一種改進(jìn)條碼尺編碼的閘門開度測量方法

西秀秀，孫久運(yùn)，汪云甲，張新耐，劉克強(qiáng)

(中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

閘門是水工建筑的重要組成部分，通常設(shè)置在取水輸水建筑物的進(jìn)、出水口等咽喉要道，通過靈活可靠地啟閉來發(fā)揮它們的功能與效益，并維護(hù)建筑物的安全。隨著國家水利水電事業(yè)信息化建設(shè)的大力推廣，越來越多的水利工程運(yùn)用各種高新技術(shù)成果建立自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)[1]，同時(shí)對閘門控制精度及控制效果的要求也越來越高。閘門開度是指閘門底水封到底檻的垂直距離，對閘門開度的監(jiān)測是閘門監(jiān)控最基本的指標(biāo)之一。傳統(tǒng)的閘門開度測量速度慢、精度低、自動(dòng)化弱[2]，不利于實(shí)時(shí)控制閘門的閉合。近年來有學(xué)者提出利用計(jì)算機(jī)視覺進(jìn)行閘門開度檢測并制作基于圖像識別的閘門開度儀[3]，盡管其監(jiān)控位移難度小，但仍存在測量精度低、魯棒性不強(qiáng)等缺陷。

針對實(shí)時(shí)監(jiān)測閘門開度的困難，本文結(jié)合條碼尺測量精度高及計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)測難度小的優(yōu)點(diǎn)，探索基于條碼尺圖像分析的閘門開度測量方法；并針對目前條碼尺編碼解碼的缺陷，提出一種新的編碼解碼方式進(jìn)行改進(jìn)，最終完成一套實(shí)時(shí)閘門開度測量系統(tǒng)。目前，基于改進(jìn)條碼尺編碼與解碼方案的閘門開度測量方法在國內(nèi)外水利水電工程應(yīng)用中具有一定的先進(jìn)性，可望產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益。

1 閘門開度測量中條碼尺圖像分析

在基于條碼尺的閘門開度測量中，主要通過對攝像機(jī)采集圖像幀進(jìn)行處理，識別數(shù)字條碼尺的碼元信息及檢定基線，提取條碼尺特征值，解碼操作繼而得到閘門開度的位移信息。由于采用圖像輸入設(shè)備對條碼尺圖像進(jìn)行采集，因此與傳統(tǒng)的光電傳感器的識別方法有所不同，對條碼尺圖像采集和圖像識別是其核心內(nèi)容，也是對條碼尺進(jìn)行解碼的前提。條碼尺圖像采集和圖像識別主要包括畸變校正、圖像預(yù)處理、條碼尺精確定位和誤差處理4個(gè)步驟。條碼尺圖像分析流程如圖1所示。

1.1 畸變校正

監(jiān)控?cái)z像頭是圖像采集的主要元件，其具有性能穩(wěn)定、全天候拍攝、耗電量小等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中鏡頭或多或少都會(huì)發(fā)生畸變現(xiàn)象，而畸變在一定程度上可以帶來更寬泛的視場角，因而在廣角端畸變會(huì)變得更加明顯。畸變會(huì)使物體失去原有的形狀，對條形碼的解碼存在較大的干擾，影響其測量精度，因此需要建立監(jiān)控?cái)z像頭的校正系統(tǒng)，降低畸變對圖像的影響[4]。具體過程就是利用監(jiān)控?cái)z像頭標(biāo)定獲得的內(nèi)方位矩陣[5]，建立一個(gè)幾何糾正模型，根據(jù)該數(shù)學(xué)模型結(jié)合重采樣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)圖像的畸變糾正(如圖2所示)，為實(shí)現(xiàn)精度解碼奠定基礎(chǔ)。

圖2 畸變糾正流程

1.2 圖像處理

數(shù)字圖像處理即利用計(jì)算機(jī)處理數(shù)字圖像[6]，其主要內(nèi)容包括對圖像進(jìn)行噪聲去除、增強(qiáng)、復(fù)原、分割、特征提取等。在本文中，需要對復(fù)雜環(huán)境下的條碼圖像進(jìn)行處理以識別和定位條碼尺，基本思路是首先對條碼圖像進(jìn)行色彩轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)化為灰度圖，以減少內(nèi)存的開支，再將條碼圖像進(jìn)一步處理以提取條碼范圍進(jìn)行解碼操作。因此主要的處理內(nèi)容有：圖像灰度化、圖像濾波、邊緣檢測、內(nèi)輪廓填充及漫水補(bǔ)充，得到復(fù)雜環(huán)境下的完整條碼尺。在進(jìn)行圖像濾波時(shí)采用中值濾波與雙邊濾波結(jié)合的二級級聯(lián)濾波方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)方式下的高斯濾波[7]；根據(jù)條碼尺的邊緣信息將閉合的邊界內(nèi)部進(jìn)行漫水填充，目的是使條碼尺識別度更高，后期實(shí)現(xiàn)條碼解碼更加準(zhǔn)確。

1.3 條碼定位

在復(fù)雜的環(huán)境背景下，根據(jù)條碼尺固有的特征能夠快速準(zhǔn)確地識別出條碼尺是計(jì)算閘門開度的關(guān)鍵問題。條碼定位技術(shù)[8]不僅限于條碼識別技術(shù)，在編解碼要求上具有更高的難度和復(fù)雜性，且到目前為止，相關(guān)研究文獻(xiàn)較少。通過圖像處理得到的二值圖進(jìn)行形態(tài)學(xué)膨脹處理，將區(qū)域內(nèi)所含目標(biāo)分別處理成完整的連通域，其中最大的連通域?yàn)闂l碼區(qū)域。當(dāng)含有條碼信息的圖像進(jìn)入監(jiān)測視場，即可自動(dòng)定位當(dāng)前條碼的位置，進(jìn)行條碼的分析和解碼。

1.4 誤差處理

由于條碼尺在安裝過程中可能存在人為測量誤差或由觀測視角差異導(dǎo)致的條碼尺傾斜，因此需要將條碼尺存在傾斜情況考慮到解碼過程中，使解碼出的條碼尺位移信息更加精確。在圖像處理中邊緣檢測已計(jì)算出圖像的邊緣梯度及方向，結(jié)合條碼定位區(qū)域，對區(qū)域內(nèi)邊緣角度統(tǒng)計(jì)并計(jì)算平均值，得到條碼尺的傾斜角度，進(jìn)而對條碼尺進(jìn)行傾斜校正。

2 改進(jìn)三周期條碼尺編碼和解碼

由于條碼技術(shù)具有準(zhǔn)確、快速、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)[9-10]，相對于旋轉(zhuǎn)編碼器具有極高的測量精度，因此利用條碼尺進(jìn)行閘門開度測量具有優(yōu)勢。傳統(tǒng)的條碼尺[11-12]在解碼時(shí)采用碼元所占像素個(gè)數(shù)計(jì)算寬度，識別碼元所在周期，過程中像素個(gè)數(shù)識別差異導(dǎo)致碼區(qū)判斷誤差，在精測值計(jì)算時(shí)引入垂直放大率[13]均會(huì)導(dǎo)致閘門開度測量精度較低?？紤]到條碼尺的優(yōu)缺點(diǎn)，本文在原有編碼方案基礎(chǔ)上提出一種定量與定性相結(jié)合的方法改進(jìn)條碼尺，主要內(nèi)容包括兩點(diǎn)：一是定義起始碼元長度為其余碼元的2倍，以起始碼元作為特征碼識別周期；二是碼元的特征值以碼元中縫隙個(gè)數(shù)表示，代替以碼元寬度表示的特征值，在進(jìn)行解碼時(shí)只要定性識別間隙的個(gè)數(shù)即可，充分利用間隙來存儲(chǔ)信息。

2.1 改進(jìn)條碼尺的編碼原理

條碼尺設(shè)計(jì)基本原則是所有碼區(qū)的編碼唯一，為滿足該條件，此處設(shè)立3個(gè)條碼序列且每個(gè)序列內(nèi)部所有元素各不相同，3個(gè)序列為

(1)

式中，A序列的所有元素作為起始碼元，其長度2L是B、C序列中碼元長度L的2倍。A、B、C3個(gè)序列均以碼元中間隔出現(xiàn)個(gè)數(shù)作為特征值，其中縫隙長度和個(gè)數(shù)根據(jù)碼元特征值進(jìn)行設(shè)計(jì)：縫隙長度定義為黑色塊元的一半，縫隙最大個(gè)數(shù)為碼元特征值的最大值max，則此處間隔的長度大小Lgap為

Lgap=L/max+2max+2

(2)

Lb=2Lgap

(3)

從3個(gè)條碼序列中各取一個(gè)碼元順序組成碼區(qū)，共有K=x·y·z種不同的碼區(qū)，再將不同的碼區(qū)作置亂加密，將置亂加密后的編碼序列存至條碼尺高度信息—條碼特征數(shù)據(jù)庫，作為解碼的參照基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，按照此編碼方式的編碼如圖3所示。此編碼中空白間隔大小必須滿足光學(xué)分辨能力。

圖3 改進(jìn)編碼方法示意圖

2.2 改進(jìn)條碼尺的解碼原理

由于條碼尺的特征量是由碼元上間隔數(shù)量所決定的，因此最重要的就是識別間隔個(gè)數(shù)，相比傳統(tǒng)方式的計(jì)算碼元寬度，采用定性的方式可以更加準(zhǔn)確地求解特征量。因此本文采用定性與定量結(jié)合的方式求解。

粗測值是根據(jù)圖像處理技術(shù)求解觀測點(diǎn)所在碼區(qū)內(nèi)所有碼元的間隙個(gè)數(shù)，進(jìn)而得到該周期的碼字，檢索條碼尺高度信息—條碼特征數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的位移信息得出粗測值。根據(jù)圖4所示，碼元中黑色塊元至空白間隙的變化次數(shù)就是特征值，但是由于起始碼元的長度是其余碼元的2倍，觀察可知非起始碼元的變化次數(shù)比起始碼元多1，因此在計(jì)算特征值時(shí)必須減去該值，這樣即得到該周期的碼字。與條碼尺高度信息—條碼特征數(shù)據(jù)庫檢索分析找出對應(yīng)的碼字，計(jì)算實(shí)際粗測位移。

精測值通過觀測點(diǎn)所在位置距離當(dāng)前起始條碼與下一周期起始條碼的像素比，由式(4)可知精測值與實(shí)際長度的比例與像素比相同。

(4)

式中，a為標(biāo)識點(diǎn)距離當(dāng)前碼區(qū)起始條碼的像元個(gè)數(shù)；b為標(biāo)識點(diǎn)距離下一碼區(qū)起始條碼的像元個(gè)數(shù)；Sk為條碼尺高度信息—條碼特征數(shù)據(jù)庫中每個(gè)周期對應(yīng)的實(shí)際長度。則精測值為

(5)

根據(jù)所求的粗測值和精測值，由式(6)即可計(jì)算出觀測標(biāo)識點(diǎn)的實(shí)際位移S的值。此時(shí)解碼結(jié)束。

S=S粗+S精

(6)

圖4 改進(jìn)條碼的解碼示意圖

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為完成閘門開度自動(dòng)測量，本文設(shè)計(jì)了基于條碼尺圖像分析的閘門開度測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)組成與計(jì)算流程如圖5所示，其主要分為3部分：視頻采集模塊、條碼尺制作模塊及開度測量系統(tǒng)模塊。視頻采集模塊采集大壩閘門開度變化視頻數(shù)據(jù)，同時(shí)將此數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)介_度測量程序進(jìn)行閘門開度的位移測量；條碼尺制作模塊將提出的編碼規(guī)則用于制作周期各異的條碼尺，并將對應(yīng)的實(shí)際位移信息存儲(chǔ)為“條碼尺高度信息—條碼特征”特征數(shù)據(jù)庫；開度測量系統(tǒng)模塊主要運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺解譯回傳視頻，識別與定位視頻數(shù)據(jù)中的條碼尺，提取監(jiān)控點(diǎn)的空間位置特征，通過查詢特征數(shù)據(jù)庫檢索監(jiān)控點(diǎn)真實(shí)位置，最終完成閘門開度計(jì)算。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過模擬閘門啟閉過程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對閘門開度測量系統(tǒng)進(jìn)行測試，并結(jié)合其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

(1) 重復(fù)性檢定。對本文設(shè)計(jì)的閘門開度測量系統(tǒng)來說，其重復(fù)性就是模擬閘門固定在某一位置處的情況下以相同的測量條件為前提，重復(fù)測量同一位置的條碼位移，閘門開度測量系統(tǒng)能夠測到相近讀數(shù)的能力，即對固定位置處多次檢定，本次試驗(yàn)設(shè)置至少三處固定位置，檢測其測量值及誤差。因此，整個(gè)測量過程必須在盡量短的時(shí)間內(nèi)完成，以保證在相同的條件下進(jìn)行測量，測量結(jié)果見表1、圖6。

圖5 閘門開度測量系統(tǒng)流程

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(2) 穩(wěn)定性檢定。在模擬閘門模型上設(shè)定4個(gè)固定位置監(jiān)測點(diǎn)，在不同時(shí)間段內(nèi)對監(jiān)測點(diǎn)測量其閘門開度量數(shù)據(jù)見表2和圖7，比較測量結(jié)果的極差(最大值與最小值之差，其代表在不同時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定程度)。

圖6 重復(fù)性檢定結(jié)果分析

3.3 試驗(yàn)分析

根據(jù)表1，對本文提出的閘門開度測量方法測量的閘門開度位移量與實(shí)際的閘門開度位移量進(jìn)行誤差分析，誤差平均值為0.048 mm，方差為0.061 mm，表明其測量精度高，觀察圖6，表明系統(tǒng)測量精度不會(huì)隨著位移的增加而變化；表2顯示不同時(shí)間段內(nèi)觀測值最大極差為0.2 mm，結(jié)合圖7表明系統(tǒng)在不同時(shí)間段內(nèi)穩(wěn)定性良好。由于各采樣點(diǎn)之間的閘門開度的檢測都是獨(dú)立進(jìn)行的，并且每次換算成實(shí)際相對位移量都是重新進(jìn)行查表，因此不會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差。

表2 穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)

圖7 穩(wěn)定性檢定結(jié)果分析

4 結(jié) 語

本文提出的改進(jìn)條碼尺編碼與解碼方法能夠改善三周期等間距編碼的缺陷，采用基于改進(jìn)條碼尺圖像處理的方式構(gòu)建閘門開度測量系統(tǒng)進(jìn)行閘門開度的計(jì)算，由計(jì)算機(jī)直接處理顯示開度信息代替人工度數(shù)，實(shí)現(xiàn)了非接觸遠(yuǎn)距離高精度觀測，大大提高了閘門開度自動(dòng)監(jiān)控程度，減少了測量過程中的誤差。試驗(yàn)表明，運(yùn)用本研究方法的閘門開度測量系統(tǒng)的測量精度高、穩(wěn)定性好。因此，本文方法可為以后閘門的運(yùn)行、測量提供一種思路和解決途徑。

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