多組指針式壓力表判讀研究
產(chǎn)能是工廠生產(chǎn)中重要的目標(biāo)，也是于同產(chǎn)業(yè)競爭力 中重要的指標(biāo)，導(dǎo)入中央工廠監(jiān)控可有效預(yù)防并降低產(chǎn)品報(bào)廢進(jìn) 而提升產(chǎn)能。傳統(tǒng)生產(chǎn)在線有各類型儀表提供監(jiān)看壓力、溫度及 濕度等訊息。穩(wěn)定維持提供標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)環(huán)境，除了能減少產(chǎn)品報(bào) 廢并可確保質(zhì)量與工廠安全。針對電路板電鍍生產(chǎn)在線需透過化 學(xué)液體對電路板進(jìn)行蝕刻，于是會(huì)裝置許多流體壓力感測儀表，來 確保生產(chǎn)在線產(chǎn)品蝕刻質(zhì)量。因此須定期確認(rèn)壓力表的指針，判 斷是否于正常范圍內(nèi)。
1.前言
傳統(tǒng)作法是由操作人員定時(shí)進(jìn)行巡視并以紙本登錄，但是往 往當(dāng)儀表數(shù)量龐大時(shí)很容易有疏失或遺漏情形發(fā)生，而導(dǎo)致批量 產(chǎn)品報(bào)廢甚至演變?yōu)橹卮笫录Ｍ高^自動(dòng)判讀來取代人工檢視可 以有效提升生產(chǎn)效能。因此本文擬提出方法，利用影像處理技術(shù) 來自動(dòng)辨識(shí)壓力表的指針位置。以非侵人方式在不改變現(xiàn)場原有 裝設(shè)的前提下，運(yùn)用網(wǎng)路攝影機(jī)(IPCamera)進(jìn)行畫面擷取，經(jīng)由所 提方法同時(shí)判讀多組壓力表的指針位置，藉此取代并改善人工巡 檢的缺點(diǎn)。
2.儀表定位
采用該儀表顯示區(qū)域特征為圓形的基礎(chǔ)進(jìn)行定位辨識(shí)，欲建 立_ -次能辨識(shí)與紀(jì)錄多組儀表，故取樣畫面會(huì)涵蓋較大范圍的影 像。由于現(xiàn)場產(chǎn)線長達(dá)20至30米，所以需于特定范圍進(jìn)行個(gè)別群 組辨識(shí)，又因在各群組中其儀表所分布的位置并非固定，所以在進(jìn) 行系統(tǒng)化辨識(shí)前，須定能自動(dòng)定位找出畫面中有幾組儀表，以利后 續(xù)進(jìn)行各指針群辨識(shí)。首先為丫區(qū)分畫面中的前景與背景物，須 先將影像進(jìn)行灰階化，此次采用1TU-Rim?709參數(shù)進(jìn)行處理，其中 每組像素(pixel)都由三個(gè)字節(jié)所組成，分別為紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三 種色彩信息，將影像的色彩信息乘上不同顏色的系數(shù)，由Rrj三維 色彩空間轉(zhuǎn)換成_ -維的灰階(Gray)色彩。然后透過由閾值(Thresh-old) 的選用，將影像進(jìn)行二值化分析。 由于所處理的畫面范圍較 大，其影像光線分布不均，儀表所位處的位置可能位于角角或上方 有遮光物等，若僅用單_ -影像閾值進(jìn)行二值化分析，則可能位于過 暗或亮處的儀表將會(huì)被忽略。
2.1 二值化影像
在各別閾值下所提供的二值化影像，須進(jìn)行區(qū)塊化統(tǒng)計(jì)，可利 用BLOB(binarylargeobject)的方法對個(gè)別閾值的影像進(jìn)行區(qū)塊化掃 描。其處理方式為針對二值化后的影像進(jìn)行掃描，在處理前可定 義單_ -區(qū)塊最小或最大的長與寬，然后針對符合該過慮條件的影 像區(qū)塊進(jìn)行標(biāo)注位置與記錄長寬。當(dāng)閾值180后二值化影像，目標(biāo) 區(qū)塊為白色區(qū)域，定義最小寬與高度為50pixel區(qū)塊過濾后的影像。
當(dāng)區(qū)分出可能為儀表的影像區(qū)塊后，由于此次目標(biāo)儀表特征 為圓形外框，于是針對所取出的區(qū)塊進(jìn)行圓形特征辨識(shí)，進(jìn)行圓形 辨識(shí)，其方法主要是以所有圓形的邊緣點(diǎn)應(yīng)與圓心具有相同的距 離。在影像區(qū)塊中邊界可能會(huì)有些干擾或變形，導(dǎo)致_ -些邊緣的 像素會(huì)距離圓心更近或遠(yuǎn)，在定義_ -可容許范圍下，如果該區(qū)塊超 出過多就有可能是圓形以外的形狀，而反的則為圓形。在二值化 后通過影像區(qū)塊重心上的五組直線L1~L5交集于儀表邊緣A~E 點(diǎn)，其中A~D點(diǎn)所標(biāo)示均為正確圓的邊緣，而E點(diǎn)則為干擾的錯(cuò)誤 交集，當(dāng)符合上述辨識(shí)條件，其類似E點(diǎn)的邊緣數(shù)仍于允許范圍下 則判定該區(qū)塊仍為圓形，將其圓心坐標(biāo)及半徑進(jìn)行記錄。
2.2定位的影響
由于辨識(shí)壓力表上采用圓形的半徑相等方式來進(jìn)行辨識(shí)，所 以當(dāng)與表面視角傾斜至_ -定程度后則會(huì)影響定位，當(dāng)處于不能變 更現(xiàn)場壓力表表面角度下，則視角需于有限夾角內(nèi)才可有效定 位。透過實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)大于15°后，系統(tǒng)將無法有效辨識(shí)出壓力表位 置。本系統(tǒng)的鏡頭若為于壓力表群中央，其左右視角最廣為 150°。但現(xiàn)場環(huán)境若允許，則可將壓力表的表面進(jìn)行調(diào)整至許范圍 內(nèi)，以取得較準(zhǔn)確的壓力表定位。后續(xù)將會(huì)以指針角度進(jìn)行辨識(shí)， 所以針對圓心位置需有相當(dāng)程度的要求，目前所針對的指針型儀 表若角度上有所傾斜或陰影將會(huì)在不同的閾值有所不同的圓心結(jié) 果，尤其在于靠近拍攝時(shí)更為明顯。如儀表近拍圖，綠色圈為不同 閾值所偵測到同_ -區(qū)塊的圓形，其中心處的綠色標(biāo)點(diǎn)即為圓心，透 過如上所得到的坐標(biāo)信息群，將其圓心信息進(jìn)行_ -次修正，分別將 其X與Y軸坐標(biāo)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，取其重心所在重新定義其圓心位置 則可得到校正后圓心位置的紅點(diǎn)。
2.3修正
當(dāng)近距離辨識(shí)儀表時(shí)，經(jīng)過_ -次修正后仍有可能因隨機(jī)閾值 關(guān)系，其所載人的圓心位置仍有偏差而導(dǎo)致后續(xù)角度辨識(shí)錯(cuò)誤。 本論文提出的辨識(shí)角度的方式均以圓心為出發(fā)點(diǎn)，所以圓心位置 正確性十分重要，需再進(jìn)行二次修正。何者須修正的判斷方式，以 指針位置的特征若為圓心，其影像二值化后應(yīng)為1，若經(jīng)過_ -次圓 心修正后仍為0者，則代表可能圓心仍有誤需再進(jìn)行二次修正。由 于近距離拍攝下淸晰可見指針固定處中心區(qū)域特征為圓形，以外 框所辨識(shí)區(qū)塊的半徑進(jìn)行縮小1/3范圍，再次進(jìn)行小區(qū)域的Otsu二 值化與區(qū)域圓形偵測，若有取得圓形區(qū)塊再取其圓心進(jìn)行修正，修 正后的圓心，其位置亦更接近人工目視的中心位置。
3.指針角度辨識(shí)
當(dāng)取得儀表的位置后，由于有效的縮小影像辨識(shí)范圍，故針對 該偵測區(qū)域進(jìn)行后續(xù)指針辨識(shí)即可。針對所定義出的個(gè)別圓形區(qū) 塊進(jìn)行分割出前景與背景取出指針位置，將該區(qū)塊進(jìn)行對比調(diào)整， 透過建立_ -組閾值將灰階化后的影像二值化，其中0為背景，1為指 針。而取得閾值方法又分為手動(dòng)與自動(dòng)，自動(dòng)化閾值圖像分析中 以Otsu法最為被廣泛使用，Otsu法也稱為最大類間方差法或最小 內(nèi)方差法，該方法基于影像的灰度直方圖，以目標(biāo)和背景的類間方 差最大或類內(nèi)方差最小為閾值選取準(zhǔn)則，在很多情況下都能取得 良好的分割效果。針對表面區(qū)域使用Otsu進(jìn)行二值化后則可取得 影像畫面。
指針位置與角度判別是以掃描方式處理，建立由圓心連至圓 邊緣的直線，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)360度進(jìn)行掃描。由于此儀表中僅有_ -組 指針，所以可忽略掉不可能出現(xiàn)指針的角度，限定角度于特定范圍 進(jìn)行偵測以減少時(shí)間。掃描過程中于二值化影像中與該角度直線 范圍中像素交集的像素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)量，由重迭像素最多者的掃描 線即為指針。
確認(rèn)指針同時(shí)也計(jì)算出該指針的角度，由于所得到的數(shù)據(jù)為 角度信息，則須與儀表做相對應(yīng)的數(shù)值輸出。由于為丫辨識(shí)大量 儀表，其須距離儀表較遠(yuǎn)處，以容納下大量的儀表群影像，若非近 距離拍攝則所擷取的影像辨識(shí)僅能辨識(shí)出指針角度數(shù)值。其中需 特別注意壓力表的刻度與數(shù)值標(biāo)示并非等距離切割，其最小單位 格共58格，而數(shù)值顯示則分布于0至60PSI，其中于10PSI下的切割 格數(shù)僅8格，其余數(shù)值標(biāo)示10至60區(qū)間為10格。此次所辨識(shí)的壓 力表為華記科技有限公司所制造的雙面充油式PP隔膜壓力計(jì)Gi- AC，其在表背面刻度上有反向的刻度呈現(xiàn)，所以于現(xiàn)場進(jìn)行安裝 時(shí)，必須于程序預(yù)先設(shè)定該群壓力表的表面方向。
4.總結(jié)
由于視覺辨識(shí)目的為呈現(xiàn)與人工實(shí)際相同讀表數(shù)值，但目前 所取得的數(shù)值僅為角度，故需于程序進(jìn)行換算。首先定義其測得 角度為X，角度則依據(jù)其坐標(biāo)位置進(jìn)行轉(zhuǎn)換后則可得到與儀表相對 應(yīng)的位置，根據(jù)角度與壓力比例關(guān)系進(jìn)行等比推算。
