減壓器壓力表的圖像識(shí)別研究

姜立斌

（福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建福州，350003）

0 引言

帶彈簧管壓力表的氣體減壓器（以下簡(jiǎn)稱減壓器）主要用于氧氣、氫氣、氮?dú)?、乙炔等多種類高壓氣源的壓力減低以及保持穩(wěn)定的出口壓力，同時(shí)具備進(jìn)口壓力降低、及保持出口壓力穩(wěn)定兩種作用。安裝在高壓氣瓶上，廣泛應(yīng)用于工程現(xiàn)場(chǎng)、化工、醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)，檢疫機(jī)構(gòu)，食品加工，科研等領(lǐng)域。主要校準(zhǔn)參數(shù)為示值誤差、密封性以及安全閥的密封性及排氣功能，其功能直接關(guān)系到人民的生命健康及安全生產(chǎn)，屬于強(qiáng)制檢定計(jì)量器具范疇。目前國(guó)內(nèi)普遍采用多種計(jì)量器具來(lái)分別校準(zhǔn)其示值誤差、密封性及安全閥參數(shù)，需要多次拆裝減壓閥，校準(zhǔn)效率偏低。

本項(xiàng)目通過(guò)編寫(xiě)自動(dòng)讀數(shù)系統(tǒng)，應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)自動(dòng)獲取壓力表示值信息，研究包括儀表圖像預(yù)處理、表盤(pán)定位、指針定位和讀數(shù)等，并基于Hough變換(HT)、隨機(jī)霍夫變換(RHT)等方法，提出新的圓檢測(cè)、直線檢測(cè)以及模板匹配方法，最后用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)一個(gè)儀表自動(dòng)讀數(shù)的系統(tǒng)。其中，采用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)被檢壓力表的示值進(jìn)行自動(dòng)讀取是本項(xiàng)目的重中之重。

1 軟件設(shè)計(jì)

本文以帶彈簧管壓力表的氣體減壓器壓力表為例，應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力示值的自動(dòng)讀取功能，具體步驟如下：

■1.1 圖像預(yù)處理

為了使圖像能夠被精確定位，在定位搜索以前，要進(jìn)行圖像預(yù)處理：需要將圖像縮放、變換，并將彩色圖像轉(zhuǎn)化成256 色的灰度圖后進(jìn)行處理，然后對(duì)圖像做二值化處理，再去噪、平滑、膨脹、腐蝕削弱背景干擾。其流程圖如圖1所示。

圖1 預(yù)處理流程圖

1.1.1 縮放和變換

縮放操作的主要目的是減小圖像大小，減少計(jì)算量，縮放操作不是必須的，但是如果系統(tǒng)對(duì)輸入圖像的大小有要求，比如需要?dú)w一化處理，那么就需要進(jìn)行縮放，常見(jiàn)的縮放方式有等比縮放和強(qiáng)制縮放。

等比縮放是指按原始圖像的長(zhǎng)寬比例進(jìn)行縮放，縮放后的圖像大小不變；強(qiáng)制縮放是指按照設(shè)定的長(zhǎng)寬進(jìn)行縮放，縮放后可能導(dǎo)致圖像變形。其實(shí)縮放屬于圖像變換中的仿射變換中的一種，相對(duì)應(yīng)的還有透視變換等，這兩個(gè)變換都是圖像處理中最基本的兩種變換。

仿射變換和透視變換更直觀的叫法可以叫做“平面變換”和“空間變換”或者“二維坐標(biāo)變換”和“三維坐標(biāo)變換”。

仿射變換：允許圖形任意傾斜,而且允許圖形在兩個(gè)方向上任意伸縮的變換。仿射變換,可以用于保持線共點(diǎn)、點(diǎn)共線的關(guān)系,保持平行狀態(tài),保持中點(diǎn)不變,保持線段比例關(guān)系不變，但是,原來(lái)的線段長(zhǎng)度變化,原來(lái)的夾角角度變化。

透視變換：是指利用像點(diǎn)、透視中心、目標(biāo)點(diǎn)三點(diǎn)共線的條件，按透視旋轉(zhuǎn)定律使透視面繞透視軸旋轉(zhuǎn)某一特定角度，破壞原有的投影光線束，仍能保持透視面上投影幾何圖形不變的變換。

透視變換常用在移動(dòng)機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航研究中，攝像機(jī)與地面之間有一傾斜角，而不是直接正投影，如希望將圖象校正成正投影，就需要利用透視變換。

1.1.2 灰度化

灰度化的目的之一是將原有的三通道的RGB彩色圖像轉(zhuǎn)化為單通道的灰度圖像。當(dāng)R=G=B時(shí)的值就稱為灰度值，因此灰度值的取值范圍是0~255。RGB轉(zhuǎn)灰度計(jì)算公式為：

Gray = (R×30 + G×59 + B×11 + 50) / 100 (1)

轉(zhuǎn)換公式有多個(gè)，根據(jù)場(chǎng)景不同，有的要求效率，有的要求精度，所以最終結(jié)果可能會(huì)有一點(diǎn)偏差，這里給出的是一種計(jì)算效率較高的轉(zhuǎn)換公式。

對(duì)于顏色空間，在圖像處理中，常用的就是RGB和YCrCb，YCrCb常用于膚色檢測(cè)。

圖像灰度化的重要目的之一是減少處理的數(shù)據(jù)量，加快計(jì)算速度，因?yàn)榛叶葓D只有一個(gè)通道，只需要計(jì)算一個(gè)值即可。

1.1.3 去噪和平滑

去噪和平滑是預(yù)處理中最重要的步驟之一，去噪的效果完全可以影響最終的處理效果。這里所說(shuō)的噪聲不僅僅包括設(shè)備拍攝時(shí)所產(chǎn)生的斑點(diǎn)、校驗(yàn)噪聲等，還包括我們所不感興趣的部分，比如多余的點(diǎn)，多余的線條等等。那么對(duì)于斑點(diǎn)和校驗(yàn)噪聲，可以使用中值濾波來(lái)進(jìn)行消除，對(duì)于其他的我們不想要、不感興趣的部分，則可以通過(guò)一系列其他操作來(lái)過(guò)濾，比如模糊處理，圖像加減法等進(jìn)行過(guò)濾和消除。

噪聲消除方法可分為頻域、空間域兩種類型。頻域方法在低頻部分，利用數(shù)字圖像的有用信息來(lái)進(jìn)行噪聲消除?？臻g域法包括中值濾波器法、均值濾波器法等。

（a）中值濾波。中值濾波是基于排序統(tǒng)計(jì)理論的非線性信號(hào)處理技術(shù)，能有效抑制噪聲，對(duì)消除脈沖干擾噪聲具有顯著效果，同時(shí)也可一定程度上減輕圖像邊沿的模糊，用該點(diǎn)的一個(gè)鄰域中各點(diǎn)值的中值代替數(shù)字圖像中的點(diǎn)值，是周?chē)袼鼗叶炔畲蟮南袼馗娜∨c周?chē)南袼刂到咏担铝⒌脑肼朁c(diǎn)，從而有效減低噪聲。中值濾波器的優(yōu)點(diǎn)是在濾除疊加白噪聲和長(zhǎng)尾疊加噪聲時(shí)有優(yōu)勢(shì)。改進(jìn)算法有權(quán)重中值濾波、基于排序閾值的開(kāi)關(guān)中值濾波算法、自適應(yīng)中值濾波器。中值的取值采用了分治算法，其原理是對(duì)于規(guī)模為m的問(wèn)題，若容易解決則直接解決；否則將其分解為n個(gè)規(guī)模較小的問(wèn)題并逐個(gè)解決，最后合并n個(gè)子問(wèn)題的解，得到原問(wèn)題的解。

（b）均值濾波。也稱線性濾波，主要采用鄰域平均法，均值濾波的核心思想是其將整個(gè)圖像看成是由很多灰度恒定的小塊組成，相鄰像素間相關(guān)性很強(qiáng)，但噪聲具有統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性。故可用鄰域的均值替代原圖像中的各個(gè)像素值。該方法非常適用于去除通過(guò)掃描得到的圖像中的顆粒噪聲，對(duì)此算法進(jìn)行改進(jìn)算法，濾波器在進(jìn)行平滑處理時(shí)，主動(dòng)避開(kāi)對(duì)景物邊界的平滑處理，大大降低對(duì)圖像的模糊效果。注意，均值濾波算法可使噪聲幅值減小，但范圍變大，因此圖像邊緣變得模糊。

1.1.4 膨脹和腐蝕

膨脹就是求局部最大值的操作，而腐蝕則是求局部最小值的操作。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，膨脹就是增加白色（像素值高的）區(qū)域，而減小黑色（像素值低的）的區(qū)域，腐蝕則相反。在儀表識(shí)別中通過(guò)腐蝕/膨脹操作來(lái)加強(qiáng)或者消除刻度區(qū)域以及指針等等。也就是說(shuō)膨脹和腐蝕操作可以增強(qiáng)我們感興趣的區(qū)域，也可以減少噪聲，可以看作是一種濾波操作。如圖2所示為圖像預(yù)處理前后的圖片。

圖2 預(yù)處理前后對(duì)比圖

■1.2 表盤(pán)定位

針對(duì)圓形儀表來(lái)說(shuō)，表盤(pán)定位常用的方法是Hough圓檢測(cè)。

傳統(tǒng)Hough圓檢測(cè)的步驟如下：

（1）遍歷圖像上非零像素點(diǎn)，然后以此點(diǎn)為圓心，嘗試對(duì)半徑進(jìn)行縮放操作；

（2）將每一個(gè)圓心坐標(biāo)和半徑映射到參數(shù)空間(a-b-r空間中)；

（3）在參數(shù)空間a-b-r中，一個(gè)圓將被映射為一個(gè)點(diǎn)，這些點(diǎn)將形成一個(gè)圓錐曲面；

（4）這些圓錐曲面將會(huì)有很多個(gè)交點(diǎn)，分別對(duì)這些交點(diǎn)進(jìn)行投票(“票”即為經(jīng)過(guò)該交點(diǎn)的圓錐曲面)；

（5）根據(jù)票數(shù)對(duì)這些交點(diǎn)進(jìn)行排序，得票最高者即為最可能圓，次之。

在OpenCV中對(duì)傳統(tǒng)Hough進(jìn)行了改進(jìn)，速度至少提升幾個(gè)數(shù)量級(jí)，它采用的是基于梯度的Hough圓檢測(cè)。該算法首先計(jì)算像素點(diǎn)的梯度，然后進(jìn)行縮放半徑進(jìn)行找圓，這樣就把三維的參數(shù)空間轉(zhuǎn)化為二維（計(jì)算圓心和半徑），效率得到了很大的提升。

另一種效率較高的圓檢測(cè)算法為RHT（隨機(jī)Hough變換）圓檢測(cè)，它利用三點(diǎn)確定圓的方法，從圖像上隨機(jī)選取三個(gè)點(diǎn)，然后對(duì)這三點(diǎn)確定的圓進(jìn)行投票選舉，具體過(guò)程可以參見(jiàn)：基于隨機(jī)Hough變換的快速圓檢測(cè)方法。

圖3 是使用Hough圓檢測(cè)定位到的圓形表盤(pán)。

圖3 使用Hough圓檢測(cè)定位到的圓形表盤(pán)

■1.3 刻度線定位與擬合

刻度在儀表自動(dòng)讀數(shù)中并不作為計(jì)算依據(jù)(起始和終止刻度除外)，最終讀數(shù)僅僅依賴指針、表盤(pán)位置以及量程，因此在求儀表刻度線時(shí)可以允許少量誤差，這些誤差不會(huì)對(duì)最終結(jié)果造成影響。

對(duì)于刻度線的擬合，本質(zhì)上還是對(duì)直線的擬合，因此常用的方法有最小二乘法和Hough變換擬合。我們通過(guò)多次輪廓篩選，然后計(jì)算輪廓外接矩形的中心，作為刻度點(diǎn)，刻度點(diǎn)與表盤(pán)圓心的連線作為刻度線。

根據(jù)刻度線的特點(diǎn)，輪廓篩選包括對(duì)輪廓的形狀、大小以及位置和角度進(jìn)行篩選，滿足以下條件的輪廓將被保留，否則被剔除：

（1）輪廓點(diǎn)個(gè)數(shù)n(或面積)在設(shè)定的范圍內(nèi)

通過(guò)判斷輪廓點(diǎn)的個(gè)數(shù)(或面積)，可以初步過(guò)濾掉大面積的非刻度區(qū)域。

（2）輪廓點(diǎn)的最小外接矩形寬w、高h(yuǎn)的比在設(shè)定的范圍內(nèi)根據(jù)刻度線的特點(diǎn)，刻度線的寬高比M一般在1:2~1:5之間，根據(jù)寬高比可以過(guò)濾掉相同面積的非刻度輪廓。

（3）輪廓的位置在表盤(pán)圓周附近

通過(guò)圓檢測(cè)定位到表盤(pán)后，判斷輪廓中心(x_0,y_0)與表盤(pán)圓O(a,b,r)圓心的距離d，可以過(guò)濾掉面積以及寬高比相近的輪廓。

（4）輪廓最小外接矩形的方向指向圓心

根據(jù)刻度線的特點(diǎn)，刻度線總是指向表盤(pán)圓心，因此根據(jù)其最小外接矩形的傾斜角度α，判斷是否是指向表盤(pán)圓心，達(dá)到最終的過(guò)濾目的。

■1.4 示數(shù)計(jì)算

儀表的最終讀數(shù)，取決于表盤(pán)圓心、指針偏移起始刻度的角度以及量程。在確定表盤(pán)圓心、指針?lè)较蛞约傲砍毯螅趴梢酝ㄟ^(guò)指針偏移角度來(lái)計(jì)算示數(shù)。很重要的一點(diǎn)就是計(jì)算起始/終止刻度的位置。

起始/終止刻度的確定可以先使用刻度擬合法來(lái)找出刻度，再根據(jù)刻度的位置關(guān)系來(lái)確定起始/終止刻度，但是由于受旋轉(zhuǎn)，噪聲等影響，定位結(jié)果往往差強(qiáng)人意，而最終讀數(shù)又與起始坐標(biāo)密切相關(guān)，所以為了保證其精度，課題采用分段定位的方式識(shí)別讀數(shù)。

2 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)一段時(shí)間的實(shí)際使用，證明該裝置運(yùn)用圖像識(shí)別技術(shù)，可正常識(shí)別被檢減壓閥壓力表的讀數(shù)，并將其數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X端。該裝置精度高，性能穩(wěn)定，可用于開(kāi)展壓力表檢測(cè)工作，提高了計(jì)量檢測(cè)的檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性。