基于連通域標(biāo)記的壓力表讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)
針對(duì)壓力表這種模擬儀表沒(méi)有提供接口供外部讀取數(shù)據(jù)的情況，設(shè)計(jì)一種通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)來(lái)自動(dòng)識(shí)別壓力表讀數(shù)的系統(tǒng)。運(yùn)用標(biāo) 記連通域的方法標(biāo)記指針及刻度線，Hough變換求取指針直線，求出表盤的圓心及半徑，再在指針?biāo)缚潭葏^(qū)間運(yùn)用角度法求得指針讀數(shù)。經(jīng) 實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)較人工估讀數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，能夠避免人為因素干擾，并能提高壓力表檢定效率。
0.引言
壓力表是以彈性元件為敏感元件，用于測(cè)量對(duì) 儀表零件不起腐蝕作用的液體、氣體和蒸汽表壓力 的儀表，一般可分為普通壓力表和精密壓力表。壓 力表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用，使用方便，易于維護(hù)修理， 在基層單位應(yīng)用普遍?；鶎訂挝皇褂玫膲毫Ρ恚^ 大部分是普通壓力表，一塊普通壓力表，一年可能要 送到計(jì)量站溯源兩次，計(jì)量站壓力表一年的檢定任 務(wù)量到達(dá)上千臺(tái)次。而大部分壓力表屬于機(jī)械儀 表，表本身并沒(méi)有提供可供外部讀取數(shù)據(jù)的接口，每 次檢定壓力表，都需要人為的讀取數(shù)據(jù)，再與標(biāo)準(zhǔn)表 讀數(shù)計(jì)算得出誤差，效率低下，受人為因素影響較 大，隨著檢定業(yè)務(wù)量的增大，檢定人員也會(huì)產(chǎn)生視覺(jué) 疲勞，影響數(shù)據(jù)的估讀，可靠性及準(zhǔn)確性都會(huì)隨著降 低。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)快速發(fā)展，為壓力表等 模擬指針儀表實(shí)現(xiàn)自動(dòng)讀數(shù)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支 持，將人眼讀數(shù)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)自動(dòng)讀數(shù)，避免了人為 因素對(duì)讀數(shù)產(chǎn)生的影響，同時(shí)提高了讀數(shù)的精確性 及檢定效率。
1.系統(tǒng)構(gòu)成
此系統(tǒng)由三大部分構(gòu)成，組成框圖如圖1所示。
儀表部分:在同一壓力泵平臺(tái)上，安裝標(biāo)準(zhǔn)表及 被檢表（以普通壓力表為例），檢定規(guī)程參照《JJG 52 -2013彈性元件式一般壓力表、壓力真空表和真空表檢定規(guī)程》。
攝像頭部分:使用特定的鏡頭及相機(jī)對(duì)被檢表 進(jìn)行拍攝，將圖片通過(guò)數(shù)據(jù)線傳送給計(jì)算機(jī)，供后續(xù) 算法使用。
讀數(shù)識(shí)別系統(tǒng)部分:這是系統(tǒng)核心部分，通過(guò)一 系列算法獲取被檢表的讀數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)壓力表讀數(shù) 的自動(dòng)識(shí)別。
2.系統(tǒng)流程圖及主要算法實(shí)現(xiàn)
整套系統(tǒng)算法的流程如圖2所示。
被檢表圖像傳入計(jì)算機(jī)，首先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。 對(duì)處理后的圖像提取指針回轉(zhuǎn)中心及半徑，去除半 徑外的圖像，得到感興趣區(qū)域ROI( Region of Inter-esting )。在ROI中，標(biāo)記刻度線位置及角度，同時(shí)標(biāo) 記指針及其所指向的角度，通過(guò)對(duì)指針?biāo)缚潭葏^(qū) 間運(yùn)用角度比例法，得到壓力表讀數(shù)。
2. 1圖像預(yù)處理
圖像預(yù)處理主要包括圖像去噪及圖像二值化處 理。相機(jī)拍攝被檢表圖像經(jīng)數(shù)據(jù)線傳入計(jì)算機(jī)后， 因各種原因，圖像會(huì)帶有噪聲等干擾因素，會(huì)加大后 續(xù)算法的計(jì)算量。本系統(tǒng)通過(guò)使用中值濾波來(lái)濾除 圖像噪聲。同時(shí)為了減少后續(xù)算法計(jì)算量，我們還 需要對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理。
2.1.1中值濾波
中值濾波是一種典型的非線性濾波技術(shù)，基本 原理是運(yùn)用統(tǒng)計(jì)排序的方法，用像素點(diǎn)鄰域灰度值 的中間值來(lái)代替該像素點(diǎn)的灰度值，讓周圍的像素 值接近真實(shí)值，從而消除孤立的噪聲點(diǎn)。該方法在
2.1.2圖像二值化
圖像的二值化通常通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行閾值處理來(lái) 實(shí)現(xiàn)。圖像閾值處理是一種最基本的圖像分割方 法，它通過(guò)選取一個(gè)閾值，將圖像各個(gè)像素值中大于 (或大于等于）和小于等于（或小于）該閾值的像素 點(diǎn)分別設(shè)置為不同的值，從而形成兩個(gè)像素值集合， 以達(dá)到分割對(duì)象圖像和背景圖像的目的。常用的閾 值處理方法包括基于最大類間方差法（OTSU)的自 適應(yīng)全局閾值化分割法和基于高斯算子的局部閾值 化分割法，此系統(tǒng)選取第二種方法進(jìn)行分割。
局部自適應(yīng)閾值基于像素鄰域塊的像素值分布 來(lái)計(jì)算得到該像素點(diǎn)位置上的分割閾值，其好處是 閾值是根據(jù)像素點(diǎn)鄰域的像素分布來(lái)計(jì)算得出。其 原理為：
{255，/( x，> T( x，
I0，x，) ^T( x，)
其中T( x，)為當(dāng)前像素點(diǎn)的領(lǐng)域加權(quán)值，其權(quán)值 為高斯核值，其中采用的二維高斯濾波器函數(shù)是
圖4為基于OTSU閾值處理及基于高斯算子的 局部閾值處理后的圖像：
2.2指針提取
為了后續(xù)指針及刻度的角度確定并減少算法計(jì)算量，需要提前確定被檢表的回轉(zhuǎn)中心（即圓心）。 在拍攝被檢表圖像的時(shí)候，也可以將圖像的中心與 表盤的回轉(zhuǎn)中心重合，但人為因素可能帶來(lái)誤差，因 此我們要計(jì)算得出圓心的位置，避免人為因素影響。
通過(guò)觀察表盤可以發(fā)現(xiàn)，所有的刻度的延長(zhǎng)線 都經(jīng)過(guò)圓心，同時(shí)，指針也隨圓心轉(zhuǎn)動(dòng)，所以指針也 經(jīng)過(guò)圓心，求取所有刻度線與指針的交點(diǎn)，即可以得 出圓心位置。同時(shí)觀察圖4，除了需要的刻度及指 針對(duì)象外，圖像還有許多其他背景圖像，由此，還需 要將表盤外圈及文字和數(shù)字去掉，盡可能只剩下表盤 刻度及指針這些有用的對(duì)象，方便后續(xù)算法處理。
通過(guò)對(duì)表盤外圈進(jìn)行擬合圓操作，可以得到一 個(gè)大概的圓心位置及其半徑，就可以提取感興趣區(qū) 域ROI，此系統(tǒng)一共提取兩個(gè)ROI，分別用于刻度的 標(biāo)記及指針的提取。提取出的ROI如圖5所示。
圖像中每個(gè)像素點(diǎn)，其周圍4個(gè)水平和垂直的 像素稱為該像素的4鄰域，其周圍4個(gè)水平和垂直 的像素和4個(gè)對(duì)角相鄰像素稱為該像素的8鄰域， 如圖6所示。連通域就是在一個(gè)像素集合中，所有 像素都以一種鄰接方式(4鄰接或8鄰接)相鄰接，并 與其他像素集合不相鄰。將圖5( b)進(jìn)行連通域標(biāo)記， 提取最大一塊連通域就能得到指針對(duì)象，如圖7所示。 同時(shí)對(duì)圖5 ( a)中刻度進(jìn)行連通域標(biāo)記。
圖6像素點(diǎn)X的4鄰域和8鄰域
提取到細(xì)化后的指針，則需要運(yùn)用Hough變換 從指針圖像中提取指針直線方程，一是用于圓心的 提取，二是確定指針?biāo)傅慕嵌确较?。在直角坐?biāo) 系中，直線的方程可以表示為y = kx + 6，其對(duì)應(yīng)在 極坐標(biāo)系中則表示為:r = xcos^ + ysin0，這就說(shuō)明直
2. 3圓心提取
對(duì)圖5( a)進(jìn)行連通域標(biāo)記后，對(duì)每一個(gè)刻度用 最小二乘法進(jìn)行線性擬合，得出每條刻度線的直線 方程，以便于后續(xù)圓心的提取。
最小二乘法的原理:設(shè)某條刻度擬合的直線方 程為:y = kx + b，則該條刻度連通域內(nèi)像素點(diǎn)(，1) 和直線上(xt，yt)的偏差為:dl = yl - kXi - b;最小二
乘法就是計(jì)算得到k和b使gd2最小。求取各個(gè)刻度直線與指針直線的交點(diǎn)，再取各個(gè)交點(diǎn)的平均值， 記為圓心。
對(duì)刻度進(jìn)行直線擬合后，選取每個(gè)刻度連通域 中擬合直線的中點(diǎn)或者該刻度連通域的質(zhì)心，用于 標(biāo)記其代表的刻度，便于后續(xù)讀數(shù)的計(jì)算。標(biāo)記方 法:將所有的標(biāo)記點(diǎn)按橫坐標(biāo)分為圓心左邊部分和 圓心右邊部分，按照縱坐標(biāo)大小不同，左邊部分從下 往上標(biāo)記，右邊部分從上往下標(biāo)記，即將表盤的刻度 從小到大依次標(biāo)記完成，將標(biāo)記的結(jié)果保存于數(shù)組 中，數(shù)組的索引為刻度的序號(hào)，數(shù)組值為該刻度對(duì)應(yīng) 的角度（角度以表盤6點(diǎn)鐘位置為0度，順時(shí)針依次 增大）。圓心的結(jié)果和刻度的標(biāo)記如圖9所示。
2. 4計(jì)算指針讀數(shù)
此系統(tǒng)指針讀數(shù)計(jì)算方法是:刻度值根據(jù)其在 標(biāo)記結(jié)果數(shù)組中的索引值乘于表盤刻度分度值，再 加上表盤的最小值來(lái)計(jì)算，指針的讀數(shù)用指針?biāo)?的角度與相鄰的兩個(gè)刻度的角度比例來(lái)計(jì)算。由于 連通域標(biāo)記可能會(huì)將某些刻度與指針標(biāo)記在一起 (包括指針和刻度重合的情況），所以指針讀數(shù)計(jì)算 會(huì)有以下幾種情況。
設(shè)指針的角度為&兩個(gè)標(biāo)記的刻度值的角度 為^和eB、壓力值為:va和vb，分度值為F。
第一種情況：
指針讀數(shù)為:s = H ? V + Vb。
"A -廿 B
第二種情況(包含指針和刻度重合的情況）: 指針讀數(shù)為:s = H ? ? V + Vb。
"A -廿 B
第三種情況：
指針讀數(shù)為:s = H ? V + Va。
^ A - " B
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
該系統(tǒng)在VS2013環(huán)境下編寫完成，選取的標(biāo) 準(zhǔn)表為ConST273數(shù)字式壓力校驗(yàn)儀，選取的普通壓力 表的信息如表1所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示。
表2及表3結(jié)果表明，自動(dòng)識(shí)別讀數(shù)精確度要 高于人工估讀讀數(shù)，由于角度比例法只在指針?biāo)?/span> 相鄰刻度間進(jìn)行，比全局使用角度比例法誤差更小，說(shuō) 明了這套系統(tǒng)能夠用于壓力表的讀數(shù)識(shí)別，并且精確 度更高，能夠避免人為因素干擾，達(dá)到了預(yù)計(jì)需求。
4.結(jié)論
本文針對(duì)普通的一般壓力表的檢定讀數(shù)，提出 了基于機(jī)器視覺(jué)的自動(dòng)讀數(shù)方案，通過(guò)對(duì)壓力表圖 像中指針及刻度線進(jìn)行連通域標(biāo)記，求得圓心，并將 刻度值進(jìn)行標(biāo)記，運(yùn)用局部角度比例法，計(jì)算壓力表 的讀數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)自動(dòng)識(shí)別讀數(shù)算法進(jìn)行了可行 性論證，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該方法精確度更高，準(zhǔn)確性 更好，同時(shí)避免了人為干擾因素，提高了壓力表檢定 效率。
