計算機視覺識別技術在壓力表檢定中的應用
介紹一種智能化視覺識別檢定裝置，在遵循現(xiàn)行技術文件的前提下，將計算機視覺識別技術在壓力表自動檢定中進行應用，并對關鍵技術進行了特征提取、分析和比較。以促進視覺識別技術在計量檢校中的廣泛 應用。
0.引言
一般壓力表是指以彈性元件為敏感元件的計 量器具，由于壓力表具有安裝簡便、價格低廉、適應 性強等優(yōu)點，在熱力管網(wǎng)、油氣傳輸、供水供氣系 統(tǒng)、車輛維修保養(yǎng)廠店等領域廣泛使用。作為一項 常規(guī)檢定項目，各級法定計量檢定機構也都會優(yōu)先 建立壓力表的計量標準，以保證我國壓力量值傳遞 的一致性和準確性，壓力表檢定工作也通常是各級 機構工作量較大的項目之一。
由于壓力測量的特性，壓力表也經(jīng)常會用于各 種涉及安全的場合，因此，我國將壓力表列人了《中 華人民共和國強制檢定的工作計量器具明細目 錄》。與壓力表相關的檢定規(guī)程有JJG 52—2013 《彈性元件式一般壓力表、壓力真空表和真空表》和JJG 49—2013《彈性元件式精密壓力表和真空 表》，分別用于檢定一般壓力表、壓力真空表、真空 表及精密壓力表和真空表，這兩種壓力表均為指針 式壓力表。
壓力表常規(guī)的檢定方法是采用標準器示值與 被檢表示值直接比較的方式，其過程是使用造壓裝 置同時給標準器和被檢表加壓，在加壓至檢定點 時，通過人工讀數(shù)方式同時讀取標準表和被檢表的 讀數(shù)，得出示值誤差。這種檢定方式具有效率低 下、人員讀數(shù)容易出現(xiàn)偏差等問題。因此，國內(nèi)外 的壓力表檢定裝置廠商一直在嘗試開發(fā)壓力表自 動檢定裝置，以計算機視覺識別技術來解決壓力表 自動檢定難題。
1.計算機視覺識別技術在壓力表檢定中的 應用
近十年，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，計算機 視覺識別技術也被越來越多的應用到傳統(tǒng)計量工 作中。通過該項技術的應用，可替代檢定員的人眼 讀數(shù)操作，降低人員讀數(shù)誤差，提高工作效率，具有 十分積極的現(xiàn)實意義。
計算機視覺識別技術在檢校工作中的應用主 要分為兩個方向：一是對阿拉伯數(shù)字的識別，如對 出租車計價器的識別等;二是對傳統(tǒng)模擬儀表的識 別，如壓力表、百分表等。
對于指針式壓力表這類模擬指示器具，由于其 指示值是以指針對表盤的相對位置來體現(xiàn)的，在識 別上就會存在一些問題，如:如何識別指針位置并 判斷其指示的壓力值;非整點指示值的估讀等。
目前，國內(nèi)已有廠家研制出了基于計算機視覺識 別技術的壓力表自動檢定裝置，實現(xiàn)的方法與計算機 視覺識別的鉢流程一致，即:使用計算機視覺系統(tǒng)在 每個檢定點(包括零點卿，對拍攝的圖像進行處理， 通過軟件對指針位置進行識別，得到各檢定點指示的 壓力值，將得到的壓力值與標準值比較得到誤差。
下面我們就以某品牌的壓力表自動檢定視覺 識別裝置為例，對采用計算機視覺識別系統(tǒng)進行壓 力表檢定的過程進行分解，使讀者能夠更清楚的了 解到計算機視覺識別技術的應用原理及實現(xiàn)方法。
1. 1檢定系統(tǒng)的軟硬件組成
1)硬件部分
硬件部分非常簡單，主體為兩只不同口徑的 碗形扣件（扣件內(nèi)帶有有攝像頭），以適應不同大 小的壓力表;配件為兩根USB傳輸線。硬件組成 如圖1。
硬件部分的作用為拍攝檢定時的表盤圖像，其 主要構成為以CCD為感光元件的攝像頭。
2)軟件部分
壓力表自動檢定視覺識別裝置所需配置軟件 如圖2所示。軟件部分的主程序使用C#編寫，使用MySQL數(shù)據(jù)庫儲存檢定數(shù)據(jù)，使用FastReport出具 證書。
1.2檢定過程
將壓力表安裝在造壓裝置上，根據(jù)壓力表尺寸 選擇相應的碗形扣件，并將扣件固定在壓力表的正 面位置，擰緊頂部固定螺栓;使用USB連接線將扣 件后部接口與電腦連接。
啟動檢定主程序，即圖2中所示的“壓力表檢 測”，登錄后界面如圖3所示。
可以看到，被檢表的圖像已顯示在界面右上方 的第一個方格內(nèi)。錄人基本信息，如壓力表生產(chǎn)廠 家、編號、量程等，錄人完成后即可開始檢定。
按照JJG 52—2013的規(guī)定對壓力表進行檢定， 步驟如下：
1)檢定前先使用“零點拍照”功能保存壓力表 零點狀態(tài)圖片;2)使用造壓裝置對壓力表加壓，在 每次達到檢定壓力點時，點擊“拍照”按鈕保存當前 檢定點圖像;3)輕敲壓力表后再點擊“拍照”;4)重 復步驟2)和步驟3)，直至完成所有檢定點的檢定;
5)點擊“保存報表”，完成檢定過程;6)點擊“打印檢 定記錄”和“打印檢定證書”即可得到本次檢定的原 始記錄及證書。
1. 3實現(xiàn)方法解析
壓力表自動檢定過程實現(xiàn)的基本原理如下：
該系統(tǒng)首先將表盤刻度的示值部分認定為一 個270。的弧形，弧度范圍從225。到-45。，且各檢定 點及刻度均勻分布于這個圓弧上。通過計算機對 圓心位置、指針位置和刻度位置的采集和識別，通 過Hough變換確定指針位置的真實指示值，從而實 現(xiàn)壓力表的讀數(shù)自動識別。
下面對該自動檢定系統(tǒng)在各個環(huán)節(jié)的實現(xiàn)方 法做簡要解析：
1）計算機視覺（圖像采集）
圖像采集部分由攝像頭、凸透鏡、碗形扣件（內(nèi) 含光源）組成。
攝像頭:選用CCD圖像傳感器作為感光元件， 可直接將光學信號轉(zhuǎn)換為模擬電流信號，電流信號 經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳 輸、處理和復現(xiàn)。其顯著特點是:a.體積小重量輕； b.功耗小、工作電壓低、抗沖擊與震動、性能穩(wěn)定、 壽命長;c.靈敏度高、噪聲低、動態(tài)范圍大;d.響應 速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像。
凸透鏡:在攝像頭的前端增加了一個凸透鏡， 經(jīng)過凸透鏡的匯聚后，攝像頭采集到的圖像大小基 本保持一致，且可以實現(xiàn)更精細的估讀。
碗形扣件:碗形扣件的使用可以保證攝像頭中 心位置與表盤中心位置對齊，防止由于攝像頭拍攝 角度不同導致的誤差。
在使用該系統(tǒng)進行檢定時，每當需要進行讀數(shù) 操作(如加壓至檢定點，輕敲壓力表后等）時，均要 進行一次拍照操作，就是用拍照操作代替了人眼讀 數(shù)的過程，即實現(xiàn)了計算機視覺代替人眼識別。
2）圖像處理
在進行圖像識別之前，必須對圖像進行處理， 才能較為方便和清晰的實現(xiàn)圖像識別功能。圖像 處理通常分為以下兩個步驟：
第一步:圖像預處理
由攝像頭直接拍攝得到的圖像很容易受到各 種噪聲的干擾，使獲得的圖像質(zhì)量退化，因此，在進 行識別前必須對采集到的圖像進行預處理。 圖像 預處理又分為:首先圖像噪聲去除，使用濾波器去 除圖像中的噪聲，降低圖像識別難度;然后，對圖像 進行邊緣檢測，以使圖像的輪廓突出，以便更有效 地提取圖像特征；最后，使用Hough變換來檢測壓 力表的指針和邊緣。
第二步:圖像二值化
經(jīng)過前面的預處理步驟后，圖像已被處理為多 灰度級的圖像，再對圖像進行二值化處理，使其變 成只有兩個灰度級的圖像，將圖像中的指針和刻度 明顯的標識出來，方便后面的識別過程。
3）識別
識別的過程包含:確定表盤圓心，使用Hough 變換確定表盤的圓心位置，以保證后續(xù)的指針定位 準確;確定指針位置，使用Hough變換獲取指針位 置;根據(jù)指針位置得到壓力表的指示值。
4）讀數(shù)計算
根據(jù)壓力表檢定規(guī)程的規(guī)定進行相應計算，得 到各項誤差值，并判斷合格與否。
2.結語
在現(xiàn)在的技術條件下，使用計算機視覺識別技 術開發(fā)壓力表(模擬指示儀表）自動檢校系統(tǒng)時，各 高?；騼x器研發(fā)廠商基本都是采用前文介紹的原 理作為基本方法，細節(jié)上可能會有微小差別，但整 體設計思路基本一致。
隨著計算機技術和微電子工業(yè)的飛速發(fā)展，計 算機視覺識別技術在計量檢校工作中將會有著越 來越廣闊的應用前景，相信在不久的將來，神經(jīng)網(wǎng) 絡和深度學習技術將會應用到我們的日常檢校工 作中，計算機視覺識別系統(tǒng)將會給我們的日常檢校 工作帶來巨大的變化。
