黃秋彬

（德化縣質(zhì)量計(jì)量檢測(cè)所，福建德化 362500）

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)就是利用高分辨率的攝像裝置，代替人眼采集水表的圖像信息，并且利用通信裝置將采集到的圖像、視頻信號(hào)，傳遞給核心中控機(jī)，完成數(shù)據(jù)處理后得出檢定結(jié)果。整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，擺脫了水表檢定對(duì)人力的依賴，并且保證了效率與精度的提升。現(xiàn)階段，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)日益成熟，并且在各種精密儀器的檢測(cè)、質(zhì)控等領(lǐng)域得到了推廣使用。現(xiàn)以水表檢定為例，就基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的水表檢定裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用展開(kāi)簡(jiǎn)要分析。

1 基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的水表檢定裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該裝置的核心部件是一臺(tái)工控機(jī)，一方面處理前端采集的數(shù)據(jù)和反饋的信號(hào)，并做出相應(yīng)地分析和處理；另一方面根據(jù)分析結(jié)果，在顯示器上直觀展示出來(lái)。連接工控機(jī)的設(shè)備主要有3 類(lèi)，分別是數(shù)據(jù)采集卡、電子天平和電子閥控制擴(kuò)展板。數(shù)據(jù)采集卡利用CCD 工業(yè)相機(jī)，實(shí)時(shí)采集水表信息，并將采集到的數(shù)據(jù)匯總、打包，以特定頻率發(fā)送給工控機(jī)；電磁閥控制擴(kuò)展板與出水閥相連，調(diào)控閥門(mén)開(kāi)閉。出水閥的總閥門(mén)與換向器連接，通過(guò)電子天平保證水量穩(wěn)定，整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 水表新型檢定裝置的結(jié)構(gòu)組成

2 基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的水表新型檢定方法

2.1 視頻圖像采集

作為本裝置的前端采集模塊，為保證圖像、視頻信號(hào)采集的時(shí)效性，選擇DH-VT142 圖像采集卡，除了具有采集速度快、傳輸效率高的特性外，還具有自動(dòng)穩(wěn)定功能，防止圖像或視頻信號(hào)出現(xiàn)失真的情況。圖像采集卡利用PCI-E 總線，與分布在各臺(tái)水表上的CCD 工業(yè)相機(jī)連接。采用有線通信，提高了抗干擾能力，使得該裝置能夠在惡劣環(huán)境下保證信號(hào)正常傳輸，提高了檢定結(jié)果的精確性。

2.2 通水閥門(mén)自動(dòng)控制

該部分選擇ATMEGA16 微型控制器，采用獨(dú)立串口與核心工控機(jī)完成信息交互。在I/O 端口有一個(gè)三極管，連接繼電器后可以直接控制電磁閥。根據(jù)工控機(jī)發(fā)出的指令，微型控制器接收該指令后進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，識(shí)別指令后，在I/O 口輸出高電平，從而達(dá)到控制閥門(mén)開(kāi)閉的效果。

2.3 電子天平數(shù)據(jù)采集

水量波動(dòng)會(huì)直接影響水表檢定結(jié)果的精確性，為了控制誤差，該裝置中引入了電子天平。同樣的，電子天平也采用獨(dú)立串口與核心工控機(jī)連接，支持動(dòng)態(tài)檢定的順利實(shí)現(xiàn)。由于輸出信號(hào)不同，電子天平與出水閥之間連接了一臺(tái)換向器，這樣既起到了穩(wěn)定水量的需要，保證系統(tǒng)可以采集到標(biāo)準(zhǔn)水量數(shù)據(jù)，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了不停機(jī)檢定，進(jìn)一步提高了水表檢定作業(yè)的效率。

2.4 核心工控機(jī)

該裝置實(shí)現(xiàn)的功能主要有兩個(gè)：其一是數(shù)據(jù)處理，待處理數(shù)據(jù)包括CCD 工業(yè)相機(jī)采集的圖像或視頻數(shù)據(jù)，以及電子天平提供的標(biāo)準(zhǔn)量值數(shù)據(jù)等。其二是根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，利用內(nèi)置程序和相關(guān)算法，得出最終的檢定結(jié)果。除此之外，在工控機(jī)的操作平臺(tái)上，還提供了人機(jī)交互、報(bào)表打印等功能。

2.5 圖像識(shí)別及數(shù)據(jù)建模算法

在軟件部分，采用了高斯擬合建模算法。首先，利用顏色特征和背景對(duì)比相結(jié)合的方式，對(duì)水表指針做到了精確定位。同時(shí)將表盤(pán)指示值以動(dòng)態(tài)視頻的方式，傳輸?shù)焦た貦C(jī)中。其次，建立背景模型，利用背景減除法得到指正準(zhǔn)確的分度值，由此實(shí)現(xiàn)了指針的動(dòng)態(tài)定位。即便是指針運(yùn)動(dòng)到氣泡、水珠等有遮擋的區(qū)域，也能夠利用高斯擬合建模算法，較為準(zhǔn)確地推算出指針運(yùn)動(dòng)方位。

3 基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的水表新型檢定的實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟

系統(tǒng)運(yùn)行后的初始界面如圖2 所示。基本操作流程為：（1）查看待測(cè)水表，了解其精度等級(jí)和量程，將數(shù)據(jù)輸入到主頁(yè)面的“被檢表參數(shù)”一欄中。在“標(biāo)準(zhǔn)器參數(shù)”一欄中，要求量程和精度級(jí)別不低于被檢表。（2）填寫(xiě)基本數(shù)據(jù)后，檢查儀表外觀確定不存在問(wèn)題。然后連接導(dǎo)線，啟動(dòng)攝像機(jī)，打開(kāi)機(jī)器視覺(jué)軟件，即可同步獲得水表的表盤(pán)圖像。在主頁(yè)面上，點(diǎn)擊右側(cè)“獲取圖像”的按鍵，在正方形區(qū)域內(nèi)會(huì)自動(dòng)顯示表盤(pán)圖像。可拖動(dòng)圖像，讓指針完全處于該區(qū)域內(nèi)。（3）點(diǎn)擊右側(cè)的“圖像預(yù)處理”按鍵，由系統(tǒng)對(duì)獲取的表盤(pán)圖像進(jìn)行自動(dòng)調(diào)校，提高識(shí)別精度。（4）點(diǎn)擊右下方“受檢點(diǎn)檢定”按鈕，可以獲得受檢點(diǎn)的檢定結(jié)果。

圖2 系統(tǒng)主界面

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

水表的出廠檢定需要分別選取三個(gè)流量點(diǎn)，即常用流量、分界流量、最小流量。常規(guī)的人工檢定方法，只能讀取到0.01L；而使用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的新型檢定裝置，其最小讀數(shù)可以達(dá)到1×10-6L。對(duì)比人工與機(jī)器兩種方法，對(duì)同一流量點(diǎn)的檢定結(jié)果，如表1 所示。

根據(jù)表1 可知，兩種方法在同一流量點(diǎn)的檢定結(jié)果總體上保持一致，但是本方法的檢定結(jié)果，讀取到了小數(shù)點(diǎn)后6 位，因此結(jié)果精度上顯然要高于人工方法。除此之外，本實(shí)驗(yàn)中還對(duì)比了兩種檢定方法在用時(shí)上的差異，如表2 所示。

表1 兩種方法在不同流量點(diǎn)的檢定結(jié)果

表2 兩種檢定方法用時(shí)差異比較

結(jié)合表2 可以發(fā)現(xiàn)，在分界流量、最小流量上，本方法檢定用時(shí)分別為72s 和115.2s，僅為人工檢定用時(shí)的1/10?？梢?jiàn)基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的水表自動(dòng)檢定方法，顯著提高了工作效率。

3.3 精度估計(jì)

影響該裝置檢定結(jié)果精度的因素，可歸納為人為因素和硬件因素兩類(lèi)。人為因素主要與操作水平有關(guān)，如果操作不規(guī)范、技術(shù)不達(dá)標(biāo)，很可能導(dǎo)致誤差增大，精度也達(dá)不到要求。硬件因素與選用的CCD 相機(jī)有關(guān)。使用高分辨率的相機(jī)，將會(huì)提升檢定結(jié)果的精確性。硬件精度（S）可根據(jù)公式計(jì)算出來(lái)：

S=S'×M

上式中，S'為相機(jī)的角度精度，M 為常數(shù)，根據(jù)CCD 工業(yè)相機(jī)的型號(hào)取6。而S'又可以根據(jù)相機(jī)的像素（T）計(jì)算得出：

最終S 值為0.024，小于允許精度0.4，故滿足水表檢定的精度要求。

3.4 誤差分析

采集設(shè)備精度不高是引起誤差的常見(jiàn)原因，這就需要我們?cè)陂_(kāi)展水表檢定時(shí)，要認(rèn)真檢查該系統(tǒng)的圖像采集裝置，若出現(xiàn)光照分布不均、存在指正陰影等，應(yīng)當(dāng)及時(shí)處理。還有一種是圖像分割誤差，例如指針信息與背景信息對(duì)比度不高，無(wú)法提取圖像信息。應(yīng)對(duì)方法是搭建一個(gè)良好的圖像采集系統(tǒng)，或者調(diào)整光照強(qiáng)度，以提高圖像對(duì)比效果。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)以人工為主的檢定方法，除了效率低，在精度方面也不能滿足當(dāng)下的要求。設(shè)計(jì)一種基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的自動(dòng)化、高精度水表檢定裝置，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。本文介紹的一種以工控機(jī)為核心，融合了高斯擬合建模算法和高清圖像采集處理技術(shù)的檢定系統(tǒng)，從實(shí)驗(yàn)效果來(lái)看，具有效率高、精度好等特點(diǎn)，成為新時(shí)期水表檢定的優(yōu)選方法。