CN100494880C - 一种用计算机图像解析技术测量罐车罐体容积的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用计算机图像解析技术测量罐车罐体容积的方法，首先摄取罐车罐体的外廓截面图像，再测量实际的罐体截面长轴尺寸和罐体轴向总长，之后可以采用图像像素计算法或区域面积积分计算法处理图像，并计算出罐体实际容积。本发明测量操作方法简便实用，测量速度快，不影响使用单位的正常生产运行，测量准确度高，投资少成本低，对环境不会造成任何污染、也不需要消耗水资源。

Description

一种用计算机图像解析技术测量罐车罐体容积的方法

一、技术领域

本发明涉及一种测量罐车罐体容积的方法，具体是一种用计算机图像解析技术测量罐车罐体容积的方法。

二、背景技术

近年来，随着我国公路建设的高速发展，各类危险化学品的物流采用汽车罐车运输的方式也逐年迅增。但由于有些罐车制造单位和运输单位片面追求经济利益，往往制造罐体时对容积进行“大吨小标”，运输装载时“超载、超限”现象十分严重，导致危险化学品运输中各种事故时有发生，有的事故甚至造成了非常严重的后果。因此，对在用的危险化学品汽车罐车定期检验时重新准确地测量和标定罐车容积，是保证安全运输，减少事故发生的重要措施之一。

国家质量监督检验检疫总局、铁道部、公安部、交通部、国家安全生产监督管理局于2004年联合发文(国质检特联[2004]249号)明确规定危险化学品罐车“在检验中须增加对罐体容积的测量(采用水容积法)，重新核定载质量，并在检验报告中做出明确结论”。同年江苏省四厅局联合发文(苏质技监发[2004]180号)强调“各检验机构在检验中重新核定罐车充装量，凡罐车核定充装量大于车辆载质量的，一律按检测不合格处理”。根据国家有关开展危险化学品罐车的专项检查整治工作的部署和要求，各罐车检验机构已将罐体容积测量列为定期检验中的必检项目。

上述文件要求的和目前通常采用的测量罐体容积的方法均为水容积法，即：装满水的罐体重量—空载罐车重量)÷当日温度下水的密度＝罐体的实际容积。由于所采用的称量设备——地磅投资高、占地面积大，因此这种测量条件不是所有的罐车制造厂和检验单位都能具备的。水容积法一般的做法是先将空车开往地磅处称车重，再驶回单位充水，注满水后驶往地磅处称总重，再驶回单位排水，然后根据两次记录的数据计算出该罐体的容积。

采用水容积法测量罐体容积虽具有准确度高的优点，但存在一系列问题：

1、罐车容积测量以往由计量部门负责，各地的罐车检验检测机构均无此类设施。要开展这项工作，需增加大量的测量设施建设投资。

2、此类罐车盛装的介质品种很广，且多为易燃、易爆、有毒、腐蚀性介质，要实现测量后污水的达标排放，其处理技术复杂、设施投入大、运行成本高。

3、如采取测量用水的循环使用，则会造成罐内的交叉污染，从而影响所运输介质的品质。

4、有些介质与水不相容，而测量后罐内残留水份难以彻底清除。

5、测量所用时间周期较长。

由于上述原因，各地罐车检验检测机构尚无法广泛采用水容积法测量罐体容积，罐体容积的复测标定工作也未能完全按国家各级行政管理部门的规定和要求切实落实。

除水容积测量法外，国内外目前通常采用的容积测量方法还有：围尺法、光学参比线法、光学三角法、电子光学测量法等。但这些方法都不同程度地存在设备不易购置、操作技术复杂、影响测量准确的因素多等缺憾，难以在罐体容积测量实际工作中得以应用。

三、发明内容

本发明目的是为了解决现有罐车罐体容积测量法存在的问题和弊端，降低工作成本，减少测量用时，避免污水的产生和对环境的污染，切实使罐体容积的复测标定工作能够真正的落实，从而有效地提高危险化学品罐车安全运行的监督管理程度。

本发明的第一种方案：一种用计算机图像解析技术测量罐车罐体容积的方法，其特征是：它包括以下步骤：

1、摄取罐车罐体的外廓截面图像；

2、测量实际的罐体截面长轴尺寸(b)和罐体轴向总长(L)；

3、对罐体外廓截面图像进行灰化、平滑、锐化处理；

4、将处理后的罐体外廓截面图像转换成以像素点形式保存信息的图片格式；

5、对图片中罐体内部任意一点进行填充，所弥漫出来的所有点就形成了罐体横截面；

6、通过给定的截面内部任意一点和某一固定颜色差的阀值区分出所有内部相邻点和边界点；

7、通过对内部相邻点数量的统计，得到罐体图片横截面积，根据图片中罐体截面长轴尺寸与实际的罐体截面长轴尺寸之间的比例关系，从而计算出罐体实际横截面积；

8、最后用罐体实际横截面积与罐体轴向总长值(L)相乘即得到罐体容积。

上述步骤(4)所述的以像素点形式保存信息的图片格式是BMP图片格式。

上述步骤(6)是采用种子点区域填充算法区分出所有内部相邻点和边界点。

本发明的第二种方案：一种用计算机图像解析技术测量罐车罐体容积的方法，其特征是：它包括以下步骤：

(1)摄取罐车罐体的外廓截面图像；

(2)测量实际的罐体截面长轴尺寸(b₂)和罐体轴向总长(L)；

(3)选取截面图像近似中心部位的一个种子节点及边界点集合，利用积分算法计算出图像中罐车截面的计算面积(S₁)；

(4)根据相似定律推导出罐体截面的实际面积(S₂)：

$S_2={\left(\frac{b_2}{b_1}\right)}^2\×S_1$

其中：b₁、b₂分别为图像中罐体截面长轴尺寸和罐体实际截面长轴尺寸

(5)计算得到罐体的实际容积V为：V＝S₂×L。

图像解析计算法是为了解决罐体容积重新标定而研发的一种新的测量方法。本申请人以不同的计算原理研发了两种技术方案，分别从两个途径来实现这一目的：

(1)利用计算机图像像素计算原理；

(2)利用区域面积积分计算原理。

这两种方案共同的特点是——根据由尾部所拍摄的罐体截面外廓图片，对罐体截面形状进行分析；根据测量的罐体截面长轴尺寸来确定实物与所摄图片之间的比例关系，计算出罐体的实际截面面积；再根据测量的罐体轴向总长计算出罐体的容积，这两种方案的区别是计算原理不同。

利用本发明的两种方案对多台不同规格、不同截面形状的罐车罐体进行容积测量计算，同时逐台采用水容积法进行测量比对，实践证明采用图像解析计算法测量的结果是准确可靠的。图像解析计算法具有以下优点：

1、测量操作方法简便，易于学习和使用，粗通照相和计算机操作的人很快能掌握应用；

2、测量速度快，不影响使用单位的正常生产运行。每台罐体的测量时间不超过15分钟，而采用水容积法测量则至少需要240分钟以上；

3、测量准确度高。至目前，测量的平均误差率为1.045456％(图像像素计算法)和0.959954％(区域面积积分计算法)，均远低于国家经济贸易委员会“国经贸产业[2002]768号”文件中关于汽车产品“额定载质量公差允许范围±3％”的规定；

4、不需要设施的投资。配备了数码照相机和台式计算机的制造单位和检验检测机构均即可应用此技术；

5、测量成本低。每台罐体测量收费不超过50元，而采用水容积法则至少需要花费2000元，而减少了使用单位检测费用的支出，可创造良好的社会经济效益；

6、对环境不会造成任何污染、不需要消耗水资源。

此外，利用图像解析计算法，不仅可以解决危险化学品罐体容积测量标定问题，根据其原理还可应用于等径的任一截面形状容器的容积测量，在误差允许的范围内，替代传统的测量方法。

四、附图说明

图1是罐体实测尺寸示意图；

图2是区域面积积分计算原理中确定三角形ABC的示意图；

图3是区域面积积分计算原理中截面图形分割成n个三角形的示意图；

图4是罐体截面长轴尺寸示意图；

图5是图像像素计算法流程图；

图6是区域面积积分计算法流程图；

图7是罐体尾部截面拍摄图像；

图8是罐体截面处理后的图像；

图9是输入实测的b、L的软件界面；

图10是得到测量结果的软件界面；

图11是计算机界面的对话框.

五、具体实施方式

以下分别详细描述两种方案。

(一)、图像像素计算法

1、摄取罐车罐体的外廓截面图像；罐体截面长轴尺寸b和罐体轴向总长L如图1所示，

2、测量实际的罐体截面长轴尺寸b和罐体轴向总长L；

3、对罐体外廓截面图像进行灰化、平滑、锐化处理；

本方法对罐体截面外廓照片自动分析出截面积主要使用了数字图像处理、模式识别和计算机视觉技术。数字图像处理采用图片灰化处理技术、边界平滑处理技术、图像锐化处理技术。

(1)图片灰化处理技术：软件读入给定的照片，对其进行灰化处理，将彩色照片首先转换成灰度图片，系统只保存了图形的灰度信息，而转换掉了图形的色彩信息。存储灰度图像主要采取数据矩阵，矩阵的每个元素表示对应位置像素的灰度值。彩色图像的像素值主要采取RGB(R，G，B)的计算方式，灰度图像的像素值采用的是RGB(r，r，r)的计算方式，本方法采用加权平均值法：

GrayValue＝Red*0.299+Green*0.587+Blue*0.114

(2)图像边界平滑处理技术：图像在拍摄和传输过程中常见噪声(图像的失真和变形)主要有加性噪声、乘性噪声和量化噪声等。为了消除这些噪声在图像处理时的影响，对生成的灰度图像做一次图像边界平滑处理，采用的方式是高斯平滑法。

(3)图像锐化处理技术：罐车截面的灰度图片经过高斯平滑之后，噪声得到抑止，但图像有稍许模糊，需要对图像对比度进行锐化处理，锐化处理主要采用拉普拉斯算法。目前高斯—拉普拉斯算子技术是最好的图像边缘检测技术，可以准确地分析出罐体边缘。

4、将处理后的罐体外廓截面图像转换成以像素点形式保存信息的BMP图片格式；

5、对图片中罐体内部任意一点进行填充，所弥漫出来的所有点就形成了罐体横截面；

6、通过给定的截面内部任意一点和某一固定颜色差的阀值，采用种子点区域填充算法区分出所有内部相邻点和边界点；

7、通过对内部相邻点数量的统计，得到罐体图片横截面积，根据图片中罐体截面长轴尺寸与实际的罐体截面长轴尺寸之间的比例关系，从而计算出罐体实际横截面积；

8、最后用罐体实际横截面积与罐体轴向总长值(L)的相乘即得到罐体容积。

如果由于图片复杂易产生误差，软件提供矫正手段，可以人工设定图形边缘，以便于系统自动进行调整。

罐体内件(如隔仓板、防波板等)所占的罐内空间，根据GB18564规定的设置数量进行估算，在软件操作时确定测量计算误差率加以修正。

(二)、区域面积积分计算原理

1、摄取罐车罐体的外廓截面图像；

2、测量实际的罐体截面长轴尺寸(b₂)和罐体轴向总长(L)；

3、选取截面图像近似中心部位的一个种子节点及边界点集合，利用积分算法计算出图像中罐车截面的计算面积(S₁)；

区域面积积分计算法在计算罐体截面积时利用了数学中的积分原理，选取截面近似中心部位的种子节点A，在图形边界选取边界节点B、C，连接A、B、C，得到的三角形ABC，如图2所示：

依次选取点D、E、F……(顺时针、逆时针方向均可)，将截面图形分割成n个三角形，如图3所示：

n个三角形的面积之和即为图像中罐车截面的计算面积S1。由上图可以看出，选取的边界节点越多，越密集，所得到的计算面积S1就越接近实际值。

4、根据相似定律推导出罐体截面的实际面积(S₂)；

图像中罐车截面的计算面积S₁只是照相机摄得的罐体截面在照片上的面积，因此要按罐体截面的实际尺寸将S₁放大到实际值S₂，由相似定律可知，两相似图形的面积比与长度的平方成正比，因此：

$\frac{S_2}{S_1}={\left(\frac{b_2}{b1}\right)}^2$

式中：b1、b2分别为图像中罐体的截面长轴尺寸和罐体实际截面长轴尺寸，如图4所示：

由上式可以导出罐体截面的实际计算面积S2：

$S_2={\left(\frac{b_2}{b_1}\right)}^2\×S_1$

5、因此，罐体的容积V为：

V＝S₂×L

式中：L——罐体实际的轴向长度。

(三)、两种原理计算方法的流程图如图5、图6所示：

其中：图像像素计算法的操作：

1、照相机镜头对准罐体尾部截面近似中心点平行拍摄，如图7所示：

2、测量罐体的实际尺寸b、L，

3、对罐体截面照片图像进行灰化、平滑、锐化处理，如图8所示：

4、打开计算软件，进入计算界面；

5、装载处理后的罐体截面图片；

6、在界面工具栏中分别输入实测的b值和L值，如图9所示：

7、单击“计算容积”，得到所测罐体容积值。如图10所示：。

区域面积积分计算法的操作：

1、照相机镜头对准罐体尾部截面近似中心点平行拍摄，摄取罐体截面图像(同上)。

2、打开计算软件，点击“图片”，选择“加载图片”命令，加载罐体截面图片(图片格式为BMP、JPEG或者GIF格式，其中GIF格式的动画图片，目前只能显示一帧)。

3、点击“图片”，选择“放大图片”或“缩小图片”命令，可以对加载的图片进行放大或缩小。

4、点击“计算”，选择“选取坐标”命令，进行罐体截面区域的标识。先选取种子节点，后依次选取区域的边界节点。

5、罐体截面区域确定后，点击“计算”，选择“计算容积”命令，弹出对话框，如图11所示：

6、输入实测的罐体截面长轴尺寸值b和罐体轴向总长值L。

7、单击“图片解析”，对所选区域进行图像分析。

8、单击“计算容积”，得到所测罐体容积值。

以产品型号为：CGJ5064GTY的罐车为例，分别采用图像像素计算法和区域面积积分计算法进行实例测量计算。该罐车为南京晨光航天应用技术股份有限公司专用车辆分公司制造，出厂编号为060537。

经图像像素计算法计算，该台罐车罐体的容积为4.04397m³。与水容积法测量的容积值4.030m³相比，误差仅为0.34665％。

经区域面积积分计算法计算，该台罐车的容积为4.02813m³。与水容积法测量的实际容积值4.030m³相比，误差仅为0.046420％。

两种测量计算方法之间的误差为：(4.04397—4.02813)÷4.04397×100％＝0.39％。

Claims (3)

1、一种用计算机图像解析技术测量罐车罐体容积的方法，其特征是：它包括以下步骤：

(1)摄取罐车罐体的外廓截面图像；

(2)测量实际的罐体截面长轴尺寸(b)和罐体轴向总长(L)；

(3)对罐体外廓截面图像进行灰化、平滑、锐化处理；

(4)将处理后的罐体外廓截面图像转换成以像素点形式保存信息的图片格式；

(5)对图片中罐体内部任意一点进行填充，所弥漫出来的所有点就形成了罐体横截面；

(6)通过给定的截面内部任意一点和某一固定颜色差的阀值区分出所有内部相邻点和边界点；

(7)通过对内部相邻点数量的统计，得到罐体图片横截面积，根据图片中罐体截面长轴尺寸与实际的罐体截面长轴尺寸之间的比例关系，从而计算出罐体实际横截面积；

(8)最后用罐体实际横截面积与罐体轴向总长值(L)相乘即得到罐体容积。

2、根据权利要求1所述用计算机图像解析技术测量罐车罐体容积的方法，其特征是：步骤(4)所述的以像素点形式保存信息的图片格式是BMP图片格式。

3、根据权利要求1或2所述用计算机图像解析技术测量罐车罐体容积的方法，其特征是：步骤(6)是采用种子点区域填充算法区分出所有内部相邻点和边界点。

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