CN103487104A

CN103487104A - 一种细管液面式数据的图像采集识别系统及方法

Info

Publication number: CN103487104A
Application number: CN201310276476.3A
Authority: CN
Inventors: 孙锡泉; 王宗花; 王璐; 亓玉兴
Original assignee: Qingdao University
Current assignee: Qingdao University
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2033-07-03
Also published as: CN103487104B

Abstract

本发明提供一种测量仪器中的细管液面式数据的图像采集识别系统及方法，可以完成测量仪器中需要人工读取的细管液面式数据的智能读取与记录。测量仪器中的细管液面式数据的图像采集识别系统包括液面拍摄装置、条形码扫描模块、数据传输模块、计算机、图像处理系统、客户端用户界面模块、数据库、监控模块。本发明的优点是利用可移动夹持机构将可闭合的液面拍摄装置固定于测量仪器的细管液面位置，并采用条码扫描器控制在不触碰摄像机以及支架的情况下拍摄图像，保证可以获得无抖动、无其他物体图像干扰的液面图像，降低了液面数据智能识别的难度。

Description

一种细管液面式数据的图像采集识别系统及方法

技术领域

本发明是一种测量仪器中的液面式数据的图像采集与识别的方法及其装置，属于智能测量技术领域，特别是一种测量仪器中的细管液面式数据的图像采集识别系统及方法。

背景技术

所述的细管液面式数据是细管内液体的液面与细管上准确刻度相比较确定出的定量数据，最典型的就是滴定体积，滴定管上有准确的体积刻度，当滴定完成后观察液面和体积刻度的相互关系，判断出液面所对应的体积数据。

随着图像传感技术和计算机技术快速发展，液面测量的计算机智能识别也得到了长足的发展，数据图像录入与示值识别等关键性技术研究很多，也有很多成果已经用于大型设备的液面识别、液面式读数的计量设备的自动检定。

关于液面识别的专利申请有：

汤哲夫提出了200410023135.6号名称为《一种液位测量方法及其装置》的发明专利申请，其内容是提出了一种液面测量方法，它是通过图像传感器摄取液面及其上、下方空间的图像送至计算机，由软件在计算机内对图像产生一个虚拟的测量方框，图像所摄测量区域实际高度H₁与测量框高度h或一定比例K，测量框垂直坐标从上框边向下取，在测量框内由软件设定上、下移动并保持微小垂直间距的A、B两点，利用A、B两点分别在液面上、下不同物质图像的象点所产生的像素分量（R、G、B）值不同来界定液面位置，并测出液面垂直坐标Y值，据此测出液位。

韩国建设技术研究院提出了200680023577.8号名称为《用于通过图像来测量液位的系统和方法》的发明专利申请，其内容是提出一种用于通过图像来测量液位的系统和方法，通过使用远离待测液体而定位的例如照相机的图像获取装置，对安装有量杆的液面的临近出进行拍摄，并通过对拍摄的胶片进行分析，而能够精确并自动地测量液位。

韩国建设技术研究院提出了201080002701.9号名称为《使用影像在时间上的像素的浓度分布变化的液体边界面识别方法和使用该方法的液体高度识别装置》的发明专利申请，其内容是提出了一种液体边界面识别方法和使用该方法的液体高度测量装置，对以包含液体边界面的方式拍摄而得到的影像进行灰度图像处理，并将沿X方向和Y方向分布的各像素按照浓度进行数值化，仅提取水位标上在X方向上对应于刻度区域的影像，根据所提取的影像求出将Y方向上的各像素进行合计后的数值而形成对像素的Y方向的直方图数据，对于时间上具有前后关系的拍摄影像相互比较直方图数据，并判断直方图数据上是否产生了规定的增加值以上的差，将开始产生规定的增加值以上的差的像素在Y方向上的位置（高度)作为液体边界面来识别并测量。

对细管式液面数据进行智能识别的相关研究有：

曾培龙提出了201010179085.6号名称为《一种自动检测玻璃毛细管粘度计的装置及其处理方法》的发明专利申请，其内容是提出一种自动检测玻璃毛细管粘度计的装置，包括控温槽体，槽体内部有玻璃毛细管粘度计测量试管，外部有固定在可上下、前后移动的支架上的数字摄像机及单片机处理系统。数字摄像机及单片机处理系统中采用数字摄像芯片，数字摄像芯片具有两路输出信号，一路连接视频输出接口，另一路通过图像数据总线、摄像芯片控制总线与单片机连接；单片机连接有精密定时芯片和串口485芯片，其中串口485芯片连接与上位机通讯；其处理方法为使用计算机图像处理技术来识别被测液体的液面及其下降过程，测量液面经过试管上下刻度线的时间间隔，该时间间隔代表了被测液体的粘度。通过本发明技术方案的实施，减轻检测人员的劳动强度，加快检测速度，提高检测精度。

湖南省计量检测研究院提出了201210530121.8号名称为《玻璃液体温度计自动检定装置》的发明专利申请，其内容是提出一种能同时对多支玻璃液体温度计自动检定且能顺利接驳又可单独操作使用，既方便移植又性能稳定的玻璃液体温度计自动检定装置，恒温槽上装有搅拌电机，恒温槽上面安装有夹板，夹板上插有玻璃液体温度计，白色的背光板安装在夹板后面，相机的镜头正对所有的玻璃液体温度计，相机安装在相机支架上，光源安装在光源支架上，光源通过计算机来进行调节，相机通过数据传输线与计算机电连接，计算机的数据通过网络或移动存储与数据分析用计算机电连接，数据分析用计算机与打印机电连接。

此外还有很多测量仪器也是读取细管液面式数据的，还是测量人员人工读取，因为这些测量仪器都需要人工操作，液面数据读取自然也就是人工读取，没有必要发展计算机化的图像智能识别系统识别液面。典型的仪器之一就是滴定管，通过比较液面位置和刻度的关系判断出滴定体积，实验人员每次滴定到终点时人工读取即可。

但是在教学实验时，测量仪器中的细管液面式的读取记录存在一些问题，例如实验人员在实验时有时候会因不熟悉而导致对液面式数据误读，有时候会因为下意识地去“靠上次测量数据”而导致读取数据的误差变大，有时候会有意错误的读取液面式数据，由于在实验中这些数据的读取很频繁，实验指导人员无法做到每个液面式数据都核实校准。这种情况对评定实验人员的实验成绩和提高实验人员的实验能力十分不利。

如果有一种细管液面式数据的图像采集与识别的方法及其装置能够做到实时智能读取液面式测量数据以记录监控实验人员细管液面式数据读取情况，对于减少实验人员误读细管液面式数据现象、提高实验人员实验操作技能、培养实验人员实事求是的工作作风、降低实验指导人员劳动强度、提高实验人员实验成绩评定准确性等方面具有相当的理论和现实意义。

本发明提供了一种可以解决上述问题的细管液面式数据的图像采集与识别的方法及其装置。

发明内容

本发明提供一种测量仪器中的细管液面式数据的图像采集识别系统及方法，可以完成测量仪器中需要人工读取的细管液面式数据的智能读取与记录，帮助实验指导人员更好地评价和指导实验人员实验。

本发明是这样实现的：

1.一种测量仪器中的细管液面式数据的图像采集识别系统及方法，其特征是：

测量仪器中的细管液面式数据的图像采集识别系统包括液面拍摄装置（001）、条形码扫描模块（002）、数据传输模块（003）、计算机（004）、图像处理系统（005）、客户端用户界面模块（006）、数据库（007）、监控模块（008）。

2．根据权利要求1所述的一种测量仪器中的细管液面式数据的图像采集识别系统及方法，其特征是：

所述的液面拍摄装置（001）为不透明壳体式夹持结构，包括两个半壳体A（101）和半壳体B（102），半壳体A（101）和半壳体B（102）通过弹簧夹（103）相连，半壳体A（101）和半壳体B（102）在弹簧夹（103）的作用下可以闭合，半壳体A（101）和半壳体B（102）上下两面中心处有凹槽，半壳体A（101）和半壳体B（102）在弹簧夹（103）的作用下闭合后形成贯通孔（104），其中半壳体A（101）或半壳体B(102）上开有扫描口（105），半壳体A（101）或半壳体B (102）外布置有开关（106）、指示灯（107），半壳体A（101）和半壳体B（102）外涂有校准线（109），半壳体A（101）和半壳体B（102）内布置有摄像头（110）、光源A（111）、磨砂灯罩（112）、固定线路板螺钉（113）、电路板A（114）、电路板B（115）、排线A（108）、排线B（116）、排线C（117）、排线D（118）、排线E（119），

所述的贯通孔（104)的形状与测量仪器所夹持部位的轴向投影截面外缘一致，

所述的摄像头（110）的中心线与半壳体A（101）和半壳体B（102）外部的校准线（109）齐平，

所述的电路板A（114）和电路板B（115）之间通过排线A（108）相连，

所述的电路板A（114）通过排线B（116）与开关（106）相连，

所述的电路板A（114）通过排线E（119）与指示灯（107）相连，

所述的电路板A（114）通过排线D （118）与光源A（111）相连，

所述的磨砂灯罩（112）罩在光源A（111）外。

3.根据权利要求1所述的一种测量仪器中的细管液面式数据的图像采集识别系统及方法，其特征是：

所述的条形码扫描模块（002）包括：光源B（201）、光学镜片组（202）、扫描模组（203）、模拟数字转换电路组（204），

所述的光源B（201）、光学镜片组（202）、扫描模组（203）安装在电路板B（115）上，通过扫描口（105）实现扫描，

所述的模拟数字转换电路组（204）安装在电路板A（114）或电路板B（115）上，与摄像头（110）之间有排线C（117）相连。

4．根据权利要求2所述的液面拍摄装置（001），其特征是：

特别优选的，电路板A（114）安装在装有开关（106）、指示灯（107）一侧的半壳体B（102）内，电路板B（115）装在开有扫描口（105）一侧的另一个半壳体A（101）内，

半壳体A（101）上有不透明的隔板A（120）将摄像头（110）、光源A（111）、磨砂灯罩（112）、与电路板A（114）完全分隔开，

半壳体B（102）上有不透明的隔板B（121）将摄像头（110）、光源A（111）、磨砂灯罩（112）、与电路板A（115）完全分隔开。

所述的传输模块（003）可采用无线或有线方式传输图像或数据。无线方式有蓝牙、WIFI、433、zigbee、GPRS等，有线方式有局域网，宽带等。

5.根据权利要求1所述的一种测量仪器中的细管液面式数据的图像采集识别系统及方法，其特征是：

所述的测量仪器中的细管液面式数据的图像采集识别系统是这样工作的：

在实验过程中，

（一）实验指导人员打开计算机（004），打开客户端用户界面模块（006），进入图像处理系统（005），

（二）需要识别数据时，实验人员将液面拍摄装置（001）夹持在测量仪器上，让管内液面与校准线（109）齐平，从而保证管内液面与摄像头（110）的中心线齐平，

（三）实验人员打开开关（106），电路接通，实验人员通过条形码扫描模块（002）扫描代表实验人员身份的条形码，条形码扫描模块（002）中的扫描模组（203）产生电信号，传输到模拟数字转换电路组（204），模拟数字转换电路组（204）把电信号转化为数字信号，该数字信号分为两路，一路数字信号传输至摄像头（110），启动摄像头（110）拍摄液面图像，另外一路数字信号传输到计算机（004）中的图像处理系统（005），图像处理系统（005）记录该数字信号含有的实验人员的身份信息，等待接收该实验人员的图像数据，

（四）摄像头（110）拍摄液面图像，所拍摄的图像经数据传输模块（003）传输到计算机（004）中的图像处理系统（005），图像处理系统（005）将该液面图像根据步骤（三）接收到的实验人员身份信息按照“实验人员身份信息+拍摄时间”的原则进行命名，命名后的液面图像储存在图像处理系统（005）指定的文件夹中，

（五）图像处理系统（005）开始处理刚命名的液面图像，

若此图像可被识别，则识别出液面数据，图像处理系统（005）将实验人员身份信息、识别出的液面数据结果、原始液面图像拍摄时间、原始液面图像名称、原始液面图像储存位置等信息发送到数据库（007），同时，图像处理系统（005）产生“识别成功无需重新拍摄”的反馈信号，经数据传输模块（003）传回到液面拍摄装置（001），指示灯（107）给出“识别成功无需重新拍摄”的提示信息，

若此图像不能被识别，则图像处理系统（005）产生“无法识别需重新拍摄”的反馈信号，经数据传输模块（003）传回到液面拍摄装置（001），指示灯（107）给出“无法识别需重新拍摄”的提示信息，指示实验人员重新拍摄，

当实验人员拍摄次数超过3次仍然无法成功识别液面数据时，实验人员要求实验指导人员人工判别液面数据，并人工将液面数据录入数据库（007），

（六）整个实验过程中，实验指导人员通过监控模块（008）监控实验人员是否正确使用液面识别装置（001），

所述的监控模块（008）包括安装在实验室内的音频、视频采集装置和音频输出装置，安装在监控区域的视频显示装置和音频输入、输出装置以及相应的软件，

同时，实验人员需要自己读数并记录，以便与数据记录系统中的结果相比较，可判断读数的准确性，作为学习实验成绩评估的一部分。

所述的测量仪器中的细管液面式数据的图像采集识别系统的工作流程图见附图1。

6．根据权利要求1所述的一种测量仪器中的细管液面式数据的图像采集识别系统及方法，其特征是：

所述的图像处理系统（005)工作方式如下：

（一）图像处理系统（005）从指定的文件夹中抓取刚刚接收到并被命名存放的液面图像，并将其转码为BMP位图格式便于进行图像的处理运算，

（二）对转码的BMP位图格式的图像使用下列方法中的一种或者几种的结合进行灰度化处理，鉴于图像采集过程中不可避免地会产生一定的噪声干扰，故紧接着对灰度化的图像采用以下方式消除噪声，

（2.1）邻域平均法：

根据噪声点像素的灰度与其临近像素的灰度显著不同这一特性，用模板确定的邻域内的像素值去代替图像中每一个像素点的值，

（2.2）加权平均法：

以图像模糊为代价来减小噪声，一般认为离对应模板中心像素近的像素对平滑结果有较大影响，所以接近模板中心的系数应较大，而模板边界附近的系数应较小，

（2.3）选择式掩膜平滑滤波：

在窗口内以中心像素（i，j）为基准，制作4个五边形，4个六边形，一个边长为3的正方形共9个形状的屏幕窗口，分别计算每个窗口内的平均值和方差，由于含有尖锐边缘的区域，方差必定比平缓区域大，因此采用方差最小的屏蔽窗口进行平均化，这种方法在完成滤波的同时，又不会破坏区域边界的细节，

（2.4）中值滤波法：

采用一个含有奇数个点的滑动窗口，用窗口中各点灰度值的中值来代替中心点的灰度值，

灰度化的BMP位图格式图像可以使用“实验人员身份信息+拍摄时间+表征灰度化的符号”方式命名后储存至指定文件夹，

（三）利用下列方法中的一种或者几种的结合中的对图像进行二值化处理，

（3.1）最大类间方差法：

按图像的灰度特性，将图像分成背景和目标两个部分，背景和目标之间的类间方差越大，说明构成图像的2部分的差别越大，当部分目标被错分为背景或部分背景被错分为目标都会导致2部分差别变小，类间方差最大时对应的阈值即为二值化的最佳阈值，

（3.2）自适应阈值分割：

将原始图像分割为若干子图像，每个子图像的灰度平均值作为该子图像的阈值，

二值化的BMP位图格式图像可以使用“实验人员身份信息+拍摄时间+表征二值化的符号”方式命名后储存至指定文件夹，

（四）液面与刻度识别

（4.1）利用投影法来确定滴定管上标有数字的刻度线的纵向位置（y₁，y₂...y_n）和水平位置并计算出两根紧邻刻度线之间的平均距离，s=( y_n- y₁)/(n-1)然后根据刻度线水平位置采用穿线法定位液面下方所有点的纵坐标，考虑到图像处理过程中液面的具体细节会有一定的偏差，而实际液面为一抛物线形，故采用抛物线拟合的方式把液面拟合为一条标准抛物线，其最低点即为误差最小的液面最低点，设其坐标为y，

（4.2）采用水平投影和垂直投影相结合的方式定位数字区域，同时获得距离该数字区域最近的刻度线位置，

（4.3）对获得的数字区域进行数字分割，归一化处理，然后特征提取，紧接着模版匹配读出数值，此时考虑到实际操作过程中液面区域跟数字区域很可能会相交甚至重合，此时处理后的图像数字区域会被覆盖，使数字无法识别，

鉴于此，采取以下2种情况分别讨论：

（4.3.1）当液面跟数字区域完全分开时，每个数字均能识别，此时从液面位置y往上搜索，找到第一条刻度线，设坐标为y₁，其对应的数字为num，则最终读数为：

_{Result=num+(yn-y1)/s}

（4.3.2）当液面对数字区域有遮挡时，被遮挡的数字无法识别，此时，从液面位置y往上搜索，找到第一条带有已识别出数据的刻度线，对应的数字为i，则被遮挡的数字为i+1，然后在此基础上第二次从液面位置y往上搜索，找到第一条刻度线，设坐标为y1，其对应的数字为num，则最终读数仍为：

_{Result=num+(yn-y1)/s}

（五）结果处理

（5.1)异常结果处理，

实验人员在实际操作过程中由于操作不当等原因会使图像处理系统（005）无法正常识别，此时图像处理系统（005）发出异常信号传送给液面拍摄装置（001)，液面拍摄装置（001)报警提示实验人员识别失败需重新操作；

（5.2)正常识别结果处理，

识别成功，图像处理系统（005）将实验人员身份信息、识别出的液面数据结果、原始液面图像拍摄时间、原始液面图像名称、原始液面图像储存位置等信息发送到数据库（007）。

所述的测量仪器中的细管液面式数据的图像采集识别系统中的图像处理系统（005）的工作流程图见附图2。

本发明的优点是利用可移动夹持机构将可闭合的液面拍摄装置固定于测量仪器的细管液面位置，并采用条码扫描器控制在不触碰摄像机以及支架的情况下拍摄图像，保证可以获得无抖动、无其他物体图像干扰的液面图像，降低了液面数据智能识别的难度；通过教学实验中的液面数据的智能识别，有效管控实验人员因为各种因素错误读取液面式数据的现象。

附图说明

图1 一种测量仪器中的细管液面式数据的图像采集识别系统的工作流程图。

图2 一种测量仪器中的细管液面式数据的图像采集识别系统中的图像处理系统（005）的工作流程图。

图3 实施例中液面拍摄装置（001)轴测图。

图4A 实施例中液面拍摄装置（001）主视图。

图4B 实施例中液面拍摄装置（001）B-B剖面图。

图5A 实施例中液面拍摄装置（001）半壳体B（102）主视图。

图5B 实施例中液面拍摄装置（001）半壳体B（102）左视图。

图5C 实施例中液面拍摄装置（001）半壳体B（102）C-C剖面图。

图6A 实施例中液面拍摄装置（001）半壳体A（101）主视图。

图6B 实施例中液面拍摄装置（001）半壳体A（101）右视图。

图6C 实施例中液面拍摄装置（001）半壳体A（101）左视图。

图6D 实施例中液面拍摄装置（001）半壳体A（101）D-D剖面图。

图7 实施例中液面拍摄装置（001）所拍摄的液面图像。

图8 实施例中图像处理系统（005）处理图7所得到的二值化结果。

附图标记说明：

图3：（101）半壳体A、（102）半壳体B、（103）弹簧夹、（104）贯通孔、（106）开关、（107）指示灯、（108）排线A、（109）校准线，

图4A：（101）半壳体A、（102）半壳体B、（105）扫描口、（106）开关、（109）校准线，

图4B：（101）半壳体A、（102）半壳体B、（103）弹簧夹、（104）贯通孔、（106）开关、（107）指示灯、（108）排线A、（110）摄像头、（111）光源A、（112）磨砂灯罩、（113）固定线路板螺钉、（114）电路板A、（115）电路板B、（116)排线B、（117）排线C、（118）排线D、（119）排线E、（201）光源B、（202）光学镜片组、（204）模拟数字转换电路组，

图5A：（102）半壳体B、（103）弹簧夹、（106）开关、（107）指示灯、（108）排线A，

图5B：（102）半壳体B、（103）弹簧夹、（104）贯通孔、（108）排线A、（111）光源A、（112）磨砂灯罩，

图5C：（102）半壳体B、（111）光源A、（112）磨砂灯罩、（113）固定线路板螺钉、（114）电路板A、（118）排线D、(121)隔板B、（204）模拟数字转换电路组，

图6A：（103）弹簧夹、（104）贯通孔、（108）排线A、（110）摄像头，

图6B：（101）半壳体A、（103）弹簧夹、（105）扫描口、（108）排线A、（109）校准线，

图6C：（103）弹簧夹、（108）排线A，

图6D：（101）半壳体A、（103）弹簧夹、（108）排线A、（113）固定线路板螺钉、（115）电路板B、（117）排线C、(120)隔板A、（201）光源B、（202）光学镜片组、（203)扫描模组。

具体实施方式

本发明提供一种化学实验中经常用到的滴定管的体积数据的图像采集识别系统及方法的实例，该系统和方法可以完成滴定管的体积数据的智能读取与记录，可以帮助教师更好地评价和指导学生实验。

本实施例是一种滴定体积智能识别装置和方法，

滴定体积智能识别装置包括液面拍摄装置（001）、条形码扫描模块（002）、数据传输模块（003）、计算机（004）、图像处理系统（005）、客户端用户界面模块（006）、数据库（007）监控模块（008）。

液面拍摄装置（001）为不透明壳体式夹持结构，包括两个半壳体A（101）和半壳体B（102），半壳体A（101）和半壳体B（102）通过弹簧夹（103）相连，半壳体A（101）和半壳体B（102）在弹簧夹（103）的作用下可以闭合，半壳体A（101）和半壳体B（102）上下两面中心处有半圆形凹槽，半壳体A（101）和半壳体B（102）在弹簧夹（103）的作用下闭合后形成圆形贯通孔（104），贯通孔（104)的直径与滴定管外径一致，例如50mL滴定管外径为14mm，则贯通孔（104)的直径为14mm。

半壳体A（101）和半壳体B（102）外涂有校准线（109），

半壳体A（101）上开有扫描口（105），半壳体B（102）外布置有开关（106）、指示灯（107），

半壳体B（102）内布置有摄像头（110）、光源A（111）、磨砂灯罩（112）、电路板A（114），

电路板A（114）通过固定线路板螺钉（113）固定在半壳体B（102）上，电路板B（115）通过固定线路板螺钉（113）固定在半壳体A（101）上，

电路板A（114）和电路板B（115）通过排线A（108）相连，

电路板A（114）通过排线B（116）与开关（106）相连，

电路板A（114）通过排线E（119）与指示灯（107）相连，

电路板A（114）通过排线D（118）与光源A（111）相连，

摄像头（110）布置在半壳体A（101）内靠近弹簧夹的一侧的半壳体A（101）与电路板A（114）所形成的夹角的中部，摄像头（110）的中心线与半壳体A（101）和半壳体B（102）外部的校准线（109）齐平，光源A（111）布置在半壳体A（101）内摄像头（110）的对侧，磨砂灯罩（112）罩在光源A（111）外。

条形码扫描模块（002）包括：光源B（201）、光学镜片组（202）、扫描模组（203）、模拟数字转换电路组（204），

光源B（201）、光学镜片组（202）、扫描模组（203）、模拟数字转换电路组（204）安装在电路板B（115）上，

半壳体B（102）上有不透明的隔板B（121）将摄像头（110）、光源A（111）、磨砂灯罩（112）、与电路板B（115）完全分隔开，

模拟数字转换电路组（204）通过排线C（117）与摄像头（110）相连，通过数字信号控制摄像头（110）拍摄液面图像。

滴定体积智能识别装置系统是这样工作的：

在实验过程中，

（一）教师打开计算机（004），打开客户端用户界面模块（006），进入图像处理系统（005），

（二）需要识别数据时，学生将液面拍摄装置（001）夹持在滴定管上，让滴定管内液面与校准线（109）齐平，从而保证滴定管内液面与摄像头（110）的中心线齐平，

（三）学生打开开关（106），电路接通，学生使用条形码扫描模块（002）扫描代表学生身份的条形码，条形码扫描模块（002）中的扫描模组（203）产生电信号，传输到模拟数字转换电路组（204），模拟数字转换电路组（204）把电信号转化为数字信号，该数字信号分为两路，一路数字信号传输至摄像头（110），启动摄像头（110）拍摄滴定管液面图像，另外一路数字信号传输到计算机（004）中的图像处理系统（005），图像处理系统（005）记录该数字信号含有的学生的身份信息，如学号“201041601075”，等待接收该学生的图像数据，

（四）摄像头（110）拍摄液面图像，例如附图7，所拍摄的图像经数据传输模块（003）传输到计算机（004）中的图像处理系统（005），图像处理系统（005）将该液面图像根据步骤（三）接收到的学生身份信息按照“学生身份信息+拍摄时间”的原则进行命名，如“201041601075+2013/6/13 10：15”，命名后的液面图像储存在图像处理系统（005）指定的文件夹“original image”中，

（五）图像处理系统（005）开始处理刚命名的液面图像，

若此图像可被识别，则识别出液面数据，图像处理系统（005）将学生身份信息、识别出的液面数据结果、原始液面图像拍摄时间、原始液面图像名称、原始液面图像储存位置等信息发送到数据库（007），同时，图像处理系统（005）产生“识别成功无需重拍摄”的反馈信号，经数据传输模块（003）传回到液面拍摄装置（001），指示灯（107）发出绿光，提示“识别成功无需重新拍摄”，若此图像不能被识别，则图像处理系统（005）产生“无法识别需重新拍摄”的反馈信号，经数据传输模块（003）传回到液面拍摄装置（001），指示灯（107）发出红光，提示“无法识别需重新拍摄”，指示实验人员重新拍摄，

当学生重复拍摄次数超过3次仍然无法成功识别液面数据时，学生要求教师人工判别液面数据，并人工将液面数据录入数据库（007），

（六）整个实验过程中，教师通过监控模块（008）监控实验人员是否正确使用液面识别装置（001），

同时，学生需要自己读数并记录，以便与数据记录系统中的结果相比较，可判断读数的准确性，作为学习实验成绩评估的一部分。

所述的图像处理系统（005）工作方式如下：

（一）图像处理系统（005）从指定的文件夹“original image”中抓取刚刚存放的液面图像“201041601075+2013/6/13 10：15”，并将其转码为BMP位图格式便于进行图像的处理运算，

（二）对转码的BMP位图格式的图像使用邻域平均法进行灰度化处理，鉴于图像采集过程中不可避免地会产生一定的噪声干扰，对灰度化的图像采用中值滤波法消除噪声，即采用一个含有奇数个点的滑动窗口，用窗口中各点灰度值的中值来代替中心点的灰度值，

（三）利用最大类间方差法对图像进行二值化处理，

按图像的灰度特性，将图像分成背景和目标两个部分，背景和目标之间的类间方差越大，说明构成图像的2部分的差别越大，当部分目标错分为背景或部分背景错分为目标都会导致2部分差别变小，类间方差最大时对应的阈值即为二值化的最佳阈值，二值化处理后所得的图像见附图8，

（四）液面与刻度识别

方法如下：

（4.1）利用投影法来确定滴定管上标有数字的刻度线的纵向位置（y₁，y₂...y_n）和水平位置并计算出两根紧邻刻度线之间的平均距离s=( y_n- y₁)/(n-1) ，然后根据刻度线水平位置采用穿线法定位液面下方所有点的纵坐标，考虑到图像处理过程中液面的具体细节会有一定的偏差，而实际液面为一抛物线形，故采用抛物线拟合的方式把液面拟合为一条标准抛物线，其最低点即为误差最小的液面最低点，设其坐标为y，

鉴于此，采取以下2种情况分别讨论：

（4.3.1）当液面跟数字区域完全分开时，每个数字均能识别，此时从液面位置y往上搜索，找到第一条刻度线，设坐标为y1，其对应的数字为num，则最终读数为：

_{Result=num+(yn-y1)/s}

（4.3.2）当液面对数字区域有遮挡时，被遮挡的数字无法识别，此时，从液面位置y往上搜索，找到第一条带有已识别出数据的刻度线，对应的数字为i，则被遮挡的数字为i+1。然后在此基础上第二次从液面位置y往上搜索，找到第一条刻度线，设坐标为y1，其对应的数字为num，则最终读数仍为：

_{Result=num+(yn-y1)/s}

（五）结果处理

（5.1)异常结果处理，

学生在实际操作过程中由于操作不当等原因会使图像处理系统（005）无法正常识别，此时图像处理系统（005）发出异常信号传送给液面拍摄装置（001)，液面拍摄装置（001)报警提示学生识别失败需重新操作，

（5.2)正常识别结果处理，

识别成功，图像处理系统（005）将学生身份信息、识别出的液面数据结果、原始液面图像拍摄时间、原始液面图像名称、原始液面图像储存位置等信息发送到数据库（007）。

Claims

2.根据权利要求1所述的一种测量仪器中的细管液面式数据的图像采集识别系统及方法，其特征是：

所述的电路板A（114）通过排线B（116）与开关（106）相连，

所述的电路板A（114）通过排线D （118）与光源A（111）相连，

所述的磨砂灯罩（112）罩在光源A（111）外。

4.根据权利要求2所述的液面拍摄装置（001），其特征是：

在实验过程中，

（五）图像处理系统（005）开始处理刚命名的液面图像，

（六）整个实验过程中，实验指导人员通过监控模块（008）监控实验人员是否正确使用液面识别装置（001）。

6.根据权利要求1所述的一种测量仪器中的细管液面式数据的图像采集识别系统及方法，其特征是：

所述的图像处理系统（005)工作方式如下：

（二）对转码的BMP位图格式的图像进行灰度化处理，

（三）对图像进行二值化处理，

（四）液面与刻度识别，

利用下列方法进行液面与刻度识别：

（1）利用投影法来确定滴定管上标有数字的刻度线的纵向位置（y₁，y₂...y_n）和水平位置并计算出两根紧邻刻度线之间的平均距离s=( y_n- y₁)/(n-1)，然后根据刻度线水平位置采用穿线法定位液面下方所有点的纵坐标，采用抛物线拟合的方式把液面拟合为一条标准抛物线，其最低点即为误差最小的液面最低点，设其坐标为y，

（2）采用水平投影和垂直投影相结合的方式定位数字区域，同时获得距离该数字区域最近的刻度线位置，

（3）对获得的数字区域进行数字分割，归一化处理，然后特征提取，紧接着模版匹配读出数值：

（3.1）当液面跟数字区域完全分开时，每个数字均能识别，此时从液面位置y往上搜索，找到第一条刻度线，设坐标为y1，其对应的数字为num，则最终读数Result为：

Result=num+(y_n-y₁)/s

（3.2）当液面对数字区域有遮挡时，被遮挡的数字无法识别，此时，从液面位置y往上搜索，找到第一条带有已识别出数据的刻度线，对应的数字为i，则被遮挡的数字为i+1，然后在此基础上第二次从液面位置y往上搜索，找到第一条刻度线，设坐标为y1，其对应的数字为num，则最终读数仍为：

Result=num+(y_n-y₁)/s

（五）结果处理，

（1)异常结果处理，

（2)正常识别结果处理，