郭　波　張　征　許思思

(山東省計量科學(xué)研究院，濟南 250014)

0　引言

我國大部分氣體檢測報警器顯示部分一般采用數(shù)碼管和液晶屏兩種，由于其型號不同，顯示位置也不相同，但顯示內(nèi)容一般為以數(shù)字形式顯示的一氧化碳氣體濃度。依據(jù)JJG 915—2008《一氧化碳檢測報警器》檢定規(guī)程[1]，檢定過程中要求檢定人員多次通入不同濃度的一氧化碳標準氣體，并對每次報警器的示值進行記錄，檢定過程復(fù)雜、繁瑣，期間雖然有通風櫥等設(shè)施的保護，檢定人員在讀取示值時也難以完全避免受到標準氣體的侵襲。

本研究嘗試將機器視覺技術(shù)應(yīng)用于報警器檢定裝置，實現(xiàn)檢定數(shù)據(jù)的自動采集，以提高了報警器的檢定效率，減少了檢定人員的投入，有效避免檢定人員受到有毒有害氣體的侵襲。本研究主要包括以下內(nèi)容：1)將機器視覺技術(shù)應(yīng)用于報警器檢定裝置的設(shè)計原理；2)機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與研發(fā)；3)控制系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)；4)圖像識別系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)。該技術(shù)的應(yīng)用可提升報警器的檢定技術(shù)及檢定效率，對保障人體健康具有重要意義。該技術(shù)可推廣至更多的計量領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1　設(shè)計原理

機器視覺是利用機器代替人眼來做測量和判斷，機器視覺系統(tǒng)是通過圖像攝取裝置(CMOS和CCD)將被攝取目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作[2-4]。

本研究將機器視覺技術(shù)應(yīng)用于報警器檢定過程中，利用CCD(Charge-coupledDevice圖像傳感器)采集報警器示值。其核心原理為：采用CCD讀取報警器示值圖像，使用圖像處理系統(tǒng)對示值進行識別獲取報警器示值，然后由計算機進行數(shù)據(jù)的存儲，用于檢定結(jié)果的計算。通過設(shè)計一套密閉的檢定裝置，內(nèi)部安裝多只CCD，可同時對多臺報警器進行檢定，其內(nèi)部可固定多只不同型號的報警器，CCD可依據(jù)報警器屏幕調(diào)整自身位置并可自動對焦；設(shè)計輸出端口與計算機互聯(lián)，計算機系統(tǒng)可依據(jù)規(guī)程控制CCD進行示值的采集，由計算機系統(tǒng)完成檢定數(shù)據(jù)的存儲及運算，原理見圖1。

圖1　原理結(jié)構(gòu)圖

依據(jù)設(shè)計思路，形成裝置研發(fā)過程中的三個研發(fā)點：1)機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與研發(fā)；2)控制系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)；3)圖像識別系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)。

2　機械結(jié)構(gòu)

在滿足安全及工作需要的情況下，兼顧舒適性、美觀性，將裝置機械結(jié)構(gòu)設(shè)計由可密閉容器、CCD固定及移動機構(gòu)、報警儀固定裝置、計算機主板及圖像采集卡控制箱體幾部分組成。

CCD固定及移動機構(gòu)置于可密閉容器的頂部(可安裝四只CCD)，報警器固定裝置置于該容器的底部(對應(yīng)CCD可固定報警器四只)。計算機主板及圖像采集卡控制箱體與可密閉容器采用豎式層疊放置，可密閉容器置于控制箱體頂部。兩部分間做好隔離封閉措施，避免控制箱體內(nèi)設(shè)備運行當中可能會出現(xiàn)的火花與測試氣體接觸，提高了裝置的安全性能。裝置CCD的輸出線孔、電源線孔等所有的孔都應(yīng)用密封圈密封，以避免檢定標準氣體的泄露，避免對檢定人員的侵襲。裝置三維圖如圖2。

圖2　裝置三維圖

該設(shè)計結(jié)構(gòu)的優(yōu)點為：整體體積較小、便于使用且造價低廉。

3　控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)在Visual C++6.0編程環(huán)境下編寫完成?？刂葡到y(tǒng)部分通過對JJG 915—2008《一氧化碳檢測報警器》檢定規(guī)程[1]的分析形成工作流，實現(xiàn)標準氣體通入提醒，數(shù)據(jù)的定時采集等功能需求。系統(tǒng)通過串行口與計算機通信進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)對不同CCD的控制及每次檢定數(shù)據(jù)的存儲，數(shù)據(jù)庫使用微軟SQL2000，控制系統(tǒng)主界面如圖3。

圖3　控制系統(tǒng)主界面

4　圖像識別系統(tǒng)

圖像識別系統(tǒng)在Visual C++6.0編程環(huán)境下編寫完成，主要借助機器視覺技術(shù)進行實現(xiàn)，該部分為裝置的核心。本研究通過利用DirectX開發(fā)組件中的DirectShow進行CCD圖像的提取和顯示；圖像處理采用OpenCV(Open Computer Vision)開源計算機視覺函數(shù)庫完成，分別對圖像進行灰度化、腐蝕、膨脹、邊緣檢測和二值化等一些列處理，然后，編寫算法對數(shù)字進行分割并使用光學(xué)字符(OCR,Optical Character Recognition)進行識別[4-9]。

4.1　圖像處理的流程

1)將彩色圖像灰度化處理，并且平滑，處理前后如圖4所示；

圖4　圖像灰度化及平滑處理前后

2)圖像進行腐蝕膨脹處理，減小噪音干擾；

3)通過邊緣檢測算子函數(shù)cvCanny對圖像進行邊緣處理，獲取內(nèi)部輪廓，以便提取字符特征，如圖5；

4)將每個數(shù)字的顯示區(qū)分割進行字符分割出來，因為對數(shù)字的模板匹配必須是單個進行，將每個數(shù)字有效點區(qū)域的上下左右獲取，得到它的顯示區(qū)，即可將字符串分隔成單個字符進行處理，分割后圖像如圖6所示。

圖5　邊緣檢測后圖像

圖6　字符分割后圖像

4.2　字符識別

系統(tǒng)主要識別顯示屏上顯示的數(shù)字，字符相對較規(guī)整，字符數(shù)較少，所以，我們采用較為簡單的字符殘缺匹配方法進行識別。首先將有相似特征的字符分類，然后根據(jù)其不同特征加以區(qū)分，再根據(jù)相似程度識別出該字符。

5　結(jié)束語

基于機器視覺技術(shù)的一氧化碳報警器檢定裝置在山東省計量科學(xué)研究院已投入使用半年時間，數(shù)據(jù)的自動采集大大節(jié)省檢定過程中人力、物力投入，避免因人為原因而造成的采集差錯，提高了報警器的檢定效率，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟及社會效益。

現(xiàn)階段我國大部分計量器具均還不具備自動數(shù)據(jù)采集接口，檢定過程中通過人眼采集被檢器具的示值，區(qū)別僅在于器具顯示屏的種類、大小、位置、顯示內(nèi)容等，結(jié)合機器視覺技術(shù)在報警器檢定方面的成功運用，該技術(shù)可進行拓展，廣泛應(yīng)用于各個計量領(lǐng)域內(nèi)。

[1]JJG 915—2008《一氧化碳檢測報警器》.國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2008

[2]劉煥軍，王耀南.機器視覺中的圖像采集技術(shù)[J].電腦與信息技術(shù)，2003(1)

[3]吳文琪，孫增圻.機器視覺中的攝像機定標方法綜述[J].計算機應(yīng)用研究，2004(2)

[4]王福斌，李迎燕，劉杰，陳至坤.基于OpenCV的機器視覺圖像處理技術(shù)實現(xiàn)[J].機械與電子，2010(6)

[5]劉麗梅，鄭新武，陳永明，王磊.基于OpenCV的圖像處理程序開發(fā)方法的研究[J].機電技術(shù)，2010(5)

[6]盧洋，張旭秀.圖像邊緣檢測算法的對比分析與研究[J].太原科技，2009(3)

[7]余洪山，王耀南.一種改進型Canny邊緣檢測算法[J].計算機工程與應(yīng)用，2004(20)

[8]瞿洋，楊麗平.Hough變換OCR圖像傾斜矯正方法[J].中國圖像圖形學(xué)報A輯，2001，6(2)

[9]嚴國莉，黃山等.印刷體數(shù)字快速識別算法在身份證編號數(shù)字識別中的應(yīng)用[J].計算機工程，2003(1)