計(jì)算機(jī)視覺識別技術(shù)在壓力表檢定中的應(yīng)用
介紹一種智能化視覺識別檢定裝置，在遵循現(xiàn)行技術(shù)文件的前提下，將計(jì)算機(jī)視覺識別技術(shù)在壓力表自動(dòng)檢定中進(jìn)行應(yīng)用，并對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了特征提取、分析和比較。以促進(jìn)視覺識別技術(shù)在計(jì)量檢校中的廣泛 應(yīng)用。
0.引言
一般壓力表是指以彈性元件為敏感元件的計(jì) 量器具，由于壓力表具有安裝簡便、價(jià)格低廉、適應(yīng) 性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在熱力管網(wǎng)、油氣傳輸、供水供氣系 統(tǒng)、車輛維修保養(yǎng)廠店等領(lǐng)域廣泛使用。作為一項(xiàng) 常規(guī)檢定項(xiàng)目，各級法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)也都會優(yōu)先 建立壓力表的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，以保證我國壓力量值傳遞 的一致性和準(zhǔn)確性，壓力表檢定工作也通常是各級 機(jī)構(gòu)工作量較大的項(xiàng)目之一。
由于壓力測量的特性，壓力表也經(jīng)常會用于各 種涉及安全的場合，因此，我國將壓力表列人了《中 華人民共和國強(qiáng)制檢定的工作計(jì)量器具明細(xì)目 錄》。與壓力表相關(guān)的檢定規(guī)程有JJG 52—2013 《彈性元件式一般壓力表、壓力真空表和真空表》和JJG 49—2013《彈性元件式精密壓力表和真空 表》，分別用于檢定一般壓力表、壓力真空表、真空 表及精密壓力表和真空表，這兩種壓力表均為指針 式壓力表。
壓力表常規(guī)的檢定方法是采用標(biāo)準(zhǔn)器示值與 被檢表示值直接比較的方式，其過程是使用造壓裝 置同時(shí)給標(biāo)準(zhǔn)器和被檢表加壓，在加壓至檢定點(diǎn) 時(shí)，通過人工讀數(shù)方式同時(shí)讀取標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表的 讀數(shù)，得出示值誤差。這種檢定方式具有效率低 下、人員讀數(shù)容易出現(xiàn)偏差等問題。因此，國內(nèi)外 的壓力表檢定裝置廠商一直在嘗試開發(fā)壓力表自 動(dòng)檢定裝置，以計(jì)算機(jī)視覺識別技術(shù)來解決壓力表 自動(dòng)檢定難題。
1.計(jì)算機(jī)視覺識別技術(shù)在壓力表檢定中的 應(yīng)用
近十年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī) 視覺識別技術(shù)也被越來越多的應(yīng)用到傳統(tǒng)計(jì)量工 作中。通過該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，可替代檢定員的人眼 讀數(shù)操作，降低人員讀數(shù)誤差，提高工作效率，具有 十分積極的現(xiàn)實(shí)意義。
計(jì)算機(jī)視覺識別技術(shù)在檢校工作中的應(yīng)用主 要分為兩個(gè)方向：一是對阿拉伯?dāng)?shù)字的識別，如對 出租車計(jì)價(jià)器的識別等;二是對傳統(tǒng)模擬儀表的識 別，如壓力表、百分表等。
對于指針式壓力表這類模擬指示器具，由于其 指示值是以指針對表盤的相對位置來體現(xiàn)的，在識 別上就會存在一些問題，如:如何識別指針位置并 判斷其指示的壓力值;非整點(diǎn)指示值的估讀等。
目前，國內(nèi)已有廠家研制出了基于計(jì)算機(jī)視覺識 別技術(shù)的壓力表自動(dòng)檢定裝置，實(shí)現(xiàn)的方法與計(jì)算機(jī) 視覺識別的鉢流程一致，即:使用計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)在 每個(gè)檢定點(diǎn)(包括零點(diǎn)卿，對拍攝的圖像進(jìn)行處理， 通過軟件對指針位置進(jìn)行識別，得到各檢定點(diǎn)指示的 壓力值，將得到的壓力值與標(biāo)準(zhǔn)值比較得到誤差。
下面我們就以某品牌的壓力表自動(dòng)檢定視覺 識別裝置為例，對采用計(jì)算機(jī)視覺識別系統(tǒng)進(jìn)行壓 力表檢定的過程進(jìn)行分解，使讀者能夠更清楚的了 解到計(jì)算機(jī)視覺識別技術(shù)的應(yīng)用原理及實(shí)現(xiàn)方法。
1. 1檢定系統(tǒng)的軟硬件組成
1)硬件部分
硬件部分非常簡單，主體為兩只不同口徑的 碗形扣件（扣件內(nèi)帶有有攝像頭），以適應(yīng)不同大 小的壓力表;配件為兩根USB傳輸線。硬件組成 如圖1。
硬件部分的作用為拍攝檢定時(shí)的表盤圖像，其 主要構(gòu)成為以CCD為感光元件的攝像頭。
2)軟件部分
壓力表自動(dòng)檢定視覺識別裝置所需配置軟件 如圖2所示。軟件部分的主程序使用C#編寫，使用MySQL數(shù)據(jù)庫儲存檢定數(shù)據(jù)，使用FastReport出具 證書。
1.2檢定過程
將壓力表安裝在造壓裝置上，根據(jù)壓力表尺寸 選擇相應(yīng)的碗形扣件，并將扣件固定在壓力表的正 面位置，擰緊頂部固定螺栓;使用USB連接線將扣 件后部接口與電腦連接。
啟動(dòng)檢定主程序，即圖2中所示的“壓力表檢 測”，登錄后界面如圖3所示。
可以看到，被檢表的圖像已顯示在界面右上方 的第一個(gè)方格內(nèi)。錄人基本信息，如壓力表生產(chǎn)廠 家、編號、量程等，錄人完成后即可開始檢定。
按照J(rèn)JG 52—2013的規(guī)定對壓力表進(jìn)行檢定， 步驟如下：
1)檢定前先使用“零點(diǎn)拍照”功能保存壓力表 零點(diǎn)狀態(tài)圖片;2)使用造壓裝置對壓力表加壓，在 每次達(dá)到檢定壓力點(diǎn)時(shí)，點(diǎn)擊“拍照”按鈕保存當(dāng)前 檢定點(diǎn)圖像;3)輕敲壓力表后再點(diǎn)擊“拍照”;4)重 復(fù)步驟2)和步驟3)，直至完成所有檢定點(diǎn)的檢定;
5)點(diǎn)擊“保存報(bào)表”，完成檢定過程;6)點(diǎn)擊“打印檢 定記錄”和“打印檢定證書”即可得到本次檢定的原 始記錄及證書。
1. 3實(shí)現(xiàn)方法解析
壓力表自動(dòng)檢定過程實(shí)現(xiàn)的基本原理如下：
該系統(tǒng)首先將表盤刻度的示值部分認(rèn)定為一 個(gè)270。的弧形，弧度范圍從225。到-45。，且各檢定 點(diǎn)及刻度均勻分布于這個(gè)圓弧上。通過計(jì)算機(jī)對 圓心位置、指針位置和刻度位置的采集和識別，通 過Hough變換確定指針位置的真實(shí)指示值，從而實(shí) 現(xiàn)壓力表的讀數(shù)自動(dòng)識別。
下面對該自動(dòng)檢定系統(tǒng)在各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方 法做簡要解析：
1）計(jì)算機(jī)視覺（圖像采集）
圖像采集部分由攝像頭、凸透鏡、碗形扣件（內(nèi) 含光源）組成。
攝像頭:選用CCD圖像傳感器作為感光元件， 可直接將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為模擬電流信號，電流信號 經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳 輸、處理和復(fù)現(xiàn)。其顯著特點(diǎn)是:a.體積小重量輕； b.功耗小、工作電壓低、抗沖擊與震動(dòng)、性能穩(wěn)定、 壽命長;c.靈敏度高、噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大;d.響應(yīng) 速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像。
凸透鏡:在攝像頭的前端增加了一個(gè)凸透鏡， 經(jīng)過凸透鏡的匯聚后，攝像頭采集到的圖像大小基 本保持一致，且可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的估讀。
碗形扣件:碗形扣件的使用可以保證攝像頭中 心位置與表盤中心位置對齊，防止由于攝像頭拍攝 角度不同導(dǎo)致的誤差。
在使用該系統(tǒng)進(jìn)行檢定時(shí)，每當(dāng)需要進(jìn)行讀數(shù) 操作(如加壓至檢定點(diǎn)，輕敲壓力表后等）時(shí)，均要 進(jìn)行一次拍照操作，就是用拍照操作代替了人眼讀 數(shù)的過程，即實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)視覺代替人眼識別。
2）圖像處理
在進(jìn)行圖像識別之前，必須對圖像進(jìn)行處理， 才能較為方便和清晰的實(shí)現(xiàn)圖像識別功能。圖像 處理通常分為以下兩個(gè)步驟：
第一步:圖像預(yù)處理
由攝像頭直接拍攝得到的圖像很容易受到各 種噪聲的干擾，使獲得的圖像質(zhì)量退化，因此，在進(jìn) 行識別前必須對采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理。 圖像 預(yù)處理又分為:首先圖像噪聲去除，使用濾波器去 除圖像中的噪聲，降低圖像識別難度;然后，對圖像 進(jìn)行邊緣檢測，以使圖像的輪廓突出，以便更有效 地提取圖像特征；最后，使用Hough變換來檢測壓 力表的指針和邊緣。
第二步:圖像二值化
經(jīng)過前面的預(yù)處理步驟后，圖像已被處理為多 灰度級的圖像，再對圖像進(jìn)行二值化處理，使其變 成只有兩個(gè)灰度級的圖像，將圖像中的指針和刻度 明顯的標(biāo)識出來，方便后面的識別過程。
3）識別
識別的過程包含:確定表盤圓心，使用Hough 變換確定表盤的圓心位置，以保證后續(xù)的指針定位 準(zhǔn)確;確定指針位置，使用Hough變換獲取指針位 置;根據(jù)指針位置得到壓力表的指示值。
4）讀數(shù)計(jì)算
根據(jù)壓力表檢定規(guī)程的規(guī)定進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，得 到各項(xiàng)誤差值，并判斷合格與否。
2.結(jié)語
在現(xiàn)在的技術(shù)條件下，使用計(jì)算機(jī)視覺識別技 術(shù)開發(fā)壓力表(模擬指示儀表）自動(dòng)檢校系統(tǒng)時(shí)，各 高校或儀器研發(fā)廠商基本都是采用前文介紹的原 理作為基本方法，細(xì)節(jié)上可能會有微小差別，但整 體設(shè)計(jì)思路基本一致。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子工業(yè)的飛速發(fā)展，計(jì) 算機(jī)視覺識別技術(shù)在計(jì)量檢校工作中將會有著越 來越廣闊的應(yīng)用前景，相信在不久的將來，神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)將會應(yīng)用到我們的日常檢校工 作中，計(jì)算機(jī)視覺識別系統(tǒng)將會給我們的日常檢校 工作帶來巨大的變化。
