機器視覺技術的水表新型檢定方法探討

(深圳市計量質(zhì)量檢測研究院民生計量測試所 廣東 深圳 518055)

水表檢定廣泛用于供水領域，應用十分廣泛，但是傳統(tǒng)水表檢定方法效率較低，受人為因素干擾較大，目前機器視覺這項技術在水表檢定方法進行應用不失為一項解決措施。該方法不僅是檢定準確的保證，又能夠使檢定時間縮短，使水表檢定提升效率，此外還使得濕式水表存在的氣泡對于檢定結(jié)果的影響降低甚至消除。

一、結(jié)構(gòu)組成

水表檢定由圖像采集儀器與數(shù)據(jù)采集儀器以及PC機等組成。其中圖像采集選用數(shù)臺相機，至于數(shù)據(jù)采集包括水壓力傳感器，水溫度傳感器、以及進/出口控制閥門接口還有數(shù)據(jù)采集卡和無線式便攜掃碼槍。這一系統(tǒng)主要模塊為視頻圖像的采集與通水閥門的自動控制和電子天平的數(shù)據(jù)采集以及工控機組成。

二、硬件特點

(一)采集視頻圖像。視頻圖像動態(tài)采集時數(shù)據(jù)極多，采用合適采集卡不僅分辨率較高，同時采集速度較快，有效避免數(shù)據(jù)丟失造成拉道的現(xiàn)象。此外為了充分發(fā)揮總線帶寬，需要在通水排氣時通過建模算法定位水表指針。

(二)通水閥門的自動控制。采取ATMEGAl6型號微控制器達成的控制核心進行工控機的通信工作，當工控機進行流量測試的程序需要開啟總進/出水閥時，此時工控機會發(fā)送包含延時信息時間與相應數(shù)據(jù)至微控制器，此時微控制器在接收命令時會解析數(shù)據(jù)，從而進行相關閥門的打開關閉。

(三)電子天平的數(shù)據(jù)采集。借助電子天平采集標準水量的數(shù)據(jù)，電子天平借助通道直接與工控機進行串行通信，例如測量前后采集到電子天平的穩(wěn)定數(shù)據(jù)或采集的其它參數(shù)進行動態(tài)檢定，隨后換向器開始引導水流在電子天平進出，同時采取方法解決天平的數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

(四)工控機。采用工控機進行整個水表的檢測工作控制，包括諸如動態(tài)視頻的圖像數(shù)據(jù)采集與電子天平采集的標準量值分析等工作，此外還可以實現(xiàn)指針定位精確位置等算法過程以及閥門按序或自動控制，同時協(xié)調(diào)各模塊共同工作與人機對話和判別合格以及報表打印諸多功能。

三、水表表盤

由于濕式水表與干式水表表盤梅花針的形狀有所差異。計算系統(tǒng)誤差的方法為比較法，其檢測原理大致為：取標準表串聯(lián)被測量表，而這一同在一起進行檢測，使水表流過相同量的水，正確讀取標準表與被測量表的實際讀數(shù)，隨后計算水表不同流量點出示值誤差大小，最后與國標規(guī)定進行比較，判斷是否合格。

濕式水表的表盤梅花針處容易受到氣泡影響，若存在氣泡，則對現(xiàn)場拍攝圖像二值化處理時，梅花針會由于受到氣泡干擾出現(xiàn)錯誤分割，甚至采樣點剛好處于氣泡處，會導致無法計數(shù)。我們選擇借助二值圖像處理施行形態(tài)學操作來使氣泡消除。

四、軟件設計

水表檢測軟件進行模塊化設計，例如梅花針的定位模塊，數(shù)值計數(shù)模塊與數(shù)據(jù)庫的存儲模塊以及參數(shù)設置的模塊，最后還有顯示打印的模塊。在水表檢定進行之前，需要工作員將基準表的誤差補償數(shù)據(jù)信息以及待檢表的類型與檢定員信息輸入，然后開始水表檢定工作。

(一)梅花針計數(shù)。通過梅花針計算轉(zhuǎn)動齒數(shù)，來間接測取經(jīng)過水流體積。若梅花齒位于采樣點位置，該點變?yōu)楹谏駝t該點變?yōu)榘咨蓸狱c的顏色從黑色變成白色及白色變成黑色為一遍黑白交替，通過記錄采樣點的顏色交替，得出采樣點轉(zhuǎn)動齒數(shù)的計數(shù)值。

五、軟件特點

(一)系統(tǒng)組成與要求。整個系統(tǒng)功能由多模塊組成，包括含電子閥門的定時控制模塊、系統(tǒng)的注冊安全模塊、攝像頭檢定算法模塊、系統(tǒng)全局設置模塊等等，其中，系統(tǒng)全局設置模塊最為關鍵，內(nèi)部有水表檢定時間以及狀態(tài)

參數(shù)設置功能，方便操作人員的參數(shù)設置和控制，實現(xiàn)水表檢定的自動化。水表檢定環(huán)境條件比較復雜，要求確保照明充足，各種電路能持續(xù)穩(wěn)定工作。

(二)圖像識別及數(shù)據(jù)建模算法。在檢定階段，為了連續(xù)跟蹤水表指針，以獲得水表示值的準確數(shù)據(jù)，攝像機需實時傳輸大量的圖像數(shù)據(jù)，若算法過于復雜的話，就不能實時完成任務，但算法過于簡單又不能解決水珠、氣泡等遮擋的問題。因此除了采用新型圖像采集卡及新型總線外，設計一個有效合適的圖像處理算法極其重要。這樣就排除了光照、水珠和氣泡等的影響，保證水表讀數(shù)的準確性。

六、實驗及結(jié)論

水表檢定方法種類繁多，新型方法層出不窮，這里我們選取一種進行實驗，研究主要目標為同等檢測精度，使檢測時間大幅縮短能否通過用水量減少來實現(xiàn)。首先按相關規(guī)程要求，水表讀數(shù)為使誤差處于允許范圍，實驗時水表所用檢定水量不可以少于水表最小單元檢定分格數(shù)值的兩百倍，已知普通機械式水表最小標準分格數(shù)值是0.05升，所以傳統(tǒng)水表在檢測實驗時用水量需要大于10L。隨后對水表進行常用流量、分界流量與最小流量這3種流量點作出出廠檢定，使后兩種流量點的用水量控制在10L，由于流量值小但是檢定時間十分漫長，占到檢定時間整體93%左右，可以看出減少這兩種流量點試驗檢定時間能夠有效提高檢定效率。新型檢定方法為借助高速攝像儀器，計算機建模以及擬合結(jié)合算法做到水表指針的定位準確，其中水表最小讀數(shù)精確度可達0.0005升，用水量減少至1L，處于指針消除運轉(zhuǎn)影響的考慮，檢定用水量確定為1L。以此水表所得數(shù)據(jù)的可靠性可以借助實驗驗證。一般檢驗檢測方法是否準確有效，常用辦法是可以將待檢測儀表使用其他成熟檢測方法再測一遍比較，美中不足的是機械式普通水表其重復性較差，同一條件下測試同一水表重復性時仍存在巨大誤差，失去比較意義。指針數(shù)據(jù)為確保可靠性，可于系統(tǒng)軟件設置數(shù)據(jù)獲得同時，檢定前后時間段保留瞬間指針所示圖像，采取人眼識別確定水表顯示數(shù)值，最后比較二種方法所獲數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示二種方法雖然所獲數(shù)據(jù)存在差異，但十分接近，需要注意，人工讀數(shù)時末位數(shù)據(jù)為估讀數(shù)值，不可避免存在一定誤差，同時表盤分度也有一定誤差存在，機器視覺所得數(shù)據(jù)由系統(tǒng)進行準確定位從而得到讀數(shù)，分辨率高。對比傳統(tǒng)檢定方法與機器視覺檢定方法的最小讀數(shù)與水表用水量和最終檢定時間，可以得出最小讀數(shù)取決于水流量大小以及攝像儀器采集，若攝像儀器采集速度30幀/s，則全部水表檢定的時間大致為傳統(tǒng)的16%。

七、結(jié)束語

檢定方法各有不同，這里采取高精度的高速攝像儀器代替人眼對水表所示圖像數(shù)據(jù)連續(xù)獲取，然后借助計算機在處理動態(tài)視圖以及模式識別的功能來獲得分辨率更高的水表示值，不僅減少大量檢定時間，同時檢定過程實現(xiàn)自動化，節(jié)省大量人力物力，同時考慮水表用于安裝拆卸與試驗封閉性的時間，水表檢定的效率總體可提升約3倍左右。但是人影光照等環(huán)境因素一定程度上干擾了機器圖像的準確，嚴重者會使得圖像變化劇烈，影響最終處理圖像的結(jié)果。