基于機器視覺的壓力表盤打印裝置
在基于機器視覺技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合OpenCV視覺函數(shù)庫研究設(shè)計了一款壓力表盤打印裝置。該設(shè)計方案包括 硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，硬件設(shè)計主要包括整個系統(tǒng)的搭建及硬件選型，軟件設(shè)計主要分為表盤配置模塊、拍照模塊、圖像預 處理模塊、模式識別模塊、標定校準模塊、表盤繪制模塊以及打印模塊，其中模式識別模塊主要是基于Hough變換的方法來 檢測表盤圓心及指針。實驗結(jié)果表明該設(shè)計方案滿足精度等級要求，即生產(chǎn)表盤符合標準。
目前，指針式儀表的傳統(tǒng)讀數(shù)方法主要還是依賴于人眼的 識別然后再記錄保存，但是這種方式往往被操作人員的主觀因 素所影響，而且其獲取的讀數(shù)精度不高，在識別工作量大的情況 下又導致工作效率拖沓，傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中利用人工讀數(shù)的非 接觸測量方法已經(jīng)越來越不能滿足日益提升的現(xiàn)代化生產(chǎn)需 求。因此，可以使用工業(yè)相機來替代人工人眼對儀表的觀察讀 取，通過PC對儀表的示數(shù)進行處理，完成對儀表進行自動識別 與實時的智能監(jiān)控，不僅有效地提高生產(chǎn)效率，消除人為因素所 造成的誤差影響，同時為企業(yè)帶來更多效益。
本文通過計算指針角度進而獲得儀表示值，然后將示值進 行標定校準后記錄下來保存到數(shù)據(jù)庫中，將整個表盤刻度信息 在計算機中重繪無誤后再在空白表盤上打印輸出。
1.系統(tǒng)搭建
本系統(tǒng)的硬件連線圖如圖1所示。照相機由12 V直流電 源供電，拍照獲得壓力表盤圖像后，采用以太網(wǎng)接口通過網(wǎng)線與 計算機連接傳輸圖像， 計算機將采集圖像進行預處理后識別表 盤讀數(shù)，完成表盤重繪后再送給打印機打印輸出表盤。
2.軟件系統(tǒng)
本軟件設(shè)計包括表盤配置模塊、拍照模塊、圖像預處理模
塊、模式識別模塊、表盤繪制模塊及打印模塊。其中圖像預處理 模塊和模式識別模塊是關(guān)鍵部分。
2.1拍照模塊
系統(tǒng)相機采用以太網(wǎng)接口連接，拍好的照片通過網(wǎng)絡(luò)上傳 至電腦，軟件實時顯示照相機圖像畫面，根據(jù)畫面手動調(diào)整焦 距；按下拍照命令，得到照片的JPG格式圖片文件，并利用計算 機保存，軟件采用對同一角度連續(xù)拍攝5張照片，分別對5張照 片進行角度分析，去掉最大值和最小值的兩張，取剩下的3個角 度的平均值作為最終的打印角度，以確保同一角度的精確度。 2.2圖像預處理模塊
2.2.1圖像灰度化
由照相機采集得到的儀表圖像為彩色圖像，如果直接進行處 理就面臨著數(shù)據(jù)量龐大、算法復雜并且會導致處理速度很慢，因 此需要將圖片進行灰度化，在保留了圖像主要特征要素的前提 下，又減小了圖像的數(shù)據(jù)存儲量，提升了圖像處理的效率。圖像灰 度化就是將原本的彩色圖像轉(zhuǎn)化成為灰度圖像的處理過程。
2.2.2圖像二值化
二值化的目的是為了便于將儀表指針及刻度線從背景圖像 中抽取出來。然而實際的操作過程中，由于壓力表盤的表面一般 為玻璃鏡面容易反光，會造成圖像信息被淹沒，加之噪聲干擾等 影響，這些因素都會降低采集儀表圖像的質(zhì)量，因此需要選擇適 當?shù)拈撝祦磉M行二值化處理。
本程序采用迭代法來求取圖像二值化的閾值；迭代法基于 逼近的思想，其步驟如下：
求出圖像的最大灰度值和最小灰度值，分別記作Z_<和 ZMIN，令初始閾值 T0=(ZMAX+ZMIN)/2;
根據(jù)所得閾值Tk將圖象分割為前景和背景兩部分，再分 別求出兩者的平均灰度值記作Z。和Zb;
求出新閾值 JK+1:(Zo^Zb)/2;
若7K:7K+1，則所得即為閾值；否則轉(zhuǎn)2)，迭代計算。
2.2.3圖像濾波去矂
本文選擇中值濾波進行降噪濾波處理，中值濾波是一種非 線性信號處理方法。
2.3模式識別模塊
模式識別是本軟件最核心的模塊，主要包括了圓心識別、指 針識別以及指針角度計算三個部分，圓心識別主要利用Hough 圓變換，指針識別則首先利用Canny邊緣檢測算子檢測出圖像 的邊緣信息[2]，然后用Hough直線檢測來提取識別指針直線。
2.3.1圓心識別
圓心識別的主要步驟為：
1）獲取圖像的中心區(qū)域圖像，中心區(qū)域是指整個圖片的中 心部分區(qū)域，在這里假定圓心一定在該區(qū)域。
2）對中心區(qū)域進行平滑處理，然后對其進行Hough圓變換， 檢測中心區(qū)域中所有圓。
3）對所有檢測出來的圓過濾，過濾規(guī)則：若圓中所有像素點 的灰度值在其所處背景灰度值范圍內(nèi)的百分比超過50%，則認 為該圓無效。然后對剩余圓的圓心求平均值。
4）對求得的圓心做調(diào)整，調(diào)整方法基于本程序檢測對象特 征：圖片最小圓處灰度值相對于周圍相差較大。
調(diào)整的方法：調(diào)整范圍以檢測出圓的圓心為中心，長度（L) 為半徑的0.7的正方形調(diào)整區(qū)域。
調(diào)整思路:①先調(diào)整x軸向的坐標，計算以此坐標為中心長 度為L的正方形的左半部分和右半部分的灰度平均，若左半部分 灰度值大，x向左移動（-1)，反之；若上一次坐標移動與本次移動 方向不同，則移動結(jié)束;②然后根據(jù)同樣的方法調(diào)整y坐標。
其中Hough圓變換首先獲取的中心區(qū)域如圖2所示，經(jīng)過 Hough圓變換后得到圓心并進行調(diào)整后的圓心位置對比效果 如圖3所示。
該段程序的思路如流程圖4所示。
2.3.2指針識別
指針直線識別的主要流程為：先將原始圖像灰度化，然后利 用Canny算子進行邊緣檢測，再通過Hough直線變換去檢測 圖像中所包含的全部直線。對檢測出的直線進行過濾，其過濾準 則為：檢測出線段的端點至少有一個在圖片中心區(qū)域。
篩選過濾后的直線，求出直線遠離圓心的點。其篩選規(guī)則為：
1）若只有一條直線，則本直線遠離圓心的點為檢測直線的 端點；
2）若有兩條直線，則取這兩條直線遠離圓心的點的平均值作為檢測直線的端點；
3）若有兩條以上的直線，對每條直線求灰度平均，選出平均 值最小的兩條，這兩條直線遠離圓心的點的平均值作為檢測直 線的端點。
該段程序的思路如流程圖5所示。
2.3.3指針角度計算
運行程序計算指針角度結(jié)果如圖6所示。
2.4表盤繪制模塊
表盤繪制模塊是本軟件的核心模塊之一。通過讀取對應配 置文件的表盤信息，獲取表盤刻度線長度、大刻度數(shù)、中刻度數(shù) 及小刻度數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)后，該模塊將對表盤做出圓心定位，角度 轉(zhuǎn)換為弧度，計算得出任意角上符合半徑要求的圓周點的象限 坐標，最后分別設(shè)置相應的映射模式，把得到的成像映射到屏幕 和打印機上。
2.5打印模塊
在微軟的MFC單/多文檔程序中，打印機編程由類庫自動 封裝并提供，軟件開發(fā)時只需根據(jù)實際需要添加少量打印機打 印代碼就可以完成需求。程序調(diào)用Windows的打印驅(qū)動程序 后，再自動調(diào)用工業(yè)打印機所對應的驅(qū)動程序，啟動打印機在空 白表盤上打印出重繪出的表盤。
3.壓力表盤標定實驗
本實驗首先選用了某儀表廠生產(chǎn)的壓力表進行驗證，實驗 數(shù)據(jù)及誤差如表1所示。
在標定過程中需要執(zhí)行上行增負荷和下行減負荷各一次全 量程加壓過程。最終得到儀表準確度為0.367%，該儀表的精度等級為0.4，因此可以認定該表盤合格。此外，儀表的回程誤差取 上、下行程同一壓力負荷下的示值之差的最大值。計算得到最大 回程誤差為0.8，除以儀表量程得到回差準確度為0.267%，在 可接受范圍內(nèi)。
4.結(jié)束語
結(jié)合具體試驗結(jié)果，本文提出了一種新的的壓力表盤的標 定打印裝置，能夠生產(chǎn)出合符標準的壓力表盤，以適應市場需 要，但在一些實際應用場合中還存在一定不足之處，有待改進。
