基于機(jī)器視覺技術(shù)的氣體檢測(cè)報(bào)警器檢定裝置的研究*

郭　波　張　征　許思思

(山東省計(jì)量科學(xué)研究院，濟(jì)南 250014)

0　引言

我國(guó)大部分氣體檢測(cè)報(bào)警器顯示部分一般采用數(shù)碼管和液晶屏兩種，由于其型號(hào)不同，顯示位置也不相同，但顯示內(nèi)容一般為以數(shù)字形式顯示的一氧化碳?xì)怏w濃度。依據(jù)JJG 915—2008《一氧化碳檢測(cè)報(bào)警器》檢定規(guī)程[1]，檢定過程中要求檢定人員多次通入不同濃度的一氧化碳標(biāo)準(zhǔn)氣體，并對(duì)每次報(bào)警器的示值進(jìn)行記錄，檢定過程復(fù)雜、繁瑣，期間雖然有通風(fēng)櫥等設(shè)施的保護(hù)，檢定人員在讀取示值時(shí)也難以完全避免受到標(biāo)準(zhǔn)氣體的侵襲。

本研究嘗試將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于報(bào)警器檢定裝置，實(shí)現(xiàn)檢定數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，以提高了報(bào)警器的檢定效率，減少了檢定人員的投入，有效避免檢定人員受到有毒有害氣體的侵襲。本研究主要包括以下內(nèi)容：1)將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于報(bào)警器檢定裝置的設(shè)計(jì)原理；2)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研發(fā)；3)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)；4)圖像識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)。該技術(shù)的應(yīng)用可提升報(bào)警器的檢定技術(shù)及檢定效率，對(duì)保障人體健康具有重要意義。該技術(shù)可推廣至更多的計(jì)量領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1　設(shè)計(jì)原理

機(jī)器視覺是利用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷，機(jī)器視覺系統(tǒng)是通過圖像攝取裝置(CMOS和CCD)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)；圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作[2-4]。

本研究將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于報(bào)警器檢定過程中，利用CCD(Charge-coupledDevice圖像傳感器)采集報(bào)警器示值。其核心原理為：采用CCD讀取報(bào)警器示值圖像，使用圖像處理系統(tǒng)對(duì)示值進(jìn)行識(shí)別獲取報(bào)警器示值，然后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，用于檢定結(jié)果的計(jì)算。通過設(shè)計(jì)一套密閉的檢定裝置，內(nèi)部安裝多只CCD，可同時(shí)對(duì)多臺(tái)報(bào)警器進(jìn)行檢定，其內(nèi)部可固定多只不同型號(hào)的報(bào)警器，CCD可依據(jù)報(bào)警器屏幕調(diào)整自身位置并可自動(dòng)對(duì)焦；設(shè)計(jì)輸出端口與計(jì)算機(jī)互聯(lián)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可依據(jù)規(guī)程控制CCD進(jìn)行示值的采集，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成檢定數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及運(yùn)算，原理見圖1。

圖1　原理結(jié)構(gòu)圖

依據(jù)設(shè)計(jì)思路，形成裝置研發(fā)過程中的三個(gè)研發(fā)點(diǎn)：1)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研發(fā)；2)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)；3)圖像識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)。

2　機(jī)械結(jié)構(gòu)

在滿足安全及工作需要的情況下，兼顧舒適性、美觀性，將裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由可密閉容器、CCD固定及移動(dòng)機(jī)構(gòu)、報(bào)警儀固定裝置、計(jì)算機(jī)主板及圖像采集卡控制箱體幾部分組成。

CCD固定及移動(dòng)機(jī)構(gòu)置于可密閉容器的頂部(可安裝四只CCD)，報(bào)警器固定裝置置于該容器的底部(對(duì)應(yīng)CCD可固定報(bào)警器四只)。計(jì)算機(jī)主板及圖像采集卡控制箱體與可密閉容器采用豎式層疊放置，可密閉容器置于控制箱體頂部。兩部分間做好隔離封閉措施，避免控制箱體內(nèi)設(shè)備運(yùn)行當(dāng)中可能會(huì)出現(xiàn)的火花與測(cè)試氣體接觸，提高了裝置的安全性能。裝置CCD的輸出線孔、電源線孔等所有的孔都應(yīng)用密封圈密封，以避免檢定標(biāo)準(zhǔn)氣體的泄露，避免對(duì)檢定人員的侵襲。裝置三維圖如圖2。

圖2　裝置三維圖

該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為：整體體積較小、便于使用且造價(jià)低廉。

3　控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)在Visual C++6.0編程環(huán)境下編寫完成?？刂葡到y(tǒng)部分通過對(duì)JJG 915—2008《一氧化碳檢測(cè)報(bào)警器》檢定規(guī)程[1]的分析形成工作流，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)氣體通入提醒，數(shù)據(jù)的定時(shí)采集等功能需求。系統(tǒng)通過串行口與計(jì)算機(jī)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同CCD的控制及每次檢定數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)庫(kù)使用微軟SQL2000，控制系統(tǒng)主界面如圖3。

圖3　控制系統(tǒng)主界面

4　圖像識(shí)別系統(tǒng)

圖像識(shí)別系統(tǒng)在Visual C++6.0編程環(huán)境下編寫完成，主要借助機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，該部分為裝置的核心。本研究通過利用DirectX開發(fā)組件中的DirectShow進(jìn)行CCD圖像的提取和顯示；圖像處理采用OpenCV(Open Computer Vision)開源計(jì)算機(jī)視覺函數(shù)庫(kù)完成，分別對(duì)圖像進(jìn)行灰度化、腐蝕、膨脹、邊緣檢測(cè)和二值化等一些列處理，然后，編寫算法對(duì)數(shù)字進(jìn)行分割并使用光學(xué)字符(OCR,Optical Character Recognition)進(jìn)行識(shí)別[4-9]。

4.1　圖像處理的流程

1)將彩色圖像灰度化處理，并且平滑，處理前后如圖4所示；

圖4　圖像灰度化及平滑處理前后

2)圖像進(jìn)行腐蝕膨脹處理，減小噪音干擾；

3)通過邊緣檢測(cè)算子函數(shù)cvCanny對(duì)圖像進(jìn)行邊緣處理，獲取內(nèi)部輪廓，以便提取字符特征，如圖5；

4)將每個(gè)數(shù)字的顯示區(qū)分割進(jìn)行字符分割出來(lái)，因?yàn)閷?duì)數(shù)字的模板匹配必須是單個(gè)進(jìn)行，將每個(gè)數(shù)字有效點(diǎn)區(qū)域的上下左右獲取，得到它的顯示區(qū)，即可將字符串分隔成單個(gè)字符進(jìn)行處理，分割后圖像如圖6所示。

圖5　邊緣檢測(cè)后圖像

圖6　字符分割后圖像

4.2　字符識(shí)別

系統(tǒng)主要識(shí)別顯示屏上顯示的數(shù)字，字符相對(duì)較規(guī)整，字符數(shù)較少，所以，我們采用較為簡(jiǎn)單的字符殘缺匹配方法進(jìn)行識(shí)別。首先將有相似特征的字符分類，然后根據(jù)其不同特征加以區(qū)分，再根據(jù)相似程度識(shí)別出該字符。

5　結(jié)束語(yǔ)

基于機(jī)器視覺技術(shù)的一氧化碳報(bào)警器檢定裝置在山東省計(jì)量科學(xué)研究院已投入使用半年時(shí)間，數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集大大節(jié)省檢定過程中人力、物力投入，避免因人為原因而造成的采集差錯(cuò)，提高了報(bào)警器的檢定效率，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

現(xiàn)階段我國(guó)大部分計(jì)量器具均還不具備自動(dòng)數(shù)據(jù)采集接口，檢定過程中通過人眼采集被檢器具的示值，區(qū)別僅在于器具顯示屏的種類、大小、位置、顯示內(nèi)容等，結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)在報(bào)警器檢定方面的成功運(yùn)用，該技術(shù)可進(jìn)行拓展，廣泛應(yīng)用于各個(gè)計(jì)量領(lǐng)域內(nèi)。

[1]JJG 915—2008《一氧化碳檢測(cè)報(bào)警器》.國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2008

[2]劉煥軍，王耀南.機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)[J].電腦與信息技術(shù)，2003(1)

[3]吳文琪，孫增圻.機(jī)器視覺中的攝像機(jī)定標(biāo)方法綜述[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2004(2)

[4]王福斌，李迎燕，劉杰，陳至坤.基于OpenCV的機(jī)器視覺圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械與電子，2010(6)

[5]劉麗梅，鄭新武，陳永明，王磊.基于OpenCV的圖像處理程序開發(fā)方法的研究[J].機(jī)電技術(shù)，2010(5)

[6]盧洋，張旭秀.圖像邊緣檢測(cè)算法的對(duì)比分析與研究[J].太原科技，2009(3)

[7]余洪山，王耀南.一種改進(jìn)型Canny邊緣檢測(cè)算法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2004(20)

[8]瞿洋，楊麗平.Hough變換OCR圖像傾斜矯正方法[J].中國(guó)圖像圖形學(xué)報(bào)A輯，2001，6(2)

[9]嚴(yán)國(guó)莉，黃山等.印刷體數(shù)字快速識(shí)別算法在身份證編號(hào)數(shù)字識(shí)別中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程，2003(1)