王江，柳國棟，張玉鑫，吳松林

（西京學(xué)院 機械工程學(xué)院,陜西西安,710123）

0 引言

機械指針式儀表結(jié)構(gòu)簡單、易維護且價格低，在工業(yè)生產(chǎn)實踐中廣泛應(yīng)用，是獲取機械設(shè)備信息，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的重要手段之一。

通常，機械式儀表信息的獲取是由指針示值或其偏轉(zhuǎn)值來表達(dá)的，經(jīng)人工判讀或記錄抄寫的方法獲取。判讀或抄寫過程容易受到各類主客觀因素的影響，如觀察角度、技術(shù)能力、現(xiàn)場條件、光線等環(huán)境因素。人工判讀及抄寫費時、費力，且不能保證完整、準(zhǔn)確，易產(chǎn)生讀、寫誤差，結(jié)果不能及時、準(zhǔn)確地獲取機器運行狀態(tài)參數(shù)的變化信息。

應(yīng)用機器視覺及數(shù)字圖像處理技術(shù)，研究指針式儀表讀數(shù)方法及信息識別的技術(shù)始終是應(yīng)用研究的熱點問題之一[1]，并已成功地應(yīng)用到了工業(yè)生產(chǎn)的實踐中。例如，張鳳翔等應(yīng)用圖像線檢測原理實現(xiàn)了機械指針式儀的讀數(shù)識別[2]。郭子海等應(yīng)用Hough變換法進行儀表關(guān)鍵要素的位置檢測，并運用刻度相關(guān)系數(shù)實現(xiàn)讀數(shù)識別[3]。利用剪影法，趙艷琴等以儀表指定轉(zhuǎn)心作為研究的主要素，進行標(biāo)記識別[4]。同樣，F(xiàn).Correa Alegria與A.Cruz Serra也使用剪影法，利用類比圖像重疊差分算法標(biāo)記儀表轉(zhuǎn)心，確定機械式指針與刻度線的相對關(guān)系識別，實現(xiàn)讀數(shù)識別的方法[5]。Kyong-Ho Kim等人，利用圖像分割算法及幾何投影技術(shù)實現(xiàn)了指針儀表的表盤及指針的有效圖像識別。德國的馬爾公司也同樣使用了圖像處理技術(shù)做出了875系列的儀表檢測儀，能夠快速、準(zhǔn)確、有效的進行讀數(shù)，但是其成本高，修理困難。

結(jié)合Hough變換算法，本文提出了一種新的指針式儀表讀數(shù)的自動識別方法。有三個主要的步驟：首先是圖像預(yù)處理，包括縮放與圖像調(diào)正，灰度化、平滑去噪、二值化以及邊緣檢測，以提高圖像的信噪比。其中，使用輪廓跟蹤法進行表盤區(qū)域與指針區(qū)域的分割，同時進行了降噪處理；其次是指針直線的檢測，包括使用形態(tài)學(xué)的方法進行儀表指針細(xì)化，通過Hough變換法實現(xiàn)了指針位置檢測與指針方向的確定。其中，利用剪影法確定了儀表回轉(zhuǎn)中心；最后使用角度與刻度線關(guān)系確定儀表盤有效量程，完成了指針式儀表示數(shù)的自動讀數(shù)識別。

本文利用GUI平臺進行了相關(guān)的實驗研究，并進行了直線檢測、刻度線重合度的誤差分析，為提高檢測精度提出了相應(yīng)的解決方案。

實驗完成了三類共20余幅有代表性的指針式儀表圖像處理及讀數(shù)識別實驗，實驗結(jié)果表明：應(yīng)用本文提出的變換法獲取的指針式儀表讀數(shù)比人工讀數(shù)識別的精度高20%-30%。本文所提出的自動讀數(shù)識別方法更準(zhǔn)確、可靠且讀數(shù)效率高，省時省力，對企業(yè)機械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測具有明顯的現(xiàn)實意義。

1 儀表圖像采集及讀數(shù)識別方法

本文以企業(yè)生產(chǎn)實際中普遍使用的指針式儀表為對象，研究自動化地讀取機械式指針儀表指示信息的方法。圖像采集上，利用擁有固定行走路線的戶外巡檢機器人，巡檢過程中機器人在指定工位利用安裝在其上部的攝像頭拍攝指針式儀表，并獲取圖像。如圖1所示。其中圖1（a）為普通壓力表，圖1（b）為不銹鋼壓力表，圖1（c）為WSS儀表，圖1（d）為耐震壓力表，儀表圖像的分辨率為1080*1080。

圖1 工業(yè)生產(chǎn)中使用的各類指針式儀表

不難看出，現(xiàn)場使用的機械式指針儀表圖像背景復(fù)雜，光照條件不一，客觀因素對圖像質(zhì)量有較大影響，對人工讀取、抄寫儀表信息有較大影響。一般，利用圖像處理技術(shù)進行信息識別時，首先是圖像變換，即將原始圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像；再進行灰度值的統(tǒng)計分析，并據(jù)此進行灰度圖像的二值化處理；利用圖像處理算法實現(xiàn)指針和表盤的區(qū)域分割，再應(yīng)用相關(guān)的變換算法實現(xiàn)關(guān)鍵要素，如指針直線和儀表指針回轉(zhuǎn)中心的識別，從而確定儀表表盤量程，最后獲取相關(guān)顯示信息的識別，即儀表讀數(shù)識別。一般情況下，當(dāng)光照條件較好且沒有明顯變化時，上述圖像處理方法是適用的。但現(xiàn)場條件千變?nèi)f化，如機器人每次拍攝的角度，光線過亮或暗弱以及拍攝上下位置不一或抖動等，對所獲取的圖像都會產(chǎn)生影響。

其如圖2所示，指針式儀表圖像數(shù)據(jù)主要靠安裝在戶外巡檢機器人上部的攝像頭，拍攝到的指針式儀表圖像以四芯網(wǎng)線傳輸給機器人的主控制盒，再通過無線傳輸方式將圖像數(shù)據(jù)傳回給中央控制計算機，即后臺計算機。運用事先設(shè)置后的運算程序，對所取的圖像逐一進行在線處理，獲取圖像主要素的特征，并實現(xiàn)儀表顯示信息的識別。

圖2所示為儀表圖像采集系統(tǒng)各部件的關(guān)系連接圖，安裝在巡檢機器人的攝像頭獲取的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過四芯網(wǎng)線傳輸?shù)街骺刂坪?，主控制盒通過RS232總線傳輸至無線數(shù)據(jù)傳輸單元，再由無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將壓縮好的儀表圖像數(shù)據(jù)傳輸給中央控制計算機，進行實時圖像處理、分析。

圖2 系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)框圖

圖3所示為本文進行機械式指針儀表圖像處理的流程圖，包括儀表圖像輸入、縮放及圖像位置調(diào)整等初級技術(shù)處理；灰度值統(tǒng)計分析、平滑處理、二值化及邊緣檢測等圖像預(yù)先處理；再進行儀表盤主要素的定量分析，即指針分析及儀表量程分析，前者涉及指針的細(xì)化、直線檢測、回轉(zhuǎn)中心定位及指針定位等，后者主要是量程的定量化計算；最后進行儀表指示信息的識別。

圖3 儀表圖像處理流程圖

2 圖像處理及特征識別方法

經(jīng)過縮放及調(diào)整后，儀表圖像處理的第一步圖像的預(yù)先處理，即灰度值的統(tǒng)計分析、平滑處理、二值化及邊緣檢測。圖像平滑處理的目標(biāo)是去除圖像噪音，采用的方法是非線性中值濾波算法。

圖4所示為預(yù)處理主要過程及相應(yīng)的處理結(jié)果。圖4（a）為儀表原始圖像，圖4（b）為經(jīng)過中值濾波處理后的圖像，其中儀表盤面上的噪音點明顯減少；圖4（c）為儀表圖像二值化的處理結(jié)果；圖4（d）為利用Canny算子進行邊緣檢測的結(jié)果。

圖4 圖像預(yù)處理過程及結(jié)果

圖像預(yù)處理完成后，進行儀表圖像主要素的特征識別，包括表盤輪廓與儀表指針的特征參數(shù)識別。原理是利用輪廓跟蹤法對主要素的邊緣進行跟蹤，然后按照順序?qū)⒅饕剡吘夵c找出并描繪出來，最后是統(tǒng)計分析。由于預(yù)處理獲得的圖像要素較多，相應(yīng)的輪廓區(qū)域復(fù)雜、多樣為獲取表盤區(qū)域增加了較大的難度。本文采用如下步驟實現(xiàn)主要素的邊緣跟蹤。

⑴以圖像左上方為輪廓跟蹤的起始點，對整個圖像區(qū)域的像素點進行逐點分析、跟蹤，以能折返起點并形成閉合區(qū)域者為有效輪廓，最后在輪廓區(qū)域內(nèi)填充；

⑵按照上述步驟重復(fù)尋找下一個輪廓區(qū)域，再填充，直至完成整個儀表表盤圖像的分析、跟蹤；

⑶根據(jù)分析、跟蹤過程獲得的數(shù)據(jù)進行二值化處理，得到整個表盤區(qū)域。

如圖5（a）、（b）所示，分布是經(jīng)過上述步驟后獲得的邊緣圖像和填充后的輪廓跟蹤結(jié)果。

圖5 儀表表盤輪廓跟蹤結(jié)果

為獲取指針式儀表主要素，即表盤和指針的特征，采用面積最大化方法，將原始圖像和處理后得到的指針圖像相疊加，再相減最終獲得了主要素表盤與指針區(qū)域的圖像，如圖5（c）、（d）所示。

一般，指針式儀表中的主要素都是直線，如指針直線和構(gòu)成表盤的短直線族。首先利用形態(tài)學(xué)方法對圖5（c）、（d）所示儀表圖像進行細(xì)化處理，再應(yīng)用Hough變換法進行直線檢測，將圖像中的幾何形狀變換為參數(shù)集合。

以上述結(jié)果為基礎(chǔ)，統(tǒng)計出刻度線所的圓心位置，即表盤回轉(zhuǎn)中心的位置Po（x，y）。應(yīng)用輪廓邊緣跟蹤求出最小刻度線點Pmin（x，y）、最大刻度線點Pmax（x，y）及有效量程θ，如圖6（a）所示。最后根據(jù)指針直線位置進行刻度讀數(shù)的標(biāo)記，如圖 6（b）所示。

圖6 儀表有效量程范圍的確定及標(biāo)記

設(shè)θmin為最小刻度角，θmax為最大刻度角，ωmin為儀表最小讀數(shù)值，ωmax表示最大讀數(shù)值，檢測出的指針直線夾角為θ，所指示的讀數(shù)為ωθ。則根據(jù)線性比例關(guān)系可求出儀表讀數(shù)下列公式所示。

應(yīng)用上述讀數(shù)識別方法分別完成了普通壓力表、WSS儀表、不銹鋼壓力表三類共計20幅機械指針式儀表圖像的處理及讀數(shù)識別實驗。相對誤差的平均值分別為2.44%、1.76%及1.65%，總體平均相對誤差為1.93%。

3 總結(jié)

本文以生產(chǎn)實際中廣泛使用的機械指針式儀表為研究對象，為獲取儀表指示值，提出了一系列的圖像處理方法，包括圖像預(yù)處理、表盤區(qū)域分割及特征提取方法、儀表中心確定、量程識別及讀數(shù)識別的分析計算等。在大量圖像處理實驗的基礎(chǔ)上，進行了誤差分析及計算。其中，利用形態(tài)學(xué)原理對圖像主要素進行了細(xì)化處理，應(yīng)用Hough變換法實現(xiàn)了對主要素，指針方位的檢測及識別；最后，通過剪影法確定了儀表中心，完成了儀表讀數(shù)識別。

實驗結(jié)果表明：應(yīng)用所提出的機械指針式儀表讀數(shù)識別方法具有良好的正確識別率，與儀表示值相比較，平均識別正確率達(dá)到98.07%。