基于模版匹配和查表法的高精度指針式儀表自動檢定系統(tǒng)研制

莫文雄，裴利強，黃青丹，張亞茹，付武怡芳，趙永平

（1.廣州供電局有限公司電力試驗研究院，廣州510000；2.哈爾濱工業(yè)大學，電氣工程及自動化學院，哈爾濱150001）

0 引 言

指針式儀表廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)和計量中，具有結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強、穩(wěn)定性高、成本低等優(yōu)點，可反映出被檢參數(shù)的變化過程和變化方向，數(shù)字式儀表無法取代［1-2］。而高精度指針式儀表在檢測過程中，是一項耗時長、工作強度大、效率低的重復性勞動，因此研究一種高效率的高精度指針式儀表自動讀數(shù)系統(tǒng)具有重要意義［3-4］。

目前，機器視覺和數(shù)字圖像處理技術(shù)已被成功應用于指針式儀表的識別，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性以及識別精度等指標往往達不到要求。戴海港等人提出了一種使用減影法與霍夫變換相結(jié)合的高精度儀表自動判讀方法，提高了識別精度和效率［5］。吉林大學孫浩晏提出改進的RANSAC方法并建立了讀數(shù)試點誤差模型，提高了識別系統(tǒng)的魯棒性和識別精度［6］。然而這些方法圖像處理工作復雜，識別過程耗時較長。哈爾濱工業(yè)大學陳昕然提出基于查表法的高精度指針式儀表讀數(shù)識別方法［7］，消除了相機、指針以及指針在反光鏡中的影不重合時帶來單目誤差，同時無需移動相機位置，縮短識別時間，提高讀數(shù)識別效率。查表法的關(guān)鍵在于當相機與儀表表盤位置相對固定時，建立圖像讀數(shù)與實際讀數(shù)對應表，前序工作［7］是通過機械夾具固定儀表位置的，而實際應用中，由于不同批次儀表的外殼尺寸有差異，通用機械夾具固定儀表位置帶來位置誤差，使事先建立的對應表失效，系統(tǒng)魯棒性差，識別不準確。針對這一問題，本文采用模版匹配方法實現(xiàn)相機和儀表表盤位置的準確對中，并采用查表法實現(xiàn)高精度指針式儀表讀數(shù)自動識別，實驗表明，所提出的方法大幅提高了系統(tǒng)的魯棒性、穩(wěn)定性和準確率。

1 系統(tǒng)總體方案

根據(jù)儀表檢定要求，設(shè)計如圖1所示自動檢定系統(tǒng)平臺。系統(tǒng)硬件平臺由計算機、標準源、步進電動機驅(qū)動器、步進電機、單目視覺系統(tǒng)、光柵傳感器、被檢儀表和打印機組成。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System global structure chart

其中，標準源為XF30A*型多功能校準儀，可校準對交、直流的標準電流、電壓，具有量程范圍廣、檔位多、高精度、操作方便等特點。利用上位機和標準源通信，根據(jù)被檢表量程控制校準儀的最大輸出值和步進量，實現(xiàn)控制校準儀標準信號自動化輸出。單目視覺系統(tǒng)采用某品牌In-Sight 7402智能相機視覺系統(tǒng)，其內(nèi)部自帶圖像處理功能，可進行高速數(shù)字圖像處理。精密位移控制平臺采用立漢光KSA150-11高精密電控平移臺，閉環(huán)控制，分辨率為1um，其X軸、Y軸位移范圍為150mm，Z軸的位移范圍為50 mm?？刂破鬟x用卓立漢光MC600系列電控位移平臺控制器，為32位DSP處理器控制，數(shù)字PID閉環(huán)控制，每一軸均有閉環(huán)反饋功能，支持通過 SD卡內(nèi)置移動方案，確保了精確的位置移動控制。指針式儀表分別采用上海第二電表廠和上海良表儀器儀表有限公司生產(chǎn)的不同批次指針式儀表，以驗證系統(tǒng)的魯棒性。

2 指針式儀表識別算法

本研究先通過模版匹配使相機與儀表盤準確對準，實現(xiàn)相機和儀表的相對位置固定，再利用查表法識別得到精準讀數(shù)。

2.1 基于模版匹配的位置對中

2.1.1 模板提取算法

由于不同型號的指針式儀表刻度盤部分形狀基本相似，故選擇提取刻度盤指針輪廓作為模板。

Canny邊緣檢測算子是對信噪比和定位精度之積的最優(yōu)化逼近算子，在抗噪性能和邊緣定位方面取得了很好的折中效果［8］。本研究采用Canny算子進行邊緣提取。其基本步驟為：

（1）選用適當 Gauss濾波器對圖像進行平滑處理；

（2）利用一階偏導數(shù)的有限差分計算梯度的幅值和方向；

（3）對得到的梯度幅值進行非極大值抑制，保留局部梯度極大值和在該點梯度最大的像素點；

（4）采用雙閾值法檢測并連接邊緣，得到邊緣圖像如圖2所示。

圖2 邊緣提取得到的刻度盤模板Fig.2 Edge extraction of dial template

2.1.2 模板匹配算法

模板匹配的基本原理是通過模板與被搜索圖像部分區(qū)域的相似性計算找到模板在被搜索圖的坐標位置［9］，如圖3所示。

圖3 模板匹配原理圖Fig.3 Principle diagram of the template matching

假設(shè)模板T的尺寸為L*H，待搜索圖像S的尺寸為M*N，，令模板T在圖像S上平移，搜索區(qū)域所覆蓋的子圖像記為Si，j，其中i、j為子圖像左上角頂點在圖像S中的坐標。顯然，i、j的搜索范圍為1≤i≤M－m，1≤j≤N－n。通過比較 T和 Si，j的相似性，完成模板匹配過程［10］。計算公式如下：

根據(jù)I（i，j）得到被搜索圖像中與模板圖像相似度最高的區(qū)域位置，并根據(jù)實際模板大小計算得到該區(qū)域中心所在坐標位置。如圖4所示，綠色區(qū)域為搜索到的與模板相似度最高的刻度盤區(qū)域，中間綠色十字為刻度盤中心位置。

圖4 模板匹配識別結(jié)果Fig.4 Identification results of template matching

2.1.3 位置對中法

在進行儀表讀數(shù)時發(fā)現(xiàn)，同一型號的儀表經(jīng)不同廠家生產(chǎn)，其外表尺寸存在較大差異，會導致讀數(shù)產(chǎn)生較大誤差。將視覺成像系統(tǒng)和指針儀表盤位置對中可消除這種誤差，方法如下：

（1）將視覺成像系統(tǒng)中心與指針式儀表表盤中心對準（即刻度50下方圓弧與最長刻度線交點在整幅圖像中心），記下圖像中心坐標（x0，y0），作為標準坐標；

（2）更換其它儀表后，利用上述模板匹配法得到當前刻度盤中心位置坐標（x1，y1）；

（3）將當前坐標值與標準坐標值進行比較，得到橫、縱坐標差：

（4）根據(jù)坐標差控制位移平臺的移動（實驗知圖像像素與位移平臺關(guān)系為1.7個像素：0.1 mm）：

直到刻度盤中心坐標到達標準坐標。

此方法保證了每次讀數(shù)時視覺成像系統(tǒng)中心與儀表表盤中心精準對齊，即消除了儀表尺寸差異帶來的誤差。

2.2 查表法

在單目成像的豎直方向上，若成像系統(tǒng)的中心不在指針的垂直平面上，相機、指針以及指針在反光鏡中的影不重合，會造成較大的讀數(shù)誤差，這種誤差可以通過建立模型的方法消除，但卻耗時耗力。本文采用查表法，在視覺成像系統(tǒng)中心與儀表表盤中心位置對準前提下，建立實際讀數(shù)與標準讀數(shù)對應表。檢定時，通過比較當前讀數(shù)與表中實際讀數(shù)大小判斷指針是否到達標準讀數(shù)，有效避免了成像系統(tǒng)中心和指針不在同一平面產(chǎn)生的讀數(shù)誤差，同時節(jié)省了攝像頭隨指針移動的時間，大大提高檢定效率。

2.2.1 建立對應表建立對應表的過程至關(guān)重要，主要步驟如下：（1）將視覺成像系統(tǒng)中心與指針式儀表表盤中心在水平方向上對齊；

（2）調(diào)節(jié)標準源使儀表指向首個長刻度，即圖4中的10刻度，經(jīng)人眼觀察微調(diào)標準源至指針指向整刻度，讀出此時圖像處理模塊的讀數(shù)，并連續(xù)采集圖像50次取其平均值即為刻度10對應的圖像讀數(shù)；

（3）繼續(xù)調(diào)節(jié)標準源至每個整刻度線，重復（2）過程，建立對應表；

（4）更換同種型號不同廠家的儀表，驗證數(shù)據(jù)的準確性。建立好的對應表如表1所示。

表1 圖像度數(shù)與實際讀數(shù)對應表Tab.1 Corresponding table of image and actual reading results

2.2.2 距離法獲取指針讀數(shù)

距離法是根據(jù)指針與各刻度線距離獲得讀數(shù)。記指針頂點與其左方、右方最近刻度線距離分別為d1、d2，則 d＝d1（d1＋d2）為讀數(shù)的小數(shù)部分；再將刻度線從左至右排序，通過指針左端最近刻度線序號推算出讀數(shù)整數(shù)部分z，則最終讀數(shù)t＝z＋d。

2.2.3 查表法識別過程

基于查表法的具體識別過程如圖5所示，其中，X1、X2……Xn為指針上升、下降過程整刻度對應的圖像處理后距離法所得指針讀數(shù)，Y1、Y2……Yn為指針上升、下降過程整刻度對應表中的實際讀數(shù)，T為設(shè)定閾值。

圖5 查表法識別流程Fig.5 Process of table searching method

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.6 Flow chart of system software

軟件主要流程如圖6所示。在參數(shù)配置模塊對參數(shù)進行設(shè)置，包括儀表型號、環(huán)境溫度等等；在模式識別模塊調(diào)整精密位移平臺，使視覺成像系統(tǒng)中心與儀表盤中心在水平方向上重合；在查表法識別模塊對儀表各整刻度讀數(shù)進行識別，根據(jù)鑒定要求，獲得指針正對準整刻度（即實際度數(shù)與標準讀數(shù)之差小于閾值值）時標準源讀數(shù)；同時，在Labview程控模快控制精密位移平臺在x軸、y軸、z軸的移動以及標準源的輸出；最后，在數(shù)據(jù)存儲模塊對完成檢定的儀表數(shù)據(jù)進行保存并生成相應的檢定表格。

4 實驗驗證

4.1 穩(wěn)定性

首先對系統(tǒng)對同一刻度（任取三個整刻度）進行十次讀數(shù)，統(tǒng)計讀數(shù)差異，結(jié)果如表2所示。

表2 同刻度讀數(shù)穩(wěn)定性統(tǒng)計Tab.2 Reading stability statistics of the same scale

由表2可知，同一刻度十次讀數(shù)標準差小于0.01，系統(tǒng)讀數(shù)穩(wěn)定性良好。

4.2 準確性

采用某電表廠生產(chǎn)的0.5級微安表，量程為100 μA，其最大允許誤差為0.5%。利用本系統(tǒng)該合格儀表進行檢定，并專業(yè)檢定人員人眼讀數(shù)進行了對比，結(jié)果如表3所示。

根據(jù)儀表檢定規(guī)程，儀表的準確等級是由指針式儀表的讀數(shù)與標準源數(shù)值的差值來計算的，而對于高精度指針式儀表的檢定，可認為標準源沒有誤差，故檢定的準確度就決定于儀表讀數(shù)的精度。由實驗結(jié)果知系統(tǒng)識別精度在允許范圍內(nèi)，與專業(yè)人員相比，檢定誤差在0.1%以內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

4.3 檢定效率

實驗利用本系統(tǒng)檢定與人工檢定時間進行對比，本系統(tǒng)檢定完成一次時間平均為3分19秒，而人工檢定時間約為20分鐘，可見檢定效率大大提高。

表3 某電表廠微安表實驗結(jié)果Tab.3 Micro-amps table experimental results in a electrical meter company

4.4 魯棒性

為了檢驗系統(tǒng)的魯棒性，實驗采用與4.2中同種型號微安表，生產(chǎn)商為某儀器儀表有限公司，其外觀、尺寸與前者較大差異。實驗結(jié)果如表4所示。

表4 某儀器儀表有限公司微安表實驗結(jié)果Tab.4 Micro-amps table experimental results in a electricalmeter company

續(xù)表4

由實驗數(shù)據(jù)可知，兩種儀表的識別精度均在允許范圍內(nèi)。后又對多個同種型號外觀尺寸不同的儀表進行實驗，準確性均良好?？梢姳鞠到y(tǒng)具有良好的魯棒性。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于模板識別和查表法的高精度指針式儀表自動檢定系統(tǒng)，利用模板識別方法消除了水平方向上儀表尺寸差異引起的誤差，利用查表法消除了豎直方向上機、指針以及指針在反光鏡中的影不重合帶來的誤差，與專業(yè)檢定人員檢定數(shù)據(jù)對比，效果良好，且檢定效率大幅提高。因此，系統(tǒng)能夠?qū)Ω呔戎羔樖絻x表進行準確檢定，具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性，可用于實際高精度儀表的自動檢定。