基于图像处理技术的指针式扭矩计量器具自动读取示值的方法

/ 上海市计量测试技术研究院

0 引言

指针式扭矩计量器具主要包括指针式扭矩扳子和表盘式扭矩测量仪，相较于普通的机械预置式、数显式计量器具，具有结构简单、示值直观、维护方便等优点，并且具有较强的抗干扰性，在机动车零部件、电器设备制造等工业领域中得到广泛的应用。但是在扭矩计量器具的传统计量活动中，靠肉眼识别表盘指针示值时，由于视觉疲劳或视差容易产生误差；其次，在某些特殊工位由于受空间限制人眼无法识别表盘分度。因此，实现指针式仪表表盘分度的计算机自动识别的研究具有重要的现实意义。

目前，国内外有许多课题组针对基于图像处理技术的指针式仪表自动识别进行了研究。文献[1-6]提出了对压力表、数字多用表、电压表和水表等传统表盘进行自动读取示值的方法与设计，技术成熟但有一定的局限性，只能对特定表盘进行识别；文献[7-8]针对多指针仪表的识别技术进行了设计和研究，但过程较为复杂，实际应用中很难实现；有的研究人员提出了基于模糊识别和图像形态学的处理方法[8-9]，这类方法识别准确度不高，并且容易受到图像拍摄质量的影响。文献[9-15]的研究人员使用Hough变换检测直线的方法确定指针位置，在识别360°仪表时运算时间长，识别准确度取决于计算圆心位置的准确度，对图像拍摄质量和运算能力的要求都很高。

1 表盘图像的前期处理

通过正对表盘的摄像头采集图像，并且将图像信息存储到计算机中进行自动读取示值过程的处理。在采集图像时，手动加载扭矩，使表盘上的主动针带动从动针旋转到所需要的检测点分度值位置，然后卸载扭矩，主动针回到零点分度，从动针仍停留在检测点分度位置，此时操作摄像头采集表盘图像，通过计算机处理采集到的图像就能得到相应的示值。为了能够更准确地识别指针信息，并适当减少运算量，首先需要对采集到的表盘图像进行前期处理，其主要步骤包括：噪声消除、灰度处理、阈值分割、膨胀腐蚀、去除干扰区域，经过预处理后，再对表盘的指针进行识别处理。

1.1 消除扭矩计量器具表盘图像的噪声

在采集图像过程中，由于摄像头的硬件参数的不足或光线过暗等原因，拍摄时可能会产生图像上的噪点或噪声，所以为了后续能够更准确地识别出表盘上的指针和分度，需要先对噪声进行消除。如图1所示，本文采用自适应中值滤波法[16-17]，能够应对各种噪声场景，既可以有效去除噪声，也能够保留图像的边缘信息，使表盘的指针和分度能够完整地保留下来。

图1 消除噪声后的图像

1.2 把扭矩计量器具表盘图像转化为计算机图像

仅仅是一张经过消除噪声的表盘图像，计算机是无法进行图像处理识别的。为了把图像转化为计算机能够“认识”的计算机图像，需要对其进行图像分割处理。本文采用自动阈值分割法，以图像的灰度直方图[18]为依据，以目标和背景的类间方差最大为阈值选取准则，其优点在于能够综合考虑像素邻域以及图像整体灰度分布（图2）等特征关系。如图3所示，转化为计算机图像的同时，保留了表盘的指针、分度和中心圆盘。

图2 灰度处理结果

图3 自动阈值分割结果

1.3 消除表盘图像指针和中心圆盘的间断点

进行阈值分割后，指针会产生一些间断点。为了能够更准确地识别指针，需要运用形态学中的膨胀运算把间断点连接起来使指针连续。但经过膨胀处理后（图4），指针会变得过于粗大，影响识别准确度，所以要对图像再进行腐蚀处理。如图5所示，最终得到了连续清晰的指针和中心圆盘图像。

图4 膨胀处理结果

图5 腐蚀处理结果

1.4 去除表盘图像的干扰信息

进行腐蚀处理后的表盘除了指针，还存在型号、分度等会影响识别准确度的无用信息，所以还需要针对干扰信息进行处理。本文使用的是移除小目标的图像处理函数，其作用是去除小于设定阈值面积的连通区域，进一步提取出图像包括表盘指针和中心圆盘在内的有效信息，提高识别准确度。

图6 去除干扰结果

2 指针的识别

Hough变换是一种常用的识别特征几何图形的方法，通过将原始图像上的点映射到用于累加的坐标空间，检测到的特征曲线表现为变换后的坐标空间内形成的峰点。由于它利用了原始图像的全局特性，所以受噪声和边缘不连续的影响较小，鲁棒性能较好。在对指针式仪表的自动识别系统中，最常用的是通过Hough变换检测直线，确定指针相对于零分度线的角度后，结合具体的仪表最大量程计算出示值。通过检测直线计算示值的方法存在两个缺陷：首先，为了确定表盘中心，需要识别到两条以上的直线才能准确地确定圆心，增大了计算量，并且可能由于图像本身的像差产生圆心的偏移。其次，对于360°的指针式表盘，无法限定角度阈值进行检测，需要的存储空间和计算量很大，影响了判别速度。扭矩计量器具的表盘中心为了固定住从动针，都存在一个小型圆盘。针对这个特点，本文提出了一种基于Hough变换检测圆[19-21]，通过识别主动针和从动针与检测到的圆之间的交点来确定指针的位置。

圆在x-y坐标系下的一般表达式：

式中的半径r确定后，x-y坐标系下的一个圆，能够确定一个圆心坐标（ai，bi），对应了参数空间a-b坐标系中的一个点。并且，这个圆上所有的点对应的都是参数空间中的同一个点。在搜索图像中的圆时，通过在参数空间中进行累加计数，计数峰点即对应了图像中的圆心和半径。在实际操作中，为了减少计算量，会对圆的半径长度做一定的阈值限制。如图7所示，在确定了圆心位置和半径长度后，适当加长半径画一个参照圆，参照圆与指针的交点连接圆心的直线即为表盘指针的准确位置。计算主动针与从动针的夹角后，结合满量程的角度值，即能得到表盘当前的示值。

图7 Hough变换检测圆

3 与人工读取示值的方法进行结果比对

为了验证基于图像处理技术进行指针式扭矩计量器具自动读取示值的方法的准确性，由三名测量人员通过手动加载指针式扭矩扳子的方式分别加载到扭矩扳子检定仪显示 2 Nm、7 Nm、12 Nm 三个测量点后进行人工读取示值，读取示值同时使用正对表盘的摄像头采集表盘图像，并在计算机中对采集到的图像进行处理识别。

如表1所示，三名测量人员人工读取示值的结果之间最大差值为0.05 Nm，通过计算机图像处理的结果与任意一个人工读取示值的结果最大差值为0.03 Nm。可见，采用计算机进行图像处理识别能够有效地减小在测量过程中因人为因素造成的示值误差。

表1 示值比对

4 结语

本文提出了一种自动识别指针式扭矩计量器具读取示值的方法。基于图像处理技术，首先对原始图像进行包括噪声消除、灰度处理、阈值分割、膨胀腐蚀、去除干扰区域等步骤在内的预处理，去除图像中的干扰信息，并使有效信息能够更准确地被识别。针对扭矩仪表存在从动针和主动针两根指针的特殊之处，本文使用Hough变换检测圆的方法确定指针的位置，相对于直接检测直线有运算效率高、圆心位置更为准确的优点。在实际应用中能够显著提高工作效率，并且消除人为识别指针式仪表示值的误差，在准确度要求较高的使用场景中有巨大的价值。