郝志坤 聶繼鑫 楊 靜 張正龍

(北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

電學(xué)計(jì)量工作要面對(duì)大量的手持萬(wàn)用表、指針表以及沒(méi)有數(shù)據(jù)線接口功能的其他儀表，通常此類儀表不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化計(jì)量校準(zhǔn)。人眼讀數(shù)，手筆記錄，鍵盤錄入數(shù)據(jù)，工作效率低、可靠性差，計(jì)量過(guò)程中容易出現(xiàn)人為的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

為提高此類儀表的電學(xué)計(jì)量校準(zhǔn)效率和校準(zhǔn)可靠性，我們把沒(méi)有數(shù)據(jù)接口的測(cè)量?jī)x器作為研究對(duì)象，研制了一套具有圖像獲取和識(shí)別功能的電學(xué)可視化自動(dòng)化校準(zhǔn)裝置。可視化自動(dòng)校準(zhǔn)裝置實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)裝置操作的自動(dòng)化、校準(zhǔn)原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的自動(dòng)化、數(shù)據(jù)處理與輸出的自動(dòng)化，提升了此類儀表計(jì)量的工作效率。

2 設(shè)計(jì)原理

根據(jù)指針表和手持式數(shù)字多用表的計(jì)量特性，我們把工業(yè)攝像機(jī)、圖像處理及數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用于此類及儀表的自動(dòng)化計(jì)量校準(zhǔn)，整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程依據(jù)《JJG124-2005電流表、電壓表、功率表及電阻表檢定規(guī)程》、《JJF1587-2016數(shù)字多用表校準(zhǔn)規(guī)范》和《JJG(軍工)72-2015交流數(shù)字電壓表檢定規(guī)程》。

2.1 模擬指針表顯示圖象的識(shí)別

被校準(zhǔn)的設(shè)備主要為手持式數(shù)字多用表和模擬指針表，下面首先介紹模擬指針表。模擬指針表的識(shí)別主要包括兩步：測(cè)試前預(yù)識(shí)別和測(cè)試讀數(shù)。

2.1.1 測(cè)試前識(shí)別特征參數(shù)

主要是為了識(shí)別表盤上的刻度線，刻度值，兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系，零值以及表盤字符等。特征參數(shù)的識(shí)別包括以下步驟：

(1)圖像預(yù)處理：表盤預(yù)處理主要對(duì)象有指針、數(shù)字標(biāo)碼、儀表上的文字標(biāo)識(shí)和表盤的外部輪廓等。表盤為扇形，其布局模式比較固定，主要識(shí)別對(duì)象為指針和刻度。預(yù)處理包括去噪、二值化處理等步驟。

(2)提取刻度線：Hough變換可以準(zhǔn)確捕獲到目標(biāo)的邊界(連續(xù)或不連續(xù)的),并最終以連續(xù)曲線的形式輸出變換結(jié)果.其主要優(yōu)點(diǎn)是受噪聲和曲線間斷的影響較小。Hough變換檢測(cè)直線時(shí)，公式(1)為

ρ=xcosθ+ysinθ

(1)

式中：ρ——被檢直線極坐標(biāo)對(duì)應(yīng)極徑；x——像素點(diǎn)橫坐標(biāo)；θ——被檢直線極坐標(biāo)對(duì)應(yīng)極角；y——像素點(diǎn)縱坐標(biāo)。

識(shí)別刻度值和表盤字符：模擬指針表的表盤由指針、刻度線、數(shù)字、字母和小數(shù)點(diǎn)等組成。本裝置采用特征提取法作為裝置圖像識(shí)別的基本算法。針對(duì)數(shù)字的外形特點(diǎn)，識(shí)別程序提取橫線、豎線、水平過(guò)線數(shù)、垂直過(guò)線數(shù)及交點(diǎn)數(shù)等5個(gè)特征量來(lái)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)的特征值表，從而進(jìn)行識(shí)別。

經(jīng)過(guò)預(yù)處理，我們找出了零值和最大刻度線的位置，確定了表盤的參數(shù)。再通過(guò)手動(dòng)預(yù)先設(shè)置最大量程數(shù)值，在軟件中通過(guò)等分的方法(針對(duì)表盤均勻分布的模擬指針表)，可以保存每一格最小刻度之間的數(shù)值，完成了表盤的預(yù)處理。

2.1.2 測(cè)試讀數(shù)

讀數(shù)時(shí)，需首先使指針歸零，保存一張圖片，然后再使指針偏轉(zhuǎn)一定角度，保存另一張圖片。通過(guò)對(duì)兩張圖片的對(duì)比，識(shí)別指針在表盤中的位置，提取指針信息。在確定了表盤的刻度和零值位置后，我們對(duì)扇形表盤進(jìn)行等分，等分的份數(shù)越多，讀數(shù)時(shí)分辨力就越高。讀數(shù)時(shí)，通過(guò)尋找指針的位置，再與相鄰最近的兩個(gè)刻度線比較，計(jì)算出指針在這兩個(gè)刻度線間位置的比例，再與預(yù)處理中記錄的此處刻度的數(shù)值比較，計(jì)算出模擬指針表此時(shí)的讀數(shù)。

2.2 數(shù)字表顯示圖象的識(shí)別

數(shù)字表顯示圖像的識(shí)別大部分方法與模擬指針表類似，其關(guān)鍵在于數(shù)字、字母、小數(shù)點(diǎn)和科學(xué)技術(shù)符的識(shí)別，其識(shí)別過(guò)程同指針表盤中的字符識(shí)別。其中，數(shù)字和字母的識(shí)別亦可用簡(jiǎn)單的模板匹配。

2.3 儀表顯示數(shù)據(jù)采集裝置

數(shù)據(jù)采集模塊主要由儀器支架、工業(yè)攝像機(jī)、外加光源、多功能標(biāo)準(zhǔn)源、GPIB卡及PC機(jī)組成。

在采集過(guò)程中，將表盤和CCD位置用預(yù)先設(shè)計(jì)好的支架固定，保持鏡頭垂直于被測(cè)儀器表盤，同時(shí)使外加光源處于鏡頭與表盤之間。這樣外加光源照明充足，可起到消除陰影、減少干擾的作用，采集到的圖像清晰度高，預(yù)處理難度小，有利于后續(xù)的讀數(shù)識(shí)別。

采集到的圖像傳回PC機(jī)。PC機(jī)根據(jù)編寫的識(shí)別軟件進(jìn)行讀數(shù)識(shí)別和顯示，并根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)模擬指針表和數(shù)字多用表。

3 設(shè)計(jì)方案

校準(zhǔn)裝置包括硬件裝置和軟件裝置兩部分。硬件裝置主要由圖像采集裝置和計(jì)量測(cè)試處理裝置組成。圖像采集裝置由高分辨率的工業(yè)照相機(jī)、外加光源和上位機(jī)采集控制裝置組成，計(jì)量測(cè)試裝置包括被測(cè)的指針表或手持式數(shù)字多用表、多功能標(biāo)準(zhǔn)源5520A和GPIB轉(zhuǎn)接卡等組成。軟件裝置運(yùn)行軟件依據(jù)《JJG124-2005電流表、電壓表、功率表及電阻表檢定規(guī)程》、《JJG315-83直流數(shù)字電壓表檢定規(guī)程》、《JJG598-89直流數(shù)字電流表檢定規(guī)程》和《JJG(軍工)72-2015交流數(shù)字電壓表檢定規(guī)程》編寫。軟件包括指針式儀表的檢測(cè)和數(shù)字式儀表的檢測(cè)兩部分。軟件可自動(dòng)讀取工業(yè)攝像機(jī)采集的指針表和手持式數(shù)字多用表的測(cè)試圖象，并識(shí)別讀數(shù)，按照檢定規(guī)程的要求，測(cè)試采集數(shù)據(jù)，并通過(guò)規(guī)定模板保存原始數(shù)據(jù)。

3.1 硬件部分

硬件部分的核心由圖像采集模塊和表盤識(shí)別模塊組成。其中圖像采集模塊主要由被測(cè)儀表、工業(yè)攝像機(jī)和外加光源組成。對(duì)于指針式儀表，表盤較大且呈扇形，由于軟件設(shè)置問(wèn)題，攝像頭成像時(shí)需固定表盤的中央位置無(wú)法移動(dòng)，這就造成了指針在中心位置和兩側(cè)位置的畫面在成像角度上有所不同，這就會(huì)影響指針在兩側(cè)位置的成像精度，為了解決這一問(wèn)題，除了在軟件部分調(diào)整算法外，還可以增加攝像頭與被測(cè)儀器的距離，以達(dá)到減小誤差的效果，理論上當(dāng)攝像頭移動(dòng)到無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)，這類角度誤差即可消除。但這樣會(huì)造成分辨率的下降，本課題為了解決此類問(wèn)題，購(gòu)買了高分辨率工業(yè)攝像機(jī)，增加攝像頭與被測(cè)表盤的距離，使此問(wèn)題帶來(lái)的讀數(shù)誤差在可接受范圍之內(nèi)。

硬件由支架、光源、CCD攝像頭和數(shù)據(jù)采集卡等組成。如圖1所示。

圖1 電學(xué)可視化自動(dòng)校準(zhǔn)裝置Fig.1 Devise of the electricity viewdata auto-detection

為了保證成像清晰和均勻，防止外界光源形成陰影的干擾，本裝置采取了一組外加光源，固定在被測(cè)儀器的四周。經(jīng)比較，排除了環(huán)形光源和面光源，此類光源會(huì)造成陰影或光源強(qiáng)度不均勻問(wèn)題，最后采取了一組條形光源，用支架固定，分別從不同方向打光，最后得到了均勻且明亮的照明效果。

在儀器控制方面，選取了技術(shù)上比較成熟的NI公司的GIPB-USB-HS卡，經(jīng)測(cè)試，符合本裝置測(cè)試速度和功能的要求。

3.2 軟件部分

裝置軟件主要包括圖像數(shù)據(jù)采集和原始數(shù)據(jù)的保存和處理兩部分。圖像采集與指針表表盤的讀取精度達(dá)到0.01mm，讀數(shù)時(shí)可以一定程度上保證不被外界光源或指表針陰影的干擾，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試及穩(wěn)定時(shí)間不大于5s，可以準(zhǔn)確識(shí)別數(shù)字表的量程和小數(shù)點(diǎn)位數(shù)。軟件原理框圖如圖2所示。

圖2 可視化自動(dòng)校準(zhǔn)裝置指針式儀表軟件部分原理框圖Fig.2 Software schematic of analog pointer meter for the devise of the electricity viewdata auto-detection

對(duì)采集到的數(shù)據(jù)可自動(dòng)記錄、處理并進(jìn)行判定，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)至excel表格；軟件可以顯示檢定數(shù)據(jù)及過(guò)程，在檢定過(guò)程中可以暫停并保存退出；可對(duì)USB或GPIB接口的攝像頭實(shí)現(xiàn)控制，可以對(duì)FLUKE5520A實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化的GPIB操作。軟件運(yùn)行界面如圖3、圖4所示。

圖3 手持式數(shù)字表檢定界面Fig.3 Verification interface for the portable digital multimeter

圖4 指針表數(shù)據(jù)采集示意圖Fig.4 Sketch map for data acquisition of analog pointer meter

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

我們采用此套裝置分別對(duì)手持式數(shù)字多用表和指針式電壓表進(jìn)行了計(jì)量檢定，檢定結(jié)果如表1、表2所示。

表1 可視化自動(dòng)校準(zhǔn)裝置手持式數(shù)字多用表檢定數(shù)據(jù)Tab.1 Verification data of portable digital multimeter by electricity viewdata auto-detection devise

表2 可視化自動(dòng)校準(zhǔn)裝置指針表檢定數(shù)據(jù)Tab.2 Verification data of analog pointer meter by electricity viewdata auto-detection devise

表1和表2為電學(xué)可視化自動(dòng)校準(zhǔn)裝置分別對(duì)FLUKE17B手持式數(shù)字多用表和量程為50mV的指針式電壓表的檢定數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果表明，此套裝置檢定結(jié)果能夠滿足此類儀表的檢定要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

可視化自動(dòng)校準(zhǔn)裝置實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)裝置操作的自動(dòng)化、校準(zhǔn)原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的自動(dòng)化、數(shù)據(jù)處理與輸出的自動(dòng)化，大大減少了數(shù)字多用表和模擬指針表的計(jì)量耗時(shí)，減小了人為因素對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性的影響，因此提高了手持式數(shù)字多用表和指針表計(jì)量的可靠性和準(zhǔn)確性。為今后研究相關(guān)無(wú)程控接口的儀表自動(dòng)化計(jì)量提供了支持。