計(jì)算機(jī)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)在壓力表檢定中的應(yīng)用
介紹一種智能化視覺(jué)識(shí)別檢定裝置，在遵循現(xiàn)行技術(shù)文件的前提下，將計(jì)算機(jī)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)在壓力表自動(dòng)檢定中進(jìn)行應(yīng)用，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了特征提取、分析和比較。以促進(jìn)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)在計(jì)量檢校中的廣泛 應(yīng)用。
0.引言
一般壓力表是指以彈性元件為敏感元件的計(jì) 量器具，由于壓力表具有安裝簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉、適應(yīng) 性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在熱力管網(wǎng)、油氣傳輸、供水供氣系 統(tǒng)、車(chē)輛維修保養(yǎng)廠店等領(lǐng)域廣泛使用。作為一項(xiàng) 常規(guī)檢定項(xiàng)目，各級(jí)法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)也都會(huì)優(yōu)先 建立壓力表的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，以保證我國(guó)壓力量值傳遞 的一致性和準(zhǔn)確性，壓力表檢定工作也通常是各級(jí) 機(jī)構(gòu)工作量較大的項(xiàng)目之一。
由于壓力測(cè)量的特性，壓力表也經(jīng)常會(huì)用于各 種涉及安全的場(chǎng)合，因此，我國(guó)將壓力表列人了《中 華人民共和國(guó)強(qiáng)制檢定的工作計(jì)量器具明細(xì)目 錄》。與壓力表相關(guān)的檢定規(guī)程有JJG 52—2013 《彈性元件式一般壓力表、壓力真空表和真空表》和JJG 49—2013《彈性元件式精密壓力表和真空 表》，分別用于檢定一般壓力表、壓力真空表、真空 表及精密壓力表和真空表，這兩種壓力表均為指針 式壓力表。
壓力表常規(guī)的檢定方法是采用標(biāo)準(zhǔn)器示值與 被檢表示值直接比較的方式，其過(guò)程是使用造壓裝 置同時(shí)給標(biāo)準(zhǔn)器和被檢表加壓，在加壓至檢定點(diǎn) 時(shí)，通過(guò)人工讀數(shù)方式同時(shí)讀取標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表的 讀數(shù)，得出示值誤差。這種檢定方式具有效率低 下、人員讀數(shù)容易出現(xiàn)偏差等問(wèn)題。因此，國(guó)內(nèi)外 的壓力表檢定裝置廠商一直在嘗試開(kāi)發(fā)壓力表自 動(dòng)檢定裝置，以計(jì)算機(jī)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)來(lái)解決壓力表 自動(dòng)檢定難題。
1.計(jì)算機(jī)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)在壓力表檢定中的 應(yīng)用
近十年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī) 視覺(jué)識(shí)別技術(shù)也被越來(lái)越多的應(yīng)用到傳統(tǒng)計(jì)量工 作中。通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，可替代檢定員的人眼 讀數(shù)操作，降低人員讀數(shù)誤差，提高工作效率，具有 十分積極的現(xiàn)實(shí)意義。
計(jì)算機(jī)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)在檢校工作中的應(yīng)用主 要分為兩個(gè)方向：一是對(duì)阿拉伯?dāng)?shù)字的識(shí)別，如對(duì) 出租車(chē)計(jì)價(jià)器的識(shí)別等;二是對(duì)傳統(tǒng)模擬儀表的識(shí) 別，如壓力表、百分表等。
對(duì)于指針式壓力表這類(lèi)模擬指示器具，由于其 指示值是以指針對(duì)表盤(pán)的相對(duì)位置來(lái)體現(xiàn)的，在識(shí) 別上就會(huì)存在一些問(wèn)題，如:如何識(shí)別指針位置并 判斷其指示的壓力值;非整點(diǎn)指示值的估讀等。
目前，國(guó)內(nèi)已有廠家研制出了基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)識(shí) 別技術(shù)的壓力表自動(dòng)檢定裝置，實(shí)現(xiàn)的方法與計(jì)算機(jī) 視覺(jué)識(shí)別的鉢流程一致，即:使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)在 每個(gè)檢定點(diǎn)(包括零點(diǎn)卿，對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行處理， 通過(guò)軟件對(duì)指針位置進(jìn)行識(shí)別，得到各檢定點(diǎn)指示的 壓力值，將得到的壓力值與標(biāo)準(zhǔn)值比較得到誤差。
下面我們就以某品牌的壓力表自動(dòng)檢定視覺(jué) 識(shí)別裝置為例，對(duì)采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行壓 力表檢定的過(guò)程進(jìn)行分解，使讀者能夠更清楚的了 解到計(jì)算機(jī)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用原理及實(shí)現(xiàn)方法。
1. 1檢定系統(tǒng)的軟硬件組成
1)硬件部分
硬件部分非常簡(jiǎn)單，主體為兩只不同口徑的 碗形扣件（扣件內(nèi)帶有有攝像頭），以適應(yīng)不同大 小的壓力表;配件為兩根USB傳輸線。硬件組成 如圖1。
硬件部分的作用為拍攝檢定時(shí)的表盤(pán)圖像，其 主要構(gòu)成為以CCD為感光元件的攝像頭。
2)軟件部分
壓力表自動(dòng)檢定視覺(jué)識(shí)別裝置所需配置軟件 如圖2所示。軟件部分的主程序使用C#編寫(xiě)，使用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存檢定數(shù)據(jù)，使用FastReport出具 證書(shū)。
1.2檢定過(guò)程
將壓力表安裝在造壓裝置上，根據(jù)壓力表尺寸 選擇相應(yīng)的碗形扣件，并將扣件固定在壓力表的正 面位置，擰緊頂部固定螺栓;使用USB連接線將扣 件后部接口與電腦連接。
啟動(dòng)檢定主程序，即圖2中所示的“壓力表檢 測(cè)”，登錄后界面如圖3所示。
可以看到，被檢表的圖像已顯示在界面右上方 的第一個(gè)方格內(nèi)。錄人基本信息，如壓力表生產(chǎn)廠 家、編號(hào)、量程等，錄人完成后即可開(kāi)始檢定。
按照J(rèn)JG 52—2013的規(guī)定對(duì)壓力表進(jìn)行檢定， 步驟如下：
1)檢定前先使用“零點(diǎn)拍照”功能保存壓力表 零點(diǎn)狀態(tài)圖片;2)使用造壓裝置對(duì)壓力表加壓，在 每次達(dá)到檢定壓力點(diǎn)時(shí)，點(diǎn)擊“拍照”按鈕保存當(dāng)前 檢定點(diǎn)圖像;3)輕敲壓力表后再點(diǎn)擊“拍照”;4)重 復(fù)步驟2)和步驟3)，直至完成所有檢定點(diǎn)的檢定;
5)點(diǎn)擊“保存報(bào)表”，完成檢定過(guò)程;6)點(diǎn)擊“打印檢 定記錄”和“打印檢定證書(shū)”即可得到本次檢定的原 始記錄及證書(shū)。
1. 3實(shí)現(xiàn)方法解析
壓力表自動(dòng)檢定過(guò)程實(shí)現(xiàn)的基本原理如下：
該系統(tǒng)首先將表盤(pán)刻度的示值部分認(rèn)定為一 個(gè)270。的弧形，弧度范圍從225。到-45。，且各檢定 點(diǎn)及刻度均勻分布于這個(gè)圓弧上。通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì) 圓心位置、指針位置和刻度位置的采集和識(shí)別，通 過(guò)Hough變換確定指針位置的真實(shí)指示值，從而實(shí) 現(xiàn)壓力表的讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別。
下面對(duì)該自動(dòng)檢定系統(tǒng)在各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方 法做簡(jiǎn)要解析：
1）計(jì)算機(jī)視覺(jué)（圖像采集）
圖像采集部分由攝像頭、凸透鏡、碗形扣件（內(nèi) 含光源）組成。
攝像頭:選用CCD圖像傳感器作為感光元件， 可直接將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)，電流信號(hào) 經(jīng)過(guò)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳 輸、處理和復(fù)現(xiàn)。其顯著特點(diǎn)是:a.體積小重量輕； b.功耗小、工作電壓低、抗沖擊與震動(dòng)、性能穩(wěn)定、 壽命長(zhǎng);c.靈敏度高、噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大;d.響應(yīng) 速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無(wú)殘像。
凸透鏡:在攝像頭的前端增加了一個(gè)凸透鏡， 經(jīng)過(guò)凸透鏡的匯聚后，攝像頭采集到的圖像大小基 本保持一致，且可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的估讀。
碗形扣件:碗形扣件的使用可以保證攝像頭中 心位置與表盤(pán)中心位置對(duì)齊，防止由于攝像頭拍攝 角度不同導(dǎo)致的誤差。
在使用該系統(tǒng)進(jìn)行檢定時(shí)，每當(dāng)需要進(jìn)行讀數(shù) 操作(如加壓至檢定點(diǎn)，輕敲壓力表后等）時(shí)，均要 進(jìn)行一次拍照操作，就是用拍照操作代替了人眼讀 數(shù)的過(guò)程，即實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)視覺(jué)代替人眼識(shí)別。
2）圖像處理
在進(jìn)行圖像識(shí)別之前，必須對(duì)圖像進(jìn)行處理， 才能較為方便和清晰的實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別功能。圖像 處理通常分為以下兩個(gè)步驟：
第一步:圖像預(yù)處理
由攝像頭直接拍攝得到的圖像很容易受到各 種噪聲的干擾，使獲得的圖像質(zhì)量退化，因此，在進(jìn) 行識(shí)別前必須對(duì)采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理。 圖像 預(yù)處理又分為:首先圖像噪聲去除，使用濾波器去 除圖像中的噪聲，降低圖像識(shí)別難度;然后，對(duì)圖像 進(jìn)行邊緣檢測(cè)，以使圖像的輪廓突出，以便更有效 地提取圖像特征；最后，使用Hough變換來(lái)檢測(cè)壓 力表的指針和邊緣。
第二步:圖像二值化
經(jīng)過(guò)前面的預(yù)處理步驟后，圖像已被處理為多 灰度級(jí)的圖像，再對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，使其變 成只有兩個(gè)灰度級(jí)的圖像，將圖像中的指針和刻度 明顯的標(biāo)識(shí)出來(lái)，方便后面的識(shí)別過(guò)程。
3）識(shí)別
識(shí)別的過(guò)程包含:確定表盤(pán)圓心，使用Hough 變換確定表盤(pán)的圓心位置，以保證后續(xù)的指針定位 準(zhǔn)確;確定指針位置，使用Hough變換獲取指針位 置;根據(jù)指針位置得到壓力表的指示值。
4）讀數(shù)計(jì)算
根據(jù)壓力表檢定規(guī)程的規(guī)定進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，得 到各項(xiàng)誤差值，并判斷合格與否。
2.結(jié)語(yǔ)
在現(xiàn)在的技術(shù)條件下，使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)識(shí)別技 術(shù)開(kāi)發(fā)壓力表(模擬指示儀表）自動(dòng)檢校系統(tǒng)時(shí)，各 高校或儀器研發(fā)廠商基本都是采用前文介紹的原 理作為基本方法，細(xì)節(jié)上可能會(huì)有微小差別，但整 體設(shè)計(jì)思路基本一致。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子工業(yè)的飛速發(fā)展，計(jì) 算機(jī)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)在計(jì)量檢校工作中將會(huì)有著越 來(lái)越廣闊的應(yīng)用前景，相信在不久的將來(lái)，神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)將會(huì)應(yīng)用到我們的日常檢校工 作中，計(jì)算機(jī)視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)將會(huì)給我們的日常檢校 工作帶來(lái)巨大的變化。
