圖像識別在指示表檢定中的應(yīng)用

汪渝

摘 要：圖像識別技術(shù)是現(xiàn)代科技進(jìn)步和發(fā)展的具體體現(xiàn)，廣泛應(yīng)用于眾多行業(yè)技術(shù)中。文章將著重探討圖像識別技術(shù)在指示表檢定中的應(yīng)用和設(shè)計(jì)。通過對檢定過程中的指示針自動(dòng)判讀方法的分析，在傳感器與計(jì)算機(jī)技術(shù)有效結(jié)合的前提和基礎(chǔ)上，采用CCD攝像來獲取表盤圖像，通過計(jì)算機(jī)對圖像識別和數(shù)據(jù)處理的方法來獲得指針讀數(shù)，提高檢定效率。文章將對檢定儀構(gòu)成原理、結(jié)構(gòu)及其判讀法的軟件計(jì)算等進(jìn)行詳細(xì)分析。

關(guān)鍵詞：圖像識別；指示表檢定；應(yīng)用

中圖分類號：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）36-0132-02

從當(dāng)前的生產(chǎn)過程來看，通常采用的測量儀表主要包括百分表、杠桿表、千分表和內(nèi)徑表等。這些儀表一般具有工作量大、以機(jī)器是檢測作為主要工具的特點(diǎn)，因此通常存在工作效率低、充電效能不高、操作員工的勞動(dòng)量大、檢測結(jié)果容易受到人為因素影響等相關(guān)方面的問題。所以，有效實(shí)現(xiàn)指示表的自動(dòng)檢測具有相當(dāng)重要的意義。鑒于這樣的現(xiàn)實(shí)需求，本文將主要對這種自動(dòng)的指示標(biāo)檢定儀進(jìn)行全面的分析，而所謂的自動(dòng)就是完全摒棄過去人為因素的摻雜，比如人工對線、人工整理檢測結(jié)果、人工記錄等操作過程，而全自動(dòng)的指示表沒有相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)柄、工作系統(tǒng)也沒有人工與機(jī)器的直接接觸，因此就沒有人為因素和相互作用的存在，從而在一定程度上保障了檢測結(jié)果的可靠有效，正是自動(dòng)檢測用了計(jì)算機(jī)的圖像識別技術(shù)，從而在一定程度上減少了人為因素的干預(yù)，有效提高了自動(dòng)檢測的準(zhǔn)確度和分辨率。同時(shí)，這種自動(dòng)檢測同時(shí)具備操作簡便、誤差較小等優(yōu)勢，因此在未來有望取代傳統(tǒng)的機(jī)械式檢測方式。通常情況下，此檢定儀需要達(dá)到以下的技術(shù)指標(biāo)：首先，量程主要保持在0～15mm之間，其實(shí)，分辨率通常為0.1μm，最后整體的誤差要小于1μm。

1 檢定儀工作原理分析

檢定儀結(jié)構(gòu)通常由計(jì)算機(jī)、絲杠、底座、電機(jī)控制卡、CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、打印機(jī)等相關(guān)部分組成。如下圖1是對檢定儀結(jié)構(gòu)圖像的具體分析。

指示表檢定儀通常依據(jù)光柵測長的相關(guān)原理，將直線位移變成相關(guān)的電信號，并且經(jīng)過電路轉(zhuǎn)化和軟件細(xì)分的方式，對一些脈沖信號進(jìn)行相關(guān)的記錄和顯示。計(jì)算機(jī)在接到“開始檢定”的命令時(shí)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)光柵和被檢指示表會發(fā)生同樣的位移，圖像識別技術(shù)通過對表盤的圖像的拍攝來識別所有檢定點(diǎn)的讀數(shù)，最后將得到的識別結(jié)果與光柵測量的標(biāo)準(zhǔn)位移結(jié)果進(jìn)行比較，通過比較能夠獲得各項(xiàng)指示值的誤差，并將其檢定記錄和結(jié)果打印出來。

被鑒定表以專用夾的形式將其固定在底座上，因此利用不同的夾可以實(shí)現(xiàn)區(qū)別和更改不同規(guī)格的鑒定表。通過程序編制將電機(jī)控制卡設(shè)置為工作方式3，以連續(xù)輸出電動(dòng)波的形式控制電機(jī)移動(dòng)，以改變方波頻率來調(diào)整電機(jī)速度。通過電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，適當(dāng)?shù)男问诫姍C(jī)的運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)并進(jìn)一步推動(dòng)推杠移動(dòng)，推杠一側(cè)的彈簧用來消除機(jī)械傳動(dòng)間隙。被檢表盤上方的攝像平臺安裝有CCD的攝像機(jī)和光源，攝像機(jī)平臺上的電機(jī)在計(jì)算機(jī)的控制下，可以實(shí)現(xiàn)沿x、y方向移動(dòng)的動(dòng)作，以此保障攝像機(jī)準(zhǔn)確對應(yīng)被檢表的表盤。CCD攝像機(jī)在連續(xù)鑒定被檢表盤時(shí)，相關(guān)的圖像信息由采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，并實(shí)現(xiàn)圖像處理和檢定儀表指針示值及誤差的工作，同時(shí)能夠有效實(shí)現(xiàn)正反行程方向的檢定。

自動(dòng)檢定儀全程由計(jì)算機(jī)控制完成各項(xiàng)工作，精密光柵提供給表?xiàng)U標(biāo)準(zhǔn)的測量長度基準(zhǔn)，以此保證測量值的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，通過CCD的自動(dòng)判讀裝置來實(shí)現(xiàn)指示值得準(zhǔn)確判讀，從而避免了員工讀數(shù)的缺陷，保證了檢定結(jié)果的精度。另外，連續(xù)檢定和自動(dòng)檢定在有效保證檢定效率的同時(shí)，還能夠隨意調(diào)整檢定范圍，具有靈活方便的操作工效。鑒定儀系統(tǒng)主要由光柵尺的數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、表示只判讀模塊以及打印模塊等組成。

2 圖像獲取和初步處理分析

2.1 圖像獲取分析

圖像采集卡通過接收CCD輸出的視頻信號，將接收到的信號進(jìn)行解碼，將其轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)字信息，計(jì)算機(jī)通過CPI讀取圖像采集卡傳達(dá)的圖像數(shù)據(jù)將其傳送到系統(tǒng)內(nèi)部，然后借助相關(guān)的軟件技術(shù)對其進(jìn)行處理。一般情況下，表盤的圖像獲取主要分為以下步驟：首先是對圖像采集卡進(jìn)行初始化，再輸入對應(yīng)的信號源，進(jìn)一步設(shè)置圖像采集的大小或位置，以灰度圖像的采集方式啟動(dòng)圖像設(shè)備，并設(shè)置圖像采集卡參數(shù)。其次是獲取BMP圖文件的相關(guān)參數(shù)，以該參數(shù)為依據(jù)，開辟出576×576大小的緩沖區(qū)，并將其頭一字節(jié)所在的地址作為指針方向。最后是將圖像傳達(dá)至緩沖區(qū)，并根據(jù)其顯示的圖像模式，將表盤圖像有效顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。

2.2 圖像邊緣檢測與增強(qiáng)

邊緣檢測主要用來獲取表針的邊緣信息，以此來保證和突出圖像的整體輪廓。在圖像邊緣得到突出顯示的同時(shí)，還要有效保持邊緣以外其他區(qū)域的原樣。但是值得注意的一個(gè)問題是，邊緣檢測和增強(qiáng)將會消弱圖像的一些低頻部分，而處理后的圖像要保持亮度不變，像素值緩慢的區(qū)域也要保持不變，但像素變化強(qiáng)烈的部分要明顯突出。通常采用的邊緣檢測方法有平移、力度方向的邊緣增強(qiáng)、Sobel邊緣檢測、Laplace邊緣增強(qiáng)等。文章中的邊緣檢測方法主要采用了Sobel邊緣檢測法，該種方法屬于一種非線性的邊緣檢測算法，具有很高的檢測效率和廣泛的用途。這種檢測方法是在x、y方向上，使用兩個(gè)不同的模板進(jìn)行。

3 指示表示值的判讀方法分析

儀表示值圖像的處理主要包括二值化處理和投影法識別兩種算法。下面將分別對這兩種算法進(jìn)行分析和介紹。

3.1 圖像二值化的算法分析

為了從復(fù)雜的圖像部分中提取特定的圖像區(qū)域和信息，就需要對被提取的圖像進(jìn)行相關(guān)的簡化和分割，將需要提取的圖像部分與其他圖像部分分隔開來，而在這其中最常用的分割方法就是對圖像灰度進(jìn)行等級區(qū)分的方式。然后通過灰度門限設(shè)置的方式對圖像進(jìn)行二值化，分割出來需要的圖像信息轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏糠?，而將被剔除的一些無用部分轉(zhuǎn)化為白色。而指示表圖像最感興趣的就是灰度值較小的指針。在實(shí)際情況的影響下，指示表的指針和表盤會存在一些較大的差異性。是在光照相對均勻的條件下，可以通過自動(dòng)搜索合理門限的方式，將圖像進(jìn)行二值化，灰度小于該門限的則為黑色，否則為白色，同時(shí)要注意在選擇門限值時(shí)經(jīng)過綜合全面的考慮。endprint

3.2 投影法識別的算法分析

投影法識別算法主要是指將二值化的圖像表盤中的各個(gè)像素按照從中心向邊緣拓展的方式進(jìn)行投影，而投影長度則等同于該方向上的黑色像素?cái)?shù)量，投影最長的點(diǎn)通常就應(yīng)該是該指示表的指針方向。通過該點(diǎn)的確定以及對應(yīng)關(guān)系的分析，最后求出指示表的讀數(shù)。

投影識別的具體算法如下：首先要在表盤的圖像上建立一個(gè)極坐標(biāo)體系，原點(diǎn)就代表指示表指針的回轉(zhuǎn)中心，r或θ兩個(gè)參數(shù)可以用來確定圖像空間中其他點(diǎn)，r主要代表遠(yuǎn)點(diǎn)的距離，θ代表方位角，因此，任意點(diǎn)的x、y構(gòu)成的函數(shù)關(guān)系應(yīng)該是：

r取值主要控制0到220之間，主要代表指針掃描的半徑，所對應(yīng)的就是圖像的像素?cái)?shù)量。而θ取值一般控制在0到1800之間，對應(yīng)的方位角就在0到360度之間，從每個(gè)數(shù)值對應(yīng)0.2度。

對應(yīng)θ的取值變化，當(dāng)r從0增加到220時(shí)，代表著原圖像空間中的一條線段，隨著取值的遞進(jìn)變化，代表著可以得到1800條相應(yīng)的線段，當(dāng)每一條線段完成投影后，也意味著得到一個(gè)一維數(shù)組累加器，按照線段順序，以搜索的方式對其中的黑點(diǎn)和累加器加一，當(dāng)所有的θ點(diǎn)對應(yīng)的線段完成搜索工作后，便可以得到投影空間所對應(yīng)的曲線，如下圖2所示：

從投影曲線的極值點(diǎn)可以看出對應(yīng)的指針?biāo)谖恢?，?shù)據(jù)處理軟件通過峰值搜索來判斷峰值，并計(jì)算出其峰值位置。從圖中可以看出，峰值與指示表的讀數(shù)有著密切關(guān)系，而這種關(guān)系在識別開始之前就應(yīng)該人為設(shè)定好，最后通過計(jì)算出的峰值來求出指示表的讀數(shù)。

4 結(jié)束語

圖像識別技術(shù)應(yīng)用于指示表檢定中，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)檢定過程的全自動(dòng)化，同時(shí)能夠提高檢定的精確度和分辨率。實(shí)踐證明，這種技術(shù)應(yīng)用于指示表檢定中能夠減少回程誤差，并且具有操作簡便、反應(yīng)靈敏的優(yōu)勢特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于百分表、杠桿表，內(nèi)徑表、千分表等各類指示表的檢定過程中，所以具有一定的普適性和通用性。同時(shí)，一些實(shí)驗(yàn)證明：這種圖像識別技術(shù)應(yīng)用于指定表檢定的方法完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求，因此有望在各類工礦企業(yè)和事業(yè)單位的計(jì)量過程中得到普遍推廣和使用。

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