CN106153158A - 基于图像采集的膜式燃气表回转周期的检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

基于图像采集的膜式燃气表回转周期的检测方法及装置，在原有的基于音速喷嘴的膜式燃气表检定装置的基础上，增加了摄像头和图像采集处理模块，摄像头和图像采集处理模块固定在基于音速喷嘴的膜式燃气表检定装置的夹表部件上，其中摄像头位于膜式燃气表进气口的正上端，采集到摆杆和连杆露出的一个图像作为比较模板，当图像采集处理模块识别到摄像头之后拍摄到的摆杆和连杆露出的图像能与所述比较模板匹配时，该采集时间间隔即为膜式燃气表的回转周期。图像采集处理模块的识别处理步骤包括：(1)灰度图的转换；(2)图像二值化；(3)基于模板匹配的图像识别。该检测方法解决了膜式燃气表内部往复件的往返运动周期检测难度大的问题。

Description

基于图像采集的膜式燃气表回转周期的检测方法及装置

技术领域

本发明涉及膜式燃气表领域，特别涉及一种膜式燃气表的回转周期的检测方法及装置。

背景技术

膜式燃气表用于计量煤气、天然气等燃料气体的使用量，不论对于供气企业还是家庭用户，膜式燃气表都扮演了重要的角色。

膜式燃气表的基本工作原理是：当流动的气体经过燃气表时，受到管道摩擦及燃气表内部结构的阻挡，进入燃气表内部的气体会在燃气表进出口两端产生压力差，通过这个压力差推动膜式燃气表的膜片在计量室内运动，并且带动配气机构进行协调配气，使得膜片的运动能够连续地直线往复进行，之后膜式燃气表通过内部的机械结构，把直线往复运动转变成圆周运动，再通过圆周运动带动机械滚轮计数器转动；膜片每直线往复一次，就排出一个回转体积的气体，最终使机械滚轮转过一个计数单元，进而实现滚轮旋转式计量显示效果。

目前获得膜式燃气表内部往复件(曲柄连杆机构)的往复周期即流经膜式燃气表的气体达到一个回转体积的回转周期的方法十分有限，例如工业膜式燃气表在单表检定时可采用光纤式传感器检测膜式燃气表的内部往复件的运动情况来获得气体的回转体积。但由于在目前常用的多表串联检测时，曲柄连杆机构的往返运动情况检测难度大，检测曲柄连杆机构的一个运动周期需要增加复杂的机械及运动控制部件，故检测膜式燃气表回转周期的方法还有待发展。本发明提出一种基于图像采集的膜式燃气表回转周期的检测方法。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提供一种基于图像采集的膜式燃气表回转周期的检测方法及装置，该方法在原有的基于音速喷嘴的膜式燃气表检定装置的夹表部件上增加摄像头和图像采集处理模块，可在膜式燃气表检定过程中根据模板匹配的图像识别获取被检膜式燃气表的回转周期，解决了膜式燃气表内部往复件的往返运动周期检测难度大的问题。利用回转周期可方便获得膜式燃气表的回转体积，从而能减小燃气表检定时间(特别是最小流量点的检定时间)，大大提高膜式燃气表的检定效率。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：

基于图像采集的膜式燃气表回转周期的检测方法，在原有的基于音速喷嘴的膜式燃气表检定装置的基础上，增加了摄像头和图像采集处理模块，所述的摄像头和图像采集处理模块固定在基于音速喷嘴的膜式燃气表检定装置的夹表部件上，所述摄像头位于膜式燃气表进气口的正上端；

摄像头用于对膜式燃气表进气口正对方向进行实时图像采集，在曲柄连杆机构的作用下，摆杆做往复周期性运动，当摆杆运动至露出于膜式燃气表进气口的一个位置时，摄像头在所述进气口正对方向采集到摆杆和连杆露出的图像，保存该图像作为比较模板并记录此刻时间t0；此后，摄像头以一定频率继续对膜式燃气表进气口正对方向进行实时图像采集，将采集的图像经图像采集处理模块处理后与所述比较模板的图像进行比较，当识别到摄像头拍摄到的摆杆和连杆露出的图像能与所述比较模板匹配时，可确认摆杆再一次运动到同一位置，此时记录时间t1，通过计算t1-t0得到两幅匹配图像的采集时间间隔，该采集时间间隔即为膜式燃气表的回转周期；

所述摄像头每采集到一幅图像，需要通过所述图像采集处理模块对该图像进行实时处理以完成对往复件位置的识别，所述图像采集处理模块采用实时处理方式，以实现图像处理与图像采集同步，所述图像采集处理模块的识别处理步骤如下：

(1)灰度图的转换：摄像头采集到的彩色图像中，每个像素点占3个字节，分别为红，蓝，绿分量，利用灰度转换公式将其转化为灰度图，转化公式如下:G＝0.299×r+0.578×g+0.114×b；式中:G—代表转换后得到的灰度值；r—代表红色分量；g—代表绿色分量；b—代表蓝色分量；

(2)图像二值化：为防止因光照强度变化的外界干扰造成的对同一位置在不同时刻采集到的图像灰度值不同，需先对灰度图进行二值化，所有灰度大于或等于阈值的像素点被判定为属于特定物体，其灰度值为255，其余灰度小于阈值的像素点则被排除于特定物体区域外，其灰度值为0，表示背景或者例外的物体区域；二值化的所述阈值可以采用OTSU算法获得，OTSU算法是一种自适应的阈值确定方法，OTSU算法的基本思想是，对图像Image，记T为前景与背景的灰度分割阈值，前景点数占图像Image的比例为W₀，平均灰度为U₀，背景点数占图像Image的比例为W₁，平均灰度为U₁，则图像Image的总平均灰度为：U＝W_O×U₀+W₁×U₁,使T遍历最小灰度值0到最大灰度值255,当T使得方差G＝W₀×(U₀-U)²+W₁×(U₁-U)²取最大时，T即为灰度分割的最佳阈值，也即上述图像二值化的阈值；

(3)基于模板匹配的图像识别：将摄像头采集到的比较模板的图像通过灰度转换和二值化处理后得到的二值图作为二值化比较模板，在其后一定频率的实时采集过程中，每采集到一幅图像，便将其经灰度转换和二值化处理后与二值化比较模板进行匹配，匹配方法为，将两幅图的每个对应位置像素点的像素值求差，再将对应像素点的像素值差的绝对值相加，当该值小于或等于设定上界时，便可认为两幅图匹配，也即认为两幅图相同，此时膜式燃气表内的摆杆正好往复运动一次，其间隔时间为一个回转周期。

作为优选，所述图像采集处理模块的基于模板匹配的图像识别过程中，所述设定上界设定为:(整幅图总像素个数的0.5％)×255。

作为另一种优选方案，获得二值化的阈值的所述OTSU算法可由基于SOBEL算子的方法替代；阈值的选取，可先提取出灰度图的边缘，将边缘的像素点的灰度平均值作为分割阈值，边缘提取的方法采用基于SOBEL算子的方法，该方法是，遍历灰度图中每一个像素，得到其水平方向和垂直方向的梯度，其中水平方向的梯度为：2×该像素点右边点的灰度值+右上点的灰度值+右下点的灰度值-2×左边点的灰度值-左上点的灰度值-左下点的灰度值，垂直方向的梯度为：2×该像素点正上方点的灰度值+左上点的灰度值+右上点的灰度值-2×正下方点的灰度值-左下点的灰度值-右下点的灰度值，水平梯度或垂直梯度较大的像素点属于灰度图中的边缘，将这些属于边缘的像素点的灰度平均值作为二值化的所述阈值。

作为优选，所述摄像头采集到的彩色图像为24位BMP图，经过灰度转换后形成8位灰度图。

基于图像采集的膜式燃气表回转周期的检测装置，在原有基于音速喷嘴的膜式燃气表检定装置基础上，增加了摄像头和图像采集处理模块，原有的基于音速喷嘴的膜式燃气表检定装置，包括膜式燃气表进气口、膜式燃气表字轮式计数器、膜式燃气表字轮式计数器读数盘最低位光标、光电传感器、膜式燃气表出气口、以及气密夹紧在膜式燃气表进气口和膜式燃气表出气口的上端的夹表部件，所述摄像头和图像采集处理模块固定在基于音速喷嘴的膜式燃气表检定装置的夹表部件上，其中摄像头固定在夹表部件的下端面上，且位于膜式燃气表进气口的正上端，所述夹表部件的进气口和膜式燃气表进气口相通，所述夹表部件的出气口和膜式燃气表出气口相通；

摄像头随音速喷嘴标准检定装置的夹表部件缓缓下落并与膜式燃气表进气口、膜式燃气表出气口分别气密夹紧，摄像头用于对膜式燃气表进气口正对方向进行实时图像采集。

本发明的有益效果在于：利用图像采集设备摄取被检膜式燃气表的往复件的瞬时图像，成功解决了没有电信号输出、仅有机械运动的膜式燃气表的往复件的运动周期的采集问题。本发明可充分利用现有的基于音速喷嘴的膜式燃气表检定装置，通过增加摄像头和图像采集处理模块，采集连续变化的瞬间图像，经灰度图转换、二值化处理、模板匹配识别后得到往复件运动的循环间隔时间即回转周期。利用所得到的回转周期可以使得膜式燃气表检定的最小体积由燃气表的字轮式计数器读数盘最低位转一圈对应的体积(如：G2.5表对应为10升)减小到一个回转体积(如：G2.5表一般为0.9至1.2升)，可大大减小膜式燃气表检定的时间，提高了检定效率；同时，本发明所述的将摄像头安装于膜式燃气表检定装置的夹表部件上的方法，便于信号的采集与传输，可直接应用于多只膜式燃气表串联同时进行检定的膜式燃气表检定系统中，实现多表同时检定，进一步提高检定效率。

附图说明

图1为发明基于图像采集的膜式燃气表回转周期的检测方法的检测装置图。

图2为本发明的膜式燃气表内检测膜片直线往复运动的曲柄连杆机构的运动示意图。

附图标记：1-摄像头；2-图像采集处理模块；3-膜式燃气表进气口；4-膜式燃气表出气口；5-夹表部件；51-夹表部件的进气口；52-夹表部件的出气口；6-膜式燃气表；7-曲柄；8-连杆；9-摆杆。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。应当理解，本发明的实施例仅用于对发明内容作解释说明，并不用以限制本发明。

本发明涉及一种膜式燃气表回转周期的检测方法，由于膜式燃气表在工作时，当流动的气体经过燃气表时，膜式燃气表的膜片在计量室内运动，并且带动配气机构进行协调配气，使得膜片的运动能够连续地直线往复进行，同时膜式燃气表内的摆杆也随之进行周期性往复运动。由于摆杆往复一次的周期和燃气表流经气体达到一个回转体积的回转周期是相同的，所以可以通过测得摆杆的周期得到膜式燃气表的回转周期。

参照图1、图2，本发明基于图像采集的膜式燃气表回转周期的检测方法及装置，在原有基于音速喷嘴的膜式燃气表检定装置基础上，增加了摄像头1和图像采集处理模块2。原有的基于音速喷嘴的膜式燃气表检定装置，包括膜式燃气表进气口3、膜式燃气表字轮式计数器、膜式燃气表字轮式计数器读数盘最低位光标、光电传感器、膜式燃气表出气口4、以及气密夹紧在膜式燃气表进气口3和膜式燃气表出气口4的上端的夹表部件5。所述的摄像头1和图像采集处理模块2固定在基于音速喷嘴的膜式燃气表检定装置的夹表部件5上，其中摄像头1固定在夹表部件5的下端面上，且位于膜式燃气表进气口3的正上端。图1中，夹表部件的进气口51和膜式燃气表进气口3相通，二者之间由图中的虚线分隔，夹表部件的出气口52和膜式燃气表出气口4相通，二者之间由图中的虚线分隔。

采用常规的负压法音速喷嘴装置产生标准气体流量，气体由膜式燃气表进气口3进入膜式燃气表6，光电传感器用于测量膜式燃气表字轮式计数器读数盘最低位的反光标识，反光标识每转动一圈，则光电传感器产生一个脉冲。检定时，摄像头1随音速喷嘴标准检定装置的夹表部件5缓缓下落并与膜式燃气表进气口3、膜式燃气表出气口4分别气密夹紧，气体流动方向如箭头方向所示。

如图2所示，膜式燃气表内检测膜片直线往复运动的传动机构包括曲柄7、一端与曲柄7铰接的连杆8、与连杆8另一端铰接的摆杆9，所述摆杆9的另一端的铰接点位置不变。曲柄7、连杆8、摆杆9均设有两组，曲柄7、连杆8、摆杆9构成背景技术中所述的曲柄连杆机构。

基于图像采集的膜式燃气表回转周期的检测方法，采用上述摄像头1对膜式燃气表进气口3正对方向进行实时图像采集，在曲柄连杆机构的作用下，摆杆9做往复周期性运动，当摆杆9运动至露出于膜式燃气表进气口3的一个位置时，如图1所示，摄像头1在膜式燃气表进气口3正对方向采集到摆杆9和连杆8露出的图像，图1中的圆圈内的图为竖向俯视图，图中可采集到摆杆9和连杆8此刻的运动位置，保存该图像作为比较模板并记录此刻时间t0；此后，摄像头1以一定频率继续对于膜式燃气表进气口3正对方向进行实时图像采集，将采集的图像经图像采集处理模块处理后与所述比较模板的图像进行比较，当识别到摄像头1拍摄到的摆杆9和连杆8露出的图像能与所述比较模板匹配时，可确认摆杆9再一次运动到同一位置，此时记录时间t1，通过计算t1-t0得到两幅匹配图像的采集时间间隔，该采集时间间隔即为被检测的膜式燃气表6的回转周期；

所述摄像头1每采集到一幅图像，需要通过图像采集处理模块2对该图像进行实时处理以完成对往复件位置的识别，所述图像采集处理模块2采用实时处理方式，以实现图像处理与图像采集同步，所述图像采集处理模块2的识别处理步骤如下：

(1)灰度图的转换：摄像头1采集到的图像是24位BMP图，图中每个像素点占3个字节，分别为红，蓝，绿分量，利用灰度转换公式将其转化为8位灰度图，转化公式如下:G＝0.299×r+0.578×g+0.114×b；式中:G—代表转换后得到的灰度值；r—代表红色分量；g—代表绿色分量；b—代表蓝色分量；

(2)图像二值化：为防止因光照强度变化的外界干扰造成的对同一位置在不同时刻采集到的图像灰度值不同，需先对灰度图进行二值化，在二值化图像中，只存在两种灰度，灰度为0的黑色和灰度为255的白色；

所有灰度大于或等于阈值的像素点被判定为属于特定物体，其灰度值为255，其余灰度小于阈值的像素点则被排除于特定物体区域外，其灰度值为0，表示背景或者例外的物体区域；二值化的所述阈值可以采用OTSU算法获得，OTSU算法是一种自适应的阈值确定方法，OTSU算法的基本思想是，对图像Image，记T为前景与背景的灰度分割阈值，前景点数占图像Image的比例为W₀，平均灰度为U₀，背景点数占图像Image的比例为W₁，平均灰度为U₁，则图像Image的总平均灰度为：U＝W_O×U₀+W₁×U₁,使T遍历最小灰度值0到最大灰度值255,当T使得方差G＝W₀×(U₀-U)²+W₁×(U₁-U)²取最大时，T即为灰度分割的最佳阈值，也即上述图像二值化的阈值；

可也采用基于OBEL算子的方法获得二值化的阈值。二值化阈值的选取，可先提取出灰度图的边缘，将边缘的像素点的灰度平均值作为分割阈值，边缘提取的方法可采用基于SOBEL算子的方法，该方法是，遍历灰度图中每一个像素，得到其水平方向和垂直方向的梯度，其中水平方向的梯度为：2×该像素点右边点的灰度值+右上点的灰度值+右下点的灰度值-2×左边点的灰度值-左上点的灰度值-左下点的灰度值，垂直方向的梯度为：2×该像素点正上方点的灰度值+左上点的灰度值+右上点的灰度值-2×正下方点的灰度值-左下点的灰度值-右下点的灰度值，水平梯度或垂直梯度较大的像素点属于灰度图中的边缘，将这些属于边缘的像素点的灰度平均值作为二值化的所述阈值；

(3)基于模板匹配的图像识别：将摄像头1采集到的比较模板的图像通过灰度转换和二值化处理后得到的二值图作为二值化比较模板，在其后一定频率的实时采集过程中，每采集到一幅图像，便将其经灰度转换和二值化处理后与二值化比较模板进行匹配，匹配方法为，将两幅图的每个对应位置像素点的像素值求差，再将对应像素点的像素值差的绝对值相加，当该值小于或等于设定上界时，便可认为两幅图匹配，也即认为两幅图相同，此时膜式燃气表6内的摆杆9正好往复运动一次，其间隔时间为一个回转周期。由于在二值图中，只存在两种灰度，0(黑色)和255(白色)，因此可将设定上界设定为:(整幅图总像素个数的0.5％)×255，该上界可根据需要调整，比如欲得到更精确的匹配结果时，可将上界变小，如设定为(整幅图总像素个数的0.2％)×255。

根据上述方法得到膜式燃气表的回转周期，利用膜式燃气表检定装置测量到的当前流量可方便地计算得到膜式燃气表的回转体积，可便于后续检定、标定工作。

利用所得到的回转周期可以使得膜式燃气表检定的最小体积由燃气表的字轮式计数器读数盘最低位转一圈对应的体积(如：G2.5表对应为10升)减小到一个回转体积(如：G2.5表一般为0.9至1.2升)，这样可大大减小膜式燃气表检定的时间，提高了检定效率；同时，本发明所述的将摄像头安装于膜式燃气表检定装置的夹表部件上的方法，便于信号的采集与传输，可直接应用于多只膜式燃气表串联同时进行检定的膜式燃气表检定系统中，实现多表同时检定，进一步提高检定效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于图像采集的膜式燃气表回转周期的检测方法，其特征在于：在原有的基于音速喷嘴的膜式燃气表检定装置的基础上，增加了摄像头和图像采集处理模块，所述的摄像头和图像采集处理模块固定在基于音速喷嘴的膜式燃气表检定装置的夹表部件上，所述摄像头位于膜式燃气表进气口的正上端；

摄像头用于对膜式燃气表进气口正对方向进行实时图像采集，在曲柄连杆机构的作用下，摆杆做往复周期性运动，当摆杆运动至露出于膜式燃气表的进气口的一个位置时，摄像头在所述进气口正对方向采集到摆杆和连杆露出的图像，保存该图像作为比较模板并记录此刻时间t0；此后，摄像头以一定频率继续对膜式燃气表进气口正对方向进行实时图像采集，将采集的图像经图像采集处理模块处理后与所述比较模板的图像进行比较，当识别到摄像头拍摄到的摆杆和连杆露出的图像能与所述比较模板匹配时，可确认摆杆再一次运动到同一位置，此时记录时间t1，通过计算t1-t0得到两幅匹配图像的采集时间间隔，该采集时间间隔即为膜式燃气表的回转周期；

所述摄像头每采集到一幅图像，需要通过所述图像采集处理模块对该图像进行实时处理以完成对往复件位置的识别，所述图像采集处理模块采用实时处理方式，以实现图像处理与图像采集同步，所述图像采集处理模块的识别处理步骤如下：

(1)灰度图的转换：摄像头采集到的彩色图像中，每个像素点占3个字节，分别为红，蓝，绿分量，利用灰度转换公式将其转化为灰度图，转化公式如下:G＝0.299×r+0.578×g+0.114×b；式中:G—代表转换后得到的灰度值；r—代表红色分量；g—代表绿色分量；b—代表蓝色分量；

(2)图像二值化：为防止因光照强度变化的外界干扰造成的对同一位置在不同时刻采集到的图像灰度值不同，需先对灰度图进行二值化，所有灰度大于或等于阈值的像素点被判定为属于特定物体，其灰度值为255，其余灰度小于阈值的像素点则被排除于特定物体区域外，其灰度值为0，表示背景或者例外的物体区域；二值化的所述阈值可以采用OTSU算法获得，OTSU算法是一种自适应的阈值确定方法，OTSU算法的基本思想是，对图像Image，记T为前景与背景的灰度分割阈值，前景点数占图像Image的比例为W₀，平均灰度为U₀，背景点数占图像Image的比例为W₁，平均灰度为U₁，则图像Image的总平均灰度为：U＝W_O×U₀+W₁×U₁,使T遍历最小灰度值0到最大灰度值255,当T使得方差G＝W₀×(U₀-U)²+W₁×(U₁-U)²取最大时，T即为灰度分割的最佳阈值，也即上述图像二值化的阈值；

(3)基于模板匹配的图像识别：将摄像头采集到的比较模板的图像通过灰度转换和二值化处理后得到的二值图作为二值化比较模板，在其后一定频率的实时采集过程中，每采集到一幅图像，便将其经灰度转换和二值化处理后与二值化比较模板进行匹配，匹配方法为，将两幅图的每个对应位置像素点的像素值求差，再将对应像素点的像素值差的绝对值相加，当该值小于或等于设定上界时，便可认为两幅图匹配，也即认为两幅图相同，此时膜式燃气表内的摆杆正好往复运动一次，其间隔时间为一个回转周期。

2.如权利要求1所述的基于图像采集的膜式燃气表回转周期的检测方法，其特征在于：所述图像采集处理模块的基于模板匹配的图像识别过程中，所述设定上界设定为:(整幅图总像素个数的0.5％)×255。

3.如权利要求1所述的基于图像采集的膜式燃气表回转周期的检测方法，其特征在于：获得二值化的阈值的所述OTSU算法可由基于SOBEL算子的方法替代；阈值的选取，可先提取出灰度图的边缘，将边缘的像素点的灰度平均值作为分割阈值，边缘提取的方法采用基于SOBEL算子的方法，该方法是，遍历灰度图中每一个像素，得到其水平方向和垂直方向的梯度，其中水平方向的梯度为：2×该像素点右边点的灰度值+右上点的灰度值+右下点的灰度值-2×左边点的灰度值-左上点的灰度值-左下点的灰度值，垂直方向的梯度为：2×该像素点正上方点的灰度值+左上点的灰度值+右上点的灰度值-2×正下方点的灰度值-左下点的灰度值-右下点的灰度值，水平梯度或垂直梯度较大的像素点属于灰度图中的边缘，将这些属于边缘的像素点的灰度平均值作为二值化的所述阈值。

4.如权利要求1-3之一所述的基于图像采集的膜式燃气表回转周期的检测方法，其特征在于：所述摄像头采集到的彩色图像为24位BMP图，经过灰度转换后形成8位灰度图。

5.如权利要求1-3之一所述的基于图像采集的膜式燃气表回转周期的检测方法所使用的检测装置，其特征在于：在原有基于音速喷嘴的膜式燃气表检定装置基础上，增加了摄像头和图像采集处理模块，原有的基于音速喷嘴的膜式燃气表检定装置，包括膜式燃气表进气口、膜式燃气表字轮式计数器、膜式燃气表字轮式计数器读数盘最低位光标、光电传感器、膜式燃气表出气口、以及气密夹紧在膜式燃气表进气口和膜式燃气表出气口的上端的夹表部件，所述摄像头和图像采集处理模块固定在基于音速喷嘴的膜式燃气表检定装置的夹表部件上，其中摄像头固定在夹表部件的下端面上，且位于膜式燃气表进气口的正上端，所述夹表部件的进气口和膜式燃气表进气口相通，所述夹表部件的出气口和膜式燃气表出气口相通；

摄像头随音速喷嘴标准检定装置的夹表部件缓缓下落并与膜式燃气表进气口、膜式燃气表出气口分别气密夹紧，摄像头用于对膜式燃气表进气口正对方向进行实时图像采集。