指針式壓力表自動(dòng)計(jì)量校準(zhǔn)系統(tǒng)

馬超超，王建軍，馬響，孫永雷

（南京晨光集團(tuán)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210006）

0 引 言

指針式壓力表因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械強(qiáng)度高、防電磁干擾等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于油氣傳輸、供水供電等領(lǐng)域［1-3］。近年來，隨著圖像處理技術(shù)快速發(fā)展，利用機(jī)器視覺代替人工已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展過程中的重要環(huán)節(jié)，為提高生產(chǎn)工作效率，國內(nèi)外許多機(jī)構(gòu)在指針式壓力表識(shí)別技術(shù)方面開展了大量的研究工作。

國外對(duì)指針式儀表讀數(shù)識(shí)別方面的研究投入較早，技術(shù)相對(duì)比較成熟，如Robert Sablatnig 等人研究的一種能夠識(shí)別復(fù)雜指針的方法、Corra Alegria等人利用機(jī)器視覺技術(shù)處理指針式儀表的識(shí)別方法、Kyong - HoKim等人運(yùn)用閾值分割技術(shù)來分割指針式儀表圖像的方法等，但所研制的指針式壓力表識(shí)別裝置價(jià)格比較昂貴且維修不方便，國內(nèi)廣大用戶難以接受。國內(nèi)投入到指針式儀表讀數(shù)識(shí)別研究的時(shí)間相對(duì)較晚，但取得了較大突破，例如王三武等人研究了一種識(shí)別指針式儀表讀數(shù)的方法，張海波等人研究了一種識(shí)別表盤上數(shù)字的方法，岳國義等人研究了一種基于距離的指針式儀表新型判讀方法等，但所研制的指針式壓力表識(shí)別裝置存在識(shí)別精度低、識(shí)別直徑范圍小等問題。指針式壓力表直徑范圍通常為40 ~ 250 mm，且表盤的背景及外觀不同，刻度線粗細(xì)程度不同，僅使用單一的圖像處理算法不能同時(shí)滿足不同規(guī)格壓力表的檢校工作［4-5］。

針對(duì)上述問題，采用C#語言與Halcon圖像處理算法庫相結(jié)合的方式，研制一套指針式壓力表自動(dòng)計(jì)量校準(zhǔn)系統(tǒng)，通過計(jì)算表盤輪廓直徑調(diào)節(jié)物距，即控制相機(jī)與被校指針式壓力表之間的距離達(dá)到調(diào)焦目的；然后，利用圖像清晰度評(píng)價(jià)結(jié)果自動(dòng)完成對(duì)焦，并采用極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法將表盤中的刻線區(qū)域轉(zhuǎn)換成矩形區(qū)域準(zhǔn)確提取刻度線與指針；最后，將識(shí)別結(jié)果進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、打印等處理。

1 調(diào)焦與對(duì)焦方法

1.1 調(diào)焦方法

指針式壓力表自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖1所示，包括標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字壓力計(jì)、壓力校驗(yàn)臺(tái)、指針式壓力表、工業(yè)相機(jī)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)調(diào)節(jié)工裝等組成部分。

圖1 機(jī)構(gòu)組成示意圖Fig. 1 Schematic diagram of mechanism composition

調(diào)焦［6］是為了使相機(jī)獲得與不同規(guī)格表盤相匹配的視野范圍，焦距越短視野范圍越大，反之視野范圍越小。若圖像中表盤區(qū)域面積所占圖像總面積比例過小，圖像的背景干擾越嚴(yán)重，指針識(shí)別難度越大；若比例過大，則存在表盤顯示不完全的問題。指針式壓力表的直徑范圍為40 ~ 250 mm，直徑跨度較大僅調(diào)節(jié)鏡頭焦距無法滿足視野要求，需要增加電動(dòng)導(dǎo)軌裝置控制相機(jī)運(yùn)動(dòng)以獲得最佳的取像位置。依據(jù)是表盤在圖像中所占面積比例控制相機(jī)運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)以1/2比例作為判斷閾值，當(dāng)比例值大于等于1/2時(shí)，則認(rèn)為相機(jī)已到達(dá)最佳的取像位置，此時(shí)可以獲得與不同規(guī)格表盤相匹配的視野范圍。但是在初始狀態(tài)下，相機(jī)大多處于失焦?fàn)顟B(tài)，從表盤模糊的圖像中直接提取表盤邊緣的過程較為復(fù)雜，系統(tǒng)采用圖像相減的方法間接提取表盤輪廓，圖像處理過程如圖2所示。首先對(duì)圖像分別進(jìn)行二值化處理和均值處理，以二者差值作為處理對(duì)象，然后經(jīng)過閾值分割、膨脹、腐蝕等算法篩選出表盤輪廓區(qū)域，最后提取輪廓區(qū)域的骨架并進(jìn)行擬合，以擬合圓的直徑計(jì)算表盤在圖像中所占面積的比例。

圖2 圖像調(diào)焦處理過程Fig. 2 Image focusing process

1.2 對(duì)焦方法

為適應(yīng)不同規(guī)格的表盤，系統(tǒng)增加了調(diào)焦模塊，恰當(dāng)?shù)囊曇胺秶谦@得完整圖像的基礎(chǔ)，對(duì)焦目的則是獲得清晰圖像的重要過程。工業(yè)相機(jī)一般在無參考圖像的模式下，拍照時(shí)必須要進(jìn)行對(duì)焦控制。相機(jī)對(duì)焦是通過改變鏡頭與感光芯片之間的距離，讓某一個(gè)特定位置的物體經(jīng)過鏡頭后的成像焦點(diǎn)正好落在感光芯片之上［7］。對(duì)焦過程中圖像是從模糊狀態(tài)到清晰狀態(tài)，再到模糊狀態(tài)，最終通過確定清晰度峰值，回到最清晰的狀態(tài)。

圖像清晰度是衡量圖像質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，高品質(zhì)的圖像可以簡(jiǎn)化圖像處理算法，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。圖像清晰度的評(píng)價(jià)一般基于梯度法［8-9］，圖像與不同梯度算子卷積即可得到不同的圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)。本文使用Sobel算子估計(jì)水平方向和垂直方向的梯度值，利用平方運(yùn)算進(jìn)一步放大圖像邊緣梯度［10］，基于該算子處理速度快的特點(diǎn)，系統(tǒng)能夠在短時(shí)間內(nèi)計(jì)算清晰度的評(píng)價(jià)結(jié)果，以達(dá)到實(shí)時(shí)控制微型電機(jī)調(diào)節(jié)焦距的目的。圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)為

式中：s(i，j)為Sobel算子與像素(i，j)卷積結(jié)果的平方和。

式中：I(i，j)為圖像在像素(i，j)位置處的灰度值。

圖3為梯度函數(shù)對(duì)失焦?fàn)顟B(tài)和對(duì)焦?fàn)顟B(tài)下圖像的處理效果。

圖3 失焦、對(duì)焦?fàn)顟B(tài)下圖像及邊緣強(qiáng)度Fig. 3 Image and edge intensity in the states of out of focus and in focus

在失焦和對(duì)焦?fàn)顟B(tài)下，圖像的邊緣梯度值分別為13.64和24.10，數(shù)值大小差別較為明顯，根據(jù)邊緣梯度值即可判斷圖像處于何種狀態(tài)。因此系統(tǒng)基于清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算圖像邊緣梯度值，并同步控制微型電機(jī)調(diào)節(jié)焦距，通過確定邊緣梯度值達(dá)到最大時(shí)微型電機(jī)的調(diào)節(jié)角度完成自動(dòng)對(duì)焦。

2 表盤識(shí)別的研究

2.1 刻度提取

不同規(guī)格壓力表的刻線密集程度與粗細(xì)程度均不同，加之復(fù)雜的表盤背景，用傳統(tǒng)的圖像分割方法無法高效地提取表盤刻度線［11］。為簡(jiǎn)化圖像處理過程，提高系統(tǒng)的通用性，本文基于坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換思想，利用算法庫中極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算子以表盤圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，在90° ~ 270°角度范圍內(nèi)對(duì)圖像進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的圖像如圖4所示。

圖4 直角坐標(biāo)系下的圖像Fig. 4 Image in rectangular coordinate system

觀察圖4可知，圖像在直角坐標(biāo)系下刻度線沿水平方向均勻分布，不存在畸變現(xiàn)象，但是圖像背景仍然比較雜亂。

在轉(zhuǎn)換過程中通過限定轉(zhuǎn)換半徑的極大值和極小值，控制待轉(zhuǎn)換區(qū)域的大小如圖5所示，區(qū)域僅包含表盤的刻線部分。待轉(zhuǎn)換區(qū)域可近似視為一個(gè)圓環(huán)，圖中R，r分別表示外圓半徑和內(nèi)圓半徑，與轉(zhuǎn)換半徑的極大值和極小值對(duì)應(yīng)。其中外圓的半徑大小由指針區(qū)域確定，相應(yīng)的圖像處理步驟包括圖像二值化、閾值分割、膨脹腐蝕、特征篩選等［12-13］，指針區(qū)域的最小外接圓半徑即為R；而內(nèi)圓的半徑大小較難直接確定，需要由圓環(huán)環(huán)寬w計(jì)算得出，即r=R-w；在圖像處理過程中以長(zhǎng)刻度線的外接圓直徑近似代替圓環(huán)環(huán)寬。因此，在所有刻度線中篩選出一個(gè)長(zhǎng)刻度線作為處理對(duì)象如圖6所示。

圖5 待轉(zhuǎn)換區(qū)域Fig. 5 Area to be converted

圖6 長(zhǎng)刻度線處理圖像Fig. 6 Long scale mark processing image

通過確定長(zhǎng)刻度線的外接圓直徑，即可間接計(jì)算待轉(zhuǎn)換區(qū)域的內(nèi)圓半徑，在此基礎(chǔ)上重新進(jìn)行極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，展開后的圖像如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的轉(zhuǎn)換圖像Fig. 7 Optimized converted image

優(yōu)化后的圖像基本消除了背景干擾，大幅提升了刻度線的提取效率。系統(tǒng)自動(dòng)讀數(shù)的設(shè)計(jì)邏輯是先定度后測(cè)量，定度與測(cè)量均以像素作為最小單位。定度是確定單位像素所表示壓力大小的過程，是保證測(cè)量準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)。在圖8中兩個(gè)相鄰長(zhǎng)刻度線間壓力值之差為常數(shù)，通過計(jì)算相鄰長(zhǎng)刻度線間的像素?cái)?shù)，即可確定單個(gè)像素表示的壓力大小。刻度線的灰度值可認(rèn)為是均勻分布的，因此系統(tǒng)將通過計(jì)算圖像垂直方向上的平均灰度值確定刻度線的中心位置。灰度值的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖8所示，獲取極小值的橫坐標(biāo)，并在圖9中用十字星標(biāo)注顯示，相鄰兩個(gè)十字星間的像素距離則為相鄰長(zhǎng)刻度線間的像素?cái)?shù)。

圖8 垂直方向的灰度值統(tǒng)計(jì)圖Fig. 8 Statistics of gray values in vertical direction

圖9 刻度線位置標(biāo)注Fig. 9 Marking of scale mark position

為提高壓力表零位，帶止銷的壓力表一般都存在縮格［14］，即壓力表在通大氣情況的下指針不在零位，而是在零位以上的某一位置，并且第一個(gè)分度格和其他分度格大小不一致。因此為保證定度的準(zhǔn)確度，在圖9中以第二個(gè)長(zhǎng)刻度線開始計(jì)算相鄰長(zhǎng)刻度線間的像素距離。經(jīng)過多次重復(fù)試驗(yàn)后，像素距離的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2.3 pixel，測(cè)量結(jié)果具有較高的重復(fù)性。

2.2 指針提取

指針的提取方式與刻度線的提取方式基本相同，但是當(dāng)指針前端與刻度線重合時(shí)，提取的指針中心將產(chǎn)生偏差。由于指針上方的灰度值大于表盤刻線的灰度值，因此在統(tǒng)計(jì)圖像垂直方向上的灰度值時(shí)，提取的指針中心位置相較于理想位置向右偏移，如圖10所示。

圖10 指針與刻度線部分重合Fig. 10 Partial overlap of pointer and scale mark

為解決上述問題，在將圖像從極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)時(shí)，縮小轉(zhuǎn)換半徑，提取圖中紅色虛線框選中的區(qū)域，即指針的中段部分，并在圖像的垂直方向進(jìn)行灰度統(tǒng)計(jì)如圖11所示。

圖11 指針提取Fig. 11 Pointer extraction

在指針的中段區(qū)域，大部分的刻度線被剔除，因此在統(tǒng)計(jì)圖像灰度值時(shí)，刻度線底部的灰度值相對(duì)于指針的灰度值可以忽略不計(jì)，通過確定圖中最小灰度值處的坐標(biāo)即可定位指針中心。由于壓力表在初始狀態(tài)下，指針一般緊靠止銷，第一個(gè)長(zhǎng)刻度線的位置難以精確定位，所以根據(jù)指針與最后一個(gè)長(zhǎng)刻度線間的距離計(jì)算讀數(shù)結(jié)果，表達(dá)式為

式中：J為讀數(shù)值；S為壓力表最大量程；L為指針與最后一個(gè)刻線間的像素距離；D為像素定度值。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

為驗(yàn)證自動(dòng)計(jì)量校準(zhǔn)系統(tǒng)的可靠性需進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，依據(jù)我國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 5528 - 2005《壓力表標(biāo)度及分劃》和JJG 52 - 2013《彈性元件式一般壓力表、壓力真空表和真空表檢定規(guī)程》，選擇六種規(guī)格的指針式壓力表作為測(cè)試對(duì)象進(jìn)行壓力校準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)的參數(shù)指標(biāo)如表1所示。利用標(biāo)準(zhǔn)壓源提供壓力，待標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字壓力計(jì)達(dá)到預(yù)定壓力值后，校準(zhǔn)系統(tǒng)自動(dòng)完成調(diào)焦、對(duì)焦等功能，隨后利用工業(yè)相機(jī)實(shí)時(shí)采集表盤圖像并同步執(zhí)行檢測(cè)、識(shí)別、讀數(shù)等，計(jì)算并顯示測(cè)量值。隨后通過比較標(biāo)準(zhǔn)壓力值、測(cè)量壓力值與人工壓力讀數(shù)值，對(duì)指針式壓力表自動(dòng)校準(zhǔn)結(jié)果指標(biāo)進(jìn)行分析［15］，測(cè)量結(jié)果如表2至表7所示。

表1 六種規(guī)格指針式壓力表參數(shù)指標(biāo)Tab.1 Parameter indexes of pointer pressure gauges of six specifications

表2 直徑40 mm、精度等級(jí)2.5級(jí)的壓力表識(shí)別結(jié)果Tab.2 Identification results of pressure gauge with diameter of 40 mm and accuracy class of 2.5 MPa

表7 直徑250 mm、精度等級(jí)1.6級(jí)壓力表識(shí)別結(jié)果Tab.7 Identification results of pressure gauge with diameter of 250 mm and accuracy class of 1.6 MPa

表3 直徑60 mm、精度等級(jí)2.5級(jí)的壓力表識(shí)別結(jié)果Tab.3 Identification results of pressure gauge with diameter of 60 mm and accuracy class of 2.5 MPa

表4 直徑100 mm、精度等級(jí)2.5級(jí)壓力表識(shí)別結(jié)果Tab.4 Identification results of pressure gauge with diameter of 100 mm and accuracy class of 2.5 MPa

表6 直徑200 mm、精度等級(jí)1.6級(jí)壓力表識(shí)別結(jié)果Tab.6 Identification results of pressure gauge with diameter of 200 mm and accuracy class of 1.6 MPa

由以上測(cè)量結(jié)果可知，系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果與人工校準(zhǔn)結(jié)果幾乎沒有差別，對(duì)測(cè)量結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生影響，且指針式壓力表自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度與重復(fù)性均較高，但人工讀數(shù)方式存在工作效率低、人為誤差大、計(jì)量人員專業(yè)水平不同校準(zhǔn)結(jié)果相差較大等問題。另外，校準(zhǔn)系統(tǒng)具有自動(dòng)處理數(shù)據(jù)，一鍵生成原始記錄表等功能，工作效率相比人工操作得到大幅提升。

4 結(jié)論

基于影像法測(cè)量原理研制的指針式壓力表自動(dòng)計(jì)量校準(zhǔn)系統(tǒng)，根據(jù)壓力表表盤外形尺寸自動(dòng)調(diào)節(jié)工作距離，利用圖像清晰度評(píng)價(jià)方法完成自動(dòng)對(duì)焦，并且采用極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換思想實(shí)現(xiàn)示值的準(zhǔn)確判讀。針對(duì)外殼直徑為40，60，100，150，200，250 mm的指針式壓力表的檢校結(jié)果表明，該自動(dòng)計(jì)量校準(zhǔn)系統(tǒng)具有準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、效率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足相關(guān)指針式壓力表的計(jì)量校準(zhǔn)要求。