基于機(jī)器視覺的壓力表盤打印裝置
在基于機(jī)器視覺技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合OpenCV視覺函數(shù)庫研究設(shè)計(jì)了一款壓力表盤打印裝置。該設(shè)計(jì)方案包括 硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)主要包括整個(gè)系統(tǒng)的搭建及硬件選型，軟件設(shè)計(jì)主要分為表盤配置模塊、拍照模塊、圖像預(yù) 處理模塊、模式識(shí)別模塊、標(biāo)定校準(zhǔn)模塊、表盤繪制模塊以及打印模塊，其中模式識(shí)別模塊主要是基于Hough變換的方法來 檢測表盤圓心及指針。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方案滿足精度等級(jí)要求，即生產(chǎn)表盤符合標(biāo)準(zhǔn)。
目前，指針式儀表的傳統(tǒng)讀數(shù)方法主要還是依賴于人眼的 識(shí)別然后再記錄保存，但是這種方式往往被操作人員的主觀因 素所影響，而且其獲取的讀數(shù)精度不高，在識(shí)別工作量大的情況 下又導(dǎo)致工作效率拖沓，傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中利用人工讀數(shù)的非 接觸測量方法已經(jīng)越來越不能滿足日益提升的現(xiàn)代化生產(chǎn)需 求。因此，可以使用工業(yè)相機(jī)來替代人工人眼對儀表的觀察讀 取，通過PC對儀表的示數(shù)進(jìn)行處理，完成對儀表進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別 與實(shí)時(shí)的智能監(jiān)控，不僅有效地提高生產(chǎn)效率，消除人為因素所 造成的誤差影響，同時(shí)為企業(yè)帶來更多效益。
本文通過計(jì)算指針角度進(jìn)而獲得儀表示值，然后將示值進(jìn) 行標(biāo)定校準(zhǔn)后記錄下來保存到數(shù)據(jù)庫中，將整個(gè)表盤刻度信息 在計(jì)算機(jī)中重繪無誤后再在空白表盤上打印輸出。
1.系統(tǒng)搭建
本系統(tǒng)的硬件連線圖如圖1所示。照相機(jī)由12 V直流電 源供電，拍照獲得壓力表盤圖像后，采用以太網(wǎng)接口通過網(wǎng)線與 計(jì)算機(jī)連接傳輸圖像， 計(jì)算機(jī)將采集圖像進(jìn)行預(yù)處理后識(shí)別表 盤讀數(shù)，完成表盤重繪后再送給打印機(jī)打印輸出表盤。
2.軟件系統(tǒng)
本軟件設(shè)計(jì)包括表盤配置模塊、拍照模塊、圖像預(yù)處理模
塊、模式識(shí)別模塊、表盤繪制模塊及打印模塊。其中圖像預(yù)處理 模塊和模式識(shí)別模塊是關(guān)鍵部分。
2.1拍照模塊
系統(tǒng)相機(jī)采用以太網(wǎng)接口連接，拍好的照片通過網(wǎng)絡(luò)上傳 至電腦，軟件實(shí)時(shí)顯示照相機(jī)圖像畫面，根據(jù)畫面手動(dòng)調(diào)整焦 距；按下拍照命令，得到照片的JPG格式圖片文件，并利用計(jì)算 機(jī)保存，軟件采用對同一角度連續(xù)拍攝5張照片，分別對5張照 片進(jìn)行角度分析，去掉最大值和最小值的兩張，取剩下的3個(gè)角 度的平均值作為最終的打印角度，以確保同一角度的精確度。 2.2圖像預(yù)處理模塊
2.2.1圖像灰度化
由照相機(jī)采集得到的儀表圖像為彩色圖像，如果直接進(jìn)行處 理就面臨著數(shù)據(jù)量龐大、算法復(fù)雜并且會(huì)導(dǎo)致處理速度很慢，因 此需要將圖片進(jìn)行灰度化，在保留了圖像主要特征要素的前提 下，又減小了圖像的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，提升了圖像處理的效率。圖像灰 度化就是將原本的彩色圖像轉(zhuǎn)化成為灰度圖像的處理過程。
2.2.2圖像二值化
二值化的目的是為了便于將儀表指針及刻度線從背景圖像 中抽取出來。然而實(shí)際的操作過程中，由于壓力表盤的表面一般 為玻璃鏡面容易反光，會(huì)造成圖像信息被淹沒，加之噪聲干擾等 影響，這些因素都會(huì)降低采集儀表圖像的質(zhì)量，因此需要選擇適 當(dāng)?shù)拈撝祦磉M(jìn)行二值化處理。
本程序采用迭代法來求取圖像二值化的閾值；迭代法基于 逼近的思想，其步驟如下：
求出圖像的最大灰度值和最小灰度值，分別記作Z_<和 ZMIN，令初始閾值 T0=(ZMAX+ZMIN)/2;
根據(jù)所得閾值Tk將圖象分割為前景和背景兩部分，再分 別求出兩者的平均灰度值記作Z。和Zb;
求出新閾值 JK+1:(Zo^Zb)/2;
若7K:7K+1，則所得即為閾值；否則轉(zhuǎn)2)，迭代計(jì)算。
2.2.3圖像濾波去矂
本文選擇中值濾波進(jìn)行降噪濾波處理，中值濾波是一種非 線性信號(hào)處理方法。
2.3模式識(shí)別模塊
模式識(shí)別是本軟件最核心的模塊，主要包括了圓心識(shí)別、指 針識(shí)別以及指針角度計(jì)算三個(gè)部分，圓心識(shí)別主要利用Hough 圓變換，指針識(shí)別則首先利用Canny邊緣檢測算子檢測出圖像 的邊緣信息[2]，然后用Hough直線檢測來提取識(shí)別指針直線。
2.3.1圓心識(shí)別
圓心識(shí)別的主要步驟為：
1）獲取圖像的中心區(qū)域圖像，中心區(qū)域是指整個(gè)圖片的中 心部分區(qū)域，在這里假定圓心一定在該區(qū)域。
2）對中心區(qū)域進(jìn)行平滑處理，然后對其進(jìn)行Hough圓變換， 檢測中心區(qū)域中所有圓。
3）對所有檢測出來的圓過濾，過濾規(guī)則：若圓中所有像素點(diǎn) 的灰度值在其所處背景灰度值范圍內(nèi)的百分比超過50%，則認(rèn) 為該圓無效。然后對剩余圓的圓心求平均值。
4）對求得的圓心做調(diào)整，調(diào)整方法基于本程序檢測對象特 征：圖片最小圓處灰度值相對于周圍相差較大。
調(diào)整的方法：調(diào)整范圍以檢測出圓的圓心為中心，長度（L) 為半徑的0.7的正方形調(diào)整區(qū)域。
調(diào)整思路:①先調(diào)整x軸向的坐標(biāo)，計(jì)算以此坐標(biāo)為中心長 度為L的正方形的左半部分和右半部分的灰度平均，若左半部分 灰度值大，x向左移動(dòng)（-1)，反之；若上一次坐標(biāo)移動(dòng)與本次移動(dòng) 方向不同，則移動(dòng)結(jié)束;②然后根據(jù)同樣的方法調(diào)整y坐標(biāo)。
其中Hough圓變換首先獲取的中心區(qū)域如圖2所示，經(jīng)過 Hough圓變換后得到圓心并進(jìn)行調(diào)整后的圓心位置對比效果 如圖3所示。
該段程序的思路如流程圖4所示。
2.3.2指針識(shí)別
指針直線識(shí)別的主要流程為：先將原始圖像灰度化，然后利 用Canny算子進(jìn)行邊緣檢測，再通過Hough直線變換去檢測 圖像中所包含的全部直線。對檢測出的直線進(jìn)行過濾，其過濾準(zhǔn) 則為：檢測出線段的端點(diǎn)至少有一個(gè)在圖片中心區(qū)域。
篩選過濾后的直線，求出直線遠(yuǎn)離圓心的點(diǎn)。其篩選規(guī)則為：
1）若只有一條直線，則本直線遠(yuǎn)離圓心的點(diǎn)為檢測直線的 端點(diǎn)；
2）若有兩條直線，則取這兩條直線遠(yuǎn)離圓心的點(diǎn)的平均值作為檢測直線的端點(diǎn)；
3）若有兩條以上的直線，對每條直線求灰度平均，選出平均 值最小的兩條，這兩條直線遠(yuǎn)離圓心的點(diǎn)的平均值作為檢測直 線的端點(diǎn)。
該段程序的思路如流程圖5所示。
2.3.3指針角度計(jì)算
運(yùn)行程序計(jì)算指針角度結(jié)果如圖6所示。
2.4表盤繪制模塊
表盤繪制模塊是本軟件的核心模塊之一。通過讀取對應(yīng)配 置文件的表盤信息，獲取表盤刻度線長度、大刻度數(shù)、中刻度數(shù) 及小刻度數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)后，該模塊將對表盤做出圓心定位，角度 轉(zhuǎn)換為弧度，計(jì)算得出任意角上符合半徑要求的圓周點(diǎn)的象限 坐標(biāo)，最后分別設(shè)置相應(yīng)的映射模式，把得到的成像映射到屏幕 和打印機(jī)上。
2.5打印模塊
在微軟的MFC單/多文檔程序中，打印機(jī)編程由類庫自動(dòng) 封裝并提供，軟件開發(fā)時(shí)只需根據(jù)實(shí)際需要添加少量打印機(jī)打 印代碼就可以完成需求。程序調(diào)用Windows的打印驅(qū)動(dòng)程序 后，再自動(dòng)調(diào)用工業(yè)打印機(jī)所對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，啟動(dòng)打印機(jī)在空 白表盤上打印出重繪出的表盤。
3.壓力表盤標(biāo)定實(shí)驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)首先選用了某儀表廠生產(chǎn)的壓力表進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)及誤差如表1所示。
在標(biāo)定過程中需要執(zhí)行上行增負(fù)荷和下行減負(fù)荷各一次全 量程加壓過程。最終得到儀表準(zhǔn)確度為0.367%，該儀表的精度等級(jí)為0.4，因此可以認(rèn)定該表盤合格。此外，儀表的回程誤差取 上、下行程同一壓力負(fù)荷下的示值之差的最大值。計(jì)算得到最大 回程誤差為0.8，除以儀表量程得到回差準(zhǔn)確度為0.267%，在 可接受范圍內(nèi)。
4.結(jié)束語
結(jié)合具體試驗(yàn)結(jié)果，本文提出了一種新的的壓力表盤的標(biāo) 定打印裝置，能夠生產(chǎn)出合符標(biāo)準(zhǔn)的壓力表盤，以適應(yīng)市場需 要，但在一些實(shí)際應(yīng)用場合中還存在一定不足之處，有待改進(jìn)。
