CN1292233C - 基于图形的物理量数字化测量方法 - Google Patents

Abstract

一种自动测试领域的基于图形的物理量数字化测量方法，将数码摄像头与计算机连接，摄取目测式测量仪表的刻度和测量标志的图像，应用图像技术对图像进行处理，判别指示标志即指针或浮子上的标志及仪表上刻度的相对位置，计算出被测物理量的数据，摄像头所摄取的图像是以像素点阵数据的数字化形式输入计算机的，只要识别出指示标志线图像和标尺的图像，就能通过数值计算求出测量值。本发明具有设备成本低，完全避免环境电磁场干扰，克服了目测式仪表无信号输出的缺点，直接实现各种物理量的数字化测量。在提高分辨率的同时可消除图像畸变对测量读数的影响，并可以用于非线性分度的仪表等一系列优点。

Description

基于图形的物理量数字化测量方法

技术领域

本发明涉及的是一种对物理量进行测量的方法，具体是一种基于图形的物理量数字化测量方法。用于自动测试技术领域。

背景技术

在工业生产中常常需要对重量、应力、应变、液位的高度、流体的压力、流量、真空度等物理量进行自动测量、记录和控制。现广泛应用的许多目测式的指标仪器仪表，是人们用肉眼根据指示的位置和表盘上标尺的刻度读出被测物理量的测量值。其优点在于直接反映被测的物理量的变化，已有长期的制造和使用经验，造价低，免除了使用环境中电磁场的干扰，可靠性和稳定性好。其最大的缺点是没有测量信号的输出，因而无法实现数字化测量，数字化显示和数字化控制。

目前最具发展前途的自动测量技术是数字化测量技术。它可以直接用数字显示测试的结果，更重要的是可以将测量结果与计算机系统连接。现有的各种数字化测量技术的共同特点是首先将各种物理量转化为电压信号，然后通过模数转换技术(即A/D转换)转化为数字量。模数转换技术十分成熟，已经商品化和标准化，价格低廉，通用性强，而且可以达到很高的转化精度。但是这种技术的缺点是：必须设计制造将不同的场量转化为标准电讯号的传感器，而传感元件和传感器的设计和制造比较复杂，成本较高，传感元件的性能在使用过程中会逐渐发生变化(即所谓“老化”现象)使其输出值产生漂移，同时传感器输出的模拟电压信号容易受到外界电场的干扰，影响测试精度。

经对现有技术文献的检索发现，专利名称：图象分析式液位测量装置及检测方法，申请(专利)号：94106117.5，该专利是利用摄像机通过观察孔摄取标志目标随液位变化的图象，经计算机处理后来测定液位高低，并在数字图象处理中通过补偿及舍取方法来消除抖动和形变引起的误差。但是增加了装置的复杂性，利用几何光学原理来计算增加了测量误差，另外摄像头和被测物体间的距离较远，则标志物在像素点阵中所占比例很小，读数的分辨率低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种基于图形的物理量数字化测量方法，使其用人工视觉代替肉眼直接读取目测式仪器仪表的测量值，实现数字化显示和数字化控制的方法，克服基于A/D转换的数字化测量技术和目测式仪表的缺点而兼具两者的优点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明将数码摄像头与计算机连接，摄取目测式测量仪表的刻度和测量标志的图像，应用图像技术对图像进行处理，判别指示标志(指针或浮子上的标志)及仪表上刻度的相对位置，计算出被测物理量的数据。摄像头所摄取的图像是以像素点阵数据的数字化形式输入计算机的，只要识别出指示标志线图像和标尺的图像就可以通过数值计算求出测量值。下面是标志线识别和读数计算的具体方法：

第一步：预先输入该仪表满刻度时的最大量程V_max，扫描整个标尺记录下粗分度线的次数n，在任何两个粗分度线之间扫描，记录下细分度线次数m。

第二步：按照标尺的粗分度线搜索测量值标志线的位置。从标尺的底部开始扫描，记存搜索到测量值标志时所经过的粗分度线的次数，此次数减1，定义为A值。

第三步：按照标尺的细分度线搜索测量标志线的位置，从A位置开始向上扫描记取搜索到测量标志线时扫过细分度线的次数，定义为B值。

第四步：用插值法确定测量值标志线在B和B+1分度线之间的位置，定义B至B+1之间的像素点数为x1，B至标志线之间的像素点数为x2，令 $C=\frac{x_2}{x_1},$ $(C=\frac{x_2}{x_1}=0.7).$ 则可以用下式计算出测量值V：

$V=[A+(B+C)\frac{1}{m+1}]\frac{V_{\max }}{n-1}$

同理，对于用指针角度表示物理量数值的各种圆盘式仪表，同样是利用上面所述的方法来进行测量值的计算。由于此类型仪表每一条刻度线与水平线的角度都不相同，所以在摄像头搜索标志线位置时，要能对分度线做准确的判别，以便记录测量标志线所经过的分度线次数。因此要分两种情况考虑：

测量值在 范围内，此时刻度线与水平线的夹角≤90°

测量值在 范围内，此时刻度线与水平线的夹角≥90°

编制不同的软件对这两种图像进行处理，分别得出较精确的A，B，C值，由于B与B+1之间距离很短，角度变化不大，可以近似看成平行，C值同样线性化得到为 所以最终得出测量值仍为 $V=[A+(B+C)\frac{1}{m+1}]\frac{V_{\max }}{n-1}.$

测量值V可以用数字显示的方法输出，也可以用V与时间的关系曲线的形式输出，并根据曲线的斜率随时间的变化计算V的变化速率。而且测量值作为一个数字量还可以被计算机软件系统中其他模块(例如显示模块，自动控制模块)等直接调用。

本发明具有设备成本低，完全避免环境电磁场干扰，克服了目测式仪表无信号输出的缺点，直接实现各种物理量的数字化测量。而且方法简便，通用性强，可以用于非线性分度的仪表，因而本发明具有突出的实质性进步和明显的优点。

附图说明

图1本发明方法标志线粗分度线读数示意图

图2本发明方法标志线细分度线读数示意图

图3本发明方法标志线最终位置读数示意图

具体实施方式

结合附图以及本发明的内容提供实施例，对本发明技术方案作进一步的理解。

如图1-3所示，以下为实施例的具体内容，实施例中的A、B、C分别对应于图1、2、3中的A、B、C：

实施例1：浮子流量计，应用在渗碳/氮炉中气体的流量测量，有很明显的刻度标志线，指示标志浮子可以被摄像头轻松捕捉到，此流量计最大量程数值为1.2，粗分度线个数n＝7，细分度线个数m＝3，当浮子停留在某一位置并稳定后，按照粗分度线纪录到浮子所经过的次数减1为A＝2，从A开始记录细分度线所经过的次数B＝2，用插值法确定浮子在B和B+1分度线之间的位置C＝0.6，根据 $V=[A+(B+C)\frac{1}{m+1}]\frac{V_{\max }}{n-1}$ 最后得出测量结果V＝0.53，直接以数值形式输出此结果。

实施例2：压力表，测量冷却速度试验平台上的圆盘式仪表，该压力表最大量程为0.6，粗分度线个数n＝7，细分度线个数m＝4，当指针稳定停留在

范围内的某一点时，按照粗分度线纪录到指针所经过的次数减1记为A＝4，从A开始记录细分度线所经过的次数B＝3，用插值法确定指针在B和B+1分度线之间的位置C＝0.4，根据 $V=[A+(B+C)\frac{1}{m+1}]\frac{V_{\max }}{n-1}$ 计算出测量结果V＝0.468，该结果以数值形式输出。

实施例3：压力表，真空炉外的圆盘式测量装置，该压力表最大量程为1.6，粗分度线个数n＝5，细分度线个数m＝7，当测量时指针稳定在 范围内某一点时，按照粗分度线纪录到指针所经过的次数记为A＝1，从A开始记录细分度线所经过的次数B＝4，用插值法确定指针在B和B+1分度线之间的位置C＝0.2，根据 $V=[A+(B+C)\frac{1}{m+1}]\frac{V_{\max }}{n-1}$ 计算出测量结果V＝0.61，以数值形式输出。

应用本发明方法只需要一个数码摄像头和一台计算机，摄像头靠近仪表，完全避免了环境电磁场的干扰，并根据 $V=[A+(B+C)\frac{1}{m+1}]\frac{V_{\max }}{n-1}$ 公式计算测量结果，克服了目测式仪表无信号输出的缺点，直接实现各种物理量的数字化测量。

Claims (2)

1、一种基于图形的物理量数字化测量方法，其特征是，将数码摄像头与计算机连接，摄取目测式测量仪表的刻度和测量标志的图像，应用图像技术对图像进行处理，判别指示标志即指针或浮子上的标志及仪表上刻度的相对位置，计算出被测物理量的数据，摄像头所摄取的图像是以像素点阵数据的数字化形式输入计算机的，预先输入该仪表满刻度时的最大量程V_max，扫描整个标尺记录下粗分度线的次数n，在任何两个粗分度线之间扫描，记录下细分度线次数m，计算机自动搜索图像中测量标志的位置，从刻度开始向满刻度方向扫描，记取搜索到标志之前的粗分度线的数目减1记为A，继而从A开始扫描，记取达到标志之前的细分度线的数目B，然后读出B至B+1分度线之间的像素点数x₁和B至标志线之间像素点的数目x₂，令 $C=\frac{x_2}{x_1}$ 按照 $V=[A+(B+C)\frac{1}{m+1}]\frac{V_{\max }}{n-1}$ 求得测量值V的数值，用数字显示最终的测量结果。

2、根据权利要求1所述的基于图形的物理量数字化测量方法，其特征是，对于用指针角度表示物理量数值的圆盘式仪表分两种情况：

(1)测量值在 范围内，此时刻度线与水平线的夹角≤90°

(2)测量值在 范围内，此时刻度线与水平线的夹角≥90°

编制软件对这两种图像进行处理，在摄像头搜索时，对分度线和标志线位置做准确的判别，分别得出较精确的A，B，C值，由于B与B+1之间距离很短，近似看成平行，C值同样线性化得到为

所以最终得出测量值仍为 $V=[A+(B+C)\frac{1}{m+1}]\frac{V_{\max }}{n-1}.$

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