模板匹配機(jī)械指針式壓力表示值智能識(shí)別方法研究
壓力表在使用過(guò)程中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用與受 壓后，機(jī)芯會(huì)出現(xiàn)一些變形和磨損，導(dǎo)致各種誤差和 故障產(chǎn)生。為了保證其原有的準(zhǔn)確度而不使量值傳遞失真，需及時(shí)對(duì)其執(zhí)行周期檢定，以確保示值準(zhǔn)確，可靠。傳統(tǒng)方法是通過(guò)手工操作，利用目測(cè)完成壓力表 檢測(cè)，并且要求檢定人員同時(shí)要做瞄準(zhǔn)、讀數(shù)、記錄等 多項(xiàng)工作。該方法具有勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、檢測(cè)誤差 大、可靠性差等問(wèn)題。如何實(shí)現(xiàn)壓力指針式儀表的自 動(dòng)智能檢定和記錄分析，提高檢定工作效率，成為一 個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。
國(guó)內(nèi)外提出了很多儀表識(shí)別方法:2006年，潘偉 等人利用脊波變換方法對(duì)幾種含噪聲的圖像進(jìn)行直線(xiàn) 檢測(cè),結(jié)果表明脊波變換能較好地提取直線(xiàn)特征。同年， 唐敏等人提出了一種基于自適應(yīng)脊波變換的邊緣檢測(cè) 方法。這種方法以脊波變換為理論基礎(chǔ)，具有多方向和 多尺度性，能對(duì)圖像中不同方向的邊緣特征進(jìn)行有效表 示和檢測(cè)。李盛陽(yáng)、葉梧等利用圖像形態(tài)骨架細(xì)化方法 和Hough變換對(duì)指針式儀表讀數(shù)進(jìn)行識(shí)別。Correa.Ale_ gria等介紹了利用機(jī)器視覺(jué)對(duì)指針式儀表的檢定過(guò)程。 首先采用攝像頭采集全局的表盤(pán)圖像，然后用減影法將 兩個(gè)不同位置的指針圖像保留下來(lái)，再利用Hough變換 得到指針的角度，之后將原始圖像做幾何變換,使得表 盤(pán)上的刻度線(xiàn)成為一條水平線(xiàn)并與指針垂直，然后得到 指針的讀數(shù)。筆者所設(shè)計(jì)系統(tǒng)要求每次對(duì)6個(gè)壓力表進(jìn) 行識(shí)別,上述方法不能直接應(yīng)用到系統(tǒng)中。
因此，筆者根據(jù)前人的研究和模式識(shí)別理論，提 出一種基于模板匹配的儀表識(shí)別方法，使儀表圖像在輕微變形、光照變化等情況下都能被較準(zhǔn)確地讀數(shù)。
―、壓力表識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，待測(cè)壓力表安裝在自制的 二維電動(dòng)工作臺(tái)，每次安裝6塊壓力表。工作臺(tái)控制電 箱負(fù)責(zé)對(duì)表進(jìn)行加壓和減壓。在二維電動(dòng)控制臺(tái)前端 安裝高分辨力的攝像機(jī)。攝像機(jī)拍攝的壓力表視頻被 安裝在計(jì)算機(jī)上的圖像采集卡采集。通過(guò)在計(jì)算機(jī)上 編寫(xiě)智能識(shí)別算法，對(duì)采集的壓力表圖像自動(dòng)識(shí)別，獲 取指針準(zhǔn)確位置，計(jì)算出其指示量值，與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字壓力 表示值進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算出儀表的示值誤差和回程誤差， 將結(jié)果存人數(shù)據(jù)庫(kù)。需測(cè)量壓力表輕敲后的指針示值 變動(dòng)量時(shí)，步進(jìn)電機(jī)控制卡負(fù)責(zé)控制力錘實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力 表表殼的輕敲，從而達(dá)到輕敲位移的檢定要求。
二、基于模板匹配的智能識(shí)別算法
對(duì)于壓力表讀數(shù)識(shí)別方法來(lái)說(shuō)，計(jì)算儀表的起點(diǎn) 和終點(diǎn)的位置、角度以及中心點(diǎn)的位置是關(guān)鍵步驟。 借鑒與目標(biāo)跟蹤模板匹配算法的思想和儀表圖像的 特點(diǎn)，提出使用模板匹配的方法求上述關(guān)鍵數(shù)據(jù)，具 體流程如圖2所示。
1.模板匹配
模板匹配方法的基本思想是把一個(gè)預(yù)先存儲(chǔ)的目 標(biāo)圖像模板作為識(shí)別和測(cè)定目標(biāo)位置的依據(jù)，對(duì)目標(biāo)模 板與實(shí)際圖像的各個(gè)子區(qū)圖像進(jìn)行匹配(計(jì)算相關(guān)函數(shù) 值），找出和目標(biāo)模板最相似的一個(gè)子圖像的位置。
首先采集眾多已知儀表的圖像，將完整的儀表圖 像、最小量程、最大量程的子圖像保存到模板庫(kù)中。然 后使用歸一化互相關(guān)匹配方法，對(duì)采集的圖像進(jìn)行遍 歷搜索和匹配。
歸一化互相關(guān)匹配（Normalized Correlation,NC) 算法是一種經(jīng)典的匹配算法。具有很高的準(zhǔn)確性和適 應(yīng)性，對(duì)圖像灰度值的線(xiàn)性變換具有“免疫性”，即所 求的NC值不受灰度值線(xiàn)性變換的影響。通過(guò)計(jì)算模 板圖像和待匹配圖像的互相關(guān)值來(lái)確定匹配的程度。 互相關(guān)定義如下：
式中:——模板圖像的均值圖像 n+j)——被匹配圖像的均值圖像。
互相關(guān)值最大時(shí)的搜索窗口位置決定了模板圖 像在待匹配圖像中的位置。通過(guò)計(jì)算模板庫(kù)中的各個(gè) 模板與壓力表圖像的最大NC系數(shù)，求得6個(gè)壓力表的 準(zhǔn)確位置以及每個(gè)壓力表的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置。
2.Hough變換計(jì)算儀表中心和指針位置
Hough變換是利用圖像的全局特性而對(duì)目標(biāo)輪廓 進(jìn)行直接檢查的方法，其核心思想是點(diǎn)線(xiàn)的對(duì)偶性， 通過(guò)變化將圖像空間轉(zhuǎn)換到參數(shù)空間。
在圖像XY里，所有過(guò)點(diǎn)0，y)的直線(xiàn)的方程為
y=px+q
式中:p——斜率W——截距。可改寫(xiě)成如下形式：
q=-px-\-y
上式可以看做代表參數(shù)空間pq中過(guò)點(diǎn)（/>，<；)的 一條直線(xiàn)。在圖像空間中共線(xiàn)的點(diǎn)對(duì)應(yīng)在參數(shù)空間里 相交的線(xiàn)，反過(guò)來(lái)，在參數(shù)空間里相交于同一個(gè)點(diǎn)的 所有直線(xiàn)在圖像空間里都有共線(xiàn)的點(diǎn)與之對(duì)應(yīng)，這就 是點(diǎn)-線(xiàn)的對(duì)偶性。Hough變換就是根據(jù)這樣的關(guān)系 把空間里的檢測(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)換到參數(shù)空間，通過(guò)在參數(shù)空 間里進(jìn)行簡(jiǎn)單累計(jì)統(tǒng)計(jì)完成直線(xiàn)的檢測(cè)任務(wù)。
Hough變換所采用的基本策略是根據(jù)圖像在圖像空 間內(nèi)的點(diǎn)在所對(duì)應(yīng)的參數(shù)空間里，計(jì)算出符合對(duì)偶特性 的參數(shù)點(diǎn)的所有可能的軌跡，并通過(guò)累加參數(shù)點(diǎn)的數(shù)量 作出最終決策。因此，Hough變換不僅能檢測(cè)直線(xiàn)等一階 曲線(xiàn)目標(biāo),對(duì)于圓、橢圓等各類(lèi)曲線(xiàn),同樣可以進(jìn)行檢測(cè)， 只是其計(jì)算量會(huì)隨著解析式階數(shù)的增加呈指數(shù)增加。
直線(xiàn)檢測(cè)的具體算法如下：利用Hough變換將原 始圖像中給定直線(xiàn)上的所有點(diǎn)都集中到變換空間的 某個(gè)點(diǎn)形成峰值，再尋找峰點(diǎn)累加數(shù)的最大值即可確 定出指針?biāo)谥本€(xiàn)y=pA；+(jr。
知道了斜率p,結(jié)合模板匹配方法求得的起始和 終點(diǎn)位置，就可以確定指針與零刻度線(xiàn)的偏轉(zhuǎn)角度， 從而計(jì)算出儀表的讀數(shù)。
三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
由于彩色圖像處理復(fù)雜，因此攝像頭采集到的待 處理圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，然后使用Hough變換檢測(cè) 儀表的指針結(jié)果。
假設(shè)壓力表量程為0~10kPa，通過(guò)Hough變換計(jì)算指針與尤軸的夾角0(~45°專(zhuān)6>在225。）,設(shè)所求的指針讀 數(shù)為t則有，這樣就可求得儀表指針示值。
實(shí)驗(yàn)中，對(duì)單個(gè)儀表測(cè)試了 10組數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1 所示。
由表1可以看出，提出的算法自動(dòng)識(shí)別所得到的 測(cè)量示值可準(zhǔn)確到小數(shù)點(diǎn)后五位，遠(yuǎn)超人眼識(shí)別的分 辨力和準(zhǔn)確性，滿(mǎn)足了讀數(shù)要求。
四、結(jié)束語(yǔ)
本文對(duì)基于圖像處理技術(shù)的指針式儀表自動(dòng)讀 數(shù)識(shí)別方法進(jìn)行了研究，提出了一種高準(zhǔn)確度的基于 模板匹配的指針式儀表讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別方法。提出的方 法降低了人工識(shí)別方法繁重復(fù)雜的工作量，提高了工 作效率。由于使用一個(gè)相機(jī)同時(shí)采集6個(gè)壓力表，部分壓力表會(huì)變形，影響識(shí)別精準(zhǔn)程度，后續(xù)研究使用雙 目相機(jī)識(shí)別的方法，提升識(shí)別準(zhǔn)確度。
