CN103954334B - 一种全自动摄像式水表检定系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于仪表检定技术领域，提供一种基于图像处理技术的全自动摄像式水表检定系统及其工作方法，该系统包括图像采集装置、水流控制装置和控制台，采用计算机控制检定操作，当水流量达到标准时数毫秒内关闭阀门，实时记录水表指针转动过程中的读数与流水量，并通过Hough变换过滤掉误差点，系统能够实现8倍于人工检定的效率，以及高于人工的检定准确率。

Description

一种全自动摄像式水表检定系统及其工作方法

技术领域

本发明属于仪表检定技术领域，具体涉及一种基于图像处理技术的全自动摄像式水表检定系统及其工作方法。

背景技术

水表检定是水表出厂前由水表生产厂家进行的用与检测水表是否合格的一种操作。

传统的水表检定方法是利用人工开关阀门，通过肉眼观察水表读数与储水罐中水的体积来计算水表误差。

传统的人工进行水表检定方法存在以下弊端：

1）效率低：通常一名检定员只能操作两个检定台，每个检定台有数个表位，检定员需要步行查看并记录各个表的读数及开关阀门等操作，检定一套水表需要花费较多时间。

2）误差大：由于是纯人工操作，当储水罐达到预定体积后员工再关闭阀门，由于人工操作存在较大的时延，所以会产生较大的误差。另外，由于水表检定操作比较单调，缺乏有效监管，有时会出现检定员漏检或者错检。

3）操作繁琐：检定员需要完成读水表读数、读储水罐读数、记录、开关阀门、计算误差等一系列操作，操作太繁琐。

综上所述，鉴于传统的水表检定操作存在的缺陷，开发全自动水表检定装置具有重要的意义和推广应用价值。

发明内容

本发明针对现有水表检定操作的不足，提供一种全自动摄像式水表检定系统及其工作方法，该系统能够实现8倍于人工检定的效率，以及高于人工的检定准确率。

本发明的发明目的是通过如下技术方案实现的。

一种全自动摄像式水表检定系统，包括图像采集装置、水流控制装置和控制台。

所述图像采集装置，用于获取水表表盘的图像数据；图像采集装置包括摄像机、传输线及固定装置，使用时将摄像机通过固定装置固定于水表正上方，摄像机通过传输线与控制台连接，将拍摄的图像传至控制台。

所述水流控制装置，用于控制水流大小及水流阀门的开关；水流控制装置包括储水罐、与水管相连的电磁阀、控制电磁阀的串口继电器、称取储水罐质量的串口称重器，所述串口称重器和串口继电器与控制台连接，串口称重器将称取的储水罐的质量读数传至控制台。

所述控制台，用于控制串口继电器、获取串口称重器读数、处理摄像机传来的图像数据、存储各接收数据；控制台为一台至少包含两个串口的计算机。

本发明还提供了一种全自动摄像式水表检定系统的工作方法，该方法包括以下步骤：

（1）检定员将待检定水表安装到检定台上，根据待检定水表的型号选择样板水表照片，选择指针类型，控制台分别制作该样板水表的各个指针指向各个读数时的水表模板图片及其配置文件，该模板配置文件中包含样表指针形状代码、指针回转中心在图片中的坐标、表盘中心在图片中的坐标等信息；在控制台上点击开始检定按钮，控制台启动检定程序；

（2）控制台向摄像机发出控制信号控制摄像机拍摄各个水表的表盘图像并传输至控制台，控制台获取水表的初始读数，同时控制台通过串口称重器获取储水罐质量读数；

（3）控制台向串口继电器发出控制信号控制其打开水管的电磁阀，储水罐开始储水，在水表通水转动过程中，通过摄像机和串口称重器实时获取当前水表读数与储水罐质量，当储水罐质量差达到设定值后控制台发出控制信号关闭电磁阀；

（4）控制台通过上述步骤获取的水表读数与储水罐质量数据计算水表误差，并存入数据库。

在上述技术方案中，所述控制台获取水表读数的流程如下：

第一步，控制摄像机拍照，拍摄各个水表的表盘图像并回传至控制台；

第二步，对实时获取的水表表盘图像进行预处理，利用像素RGB值三个分量的比例关系识别出各个指针所在像素；

第三步，将经步骤二处理后的图像经过开、闭运算，每个指针所在的连通域坐标与模板配置文件中的样表指针坐标做比较，得出连通域与指针的对应关系；

第四步，利用模板图片依次对每个指针进行模板匹配操作，分别得出各个指针读数，再综合得出实时待检定水表读数。

在上述技术方案中，所述控制台计算水表误差的流程如下：

第一步，建立直角坐标系，横轴为拍摄水表图像时所对应的储水罐质量，纵轴为水表读数；

第二步，将水表通水过程中获取的每张图片所对应的储水罐质量和水表读数录入上述坐标系，形成一系列坐标点；

第三步，每一个坐标点都对应着一组通过该点的直线，如通过点的直线方程可表示为

其中为原点到直线的距离，θ为直线的倾角，通过计算经过每个像素点的直线组，就可以在图像中找到一条包含像素点最多的直线，

在Hough变换操作中，Hough数组用来记录通过每个像素点的直线数目，将数组表示为一张方格图，方格图的x轴共有xcell个小格，y轴共有ycell隔小格，Hough数组的大小为

x轴每个小格代表的每次采样直线所经过的角度间隔大小为

方格图的y轴表示原点到目标直线的距离，每个小格代表的距离大小为1，

从图像的左下角，按照从左到右、从下到上的顺序进行逐点扫描，对于每个扫描到的坐标点按照斜率从minAngle到maxAngle每次加1，进行如下运算

其中是对进行取整操作后所得，angle为当前运算的角度，i和j分别为当前坐标点的横坐标和纵坐标，

接下来遍历Hough数组，按照数组值的大小找出得票最多的直线，则可获得直线的方程，设此直线方程式为，其中为斜率，则当前水表的误差为。

本发明全自动摄像式水表检定系统及其工作方法，具有如下优点：

（1）操作简单：检定员只需要安装水表到检定台，然后在控制台点击开始检定即可自动完成检定操作，并将检定结果存入数据库方便查阅。

（2）准确度高：采用计算机控制检定操作，当水流量达到标准时数毫秒内关闭阀门。实时记录水表指针转动过程中的读数与流水量，并通过Hough变换过滤掉误差点，相比人工检定大大提高检定准确度。

（3）效率高：一个检定员可以控制多台检定台，装好表后点击开始检定即可操作另一部检定台，极大提高检定效率。

附图说明

图1是本发明全自动摄像式水表检定系统的结构示意图及工作方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明实施例提供一种全自动摄像式水表检定系统，包括图像采集装置、水流控制装置和控制台。

所述图像采集装置，用于获取水表表盘的图像数据；图像采集装置包括摄像机、传输线及固定装置，使用时将摄像机通过固定装置固定于水表正上方，摄像机通过传输线与控制台连接，将拍摄的图像传至控制台。

所述水流控制装置，用于控制水流大小及水流阀门的开关；水流控制装置包括储水罐、与水管相连的电磁阀、控制电磁阀的串口继电器、称取储水罐质量的串口称重器，所述串口称重器和串口继电器与控制台连接，串口称重器将称取的储水罐的质量读数传至控制台。

所述控制台，用于控制串口继电器、获取串口称重器读数、处理摄像机传来的图像数据、存储各接收数据；控制台为一台至少包含两个串口的计算机。

上述实施例还提供一种全自动摄像式水表检定系统的工作方法，该方法包括以下步骤：

（1）检定员将待检定水表安装到检定台上，根据待检定水表的型号选择样板水表照片，选择指针类型，控制台分别制作该样板水表的各个指针指向各个读数时的水表模板图片及其配置文件，该模板配置文件中包含样表指针形状代码、指针回转中心在图片中的坐标、表盘中心在图片中的坐标等信息；例如水表有红、蓝两个指针，则控制台分别制作红色指针指向表盘各个刻度时的水表模板图片以及蓝色指针指向表盘各个刻度时的水表模板图片并对每个模板图片进行编号；在控制台上点击开始检定按钮，控制台启动检定程序；

（2）控制台向摄像机发出控制信号控制摄像机拍摄各个水表的表盘图像并传输至控制台，控制台获取水表的初始读数，同时控制台通过串口称重器获取储水罐质量读数；

（3）控制台控制串口继电器打开水管电磁阀，串口称重器将储水罐的质量时时传回控制台，与此同时，摄像机连续拍摄水表图像并传回控制台识别出指针读数，每张图像对应一个储水罐质量；

（4）当储水罐质量达到预定值，控制台控制串口继电器关闭水管电磁阀；

（5）建立直角坐标系，横轴为水表图像拍摄时所对应的储水罐质量，纵轴为水表读数，将获取到的指针读数和对应的储水罐质量作为坐标值在坐标系中标记；

（6）利用Hough变换求出上述坐标系中包含坐标点数目最多的直线，通过该直线的斜率求出当前水表的误差。

在上述实施例中，控制台获取水表读数的流程如下：

第一步，控制摄像机拍照，拍摄各个水表的表盘图像照片并回传至控制台；此实施例中待检定水表指针分别为红、蓝指针。

第二步，红色像素区域识别。在红色指针区域的像素的红色分量要比蓝色和绿色分量值高，且红色分量和蓝色或者绿色分量之间的差值会随着光照的强弱变化而发生明显的变化，但是红色分量与蓝色分量和绿色分量的比值变化没有差值变化那么明显，所以我们可以利用这一点识别出有效像素。

扫描整个表盘图像图片，对每个像素点进行如下运算：

其中为浮点型数组，、和分别代表像素的RGB红色、绿色和蓝色分量值，代表样本图片的像素数目，系数1.4为经验所得系数，代表经过计算得出的阀值。数组中像素点的值大于或等于的点为目标红色像素点。

第三步，蓝色像素区域识别。蓝色指针是浅蓝色，理论RGB值并不是RGB（0,0,255）,而是包含较多绿色分量和少量红色分量，所以只需要统计蓝色分量同红色分量的比值即可。可是，浅蓝色像素的特征不如红色像素那么明显，有大量较暗像素被误识别为有效像素，需要增加判别条件来剔除像素绿色分量低于50的像素。计算公式如下：

其中为浮点型数组，、和分别代表像素的RGB红色、绿色和蓝色分量值，代表样本图片的像素数目，系数1.3为经验所得系数，代表经过计算得出的阀值。数组中像素点的值大于或等于的点为目标蓝色像素点。

计算完成后，新建与原图大小相同的8位灰度BMP图片，扫描数组和数组，对新建图片的每个像素执行如下运算：

其中为新BMP数据域，所得图片中的白色像素点就是识别出的所需像素。

第四步，膨胀和腐蚀操作。膨胀操作的目的是去除指针区域内部的空洞。膨胀操作的步骤如下：

设膨胀强度为，针对经步骤三处理后的图片中每个白色像素，将图中以该像素点为中心，边长为像素的正方形区域内的所有像素点的像素值置255。

腐蚀操作的目的是去除图片中的毛刺和散在的小噪点。腐蚀操作的步骤如下：

设腐蚀强度为，针对经步骤三处理后的图片中每个白色像素，扫描以该像素点为中心，边长为像素的正方形区域内的所有像素点，如果在该区域内发现黑色像素，那么就置该像素的像素值为0。

当取2，取6时能在保留指针完整的情况下最大限度的去除噪点。

第五步，剪切连通域。为了在连通区域中找出与指针的对应关系，首先需要将连通区域分离出来，这里我们采用递归的方法将每个连通域剪切出来。

第六步，计算各连通域中心。为了寻找连通域与各个指针之间的对应关系，首先需要给每个连通域赋予一个坐标，这里我们令连通域的坐标等于它的中心坐标，中心坐标的计算公式如下：

其中，代表此连通域中所有白色像素的横坐标之和，代表此连通域中所有白色像素的纵坐标之和，代表此连通域中的白色像素数目。

第七步，计算连通域组适应度。由于模板中水表的位置不是固定的，所以我们只能通过各个指针之间相对位置关系来确定剪切出来的连通域与指针之间的对应关系。

首先，从模板配置文件中读取表盘中心坐标，然后读取模板中各个指针中心坐标，其中为指针编号。设为模板中第一个指针和最后一个指针之间的距离，为指针个数，那么

设经过膨胀和腐蚀操作后共有个连通域，样表共有枚指针，那么从这个连通域中选出个进行全排列所组成的共个连通域组中，有一个与指针是一一对应的，可以给每个连通域组赋予一个适应度，通过寻找最佳适应度来找出指针与连通域的对应关系。

设连通域序列号保存在数组中，第一个连通域与最后一个连通域之间的距离为，那么

由于被测图片中与模板图片中水表的大小可能由于摄像头高度或焦距的改变而发生变化。同时，由于误差的存在，当噪声过多时可能会出现虚假连通域组的适应度比真实连通域组的适应度还要高，但这些噪声通常很小，且距离很近，这种错误可以通过计算缩放倍数来消除。的计算方法如下：

接下来，需要将当前连通域组中每个连通域的坐标按照的比例进行缩放，然后将第一个连通域移动到模板第一个指针中心对齐，设新的连通域坐标为，计算方法如下：

通常待识别水表的倾斜角度与模板水表的倾斜角度之间的差值不会超过15度，我们可以利用这一点排除一些误差。设中间变量、、、，令

倾角差值记做，则

或

当任一情况下大于15时，令当前连通域组的适应度最小。

理论上，将当前连通域组第一个连通域中心与模板中第一枚指针中心对其，将最后一个连通域与模板最后一枚指针对齐，其他连通域按照比例进行缩放和移位，此时各个连通域的中心应与模板中对于指针的中心相重合。下面，我们通过计算各个连通域新坐标与模板指针中心的距离来寻找最佳连通域组。

设中间变量、，当前连通域与第一个连通域之间的距离为，则其他连通域则新坐标计算方法如下：

设待测连通域组与模板指针中心坐标之间的差距差别之和为，那么对每个连通域执行如下运算：

当所有连通域执行完后，将按照缩放倍数进行缩放，即

当所有的连通域组都执行完上述运算后，值最小的连通域组就是选出的最佳连通域组。同时，设置阀值T_CHECKCAMERA，建议设为100，如果最小的小于T_CHECKCAMERA，那么就认为在待识别图片中没有检测到目标指针，提示用户检查摄像机。

第八步，指针区域二值化。设指针所在正方形的边长为，那么

对于红色指针，计算以指针回转中心坐标为中心，边长为的正方形区域内所有像素的数组值之和，然后除以此区域的像素个数，即可得到此区域内的平均值，设为。设阀值，令，对上述正方形区域内的像素，如果，那么置像素的灰度值为255，否则置0。

同理，对于蓝色指针，计算以指针回转中心坐标为中心，边长为的正方形区域内所有像素的数组值之和，然后除以此区域的像素个数，即可得到此区域内的平均值，设为。设阀值，令，对上述正方形区域内的像素，如果，那么置像素的灰度值为255，否则置0。

第九步，模板匹配。将二值化后的指针区域与按模板序号与各个模板相比较。为每个模板设置一个适应度，如果待测指针与模板对应像素的灰度值同为255，则自增1。当全部模板匹配完成后，取值最大的模板就是目标指针的最佳匹配模板，该模板对应的指针读数即为待检定水表的实时读数。

第十步，倾斜校正。在制作模板时程序要求样表的0刻度线与图片水平线垂直，所以可以通过计算待测水表第一个指针中心与最后一个指针中心的连线与模板中对应两个指针中心的连线之间的倾角对识别结果进行校正。

设最佳连通域组已经存入中，模板中第一个指针与最后一个指针中心连线的倾角为，待测图片中第一个指针与最后一个指针中心连线的倾角为，夹角差值为，则有：

设模板数量是，最佳匹配的模板序号是，经过倾斜校正后的模板序列号为，识别结果，则有：

。

在上述实施例中，所述控制台计算水表误差的流程如下：

第一步，建立直角坐标系，横轴为拍摄水表图像时所对应的储水罐质量，纵轴为水表读数；

第二步，将水表通水过程中获取的每张图片所对应的储水罐质量和水表读数录入上述坐标系，形成一系列坐标点；

第三步，每一个坐标点都对应着一组通过该点的直线，如通过点的直线方程可表示为

其中为原点到直线的距离，θ为直线的倾角，通过计算经过每个像素点的直线组，就可以在图像中找到一条包含像素点最多的直线，

在Hough变换操作中，Hough数组用来记录通过每个像素点的直线数目，将数组表示为一张方格图，方格图的x轴共有xcell个小格，y轴共有ycell隔小格，Hough数组的大小为

x轴每个小格代表的每次采样直线所经过的角度间隔大小为

方格图的y轴表示原点到目标直线的距离，每个小格代表的距离大小为1，

从图像的左下角，按照从左到右、从下到上的顺序进行逐点扫描，对于每个扫描到的坐标点按照斜率从minAngle到maxAngle每次加1，进行如下运算

其中是对进行取整操作后所得，angle为当前运算的角度，i和j分别为当前坐标点的横坐标和纵坐标，

接下来遍历Hough数组，按照数组值的大小找出得票最多的直线，则可获得直线的方程，设此直线方程式为，其中为斜率，则当前水表的误差为。

Claims (3)

1.一种全自动摄像式水表检定系统的工作方法，该系统包括图像采集装置、水流控制装置和控制台；

所述图像采集装置，用于获取水表表盘的图像数据；图像采集装置包括摄像机、传输线及固定装置，使用时将摄像机通过固定装置固定于水表正上方，摄像机通过传输线与控制台连接，将拍摄的图像传至控制台；

所述水流控制装置，用于控制水流大小及水流阀门的开关；水流控制装置包括储水罐、与水管相连的电磁阀、控制电磁阀的串口继电器、称取储水罐质量的串口称重器，所述串口称重器和串口继电器与控制台连接，串口称重器将称取的储水罐的质量读数传至控制台；

所述控制台，用于控制串口继电器、获取串口称重器读数、处理摄像机传来的图像数据、存储各接收数据；控制台为一台至少包含两个串口的计算机；

其特征在于该方法包括以下步骤：

（1）检定员将待检定水表安装到检定台上，根据待检定水表的型号选择样板水表照片，选择指针类型，控制台根据样板水表照片、指针类型分别制作该样板水表的各个指针指向各个读数时的水表模板图片及其配置文件，该模板配置文件中包含样表指针形状代码、指针回转中心在图片中的坐标、表盘中心在图片中的坐标信息；在控制台上点击开始检定按钮，控制台启动检定程序；

（2）控制台向摄像机发出控制信号控制摄像机拍摄各个水表的表盘图像并传输至控制台，控制台获取水表的初始读数，同时控制台通过串口称重器获取储水罐质量读数；

（3）控制台向串口继电器发出控制信号控制其打开水管的电磁阀，储水罐开始储水，在水表通水转动过程中，通过摄像机和串口称重器实时获取当前水表读数与储水罐质量，当储水罐质量差达到设定值后控制台发出控制信号关闭电磁阀；

（4）控制台通过上述步骤获取的水表读数与储水罐质量数据计算水表误差，并存入数据库。

2.根据权利要求1所述的全自动摄像式水表检定系统的工作方法，其特征在于控制台获取水表读数的流程如下：

第一步，控制摄像机拍照，拍摄各个水表的表盘图像并回传至控制台；

第二步，对实时获取的水表表盘图像进行预处理，利用像素RGB值三个分量的比例关系识别出各个指针所在像素；

第三步，将经步骤二处理后的图像再进行开、闭运算，每个指针所在的连通域坐标与模板配置文件中的样表指针坐标做比较，得出连通域与指针的对应关系；

第四步，利用模板图片依次对每个指针进行模板匹配操作，分别得出各个指针读数，再综合得出实时待检定水表读数。

3.根据权利要求1所述的全自动摄像式水表检定系统的工作方法，其特征在于控制台计算水表误差的流程如下：

第一步，建立直角坐标系，横轴为拍摄水表图像时所对应的储水罐质量，纵轴为水表读数；

第二步，将水表通水过程中获取的每张图片所对应的储水罐质量和水表读数录入上述坐标系，形成一系列坐标点；

第三步，每一个坐标点都对应着一组通过该点的直线，如通过点的直线方程可表示为

其中为原点到直线的距离，θ为直线的倾角，通过计算经过每个像素点的直线组，就可以在图像中找到一条包含像素点最多的直线，

在Hough变换操作中，Hough数组用来记录通过每个像素点的直线数目，将数组表示为一张方格图，方格图的x轴共有xcell个小格，y轴共有ycell隔小格，Hough数组的大小为

x轴每个小格代表的每次采样直线所经过的角度间隔大小为

方格图的y轴表示原点到目标直线的距离，每个小格代表的距离大小为1，

从图像的左下角，按照从左到右、从下到上的顺序进行逐点扫描，对于每个扫描到的坐标点按照斜率从minAngle到maxAngle每次加1，进行如下运算

其中是对进行取整操作后所得，angle为当前运算的角度，i和j分别为当前坐标点的横坐标和纵坐标，

接下来遍历Hough数组，按照数组值的大小找出得票最多的直线，则可获得直线的方程，设此直线方程式为，其中为斜率，则当前水表的误差为。