí)間為x軸繪制xy的曲線,該曲線是一條先增大后減小的周期曲線,如圖3所示。

圖3 疊加后的圖像中黑點(diǎn)占比大小曲線Fig.3 The percent of the black dots in the image after rotation

由圖3可知,曲線變化一個(gè)周期對(duì)應(yīng)著梅花轉(zhuǎn)子剛好轉(zhuǎn)過(guò)一齒,所以對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)總齒數(shù)的計(jì)算即為對(duì)曲線中增大至減小周期個(gè)數(shù)的計(jì)算。為方便計(jì)算周期個(gè)數(shù),對(duì)曲線進(jìn)行二值化處理。為了降低檢定過(guò)程中環(huán)境光源變化、氣泡位置變化等因素的影響,取疊加后所有黑點(diǎn)占比大小的平均值為二值化閾值。若該幀疊加后圖像黑點(diǎn)占比大于閾值則為1,反之則為0,二值化后的圖像如圖4所示。對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),脈沖個(gè)數(shù)與梅花轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一齒對(duì)應(yīng)體積相乘即為檢定時(shí)間內(nèi),被檢表的指示體積。

圖4 疊加后黑點(diǎn)占比二值化曲線Fig.4 The binarization curve of percentage of black dots after over lap

2.4 基于雙計(jì)時(shí)法的梅花轉(zhuǎn)子計(jì)數(shù)

傳統(tǒng)計(jì)數(shù)方法是在檢定時(shí)間內(nèi)記錄整脈沖個(gè)數(shù),會(huì)出現(xiàn)在梅花轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)疊加過(guò)程中,檢定起止時(shí)間與梅花轉(zhuǎn)子脈沖時(shí)間不重合導(dǎo)致的漏脈沖現(xiàn)象。故采用雙計(jì)時(shí)法[12]對(duì)梅花轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的齒數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

假設(shè)檢定時(shí)長(zhǎng)為T(mén),該段時(shí)間內(nèi)整脈沖個(gè)數(shù)為N,第1個(gè)整脈沖下降沿及第N個(gè)脈沖下降沿對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔為t,計(jì)算兩者之間的總脈沖下降沿個(gè)數(shù),用式(3)求得檢定時(shí)間T內(nèi)的實(shí)際脈沖數(shù)NT為:

(3)

3 相機(jī)選型

相機(jī)是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的重要組成部分之一,有2個(gè)重要的參數(shù):分辨率和幀率。相機(jī)采集的每一張圖像是以幀為單位出現(xiàn)在顯示屏上的,幀率即為每秒顯示的幀數(shù),幀/s,即本系統(tǒng)中的采樣頻率。分辨率為圖像橫縱方向的像素點(diǎn)個(gè)數(shù),分辨率越高,圖像越精細(xì)。這2個(gè)參數(shù)是相互綁定的,若選擇高分辨率,則對(duì)應(yīng)的幀率低;若選擇低分辨率,則對(duì)應(yīng)的幀率高。

在流量Q/m3·h-1不變的情況下,被檢水表轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一齒對(duì)應(yīng)的流量即脈沖當(dāng)量為P,圖3中周期變化曲線的頻率f0如式(4)所示。

(4)

為了能實(shí)時(shí)采集到對(duì)應(yīng)梅花轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的輸出周期信號(hào)波形,根據(jù)采樣定理,要求采集頻率是信號(hào)頻率的2倍?？紤]到梅花轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)后,疊加的圖像呈現(xiàn)增大-減小-增大的周期性變化,在一個(gè)周期內(nèi)至少需要采集到4個(gè)點(diǎn)才能保證能采集到梅花轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒圖像的變化,因此,相機(jī)的幀率以轉(zhuǎn)子輸出信號(hào)的4倍頻確定。故采樣頻率的表達(dá)式為:

(5)

本裝置選用了超光圖像500萬(wàn)像素工業(yè)相機(jī),該相機(jī)支持多種分辨率和幀率工作,如當(dāng)幀率為124幀/s時(shí)分辨率為640×480像素,或幀率為32幀/s時(shí)分辨率為1 600×1 200像素。系統(tǒng)可以根據(jù)操作人員預(yù)設(shè)的流量點(diǎn)、水表脈沖當(dāng)量以及梅花轉(zhuǎn)子齒數(shù)的不同,根據(jù)式(5)計(jì)算最低采樣頻率要求,選取合適的幀率采集圖像,在滿(mǎn)足最低幀率要求的前提下,選擇更高的分辨率,在視場(chǎng)范圍內(nèi)細(xì)分出更多的點(diǎn),獲得更加清晰的梅花轉(zhuǎn)子圖像,有效地提高黑點(diǎn)占比大小的分辨力,從而提高梅花轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)時(shí)位置識(shí)別的準(zhǔn)確性。

4 實(shí) 驗(yàn)

為了檢驗(yàn)本梅花轉(zhuǎn)子計(jì)數(shù)方法的可行性,對(duì)水表進(jìn)行檢定。根據(jù)JJG 162—2009《飲用冷水水表檢定規(guī)程》[13],水表的檢定需要在3個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行,分別為常用流量Q3、分界流量Q2、最小流量Q1。在常用流量Q3下檢定可以直接讀取水表讀數(shù),本方法讀取轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)主要用于小流量檢定,即分別在最小流量Q1、分界流量Q2兩個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行檢定,將檢定時(shí)間內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)水量與該段時(shí)間內(nèi)被檢表的指示體積進(jìn)行比較,得出示值誤差,與水表檢定規(guī)程規(guī)定的不同等級(jí)水表的誤差允許范圍進(jìn)行比較,判斷被檢表是否合格。

實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。實(shí)驗(yàn)采用靜態(tài)質(zhì)量法獲取檢定時(shí)間內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)體積量。實(shí)驗(yàn)采用的標(biāo)準(zhǔn)裝置稱(chēng)重箱精度為0.01 kg,在檢定起止,同步控制標(biāo)準(zhǔn)裝置換向器的切換。并用一臺(tái)檢定結(jié)果合格,口徑為25 mm,有6齒梅花轉(zhuǎn)子的2級(jí)機(jī)械水表作為被檢表,如圖6所示,由圖6可見(jiàn),在梅花轉(zhuǎn)子附近有氣泡,在檢定過(guò)程中,隨著水流過(guò)水表,氣泡形狀及位置會(huì)發(fā)生變化,影響梅花轉(zhuǎn)子圖像。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Experimental device structure

圖6 水表表盤(pán)圖Fig.6 Water meter dial

根據(jù)檢定規(guī)程,2級(jí)水表在水溫0.1 ℃至30 ℃范圍內(nèi)的最大允許誤差在高區(qū)(Q2≤Q≤Q4)為±2%,低區(qū)(Q1≤Q

圖7 檢定流程Fig.7 Verification process

設(shè)定實(shí)際檢定流量為0.041 m3/h及0.064 m3/h,檢定時(shí)間分別為20,30,40,50,60,120,180 s各檢定3次取平均值,計(jì)算不同檢定時(shí)長(zhǎng)下被檢表梅花轉(zhuǎn)子機(jī)器視覺(jué)計(jì)數(shù)示值誤差,結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出,本方法結(jié)果與原有檢定報(bào)告的誤差均在允許誤差范圍內(nèi)。且在檢定時(shí)長(zhǎng)為20 s時(shí),與檢定時(shí)間180 s相比,檢定結(jié)果差值較小,因此水表在小流量檢定時(shí),本方法可以縮短檢定時(shí)間,且可以替代人工讀數(shù)法。同時(shí),從檢定結(jié)果看,在檢定過(guò)程中,氣泡的存在雖然會(huì)對(duì)圖像產(chǎn)生影響,但從表2中的重復(fù)性可以看出,該方法重復(fù)性較好。由于本方法利用圖像疊加后黑白占比的變化進(jìn)行轉(zhuǎn)數(shù)的計(jì)數(shù),且二值化閾值自適應(yīng)調(diào)整,因此氣泡對(duì)本方法的結(jié)果影響較小。

表2 基于機(jī)器視覺(jué)讀數(shù)的水表誤差Tab.2 The water meter error based on machine vision

根據(jù)檢定規(guī)程[13],2級(jí)水表一次檢定的用水量不能小于水表最小檢定分格值的200倍。本檢定方法通過(guò)對(duì)水表最小計(jì)量單位梅花轉(zhuǎn)子進(jìn)行識(shí)別,獲得的指示體積分辨力更高,因此,可以減小用水量,縮短檢定時(shí)間,提高檢定效率。

5 結(jié) 論

本文提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)的水表小流量檢定方法。在檢定過(guò)程中,通過(guò)對(duì)水表表盤(pán)梅花轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)齒數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)獲取水表指示體積。通過(guò)圖像疊加的方法,對(duì)梅花轉(zhuǎn)子全部區(qū)域的像素點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),繪制其區(qū)域范圍內(nèi)的黑色像素點(diǎn)占比曲線,對(duì)曲線二值化并用雙計(jì)時(shí)法對(duì)脈沖計(jì)數(shù)得到轉(zhuǎn)動(dòng)的齒數(shù)。本方法利用了梅花轉(zhuǎn)子全部區(qū)域圖像信息,能對(duì)不同形狀和齒數(shù)的梅花轉(zhuǎn)子進(jìn)行計(jì)數(shù),且選取全部黑點(diǎn)占比大小的平均值作為曲線二值化的閾值具有平均效應(yīng)。利用本方法對(duì)水表進(jìn)行檢定實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明檢定結(jié)果正確,重復(fù)性好,克服了氣泡對(duì)梅花轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)帶來(lái)的影響。本方法在小流量檢定時(shí),通過(guò)對(duì)梅花轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的齒數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù),最小檢定分格值減小,可以縮短檢定時(shí)間,提高水表檢定的效率,相較于傳統(tǒng)的檢定方法,提高了檢定過(guò)程的自動(dòng)化,減小人工讀數(shù)誤差。