模板匹配機械指針式壓力表示值智能識別方法研究
壓力表在使用過程中，經(jīng)過一段時間的使用與受 壓后，機芯會出現(xiàn)一些變形和磨損，導(dǎo)致各種誤差和 故障產(chǎn)生。為了保證其原有的準(zhǔn)確度而不使量值傳遞失真，需及時對其執(zhí)行周期檢定，以確保示值準(zhǔn)確，可靠。傳統(tǒng)方法是通過手工操作，利用目測完成壓力表 檢測，并且要求檢定人員同時要做瞄準(zhǔn)、讀數(shù)、記錄等 多項工作。該方法具有勞動強度大、效率低、檢測誤差 大、可靠性差等問題。如何實現(xiàn)壓力指針式儀表的自 動智能檢定和記錄分析，提高檢定工作效率，成為一 個迫切需要解決的問題。
國內(nèi)外提出了很多儀表識別方法:2006年，潘偉 等人利用脊波變換方法對幾種含噪聲的圖像進(jìn)行直線 檢測,結(jié)果表明脊波變換能較好地提取直線特征。同年， 唐敏等人提出了一種基于自適應(yīng)脊波變換的邊緣檢測 方法。這種方法以脊波變換為理論基礎(chǔ)，具有多方向和 多尺度性，能對圖像中不同方向的邊緣特征進(jìn)行有效表 示和檢測。李盛陽、葉梧等利用圖像形態(tài)骨架細(xì)化方法 和Hough變換對指針式儀表讀數(shù)進(jìn)行識別。Correa.Ale_ gria等介紹了利用機器視覺對指針式儀表的檢定過程。 首先采用攝像頭采集全局的表盤圖像，然后用減影法將 兩個不同位置的指針圖像保留下來，再利用Hough變換 得到指針的角度，之后將原始圖像做幾何變換,使得表 盤上的刻度線成為一條水平線并與指針垂直，然后得到 指針的讀數(shù)。筆者所設(shè)計系統(tǒng)要求每次對6個壓力表進(jìn) 行識別,上述方法不能直接應(yīng)用到系統(tǒng)中。
因此，筆者根據(jù)前人的研究和模式識別理論，提 出一種基于模板匹配的儀表識別方法，使儀表圖像在輕微變形、光照變化等情況下都能被較準(zhǔn)確地讀數(shù)。
―、壓力表識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，待測壓力表安裝在自制的 二維電動工作臺，每次安裝6塊壓力表。工作臺控制電 箱負(fù)責(zé)對表進(jìn)行加壓和減壓。在二維電動控制臺前端 安裝高分辨力的攝像機。攝像機拍攝的壓力表視頻被 安裝在計算機上的圖像采集卡采集。通過在計算機上 編寫智能識別算法，對采集的壓力表圖像自動識別，獲 取指針準(zhǔn)確位置，計算出其指示量值，與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字壓力 表示值進(jìn)行比對，計算出儀表的示值誤差和回程誤差， 將結(jié)果存人數(shù)據(jù)庫。需測量壓力表輕敲后的指針示值 變動量時，步進(jìn)電機控制卡負(fù)責(zé)控制力錘實現(xiàn)對壓力 表表殼的輕敲，從而達(dá)到輕敲位移的檢定要求。
二、基于模板匹配的智能識別算法
對于壓力表讀數(shù)識別方法來說，計算儀表的起點 和終點的位置、角度以及中心點的位置是關(guān)鍵步驟。 借鑒與目標(biāo)跟蹤模板匹配算法的思想和儀表圖像的 特點，提出使用模板匹配的方法求上述關(guān)鍵數(shù)據(jù)，具 體流程如圖2所示。
1.模板匹配
模板匹配方法的基本思想是把一個預(yù)先存儲的目 標(biāo)圖像模板作為識別和測定目標(biāo)位置的依據(jù)，對目標(biāo)模 板與實際圖像的各個子區(qū)圖像進(jìn)行匹配(計算相關(guān)函數(shù) 值），找出和目標(biāo)模板最相似的一個子圖像的位置。
首先采集眾多已知儀表的圖像，將完整的儀表圖 像、最小量程、最大量程的子圖像保存到模板庫中。然 后使用歸一化互相關(guān)匹配方法，對采集的圖像進(jìn)行遍 歷搜索和匹配。
歸一化互相關(guān)匹配（Normalized Correlation,NC) 算法是一種經(jīng)典的匹配算法。具有很高的準(zhǔn)確性和適 應(yīng)性，對圖像灰度值的線性變換具有“免疫性”，即所 求的NC值不受灰度值線性變換的影響。通過計算模 板圖像和待匹配圖像的互相關(guān)值來確定匹配的程度。 互相關(guān)定義如下：
式中:——模板圖像的均值圖像 n+j)——被匹配圖像的均值圖像。
互相關(guān)值最大時的搜索窗口位置決定了模板圖 像在待匹配圖像中的位置。通過計算模板庫中的各個 模板與壓力表圖像的最大NC系數(shù)，求得6個壓力表的 準(zhǔn)確位置以及每個壓力表的起點和終點位置。
2.Hough變換計算儀表中心和指針位置
Hough變換是利用圖像的全局特性而對目標(biāo)輪廓 進(jìn)行直接檢查的方法，其核心思想是點線的對偶性， 通過變化將圖像空間轉(zhuǎn)換到參數(shù)空間。
在圖像XY里，所有過點0，y)的直線的方程為
y=px+q
式中:p——斜率W——截距?？筛膶懗扇缦滦问剑?
q=-px-\-y
上式可以看做代表參數(shù)空間pq中過點（/>，<；)的 一條直線。在圖像空間中共線的點對應(yīng)在參數(shù)空間里 相交的線，反過來，在參數(shù)空間里相交于同一個點的 所有直線在圖像空間里都有共線的點與之對應(yīng)，這就 是點-線的對偶性。Hough變換就是根據(jù)這樣的關(guān)系 把空間里的檢測問題轉(zhuǎn)換到參數(shù)空間，通過在參數(shù)空 間里進(jìn)行簡單累計統(tǒng)計完成直線的檢測任務(wù)。
Hough變換所采用的基本策略是根據(jù)圖像在圖像空 間內(nèi)的點在所對應(yīng)的參數(shù)空間里，計算出符合對偶特性 的參數(shù)點的所有可能的軌跡，并通過累加參數(shù)點的數(shù)量 作出最終決策。因此，Hough變換不僅能檢測直線等一階 曲線目標(biāo),對于圓、橢圓等各類曲線,同樣可以進(jìn)行檢測， 只是其計算量會隨著解析式階數(shù)的增加呈指數(shù)增加。
直線檢測的具體算法如下：利用Hough變換將原 始圖像中給定直線上的所有點都集中到變換空間的 某個點形成峰值，再尋找峰點累加數(shù)的最大值即可確 定出指針?biāo)谥本€y=pA；+(jr。
知道了斜率p,結(jié)合模板匹配方法求得的起始和 終點位置，就可以確定指針與零刻度線的偏轉(zhuǎn)角度， 從而計算出儀表的讀數(shù)。
三、實驗結(jié)果
由于彩色圖像處理復(fù)雜，因此攝像頭采集到的待 處理圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，然后使用Hough變換檢測 儀表的指針結(jié)果。
假設(shè)壓力表量程為0~10kPa，通過Hough變換計算指針與尤軸的夾角0(~45°專6>在225。）,設(shè)所求的指針讀 數(shù)為t則有，這樣就可求得儀表指針示值。
實驗中，對單個儀表測試了 10組數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1 所示。
由表1可以看出，提出的算法自動識別所得到的 測量示值可準(zhǔn)確到小數(shù)點后五位，遠(yuǎn)超人眼識別的分 辨力和準(zhǔn)確性，滿足了讀數(shù)要求。
四、結(jié)束語
本文對基于圖像處理技術(shù)的指針式儀表自動讀 數(shù)識別方法進(jìn)行了研究，提出了一種高準(zhǔn)確度的基于 模板匹配的指針式儀表讀數(shù)自動識別方法。提出的方 法降低了人工識別方法繁重復(fù)雜的工作量，提高了工 作效率。由于使用一個相機同時采集6個壓力表，部分壓力表會變形，影響識別精準(zhǔn)程度，后續(xù)研究使用雙 目相機識別的方法，提升識別準(zhǔn)確度。
