CN111882569A - 一种基于机器视觉的指针式压力表自动校验仪示值读数方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的指针式压力表自动校验仪示值读数方法。该方法使用了当下最新的图像处理技术，并结合最小二乘法等数学知识，实现了在压力表自动检定仪中压力仪表示值的自动判读。本发明减小了人工判读所带来的因试验人员经验不同及视觉误差不一致等引起的系统误差，从而提高了指针式压力表检定的快速性和准确性。

Description

一种基于机器视觉的指针式压力表自动校验仪示值读数方法

技术领域

本发明属于机器视觉技术领域，主要涉及一种基于机器视觉的指针式压力表自动校验仪示值读数方法。

背景技术

指针式压力表的使用非常普遍，数量众多，但目前压力表的校验仍然主要采用传统的手动调压及人眼读数的方式。在现场压力表数量较多的情况下，人工校验压力表不仅效率低下，试验人员工作任务异常繁重，而且，由于每个试验人员具有个体差异，人工读数的视觉误差不一致，误差的人工计算繁琐易出错，致使校准报告正确率不高，严重影响了计量工作的科学性和严谨性。为了能够自动且准确的给出压力表校验过程中的示值误差，提高压力表校验工作的科学性和严谨性；同时也为了提高试验报告的质量，减少试验人员的简单重复性工作，因此设计了一种基于机器视觉的指针式压力表自动校验仪示值读数方法。

发明内容

如附图1所示，基于机器视觉的指针式压力表自动校验仪示值读数系统包括：工业相机及镜头、被测压力表、标准压力表、可调压力源、工控机。压力源按照校验要求产生相应的压力并提供给压力表，工控机上的数据采集软件系统通过工业相机对被检压力表进行图像采集和示值判定，并与标准压力表数据进行对比，计算出被检压力表的示值误差。本发明针对以上过程，给出一种基于机器视觉的指针式压力表自动校验仪示值读数方法。该方法流程包括：表盘图像采集和预处理、表盘圆心的识别、表盘刻度线及指针的定位以及压力示值的计算。

本发明的技术方案的步骤如下：

(1)指针式压力表的表盘正对工业相机安装。测量时，工业相机采集表盘图像，对采集到的表盘图像进行预处理，具体包括：灰度化、滤波去噪以及二值化，从而得到黑白分明的二值图像。

(2)在表盘边缘处设定三个矩形ROI(感兴趣区域)，提取出轮廓并通过最小二乘法进行圆拟合，进而确定表盘的圆心。

(3)确定圆心后，根据刻度线在表盘的位置分布情况设定一个扫描的半径，对表盘区域每隔0.1度进行环形扫描，通过检测到的灰度值确定刻线位置。

(4)根据指针的长度特点进一步确定扫描的最大和最小半径，对所确定的环形目标区域进行扫描，通过获取灰度值峰值的方法提取出表盘的指针。

(5)根据压力表的量程信息、视觉检测到的刻度线以及指针位置，可计算出压力表当前示值。

本发明的有益效果：本发明实现了指针式压力表的自动判读功能，能够帮助工作人员高效、高质的完成指针式压力仪表的快速检定、校准工作。

附图说明

图1是指针式压力表视觉读数方法示意图

图2是压力表示值读数算法流程图

图3是二值化操作后的图像示意图

图4是压力表圆周拟合后效果图

图5是压力表的指针和刻度线扫描示意图

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。在本实施例的压力表图像中，表盘实际大小为外径150mm，压力表量程为2.5MPa。

(1)首先对采集到的压力表图像进行灰度化操作，然后对其进行降噪处理，本次实施例中采用的是自适应中值滤波来完成图像的滤波过程。其具体过程如下：

定义m×n的矩形窗口S_xy作为滤波器区域。在该区域内定义如下变量：Z_min是S_xy中的最小灰度值，Z_max是S_xy中的最大灰度值，Z_med是S_xy中灰度平均值，Z_xy是坐标(x,y)处的灰度值，S_MAX是S_xy所允许的最大尺寸。自适应中值滤波算法以A、B两个进程工作，如下所示：

进程A：

m(x,y)＝f(x,y)+n(x,y)

A₂＝Z_med-Z_max

如果A₁>0且A₂<0，则转至进程B，否则增大窗口尺寸；如果窗口尺寸小于S_MAX，则重复进程A，否则输出Z_med；

进程B：

B₁＝Z_xy-Z_min

B₂＝Z_xy-Z_max

设定S_MAX为5×5大小窗口，按以上步骤对原始图像进行滤波。自适应中值滤波可以很好的去除图像上的孤立点、激光条纹上的噪声，同时还可以最大限度的保持图像的边缘。

最后对滤波后的表盘图像进行二值化阈值操作，即设定一个合适的阈值，此例中通过调节阈值大小最终设定阈值为80，对于二维数组中的每个值，高于80则变为255，低于此阈值则置零。对原图像进行预处理操作后，可以去除噪声，保留我们所需要的图像信息，经过预处理之后的压力表图像如附图3所示。

(2)接着对图像进行圆拟合，本次圆拟合所使用的方法为有约束条件下的最小二乘法，它的提出是根据聚类思想并结合平面中不共线的三点确定一个圆的数学理论。首先在圆周附近选取三块ROI，并记录ROI内的各个轮廓点的数据(x_i，y_i)，从而根据这些点进行圆拟合。

平面上圆的方程可以表示为：

(x-A)²+(y-B)²＝R²

其中R为圆的半径，(A，B)表示圆的圆心。

圆曲线的另一个方程通式为：

x²+y²+ax+by+c＝0

圆的通式是关于a、b和c的线性方程，利用最小二乘法建立圆拟合的数学模型，求得参数a、b和c的值。

在原始测得的N组数据(x_i，y_i)，(i＝1,2,3,…,N)中，根据通式和最小二乘法原理，需求目标函数

的最小值。将F(a,b,c)对a、b、c求偏导数，令偏导等于零，从而得到极值点，运算得到如下方程：

求解上述方程，即可解得a、b和c的值，再根据圆的两个方程参数之间如下的关系：

因此便得出了圆心的位置坐标(A，B)。对原图像进行圆拟合的效果图如附图4所示，由图可以看出，本方法对于圆心的定位比较准确。

(3)为了对本发明的读数方法有着更清晰的说明，故画出压力表指针及刻度线示意图如附图5所示。确定了表盘圆心后，以圆心为扫描中心，根据被检压力表刻度线位置分布情况设定扫描半径为135mm，并以y轴负方向为扫描的起始方向，对表盘图像进行360度顺时针环形扫描。在扫描过程中每隔0.1度对扫描的图像信息做出记录，用二维数组记录下扫描的角度以及当前点的像素，所采集的部分二维数组数据如下所示：

当扫描到空白区域时，像素值为255，而当检测到刻度线时的像素值则变为0。由以上数据可知，仪表的初始刻度线与扫描起始线的夹角为45度，而仪表终止刻度线与扫描起始线的夹角则为315度。

(4)接着再对表盘的指针进行定位，表盘指针定位的方法与刻度线定位相似。首先根据指针的长度特点确定目标扫描区域，本例中，设置扫描的最大半径为100mm，最小半径为50mm，以与扫描刻度线同样的扫描方式对所确定的区域进行环形扫描。与扫描刻度线所不同的是，此次每隔0.1度扫描的单位是长度为50mm的一系列像素点的集合，而不再是只有一个点。对于每次扫描，先提取出各个像素点的像素值，并将其累加，再除以扫描的点的长度50mm，从而得到扫描区域的灰度值均值vGray。同样的，用二维数组对每次扫描的角度信息和获取到的灰度值均值vGray进行记录，最后通过检测获取的最大vGray所对应的角度θ，从而确定指针的位置信息。本例对表盘图像进行扫描所获取的数据信息如下所示：

由以上数据可以很明显的发现当扫描的角度值为142.2度时，灰度值均值vGray有着最大值。其他个别像素值稍微大一点或许是因为受到压力表上汉字的影响，或许是因为指针宽度较宽等因素，但都没有达到最大，故对最终的定位结果都没有影响。

(5)本次压力仪表的读数采用的是角度法。如附图5所示，通过前面对仪表的刻度线和指针进行定位后，得到了刻度线和指针的角度信息。其中α表示的是仪表扫描起始线和初始刻度线的夹角，θ表示的是扫描起始线与指针的夹角，β表示的是仪表扫描起始线与终止刻度线之间的夹角。用L来表示被检压力表的量程，则压力仪表的示值Y可以用如下公式来表示：

对于本例中的压力表图像而言，α为45度，θ为142.2度，β为315度，压力表的量程L为2.5Mpa，故最终读数即为：

Claims (1)

1.一种用于指针式压力表自动检定仪的示值读数方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1：指针式压力表的表盘正对工业相机安装。测量时，工业相机采集表盘图像，对采集到的表盘图像进行预处理，具体包括：灰度化、滤波去噪以及二值化，从而得到黑白分明的二值图像。

步骤2：在表盘边缘处设定三个矩形ROI(感兴趣区域)，提取出轮廓并通过最小二乘法进行圆拟合，进而确定表盘的圆心。

步骤3：确定圆心后，根据刻度线在表盘的位置分布情况设定一个扫描的半径，对表盘区域每隔0.1度进行环形扫描，通过检测到的灰度值确定刻线位置。

步骤4：根据指针的长度特点进一步确定扫描的最大和最小半径，对所确定的环形目标区域进行扫描，通过获取灰度值峰值的方法提取出表盘的指针。

步骤5：根据压力表的量程信息、视觉检测到的刻度线以及指针位置，可计算出压力表当前示值。

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