CN117115409A - 一种基于机器视觉的仪表数据采集装置及方法 - Google Patents

一种基于机器视觉的仪表数据采集装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于机器视觉的仪表数据采集装置及方法，其特征在于，所述装置包括摄像头、光源模块、伸缩调节模块、固定外壳、夹紧模块、图像处理模块、存储模块和通讯模块；所述摄像头用于采集仪表部分的图像信息，所述光源模块用于为摄像模块提供光源，所述伸缩调节模块用于调节摄像头和光源的位置和角度，所述夹紧模块用于在使用场景中固定安装本装置；所述图像处理模块用于接收摄像头传递的图像并对其进行处理分析得到仪表读数；本发明通过在不同角度和光照条件下进行图像采集并分析，可以获得更全面准确的仪表读数。

Description

一种基于机器视觉的仪表数据采集装置及方法
技术领域
本发明涉及仪表数据采集技术领域，尤其涉及一种基于机器视觉的仪表数据采集装置及方法。
背景技术
在工业、医疗、能源、环保等多个领域，仪表是用于测量、显示和控制各种物理或化学参数的重要设备。传统的仪表读数通常依赖人工操作，这不仅效率低下，而且容易产生人为错误；因此，有一种迫切的需求，即通过自动化手段，高准确度地获取仪表数据，同时还要考虑到各种环境因素的影响。
查阅相关已公开技术方案，公开号为CN216480115U的技术提出一种基于机器视觉的仪表数据采集装置，其特征在于，包括工业相机、环形光源、外壳模块、相机角度调节模块、连接支杆模块、显示屏、环式仪器连接器、法兰式仪器连接器。外壳模块包括内底座安装槽、内底座锁死装置，相机角度调节模块包括相机安装板、齿轮后座、调节蜗杆、调节内底座、齿轮中心轴，连接支杆模块包括可拆卸式连接装置、活塞式可调内杆、锁死装置、空心外杆、外杆连接架，环式仪器连接器包括环式仪器连接器主座、环式仪器连接器副座，法兰式仪器连接器包括法兰式仪器连接器连接座、法兰式仪器连接器底板；该方案实现了仪表数据的实时精确采集，并为数据传输提供扩展接口，可以克服人工读取数据误差大、效率低等的问题；但该方案无法解决采集环境，如光照条件的变化对仪表数据产生的采集读数不准确问题。
发明内容
本发明的目的在于，针对目前所存在的不足，提出了一种基于机器视觉的仪表数据采集装置及方法。
本发明采用如下技术方案：
一种基于机器视觉的仪表数据采集装置，其特征在于，所述装置包括摄像头、光源模块、伸缩调节模块、固定外壳、夹紧模块、图像处理模块、存储模块和通讯模块；
所述摄像头用于采集仪表部分的图像信息，所述光源模块用于为摄像模块提供光源，所述伸缩调节模块用于调节摄像头和光源的位置和角度，所述夹紧模块用于在使用场景中固定安装本装置；所述图像处理模块用于接收摄像头传递的图像并对其进行处理分析得到仪表读数；所述存储模块用于存储原始图像和处理后的仪表读数；所述通讯模块用于将数据传输到中央数据库或其他数据接收设备；
所述光源模块包括光源和光源控制单元，所述光源控制单元用于调整光源的亮度、对比度和色温；所述伸缩调节模块包括内座、法兰连接装置、伸缩调节杆、采集支架和转动装置，所述夹紧模块包括夹紧调节杆、主动齿轮、左调节齿轮、右调节齿轮、连接杆、夹紧钳和夹层，所述摄像头和光源安装在伸缩调节模块上方位置，所述伸缩调节模块安装在固定外壳内部上方位置，所述夹紧模块安装在固定外壳下方位置；
一种基于机器视觉的仪表数据采集方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：在仪表正面位置安装摄像头和光源，并对摄像头进行聚焦调整，确保摄像头的采集区域内仪表的显示部位清晰可见；
S2：设定摄像头的预设采集旋转角度和光源的亮度模式，分别对下述情况下的仪表图像进行采集：
正面采集：在仪表正面采集光源的亮度模式分别在强光、中等和弱光模式下的三张仪表图像；
左侧面采集：通过转动装置将摄像头和光源旋转至左侧预设采集旋转角度的位置，分别采集在强光、中等和弱光模式下的三张仪表图像；
右侧面采集：通过转动装置将摄像头和光源旋转至右侧预设采集旋转角度的位置，分别采集在强光、中等和弱光模式下的三张仪表图像；
S3：对采集的仪表图像进行处理分析获取仪表读数；
S4：存储上一步骤中获取的仪表读数并传输到中央数据库或其他数据接收设备中；
进一步的，所述步骤S3的具体分析通过以下步骤进行：
S31：对采集的仪表图像进行去噪和灰度处理；
S32：提取出S31步骤处理后的仪表图像中的仪表轮廓部分图像，并对侧面采集的仪表轮廓部分图像进行校正；
S33：对S32步骤处理后的仪表轮廓部分图像进行字符提取和字符识别，获取各仪表轮廓部分图像对应的仪表读数；
S34：计算各仪表轮廓部分图像的选择权重：
；
其中，为常数，用以防止分母为0；/>为仪表轮廓部分图像中字符部分像素波动值，满足：
；
其中，为该仪表轮廓部分图像中字符部分像素数量，/>为该仪表轮廓部分图像中字符部分中第/>个像素值，/>为该仪表轮廓部分图像中字符部分像素均值；
S35：获取选择权重最高的三个仪表轮廓部分图像对应的仪表读数，计算最终的仪表读数：
；
其中，为最终的仪表读数，/>为选择权重最高的三个仪表轮廓部分图像中第/>个图像对应的选择权重，/>为选择权重最高的三个仪表轮廓部分图像中第/>个图像对应的仪表读数；
进一步的，所述步骤S32对侧面采集的仪表轮廓部分图像进行校正的具体方式包括：
S321：计算缩放因子：
；
；
其中，为宽度缩放因子，/>为高度缩放因子，/>为正面采集的仪表轮廓部分图像宽度，/>为正面采集的仪表轮廓部分图像高度，/>为侧面采集的仪表轮廓部分图像宽度，/>为侧面采集的仪表轮廓部分图像高度；
S322：确定仿射矩阵并进行仿射变换，设为侧面采集的仪表轮廓部分图像中像素点原坐标，/>为侧面采集的仪表轮廓部分图像中像素点新坐标，满足：
其中，为仿射矩阵；
S323：对像素插值补充：通过插值计算方式计算仪表轮廓部分图像中像素点新坐标的像素值，完成图像校正。
本发明所取得的有益效果是：
本发明通过对不同角度、不同光照条件下的仪表图像进行采集并分析，可以更全面的获取仪表数据，多张图像提供了数据冗余，通过对仪表图像字符部分的像素的波动赋予各图像的权重，并进行选择分析计算，减少了拍摄角度和光照条件对于摄像头拍摄的仪表图像质量的影响，从而大大提高了仪表读数的准确性。
附图说明
从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。
图1为本发明装置整体示意图。
图2为本发明数据采集方法流程示意图。
图3位本发明图像处理分析方法流程示意图。
图中标号含义：1-光源，2-摄像头，3-转动装置，4-采集支架，5-法兰连接装置，6-内座，7-伸缩调节杆，8-夹紧调节杆，9-主动齿轮，10-左调节齿轮，11-右调节齿轮，12-连接杆，13-夹紧钳，14-夹层，15-固定外壳。
具体实施方式
为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明；对于本领域技术人员而言，在查阅以下详细描述之后，本实施例的其它系统、方法和/或特征将变得显而易见；旨在所有此类附加的系统、方法、特征和优点都包括在本说明书内；包括在本发明的范围内，并且受所附权利要求书的保护；在以下详细描述描述了所公开的实施例的另外的特征，并且这些特征根据以下将详细描述将是显而易见的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例一。
如图1所示，本实施例提供一种基于机器视觉的仪表数据采集装置，其特征在于，所述装置包括摄像头、光源模块、伸缩调节模块、固定外壳、夹紧模块、图像处理模块、存储模块和通讯模块；
所述摄像头用于采集仪表部分的图像信息，所述光源模块用于为摄像模块提供光源，所述伸缩调节模块用于调节摄像头和光源的位置和角度，所述夹紧模块用于在使用场景中固定安装本装置；所述图像处理模块用于接收摄像头传递的图像并对其进行处理分析得到仪表读数；所述存储模块用于存储原始图像和处理后的仪表读数；所述通讯模块用于将数据传输到中央数据库或其他数据接收设备；
所述光源模块包括光源和光源控制单元，所述光源控制单元用于调整光源的亮度、对比度和色温；所述伸缩调节模块包括内座、法兰连接装置、伸缩调节杆、采集支架和转动装置，所述夹紧模块包括夹紧调节杆、主动齿轮、左调节齿轮、右调节齿轮、连接杆、夹紧钳和夹层，所述摄像头和光源安装在伸缩调节模块上方位置，所述伸缩调节模块安装在固定外壳内部上方位置，所述夹紧模块安装在固定外壳下方位置；
如图2所示，本实施例提供一种基于机器视觉的仪表数据采集方法，所述方法包括：
S1：在仪表正面位置安装摄像头和光源，并对摄像头进行聚焦调整，确保摄像头的采集区域内仪表的显示部位清晰可见；
S2：设定摄像头的预设采集旋转角度和光源的亮度模式，分别对下述情况下的仪表图像进行采集：
正面采集：在仪表正面采集光源的亮度模式分别在强光、中等和弱光模式下的三张仪表图像；
左侧面采集：通过转动装置将摄像头和光源旋转至左侧预设采集旋转角度的位置，分别采集在强光、中等和弱光模式下的三张仪表图像；
右侧面采集：通过转动装置将摄像头和光源旋转至右侧预设采集旋转角度的位置，分别采集在强光、中等和弱光模式下的三张仪表图像；
S3：对采集的仪表图像进行处理分析获取仪表读数；
S4：存储上一步骤中获取的仪表读数并传输到中央数据库或其他数据接收设备中；
进一步的，如图3所示，所述步骤S3的具体分析通过以下步骤进行：
S31：对采集的仪表图像进行去噪和灰度处理；
S32：提取出S31步骤处理后的仪表图像中的仪表轮廓部分图像，并对侧面采集的仪表轮廓部分图像进行校正；
S33：对S32步骤处理后的仪表轮廓部分图像进行字符提取和字符识别，获取各仪表轮廓部分图像对应的仪表读数；
S34：计算各仪表轮廓部分图像的选择权重：
；
其中，为一很小的常数，用以防止分母为0；/>为仪表轮廓部分图像中字符部分像素波动值，满足：
；
其中，为该仪表轮廓部分图像中字符部分像素数量，/>为该仪表轮廓部分图像中字符部分中第/>个像素值，/>为该仪表轮廓部分图像中字符部分像素均值；
S35：获取选择权重最高的三个仪表轮廓部分图像对应的仪表读数，计算最终的仪表读数：
；
其中，为最终的仪表读数，/>为选择权重最高的三个仪表轮廓部分图像中第/>个图像对应的选择权重，/>为选择权重最高的三个仪表轮廓部分图像中第/>个图像对应的仪表读数；
进一步的，所述步骤S32对侧面采集的仪表轮廓部分图像进行校正的具体方式包括：
S321：计算缩放因子：
；
；
其中，为宽度缩放因子，/>为高度缩放因子，/>为正面采集的仪表轮廓部分图像宽度，/>为正面采集的仪表轮廓部分图像高度，/>为侧面采集的仪表轮廓部分图像宽度，/>为侧面采集的仪表轮廓部分图像高度；
S322：确定仿射矩阵并进行仿射变换，设为侧面采集的仪表轮廓部分图像中像素点原坐标，/>为侧面采集的仪表轮廓部分图像中像素点新坐标，满足：
其中，为仿射矩阵；
S323：对像素插值补充：通过插值计算方式计算仪表轮廓部分图像中像素点新坐标的像素值，完成图像校正。
实施例二：
本实施例应当理解为至少包含前述任一一个实施例的全部特征，并在其基础上进一步改进；
本实施例提供一种基于机器视觉的仪表数据采集装置，其特征在于，所述装置包括摄像头、光源模块、伸缩调节模块、固定外壳、夹紧模块、图像处理模块、存储模块和通讯模块；
所述摄像头用于采集仪表部分的图像信息，所述光源模块用于为摄像模块提供光源，所述伸缩调节模块用于调节摄像头和光源的位置和角度，所述夹紧模块用于在使用场景中固定安装本装置；所述图像处理模块用于接收摄像头传递的图像并对其进行处理分析得到仪表读数；所述存储模块用于存储原始图像和处理后的仪表读数；所述通讯模块用于将数据传输到中央数据库或其他数据接收设备；
所述光源模块包括光源和光源控制单元，所述光源控制单元用于调整光源的亮度、对比度和色温；所述伸缩调节模块包括内座、法兰连接装置、伸缩调节杆、采集支架和转动装置，所述夹紧模块包括夹紧调节杆、主动齿轮、左调节齿轮、右调节齿轮、连接杆、夹紧钳和夹层，所述摄像头和光源安装在伸缩调节模块上方位置，所述伸缩调节模块安装在固定外壳内部上方位置，所述夹紧模块安装在固定外壳下方位置；
具体地，所述光源和摄像头通过转动装置与采集支架连接，所述光源和摄像头可通过转动装置在其左右方向自由转动；所述采集支架通过法兰连接装置与内座固定连接，所述伸缩调节杆固定安装在内座上，所述固定外壳上设置有杆槽，所述伸缩调节杆可通过沿杆槽上下移动嵌入不同的杆槽内位置完成对伸缩调节模块高度的调节；所述夹紧调节杆与主动齿轮固定连接，所述主动齿轮与右调节齿轮啮合，所述右调节齿轮与左调节齿轮啮合，所述左、右调节齿轮通过连接杆与夹紧钳固定连接；
进一步的，本装置在使用时，使用者可自由设定采集周期，在到达采集周期的时间点时，自动完成仪表数据的采集；本实施例提供一种基于机器视觉的仪表数据采集方法，所述方法包括：
S1：在仪表正面位置安装摄像头和光源，并对摄像头进行聚焦调整，确保摄像头的采集区域内仪表的显示部位清晰可见；
S2：设定摄像头的预设采集旋转角度和光源的亮度模式，分别对下述情况下的仪表图像进行采集：
正面采集：在仪表正面采集光源的亮度模式分别在强光、中等和弱光模式下的三张仪表图像；
左侧面采集：通过转动装置将摄像头和光源旋转至左侧预设采集旋转角度的位置，分别采集在强光、中等和弱光模式下的三张仪表图像；
右侧面采集（右侧）：通过转动装置将摄像头和光源旋转至右侧预设采集旋转角度的位置，分别采集在强光、中等和弱光模式下的三张仪表图像；
S3：对采集的仪表图像进行处理分析获取仪表读数；
S4：存储上一步骤中获取的仪表读数并传输到中央数据库或其他数据接收设备中；
进一步的，在步骤S1中，对本装置进行安装时，首先将本装置置于仪表正面位置，通过旋转夹紧调节杆，使夹紧调节杆带动主动齿轮转动，主动齿轮带动右调节齿轮转动，右调节齿轮带动左调节齿轮转动，左、右调节齿轮通过连接杆带动夹紧钳收缩或张开，从而完成本装置在使用环境中的固定；通过将伸缩调节杆调节进入固定外壳上的不同杆槽内，从而完成对摄像头和光源高度的调节；
进一步的，在步骤S2中，摄像头的预设采集旋转角度和亮度模式可由用户自行设定，须保证摄像头在转动到预采集旋转角度后，仪表部分的图像仍可以被摄像头采集到；通过对多角度、多光照条件下仪表图像的采集，可以通过后续分析择优选择出质量表现好的仪表图像，从而提高了对后续仪表读数获取的准确性；
进一步的，所述步骤S3的具体分析通过以下步骤进行：
S31：对采集的仪表图像进行去噪和灰度处理；
S32：提取出S31步骤处理后的仪表图像中的仪表轮廓部分图像，并对侧面采集的仪表轮廓部分图像进行校正；
S33：对S32步骤处理后的仪表轮廓部分图像进行字符提取和字符识别，获取各仪表轮廓部分图像对应的仪表读数；
S34：计算各仪表轮廓部分图像的选择权重：
；
其中，为常数，用以防止分母为0；/>为仪表轮廓部分图像中字符部分像素波动值，满足：
；
其中，为该仪表轮廓部分图像中字符部分像素数量，/>为该仪表轮廓部分图像中字符部分中第/>个像素值，/>为该仪表轮廓部分图像中字符部分像素均值；
S35：获取选择权重最高的三个仪表轮廓部分图像对应的仪表读数，计算最终的仪表读数：
；
其中，为最终的仪表读数，/>为选择权重最高的三个仪表轮廓部分图像中第/>个图像对应的选择权重，/>为选择权重最高的三个仪表轮廓部分图像中第/>个图像对应的仪表读数；
进一步的，所述步骤S32对侧面采集的仪表轮廓部分图像进行校正的具体方式包括：
S321：计算缩放因子：
；
；
其中，为宽度缩放因子，/>为高度缩放因子，/>为正面采集的仪表轮廓部分图像宽度，/>为正面采集的仪表轮廓部分图像高度，/>为侧面采集的仪表轮廓部分图像宽度，/>为侧面采集的仪表轮廓部分图像高度；
S322：确定仿射矩阵并进行仿射变换，设为侧面采集的仪表轮廓部分图像中像素点原坐标，/>为侧面采集的仪表轮廓部分图像中像素点新坐标，满足：
其中，为仿射矩阵；
S323：对像素插值补充：通过插值计算方式计算仪表轮廓部分图像中像素点新坐标的像素值，完成图像校正。
以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的保护范围，所以凡是运用本发明说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的保护范围内，此外，随着技术发展其中的元素可以更新的。

Claims (4)

1.一种基于机器视觉的仪表数据采集装置，其特征在于，所述装置包括摄像头、光源模块、伸缩调节模块、固定外壳、夹紧模块、图像处理模块、存储模块和通讯模块；
所述摄像头用于采集仪表部分的图像信息，所述光源模块用于为摄像模块提供光源，所述伸缩调节模块用于调节摄像头和光源的位置和角度，所述夹紧模块用于在使用场景中固定安装本装置；所述图像处理模块用于接收摄像头传递的图像并对其进行处理分析得到仪表读数；所述存储模块用于存储原始图像和处理后的仪表读数；所述通讯模块用于将数据传输到中央数据库或其他数据接收设备；
所述光源模块包括光源和光源控制单元，所述光源控制单元用于调整光源的亮度、对比度和色温；所述伸缩调节模块包括内座、法兰连接装置、伸缩调节杆、采集支架和转动装置，所述夹紧模块包括夹紧调节杆、主动齿轮、左调节齿轮、右调节齿轮、连接杆、夹紧钳和夹层，所述摄像头和光源安装在伸缩调节模块上方位置，所述伸缩调节模块安装在固定外壳内部上方位置，所述夹紧模块安装在固定外壳下方位置。
2.一种基于机器视觉的仪表数据采集方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：在仪表正面位置安装摄像头和光源，并对摄像头进行聚焦调整，确保摄像头的采集区域内仪表的显示部位清晰可见；
S2：设定摄像头的预设采集旋转角度和光源的亮度模式，分别对下述情况下的仪表图像进行采集：
正面采集：在仪表正面采集光源的亮度模式分别在强光、中等和弱光模式下的三张仪表图像；
左侧面采集：通过转动装置将摄像头和光源旋转至左侧预设采集旋转角度的位置，分别采集在强光、中等和弱光模式下的三张仪表图像；
右侧面采集：通过转动装置将摄像头和光源旋转至右侧预设采集旋转角度的位置，分别采集在强光、中等和弱光模式下的三张仪表图像；
S3：对采集的仪表图像进行处理分析获取仪表读数；
S4：存储上一步骤中获取的仪表读数并传输到中央数据库或其他数据接收设备中。
3.根据权利要求2所述的一种基于机器视觉的仪表数据采集方法，其特征在于，所述步骤S3的具体分析通过以下步骤进行：
S31：对采集的仪表图像进行去噪和灰度处理；
S32：提取出S31步骤处理后的仪表图像中的仪表轮廓部分图像，并对侧面采集的仪表轮廓部分图像进行校正；
S33：对S32步骤处理后的仪表轮廓部分图像进行字符提取和字符识别，获取各仪表轮廓部分图像对应的仪表读数；
S34：计算各仪表轮廓部分图像的选择权重：
；
其中，为常数，用以防止分母为0；/>为仪表轮廓部分图像中字符部分像素波动值，满足：
；
其中，为该仪表轮廓部分图像中字符部分像素数量，/>为该仪表轮廓部分图像中字符部分中第/>个像素值，/>为该仪表轮廓部分图像中字符部分像素均值；
S35：获取选择权重最高的三个仪表轮廓部分图像对应的仪表读数，计算最终的仪表读数：
；
其中，为最终的仪表读数，/>为选择权重最高的三个仪表轮廓部分图像中第/>个图像对应的选择权重，/>为选择权重最高的三个仪表轮廓部分图像中第/>个图像对应的仪表读数。
4.根据权利要求3所述的一种基于机器视觉的仪表数据采集方法，其特征在于，所述步骤S32对侧面采集的仪表轮廓部分图像进行校正的具体方式包括：
S321：计算缩放因子：
；
；
其中，为宽度缩放因子，/>为高度缩放因子，/>为正面采集的仪表轮廓部分图像宽度，/>为正面采集的仪表轮廓部分图像高度，/>为侧面采集的仪表轮廓部分图像宽度，/>为侧面采集的仪表轮廓部分图像高度；
S322：确定仿射矩阵并进行仿射变换，设为侧面采集的仪表轮廓部分图像中像素点原坐标，/>为侧面采集的仪表轮廓部分图像中像素点新坐标，满足：
其中，为仿射矩阵；
S323：对像素插值补充：通过插值计算方式计算仪表轮廓部分图像中像素点新坐标的像素值，完成图像校正。
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李真: "复杂光照环境下电力仪表的二值化研究", 《微型机与应用》, pages 1 - 6 *

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