葉景東，　宗壽松,2，　朱美強，　李明

(1.中國礦業(yè)大學 信息與電氣工程學院， 江蘇 徐州　221008，2.江蘇安科瑞電器制造有限公司， 江蘇 無錫　214405)

?

基于機器視覺的礦用數(shù)顯電測量儀表檢測系統(tǒng)

葉景東1，宗壽松1,2，朱美強1，李明1

(1.中國礦業(yè)大學 信息與電氣工程學院， 江蘇 徐州221008，2.江蘇安科瑞電器制造有限公司， 江蘇 無錫214405)

針對人工核定煤礦數(shù)顯電測量儀表時存在的檢測效率低、勞動強度大、受人主觀因素影響等弊端，設計了基于機器視覺的煤礦數(shù)顯儀表自動檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過控制數(shù)顯電測量儀表上電全顯示與相機錄像獲取開機過程，使用亮點統(tǒng)計方式識別全顯幀，采用模板匹配完成儀表顯示質(zhì)量的自動判定，并通過穿線法字符識別自動判定其測量精度。工業(yè)樣機實驗結(jié)果驗證了該系統(tǒng)的有效性。

數(shù)顯電測量儀表； 儀表檢測； 機器視覺

網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160902.1009.004.html

0　引言

礦用數(shù)顯電測量儀表是指以晶體管或液晶屏作為顯示載體的電量測量儀表，在煤礦生產(chǎn)、電量監(jiān)控中被廣泛應用[1]。礦用數(shù)顯電測量儀表檢測分為顯示質(zhì)量檢測與精度檢測兩部分。通常，礦用數(shù)顯電測量儀表開機時，會依序自動顯示全顯信號、儀表型號等信息[2-3]，根據(jù)全顯信息可以判斷儀表顯示是否正常。進行儀表精度檢測時，將儀表顯示值與輸入信號進行對比，判斷電信號測量誤差是否滿足國家標準或者企業(yè)規(guī)定的要求。目前，國內(nèi)煤礦企業(yè)對煤礦數(shù)顯電測量儀表的安全檢測工作主要依靠人工檢測。人工檢測的自動化程度較低，勞動強度大，受主觀因素影響較大，而且無法保存檢測圖像數(shù)據(jù)[4-5]。鑒此，本文采用圖像處理和識別技術(shù)，設計了基于機器視覺的礦用數(shù)顯電測量儀表檢測系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)總體設計

1.1系統(tǒng)硬件設計

人工檢測儀表時，檢測人員通過肉眼觀察儀表的開機過程，來確認儀表顯示是否符合要求，再進行精度檢測[6]?；跈C器視覺的礦用電測量儀表檢測系統(tǒng)將采用攝像頭代替人眼，計算機代替人腦來完成儀表的檢定。系統(tǒng)硬件部分主要由計算機、工業(yè)相機、串口控制繼電器、儀表供電電源、程控標準源等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　硬件結(jié)構(gòu)

計算機通過并口、PCI總線和串口分別與工業(yè)相機和程控標準源及供電電源連接。由于電測量儀表顯示器本身發(fā)光，所以外界光源影響較小，無需添加輔助光源。當計算機控制工業(yè)相機開始錄像時，計算機通過控制串口控制繼電器接通儀表的供電電源，使儀表自動開機。儀表開機完畢后，計算機控制工業(yè)相機停止錄制，保存儀表開機錄像，檢測所需的數(shù)據(jù)采集是否完成。進行精度檢測時，計算機控制標準測試電源加載測試信號，并通過工業(yè)相機采集圖像，對顯示結(jié)果進行識別。

1.2系統(tǒng)檢測流程

通過控制儀表電源獲得開機視頻后，系統(tǒng)對視頻的每一幀進行分析，找出儀表開機時顯示的全顯幀，采用模板匹配的方法檢測儀表顯示是否符合要求，然后通過輸入精度檢測信號進行精度檢測，最后保存檢測數(shù)據(jù)。具體檢測流程如圖2所示，圖像處理流程如圖3所示。

圖2　系統(tǒng)檢測流程

圖3　圖像處理流程

2　系統(tǒng)檢測原理

2.1開機關(guān)鍵幀圖像獲取

開機視頻可以分解為不同幀的圖像。對于每一幀圖像，系統(tǒng)將分通道處理，二值化每一個像素點，然后統(tǒng)計亮點的個數(shù)。以一個開機顯示2路信號的電壓表為例，統(tǒng)計亮點數(shù)的變化規(guī)律，如圖4所示,開機圖像如圖5所示。開機瞬間，亮點數(shù)增加，之后儀表進入一個穩(wěn)定的過程，即狀態(tài)2，其對應的圖像如圖5中的狀態(tài)2。第1個顯示信號穩(wěn)定一段時間后，儀表開始切換到第2個信號點并在一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定，對應的圖像為圖5中的狀態(tài)3。儀表完成開機后，切換到正常零輸出狀態(tài)，開機結(jié)束。

圖4　亮點數(shù)統(tǒng)計

根據(jù)圖4的規(guī)律，可以通過信號的亮點數(shù)和亮點數(shù)階躍點來判斷整段視頻中哪幾幅圖像幀是開機檢測需要的圖像。當階躍的數(shù)量達到一定數(shù)值時，系統(tǒng)判定儀表狀態(tài)發(fā)生變化，儀表顯示進入另一個狀態(tài)；當階躍數(shù)量小于所設值時，系統(tǒng)判定為所在狀態(tài)得到保持。通過這種方法，系統(tǒng)得到每一種狀態(tài)的幀數(shù)及所保持的時間，并通過去除時間較短的狀態(tài)以去除干擾。統(tǒng)計同一狀態(tài)的亮點數(shù)量的平均值，找出最接近亮點數(shù)平均值的圖像幀為所在狀態(tài)的最穩(wěn)當點。

狀態(tài)1:幀數(shù)1狀態(tài)2:幀數(shù)7狀態(tài)3:幀數(shù)14狀態(tài)4:幀數(shù)20狀態(tài)1:幀數(shù)2狀態(tài)2:幀數(shù)9狀態(tài)3:幀數(shù)15狀態(tài)4:幀數(shù)19

圖5開機圖像

由于工業(yè)相機分辨率高，統(tǒng)計關(guān)鍵幀亮點數(shù)的時間較長，所以在實際使用時需要對其進行優(yōu)化。這里使用了2種優(yōu)化策略。首先，因為亮點統(tǒng)計規(guī)律與分辨率無關(guān)，所以可通過壓縮圖片、降低分辨率來加快關(guān)鍵幀獲取速度。其次，儀表開機時不同狀態(tài)會持續(xù)一定時間，同一個狀態(tài)會采集到數(shù)幀相同的圖像。因此，可采用跳躍統(tǒng)計圖像幀的方式統(tǒng)計所有幀，以縮減檢測時間。

2.2儀表圖像定位

在獲取到開機關(guān)鍵幀原始圖像后，為了消除因圖像錯位產(chǎn)生的誤差，需要對圖像進行定位預處理。將較小的標準模板作為參考，在輸入模板中尋找相對性的相似度最高的模塊，使標準模板可以在空間上進行定位。模板匹配算法主要有基于灰度的模板匹配、基于幾何特征模板匹配和特征加權(quán)模板匹配[7]。本文使用算法較簡單、速度較快的基于灰度的模板匹配定位方法。模板匹配示意和結(jié)果如圖6和圖7所示，從匹配數(shù)組中劃分和標準模板大小相同的子數(shù)組，與標準模板相減取絕對值，并且進行累加。不同子數(shù)組的計算結(jié)果組成大小為(M-m)(N-n)的新數(shù)組,其中M,N為匹配數(shù)組大小,m,n為模板數(shù)組大小。新數(shù)組中最小值就是與模板相識度最高的子模塊，如式(1)所示。

(1)

式中：d(i,j)為最佳匹配子模塊；(i,j)為像素點的坐標；S(i,j)為與模板大小一樣的子模塊數(shù)組；T(i,j)為模板數(shù)組。

圖6　模板匹配示意

圖7模板匹配結(jié)果

2.3顯示質(zhì)量檢測

尋找到最佳模板之后，系統(tǒng)需要對圖像進行檢測識別，判斷儀表是否符合開機要求。將匹配到的最佳模板與標準模板相減，計算絕對值，組成差異化圖像數(shù)組。將差異化圖像數(shù)組進行二值化濾波，消除因光線等外界因素產(chǎn)生的微小偏差。檢測二值化后的差異化圖像數(shù)組的聯(lián)通模塊，將因為位置偏差等因素造成的小模塊去除，保留面積較大的模塊。最后通過檢測差異化圖像數(shù)組是否存在面積大的模塊來識別圖像是否和標準模板一致，如圖8所示。

(a)關(guān)鍵幀圖像(b)標準模板圖像(c)相減圖像(d)處理結(jié)果

圖8圖像檢測

2.4儀表精度檢測

電測量儀表精度檢測圖像采用邊緣檢測進行顯示數(shù)字的提取，將圖像進行膨脹，把每個數(shù)字作為一個聯(lián)通域進行切割。數(shù)字圖像提取出來后,采用穿線法進行數(shù)字字符的識別,如圖9所示。其中w為數(shù)字圖像寬度,h為高度。穿線法通過ABCDEFG七條線段穿過圖像,檢測是否經(jīng)過線段,經(jīng)過為1,不經(jīng)過為0。對識別到的編碼采用表1進行轉(zhuǎn)換，得到識別數(shù)字。得到數(shù)字識別結(jié)果后，將其與儀表輸入進行比對，計算精度誤差，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫信息進行精度檢定。

圖9　穿線法

ABCDEFG結(jié)果00001011111011021110101301011014111100151111011610001017111111181111101910111110

3　實驗結(jié)果分析

采用2 592×1 944高分辨率工業(yè)相機和i7-4710MQCPU計算機，基于OPENCV和C++平臺搭建軟件系統(tǒng)。樣機在儀表生產(chǎn)廠家進行了實驗運行，結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)礦用數(shù)顯電測量儀表的顯示質(zhì)量檢測和精度檢測。

3.1顯示質(zhì)量實驗結(jié)果

在儀表生產(chǎn)廠家錄制15幀/s的開機錄像用于檢測顯示質(zhì)量。實驗時，分別對數(shù)碼管與液晶面板兩類儀表進行了測試，均得到滿意的結(jié)果。對于合格儀表，液晶儀表的實驗結(jié)果見圖8，數(shù)碼管儀表結(jié)果與之類似。對于安全質(zhì)量不合格的儀表樣本，數(shù)碼管儀表開機過程中獲取到的全顯信號關(guān)鍵幀與標準模板匹配，識別出了儀表顯示存在缺段的質(zhì)量問題，如圖10所示。

關(guān)鍵幀圖像標準模板圖像差值圖像識別結(jié)果

圖10數(shù)碼管缺段檢測

通過壓縮圖像加速和跳躍采集對儀表信息關(guān)鍵幀獲取進行優(yōu)化，使整個檢測時間縮短，結(jié)果如圖11所示。系統(tǒng)優(yōu)化后，在分辨率高時有較大的速度提升；當分辨率低時，提升空間較小，提升效果依然存在，但不明顯。

圖11　處理時間

3.2精度檢測實驗結(jié)果

樣機系統(tǒng)通過比對識別出的數(shù)字與輸入數(shù)值，檢測電測量儀表精度是否滿足安全質(zhì)量要求。本系統(tǒng)測試了10種類型100多個電測量儀表，包括電壓表、電流表、電能表，其中有液晶顯示和數(shù)碼管顯示的數(shù)顯儀表測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠檢測出精度不達標的電測量儀表。

4　結(jié)語

針對煤礦數(shù)顯電測量儀表的安全檢測，基于機器視覺技術(shù)，設計了煤礦用數(shù)顯電測量儀表檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了計算機控制、機器視覺分析的方法，實現(xiàn)了煤礦電測量儀表顯示質(zhì)量檢測和測量精度檢測，自動化程度較高。工業(yè)樣機實驗結(jié)果驗證了該系統(tǒng)的可行性。

[1]韓書,胡彧,李彤,等.通風安全儀器儀表管理系統(tǒng)設計[J].工礦自動化,2014,40(5):109-112.

[2]孫杰.通風安全儀表計算機管理系統(tǒng)的設計[J].工礦自動化,2011,37(4):88-91.

[3]孫繼平.煤礦井下安全避險“六大系統(tǒng)”的作用和配置方案[J].工礦自動化,2010,36(11):1-4.

[4]陳蓉,楊慕升,張宇,等.基于機器視覺的儀表自動檢定系統(tǒng)的研究[C]//中國儀器儀表學會青年學術(shù)會議,黃山，2007.

[5]李偉,任娜娜,胡艷俠,等.基于機器視覺和LabVIEW的指針式儀表自動檢測系統(tǒng)設計[J].自動化與儀器儀表,2015(4)：178-181.

[6]李棟,楊志家.基于機器視覺的指針儀表識讀方法[J].儀表技術(shù)與傳感器,2012(10):31-33.

[7]崔政,李壯.兩種改進的模板匹配識別算法[J].計算機工程與設計,2006,27(6):1083-1085.

Detection system for coal mine electrical inspection instrumentwithdigitaldisplaybasedonmachinevision

YE Jingdong1,ZONG Shousong1,2,ZHU Meiqiang1,LI Ming1

(1.SchoolofInformationandElectricalEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221008,China； 2.JiangsuAcrelElectricCo.,Ltd.,Wuxi214405,China)

Inviewofproblemsoflowmeasurementefficiency,highlabourintensityandbeinginfluencedbysubjectivefactorsinmanuallycalibratingcoalmineelectricalinspectioninstrumentwithdigitaldisplay,anautomaticinspectionsystemforcoalmineelectricalinspectioninstrumentwithdigitaldisplaywasdesignedbasedonmachinevision.Thesystemcontrolspoweronoftheinstrumentandavideotogetbootingprocess,anduseshighlightsstatisticsmodetoidentifykeydisplayframeoftheelectricalinspectioninstrument,usestemplatematchingtocompleteautomaticidentificationofthedisplayimage,andusesdigitrecognitionwiththreadingmethodtodetectthemeasurementaccuracyautomaticly.Validityofthedesignedsystemisverifiedwithexperimentresultsfromindustrialprototypesystem.

electricalinspectioninstrumentwithdigitaldisplay;instrumentinspection;machinevision

1671-251X(2016)09-0013-04DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.09.004

2016-04-14；

2016-07-20；責任編輯：胡嫻。

江蘇省自然科學基金項目(BK20130207)；江蘇省博士后基金項目(1301029C)。

葉景東(1990-)，男，廣東廣州人，碩士研究生，研究方向為機器視覺，E-mail：cumtyjd@126.com。

TD679

A網(wǎng)絡出版時間：2016-09-02 10:09

葉景東，宗壽松，朱美強，等.基于機器視覺的礦用數(shù)顯電測量儀表檢測系統(tǒng)[J].工礦自動化，2016,42(9)：13-16.