基于图像处理的指针式仪表自动检定系统

孙国平

(船舶重工集团公司 723所,江苏 扬州 225001)

指针式仪表在当前雷达装备中有很大的应用。主要应用有电压表、电流表,对于某些雷达还有液压表、温度 /湿度表等。作为装备的组成部分,仪表的正确读数对装备的性能具有重要的参考价值,因此仪表质量的稳定性对装备具有很大的影响,尤其在装备开高压时,仪表的正常工作是装备安全稳定工作的直接反应。因此有必要对指针式仪表进行检定,以确定指针式仪表的精度和准确度。对于大部分指针式仪表,特别是准确度比较高的仪表的检定,目前仍利用传统的方法需要人来手工记录读数、处理结果。这种传统的方法不仅耗时多、成本高,而且会加入人的主观因素的影响带来检定结果不准确。而采用图像处理技术对指针式仪表进行检定是对传统的仪表质量检测方法的一个根本改进,它消除了人工观测方法所造成的主观误差,提高了检定精度和速度,因而得到广泛的应用[1-2]。本文设计了基于图像处理的指针式仪表自动检定系统,运用差影法确定指针旋转轴心位置,采用距离法识别读数,检定的结果以Excel表格的形式保存数据,作为该仪表是否合格的判断依据,分析了误差来源。

1 指针式仪表自动检定系统的构成

指针式仪表自动检定系统由 3部分构成[3-4]:

(1)计算机(PC)是整个系统的控制和处理核心,主控程序实现的功能有:

1)控制程控标准源输出的标准量:计算机通过串行口对程控标准源进行通讯和控制,控制程控标准源的输出模块的输出量大小。

2)采集表盘图像:具有USB摄像头相应得设备驱动程序,通过 USB接口实时采集摄像头的图像,得到 BMP格式的表盘图像。

3)图像处理及识别读数:对采集到的表盘图像进行处理和计算,识别图像中表盘的读数。

4)数据管理:利用计算机的数据库管理功能,把鉴定数据保存到数据库中,并根据数据对被检仪表的性能进行可行性的分析和判别。

(2)程控标准源:可在程序控制下,输出标准电源,电源要求比被检定仪表精度高,符合鉴定要求;程控标准源应遵循与计算机匹配的串口通讯规约,对计算机的命令做出正确的执行和回答。

(3)USB接口的摄像头:可由计算机控制采集被检定仪表的图像,系统原理图如图1所示。

图1 系统原理图

2 指针式仪表自动检定的流程和算法

2.1 指针式仪表自动检定流程

在指针表自动检定系统中,按照功能模块将图像处理部分划分为刻度线的自动标定和仪表的自动检定两个部分,其流程图如图2所示。

图2 指针式仪表自动检定流程图

2.2 指针式仪表自动检定主要算法

2.2.1 差影法指针旋转轴心位置的确定

指针旋转轴心位置的确定是实现自动检表后续工作的关键步骤,采用差影法确定指针旋转轴心的位置,算法如下:

首先采集一幅指零图像,然后由上位机发出命令通过程控电流源驱动指针旋转到指针表满量程的80%后再采集一幅图像,然后对这两幅图做二值化处理。结果分别如图3(a)和图3(b)所示。在这两幅图像中变化的物体只有移动的指针,在采集图像的过程中由于仪表和摄像头的位置固定,采集到的两幅图中刻度线、刻度数字、表盘参数是重合的。将两幅图像作差影运算后,滤除掉刻度线、刻度数字、表盘参数等信息,只留下图像中变化的部分,如图3(c)所示。

图3 差影法提取指针旋转轴心位置图

由于摄像头采集指零图像和指针偏转的两个时刻光照不完全相同,有微弱的差别,这些微弱的差别反映到差影处理后的结果中就有一些离散的像素点,如图3(c)所示。很显然这些离散的像素点对欲获取只有两指针信息产生干扰,必须清除这些干扰。由图3(c)可观察出这些离散的像素点构成的连通域包含的像素很少,相反由两指针构成的连通域包含的像素最多。据此,将最大的两个连通域保留,其余连通域的像素都作为背景信息。经此处理后剩下的就只有两指针不同位置的图像,其结果如图3(d)所示。两指针的直线方程的交点坐标即为指针旋转轴心位置。

2.2.2 距离法读数识别

采用最小二乘法拟合指针和指针左侧第一条刻度线[5]。拟合过程如下:设点集{(xi,yi), i=1, 2,…,N}指针左侧刻度线的边界点集,采用一条曲线拟合该点集,使给定点集到该曲线y=f(x)的距离之和为最小,亦即使拟合的均方误差

为最小。设曲线为

它经过边界点集的每一点,那么可表示成矩阵式为

式(3)简记为

于是表示每个数据点误差的列向量可以写作

式中矩阵积Xc是由式(2)算出的 y=f(x)值的列向量。因此均方误差式(1)可写为

将式(5)代入式(6),对 c中的元素进行微分,并令其为零,则可求得均方误差极小的系数向量

因采用直线拟合指针左侧第一条刻度线,所以取y=f(x)=c0+c1x。利用式(7)可分别得到指针左侧第一条刻度线的斜率 c1和截距 c0。同理,得到指针的斜率和截距分别为 c1′和 c0′,指针左侧的一条刻度线示值为M,指针右侧第一条刻度线示值为N,指针左侧第一条刻度线到指针的距离取指针左侧第一条刻度线上的所有点到指针的平均距离记为d,同理指针右侧第一条刻度线到指针左侧第一条刻度线的距离可求得记为L,由此可得到指针表的示值为V=M+(N-M)*d/L。

3 误差来源分析

(1)摄像头分辨率不理想,能够有效处理的像素点较少,将降低后续图像处理识别精度。

(2)拍摄环境不理想,光照给表盘刻度和指针带来阴影。

(3)拍摄角度不合适使表盘图像产生微小形状畸变,产生的误差。

(4)图像处理识别算法带来的误差,如指针旋转轴心位置的确定,刻度线识别等都有可能出现误差。

根据以上分析,可以通过提高摄像头分辨率,改善拍摄环境,优化图像处理识别算法,将系统误差控制在有效精度内,提高读数准确度,达到系统处理识别的要求。

4 试验结果

试验是对无锡电表厂生产的型号为WXC10精度等级为 1.5的一款直流电流表进行检定,如图4所示。

检定过程严格按照国家检定规程先缓慢上升再缓慢下降对带有刻度数字的每个点进行检定。检定的结果以Excel表格的形式保存数据,作为该仪表是否合格的判断依据,检定结果如图5所示。

5 结束语

针对指针式仪表在当前雷达装备中的广泛应用,仪表的正确读数对装备的性能具有重要的参考价值,仪表质量的稳定性对装备具有很大的影响,因此有必要对指针式仪表进行检定,以确定指针式仪表的精度和准确度。本文设计了基于图像处理的指针式仪表自动检定系统,运用差影法确定指针旋转轴心位置,采用距离法识别读数,检定的结果以 Excel表格的形式保存数据,作为该仪表是否合格的判断依据。该系统结构合理,简便易行,便于实际操作。

[1] 王博,秦岭松.基于计算机视觉的指针式仪表自动检测系统[J].计算机工程,2005,31(11):19-21.

[2] 李沛玲,丁庆生.基于数字图像处理的指针式仪表自动检定系统 [J].信息与电子工程, 2006, 4(2): 145-148.

[3] 薛建荣,杨明.基于图像处理的复杂指针式仪表的识别[J].中国仪器仪表,2005(10):73-74,82.

[4] 杨新华,张琢.模拟指针表自动检定装置的研制[J].计量技术, 2007(2):41-44.

[5] 范江涛,汪仁煌.基于数字图像处理技术的针式仪表读数识别[J].广州工业大学学报,2007(12): 76-78.