（电工理论与新技术专业论文）指针式仪表自动检定系统研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文指针式仪表自动检定系统研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盘查! 量日期：似石rf 2 ， 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：叁i ! 丝导师签名： j ， 吮主，硝 里：女 日期：竺! ! ：1 2 - 日期：丝! ：! ! ! 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的提出及研究意义 第一章引言 在我国的电力行业中，指针式仪表仍是目前主要的电量测量工具。根据对指针 式仪表的检定规程，需要定期对其进行准确度检定以保证仪表的读数准确可靠。 指针式仪表的检定方法有“以表检表法”和“以源检表法”，这两种方法由于 在检定过程中需要人工的参与，因而存在以下问题： 1 ) 由于人眼的分辨能力有限，在指针位于两分度线之间时，只能粗略估计指针 的位置，不能准确读取仪表的示数，这直接影响了检定的准确程度； 2 ) 由于在检定过程中需要多次调节标准源、记录仪表示值，重复性工作很多， 完成一次检定的时间比较长； 3 ) 由于操作员的责任心、技术水平等原因，不能保证不出现疏忽或错误。 解决上述问题的有效方法是提高检定的自动化程度，在检定过程中消除或尽量 减少人工操作，建立仪表自动检定平台，将部分工作或全部工作交给计算机来完成， 解决指针式仪表示数的自动识别问题，标准源的控制问题和误差的自动分析问题。 1 2 国内外研究现状 1 ) 国外研究现状 c o r r a a l e g r i a 在文献 2 ，3 中叙述了利用计算机视觉对指针式仪表的检定的过 程。首先采集指针位于不同位置的两幅图像，通过对这两幅图像进行相减运算提取 得到指针，利用h o u g h 变换得到指针在图像坐标系中的角度，将原始得到的图像做 几何变换，变换后的分度线曾水平排列并与指针垂直，最后通过计算指针与分度线 的位置得到仪表的示数。 s a b l a t n i g 等人在文献 4 6 中提到了另一种指针表识别的方法。与c o r r a a l e g r i a 处理的指针表不同的是s a b l a t n i g 处理的是水表、百分表等分度线分布在一个圆周的 表，这类指针表的指针旋转的角度范围是3 6 0 度，因此s a b l a t n i g 可以在图像分割 完成之后直接利用h o u g h 变换得到指针在图像坐标系中的角度，以此来确定指针表 的读数。 2 ) 国内研究现状 文献 7 - 9 介绍的是主要是针对百分表和千分表的机器视觉检定系统。文献中 介绍的方法需要严格控制仪表与摄像头的相对位置，计算机控制步进电机移动装置 华北电力大学硕士学位论文 输出位置改变量，采集到图像后，系统利用h o u g h 变换等技术提取指针的位置，然 后用系统中的识别模块分析仪表上的读数，最后完成对仪表的检定。 文献 1 0 讲述的是对电压表、电流表的计算机视觉检定系统。该系统采用动态 检测方式，c c d 摄像机在检测过程中需要跟随指针运动，要求摄像机的旋转中心和 指针的旋转中心在x y 坐标系内严格一致。由于采用动态检测方式，该系统在采集 图像时不必对整个表盘进行图像采集，只需要采集指针附近的分度即可，使用h o u g h 变换来提取指针，利用指针与分度的位置分析仪表的读数，最后比较标准量与仪表 上读数来实现对仪表的检定。 通过对指针式仪表全自动检定技术的发展状况进行分析，目前开展研究比较多 的是对指针式水表和百分表全自动检定，相关产品目前尚正处在改进、成熟和推广 的初级阶段；但在电测量仪表方面，虽然有人也提出了一些仪表示数识别的方法， 和检定方案，尚未见到成熟产品。采用“以源检表”和图像检测技术可以实现电测 仪表的自动检定，就目前来看还有许多值得探索的工作，尤其是在标准源的控制和 图像识别方法上，需要优化控制方法，找到更合理、更快速的检测算法以满足指针 式仪表自动检定的需要。 1 3 本文的主要工作 本文的研究内容是基于“以源检表”的思想，建立指针式仪表自动检定平台， 由标准源输出电量驱动仪表的指针发生偏转，由摄像机代替人眼，利用图像识别的 方法自动读取仪表示数，并进行误差分析，最后打印出检定报告，实现指针式仪表 的全自动检定。 本文以指针式电压表为研究对象，从以下几个方面进行研究： 1 ) 指针式仪表自动检定系统的构建 本文设计的指针式仪表自动检定系统由以下几部分构成：计算机、标准源、图 像采集卡、c c d 摄像头等，其中计算机是该系统的核心，由它控制标准源与图像采 集卡协调工作。 2 ) 标准源的控制 对标准源的控制是系统的重要组成部分，计算机通过r s 2 3 2 c 接口与标准源进 行通信，对其输出量进行控制，从而驱动仪表指针发生偏转，标准源对计算机命令 的响应速度和输出量的准确度是决定检定工作成败的关键因素。 3 ) 仪表图像的采集与处理方法的研究 利用图像采集卡和摄像头采集仪表指针偏转的图像，比较指针式仪表图像预处 华北电力大学硕士学位论文 理的方法，其中主要考虑运算速度，寻找更加精确可靠的图像预处理算法。比较指 针式仪表特征提取算法，研究新的更可靠的方法。 4 ) 检定软件的编制 开发指针式仪表自动检定软件，实现对仪表图像的处理，提取仪表分度线和指 针，自动判读仪表的示数，最终实现指针式仪表的自动检定，并打印检定报告。 华北电力大学硕士学位论文 第二章系统方案设计 进行仪表的自动检定已是现代计量检定技术发展的必然趋势，在设计系统时首 先应该明确指导思想，然后制订方案，设计系统硬件和软件的各功能模块。 2 1 系统设计的指导思想 由于本文要设计的系统是基于计算机视觉技术，通过计算机控制标准源，图像 采集卡和摄像机，最后要实现指针式仪表的自动检定，在设计中应该遵循以下原则： 1 ) 测量准确度的要求 对于指针式仪表的检定系统而言，准确度是首要的技术指标，由于本系统的设 计是为了代替人对指针式仪表进行检定，所以，系统识别的准确度要达到或超过人 眼识别的准确度。 2 ) 检定效率的要求 本系统设计的目的就是为了提高指针式仪表的检定效率，有效的方法是在检定 过程中减少或消除人工操作，在整个检测过程中，最为关键的就是仪表示数的自动 识别问题，图像处理部分算法的选择对系统检定效率的影响非常明显。 3 ) 经济性的要求 在现代工业系统中，经济性也是一个衡量系统优劣的主要指标。本系统在权衡 了准确度、效率以及经济性要求这三个方面之后，最终确定在一定的硬件配置基础 上，通过优化软件的算法提高系统的性价比。 2 2 系统的构成 本系统在设计上以计算机作为核心，由图像采集设备和标准源组成，系统结构 如图2 1 所示。 图2 1 指针式仪表自动检定系统结构图 4 华北电力大学硕士学位论文 该系统可以完成仪表指针驱动、图像采集、图像处理三个部分的功能。 1 ) 标准源通过r s 2 3 2 c 接口与计算机进行通信，由计算机根据检定规程控制标 准源的输出，完成仪表指针的驱动工作。 2 ) 系统采用c c d 数字摄像机和图像采集卡实现图像采集、显示和保存，视频 亮度、对比度的调节，视频监视等功能。 3 ) 系统的图像处理部分负责图像的处理和识别，包括预处理以提高图像质量， 利用边缘检测和直线拟合识别出仪表示数等。 系统硬件是完成各项功能的基础，其中图像采集设备和标准源是系统的重要组 成部分。 1 ) 图像采集设备 本系统的图像采集设备采用的是w a t - 9 0 2 hc c d 数字摄像机和天敏s d k 一2 0 0 0 图像采集卡。 c c d 是c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ( 电荷耦合器件) 的缩写，它是一种半导体成像器 件，具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。 s d k 一2 0 0 0 是一款高品质的图像采集卡，采用高速的p c i 总线，支持一机多卡， 采集速率达3 0 帧秒。同时提供全面的二次开发包，本文中通过调用d l l 动态链接 库实现对图像采集卡的控制，包括图像的亮度，对比度，色度，饱和度等参数的调 节，采集图像的大小，分辨率等的设置。该卡提供b m p ，j p g ，t i f ，t g a 等多种 存盘格式。 2 ) 标准源 标准源采用的是w d x 1 g 单相电能表检定装置，该装置由程控电源系统及其误 差检验系统两部分组成，两个系统在主c p u 的控制下协调工作。作为仪表检定系统 的标准量，该标准电源的准确度等级为0 2 ，电流最大可输出6 0 a ，调节细度0 0 1 ， 电压最大输出为2 2 0 v ，调节细度0 0 1 。 2 3 系统的软件组成 系统软件包括操作系统平台、开发工具和用户软件三大部分。操作系统采用 w i d o w s 2 0 0 0 ，本系统在美国国家仪器公司开发的l a b w i n d o w s c v i 环境下，利用其 数字图像处理软件包i m a qv i s i o n 进行开发的。 l a b w i n d o w s c v i 是半图形化的开发工具，该工具以标准c 语言为基础，提供 了灵活的开发手段和强大的开发功能，集成了从一般应用程序开发所需的用户界面 编程工具到测试应用开发所需要的各种仪器控制、数据获取和信息处理等软件包， s 华北电力大学硕士学位论文 并具有对数据库和网络应用开发的支持能力，适应于大型的测试控制、故障诊断和 信息分析处理的系统工程，是w i n d o w s2 0 0 0 n t 、n u i x 等操作系统下综合性测试、 控制、信息处理软件开发的通用平台1 。 l a b w i n d o w s c v i 作为测试控制和信息处理领域的一个优秀的开发平台，从软 件的开发角度来看，具有如下一些特点“”： 1 ) 该软件是基于c 语言的，易于学习和掌握； 2 ) 可视化、交互式的开发工具，标准w i n d o w s 风格的操作界面； 3 ) 程序自动生成功能，减轻软件开发过程中代码编写的工作量； 4 ) 功能齐全的软件工具包( 仪器控制、i 0 控制、通讯、数据处理等) 。 用户软件主要完成上节讨论的各项功能，也就是从程控源的控制、图像的采集， 图像的分析处理，到仪表盘的自动检测都是由用户软件完成的。本文所设计的软件 结构如图2 2 所示。 2 4 系统的检定原理 由于本系统设计目的是为了检定指针式仪表是否合格，而判断仪表是否合格的 标准就是它的最大引用误差是否超过了规定值，即仪表出厂时所规定的准确度等 级。 1 ) 最大引用误差 最大绝对误差。与仪表量程之比的百分数称为最大引用误差“”。即 = 争1 0 0 以“ = x 一一 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 其中x 表示被测量的测量值，爿表示实际值，表示测量的绝对误差，它可正可负， 。是在仪表整个分度上测量时各点上出现的绝对误差的最大值，是仪表的绝对误差 限，它是一个定值。最大引用误差实际上是一个误差限，根据它可以给仪表分别定 级。 根据国家规定，指针式电压表的准确度等级分为：0 0 5 ，0 1 ，0 2 ，0 3 ，0 5 ， 1 0 ，1 5 ，2 0 ，2 5 ，3 0 和5 0 共十一个等级“。0 2 级的仪表的最大引用误差 在o 1 0 2 之间，同理，0 5 级的仪表的最大引用误差在0 2 0 5 之间。 对于0 0 5 级，0 1 级和o 2 级的仪表一般作为标准表使用，0 5 2 5 级的仪表一 般是实验室所用。2 5 和5 0 级的仪表，一般是现场监视所用。 6 华北电力大学硕士学位论文 分 度 线 定 位 部 分 图2 2 指针式仪表自动检定系统的软件结构 自 动 检 定 部 分 2 ) 准确度等级的确定方法 被确定准确度等级的仪表与在标准计量源的输出量驱动下发生偏转，将被确定 等级的表的读数作为测量值，标准计量源的读数作为实际值，二者之差求出绝对误 差。在仪表的整个量程上取若干测量值，在所对应的绝对误差中找出绝对值最大者， 然后计算最大引用误差，根据最大引用误差确定该仪表的准确度等级”。 比如一只量程为1 0 0 m a 的电流表，用一只标准表进行检定时测得结果如表2 - 1 所示，从表中可以看出a 。，= 2 m a ，而仪表的量程以= 1 0 0 m a ，则 2 孟蚶0 0 = 2 ( 2 - z ) 可确定该表的准确度等级为2 0 。 表2 1 检定数据 被确定表的读数( m a ) o2 03 0 4 05 0 6 07 08 09 0 1 0 0 标准表的读数( m a ) 01 8 3 l 3 95 06 1 7 1 8 0 9 1 1 0 0 绝对误差( m a ) o+ 2十1+ 1o一11o一10 华北电力大学硕士学位论文 第三章标准源的控制 本系统是在“以源检表”的思想基础上设计的，所以标准源输出量的准确程度 对检定工作成功与否起着很大的作用。本文中使用的标准源通过r s 2 3 2 c 串行接口 与计算机相连，本章介绍标准源的通信控制方法。 3 1r s 2 3 2 c 通信接口介绍 r s 2 3 2 c 总线是一种串行的外部总线，在微机系统中应用十分广泛，可以说是 微型计算机必备的接1 3 总线“。r s 2 3 2 c 总线的主要特点有 1 ) 信号线少。r s 2 3 2 c 总线共有2 5 根，它包含有主副两个通道，用它可进行 全双工通信。实际应用中，多数只用主信号通道( 即第一通道) ，且只使用其中的 几个信号9 ( 通常3 9 根线) ，r s 2 3 2 c 最常用的9 条引线的信号内容见表3 1 。 2 ) 传输距离远。由于r s 2 3 2 c 采用串行传输方式，且将t t l 电平转换成了 r s 2 3 2 c 电平，在基带传输时，距离可达3 0 米。若是采用光电隔离2 0 m a 电流环传 送，其传输距离可达1 0 0 0 米。当然，如果在串行接口加上调制解调器，利用有线、 无线或光纤进行传送，其距离会更远。 3 ) 可供选择的传输速率多。r s 2 3 2 c 规定的标准传输速率有：5 0 ，7 5 ，1 l o ， 1 5 0 ，3 0 0 ，6 0 0 ，1 2 0 0 ，2 4 0 0 ，4 8 0 0 ，9 6 0 0 ，1 9 2 0 0 波特。可以灵活地使用不同速率 地设备。 4 ) 抗干扰能力强。r s 2 3 2 c 采用负逻辑，以+ 3 + 2 5 v 之间地任意电压表示 逻辑“o ”，以一3 一2 5 v 之间的任意电压表示逻辑“1 ”，且它是无间隔不归零电平 传送，从而大大提高了抗干扰能力。 在本文中使用的是r s 2 3 2 c 接口，采用最常见的三线连接，即计算机的发送端 与标准源的接收端连接，计算机的接受端与标准源的发送端连接，并共用信号地， 如图3 一l 所示。 d s r r t s c t s r i c d t x d r x d d t r s g ( a )( b ) 图3 - 1r s 2 3 2 c 的9 引脚连接器及三线连接示意图 8 华北电力大学硕士学位论文 表3 - 1r s 2 3 2 c 最常用的9 条引线的信号内容 名称全称 说明 f g f r a m eg r o u n d 连到机器的接地线 t x dt r a n s m i t t e dd a t a 数据输出线 r x dr e c e i v e dd a t a 数据输入线 r t s r e q u e s tt os e n d 要求发送数据 c t sc l e a rt os e n d 回应对方发送的r t s 的发送许可，告诉对方可以发送 d s rd a t as e tr e a d y 告知本机在待命状态 d t rd a t at e r m i n a lr e a d y 告知数据终端处于待命状态 c dc a r r i e rd e t e c t 载波检出，用以确认是否收到m o d e m 的载波 s g s i g n a lg r o u n d 信号线的接地线( 严格的说是信号线的零标准线) 3 2 标准源的控制 3 2 1r s 2 3 2 函数库介绍 1 ) 打开关闭函数 串口的打开函数为o p e n c o m 和o p e n c o m c o n f i g ，前者只打开串e l ，后者在打 开串1 2 的同时设置通讯参数“”。o p e n c o m c o n f i g 函数的原型为： i n to p e n c o m c o n f i g ( i n tc o m p o r t ，c h a rd e v i c e _ n a m e , l o n gb a u 虻r a t e ，i n tp a r i t y , i n t d a l b i t s ，i n ts t o p b i t s ，i n ti n p u t q u e u e s i z e ，i n to u t p u tq u e u e s i z e ) 各个参数及返回值的说明见表3 2 。 以下的调用语句打开串口1 ，波特率为9 6 0 0 ，没有校验、8 个数据位、1 个停 止位、最大的输入和输出队列长度都为5 1 2 。 o p e n c o m c o n f i g ( 1 ，“一”，9 6 0 0 ，0 ，8 ，1 ，5 1 2 ，5 1 2 ) ： 关闭串口的函数为c l o s e c o m ，只有一个参数，为串口打开时给定的串口标志号 c o mp o r t 。比如关闭上面打开的串口用下面的函数。 c l o s e c o m ( 1 ) ； 2 ) i o 读写函数 i o 读写函数提供了以下几种读写方式。 ( 1 ) 字符读写： 9 华北电力大学硕士学位论文 从串口读一个字符为c o m r d b y t e ，向串口写一个字符为c o m w r t b y t e 。 ( 2 ) 块读写 从串口读一个字符块为c o m r d 和c o m r d t e r m ，向串口写一个字符为c o m w r t 。 c o m r d 函数指定读入的最大长度，c o m r d t e r m 既可以指定读入的最大长度又可以指 定读入到哪个字符为止，只要两个条件满足之一满足就停止读入。c o m w r t 可以控制 写入的长度。 表3 - 2o p e n c o m c o n n g 函数的参数及返回值说明 参数及返回值类型说明 c o mp o ni u t 串口标志号，取值为1 1 0 0 0 d e v i e en a m ec h a r 丰 打开的串口名，w i n d o w s 下c o m m d r v 能辨识的串口名为 “c o m l ”“c o m 4 ”。该参数为空时，根据c o m p o r t 参 数自动设置，比如c o mp o r t 为1 时设置为c o m i ，c o m p o r t 为2 时设置c o m 2 ，以此类推 b a u dr a t e 1 0 n g 设置串口通讯的波特率，在w i n d o w s 9 5 9 8 n t 下还可以使 用非标准的波特率 p a r i t y i n t 设置检定方式，可以选择的校验方式有： 无校验：0 奇校验：1 偶校验：2 标志校验：3 空格校验：4 d a t ab i t s ir l t 设置传送字符的数据位跃度，可以设置5 、6 、7 、8 位4 种长度 s t o p b i t s i n t 设置停止位的长度，可以设置l 和2 个停止位 i n p u t _ q u e u e s i z e i n t 设置串口输入队列的长度，当设置为0 时，默认为5 1 2 ； w i n d o w s 9 5 9 8f 的最小长度为3 0 设置为3 0 时自动为 3 0 ：没有最大长度限制 o u t p u t _ q u e u e s i z e i n t 设置串口输出队列的长度，规则与输入队列长度规则相同 返回值i n t 返回函数调用成功或失败的状态码 3 ) 状态函数 状态函数包括串口寄存器状态函数g e t c o m s t a t ，获取输入输出队列长度的函 数g e t i n q l e n g e t o u t q l e n ，以及串口通讯错误信息获取函数r s 2 3 2 e r r o r s t r i n g 和 r e t u r n r s 2 3 2 e 盯。 4 ) 回调函数 华北电力大学硕士学位论文 可以通过i n s t a l l c o m c a l l b a e k 函数给串1 5 1 安装回调函数，i n s t a l l c o m c a l l b a e k 函 数原型为： i n ti n s t a l l c o m c a l l b a c k ( i n tc o m p o r t ，i n te v e n t m a s k ，i n tn o t i f y c o u n t ， i n te v e n t c h a r a c t e r ，c o m c a l l b a c k p t rc a l l b a c k p t r ，v o i d c a l l b a c k d a t a ) ： c o m p o r t 参数为打开的串口标志号：e v e n t m a s k 为回调函数可以响应的事件， 如果输入为0 ，表示取消串1 2 1 的回调函数；n o t i f y c o u n t 表示发生l w r sr e c e i v e 事件时接收队列中的字符数；e v e n t c h a r a c t e r 为触发l w r sf l a g 事件的字符： c a l l b a c k p t r 和c a l l b a c k d a t a 分别为回调函数和用户数据，如果设置为o ，则表示取 消回调函数。 3 2 2 标准源的控制 标准源采用的是w d x 一1 g 单相电能表检定装置，该装置由程控电源系统及其误 差检验系统两部分组成，两个系统在主c p u 的控制下协调工作。 w d x 一1 g 标准源的技术指标： 1 ) 准确度等级：0 2 级； 2 ) 监视仪表准确度等级及分辨率： 电流量程：o 6 0 a ；调节细度0 0 1 ； 电压量程：0 2 2 0 v ：调节细度0 0 1 ； 频率：4 5 h z 5 5 h z 任意调节：调节细度0 0 1 h z ； 3 ) 电压源输出功率：3 0 v a ； 4 )电流源输出功率：o 6 0 v a ： 5 ) 功率稳定度：0 1 1 2 0 s ； 6 ) 周围环境： 工作温度：1 0 4 0 ； 相对湿度：2 0 8 0 r h ； 7 ) 工作电源： 单相a c l 8 5 v 2 4 2 v ； 频率：5 0 h z 5 ： 对于标准源的控制，主要是按照通信规约，进行数据的发送和接受，并建立相 应的错误处理机制，比如数据发送以后判断是否发送成功，如果发送失败就需要重 复发送，对接收的数据需要进行判断，并根据规约进行换算，得到十进制的返回参 兰j ! 皇塑奎堂堡主兰鱼堡壅 量。标准源的控制原理如图3 - 2 所示。 图3 - 2 标准源控制原理图 1 2 华北电力大学硕士学位论文 4 1 表盘位置的确定 第四章图像检测方法 每次检定之前仪表都需要重新放置，摄像机和仪表的相对位置并不是固定的， 通过对仪表盘进行定位，更有利于分度线和指针的提取，而且会使系统的抗干扰能 力得到提高。表盘位置的确定通过边缘检测的方法来实现。 4 1 1 边缘检测 边缘是指图像局部亮度变化最显著的部分。边缘主要存在于目标与目标、目标 与背景、区域与区域( 包括不同色彩) 之间，是图像分割、纹理特征提取和形状特 征提取等图像分析的重要基础。 图像中的边缘通常与图像亮度或图像亮度的一阶导数的不连续性有关。图像亮 度的不连续性可分为： 1 ) 阶跃不连续，即图像亮度在不连续处的两边的像素灰度值有着显著的差异： 2 ) 线条不连续，即图像亮度突然从一个值变化到另一个值，保持一个较小的 行程后又返回到原来的值。 对一个边缘来说，有可能同时具有阶跃和线条边缘特性。下面是关于边缘检测 的一些术语： 边缘点：图像中亮度显著变化的点： 边缘段：边缘点坐标 f 及其方向目的总和，边缘的方向可以是梯度角； 边缘检测器：从图像中抽取边缘( 边缘点或边缘段) 集合的算法： 轮廓：边缘列表，或是一条边缘列表的曲线模型； 边缘连接：从无序边缘表形成有序边缘表的过程。习惯上边缘的表示采用顺时 针方向来排序。 边缘检测是检测图像局部显著变化的最基本运算。在一维情况下，阶跃边缘同 图像的一阶导数局部峰值有关，梯度是函数变化的一种度量，而一幅图像可以看作 是图像强度连续函数的取样点阵列。 梯度是一阶导数的二维等效式，定义为 g 炉旺盱陲等l 沁) 梯度的幅值为 华北电力大学硕士学位论文 g ( x ，y ) = + 嘭 ( 4 2 ) 在实际应用中，通常用绝对值来近似梯度幅值，表示为 l g ( x ，圳= i g i + i g , l ( 4 3 ) 或 l g ( x ，y ) i = m a x ( i g ，i ，l g ，1 ) ( 4 4 ) 由矢量分析可知，梯度的方向定义为 吣川= a r e t a n ( ，) ( 4 - 5 ) 其中角口是相对x 轴的角度。 对于数字图像，式( 4 3 ) 可用差分来近似。最简单的梯度近似表达式为 g x = f i ，j + 1 卜f i ，j 】 ( 4 - 6 ) g 。= f i ，力一f i + l ，j 】 ( 4 - 7 ) 其中，- ，对应x 轴方向，i 对应负y 轴方向。人们常用2 2 一阶差分模板来求x 和y 的 偏导数 q = = ：铲雕l 。 s ， 缘检测算法有如下四个步骤”： 1 ) 滤波。边缘检测算法主要是基于图像强度的一阶和二阶导数，但导数的计 算对噪声很敏感，因此通常使用滤波器来改善与噪声有关的边缘检测器的性能。需 要指出，大多数滤波器在降低噪声的同时也导致了边缘强度的损失，因此，增强边 缘和降低噪声之间需要折衷； 2 ) 增强。增强边缘的基础是确定图像各点邻域强度的变化值。增强算法可以 将邻域( 或局部) 强度值有显著变化的点凸显出来，边缘增强一般是通过计算梯度 幅值来完成的； 3 ) 检测。在图像中有许多点的梯度幅值比较大，而这些点在特定的邻域中并 不都是边缘，所以应该用某种方法来确定哪些点是边缘点，最简单的边缘检测判据 是梯度幅值闽值判据； 4 ) 定位。如果某一应用场合要求确定边缘位置，则边缘的位置可在子像素分 辨率上来估计，边缘的方位也可以被估计出来。 边缘检测算子简介。 1 ) r o b e r t s 算子。r o b e r t s 交叉算子可以用来计算梯度幅值，表示为 华北电力大学硕士学位论文 g ( i ，) = i f ，卜f i + 1 ，_ ，+ 1 】| + i 厂 f + l ，】 用卷积模板表示方法，上式变为 g ( i ，) = | q h q l 用模板表示为 q = j 三q = 三习 2 ) s o b e l 算子“” ( 1 ) 常规s o b e l 算子 采用3 3 邻域可以避免在像素之间内插点上计算梯度， 如图2 1 3 ( a ) 所示，s o b e l 算子也是一种梯度幅值，表示为 m = 、3 s ：+ s j 偏导数用 ( 4 1 0 ) ( 4 1 1 ) 点【f ，州周围的点的排列 ( 4 1 2 ) 2 ( ，a 2 + c a 3 + a 4 、) - ( ，a 。+ c a o + a 6 ) ( 4 - 1 3 ) s r = ( + c o t + n 2 ) 一( a 6 + c a 5 + 0 4 ) 计算。其中常数c = 2 ，s , 和s y 可用卷积模板来实现。设 卜 口。 d ： z i = i 口，( f ，) 吗l l 口6 口，d 。j ( a ) 则墨= 五，q = 0 墨。 ( 2 ) 灰阶s o b e l 算予 由( 1 ) 可知，s o b e l 常规边缘检测算子中正、负因子之和分别为4 和一4 ，在极 端情况下处理结果可能溢出，因此，在实际使用时，s o b e l 算子需要用选定的阈值 进行二值化，即处理结果得到的是二值化了的边缘图。这样就丢失了边缘图中幅值 较小的边缘。为了克服这一缺陷，引入一个衰减因s c a l e ，用它去除计算结果，消除 数据溢出的可能，这样就不需要进行二值化处理，而且得到的是不失真的边缘图。 即 s ( i ，j ) = m a x t ：s x ，s y ) s c a l e ( 4 - 1 5 ) 或 4 4 ( 0 0 2 o 之 o 0 l = s ( 1j l 2 2 o o o o 之o l = 乱 华北电力大学硕士学位论文 s ( i ，_ ，) = ( 墨+ s y ) s c a l e ( 4 一1 6 ) 足= ：! ii s ，= f 立主主1 c a 一， m 检测方向。k i r s h 算子表示如下，依次为s ，是，墨，墨，s ，s o ，s ，s 。 55 l 一30 l 一33 ( 1 ) 卜3 3 i 一3 0 55 ( 5 ) 习 爿 f 5 3 50 53 ( 3 ) l 一33 l 一30 l 一33 ( 7 ) i m i 图像某中心点及其邻点如式( 4 1 4 ( a ) ) 所示，即正。设q t ( j = l ，2 ，8 ) 为图像经过 k i r s h 算子第f 个模板计算后所得中心点灰度值。处理后，中心点灰度值为 m a x q , ，i = 1 ，2 ，8 ) 。 4 1 2 表盘位置确定 利用边缘检测方法，根据仪表本身的先验信息不难找到仪表的表盘位置。对于 1 6 9 4 1llj 1lllllj o o o ；，0 0 o ， 曲 ；o o 1j 1lj o o o o ； ，o o o o ， 华北电力大学硕士学位论文 本文中使用的4 2 l 6 型指针电压表而言，由于其周围是黑色的仪表框，利用这一特点 从通过边缘检测可以在仪表图像确定仪表盘的山、下、左、右四各边界，从而可以 判断仪表在图像中的准确位置。 为了说明表盘定位的效果，采集了仪表的四个不同的角度的图像，处理后的结 果如图4 1 所示，”+ ”是程序在进行边缘检测的过程中留下的标记，图中标注的直线 段是是程序判定的仪表盘边界。 ( c ) 图4 一l 仪表位置不同时的定位效果 4 2 分度线区域的搜索和定位 ( d ) 分度线位置的确定是实现仪表示数自动识别的必要条件，本节在已知仪表盘位 置的基础上进行分度线区域确定。该过程分为两步进行，首先采用自动搜索的方法 找到分度线所在的扇形区域，然后利用r o i 和m a s k 技术分割出该区域。 4 2 1 分度线区域的搜索 分度线区域自动搜索的方法是根据方形仪表的外观特征来进行的，不难发现， 该类型仪表的分度线呈辐射状，分布于一个扇形区域内，所以需要进行的工作就是 确定这个分度线所在的扇形区域。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 确定分度线所在的扇形区域，可采用以下两种方法。 一、通过对仪表增加电压，使指针发生偏转，并先后采集指针在初始位置和发 生偏转后的图像，分别对两幅图像上的指针进行提取，然后对组成指针的像素进行 直线拟合，得到两条直线方程，这两条直线的交点认为指针的旋转中心，同时也是 所有分度线延长后的中心，即所要确定的扇形区域的圆心。而扇形内外半径是通过 提取到的分度线来确定的，对提取到的分度线，可以对它们的长度进行排序，如图 4 2 所示，取出其中长度最大的一条，然后分别计算该分度的两端点距离上面确定 的扇形的圆心的距离，作为扇形的内外半径。 ， 半，曼 图4 - 2 分度线区域确定示意图 这种方法在没有开始检定之前就需要先加偏转电压，不够灵活而且由于要等待 指针偏转、稳定，分度提取速度慢，不利于检定效率的提高。改进后的方法结合仪 表的特征，通过边缘检测，先对分度区域进行搜索。 二、检定开始之前首先采集图像，要求指针与零分度对齐，图像中指针位置为 水平方向。利用边缘检测可以确定指针的上下边缘。如图4 3 所示，假设指针的中 心直线在图像中的y 坐标为”，通过边缘检测对仪表右下角的黑色三角区域的斜边 进行定位，得到该斜边的直线方程为甜+ 咖+ c = 0 ，将上面的到的y = n 代入方程， 得到方程的解x = 小。利用m ，n 的值可以实现对分度区域的第一步搜索。 图4 3 分度线搜索示意图 1 8 华北电力大学硕士学位论文 进行上面处理的目的就是缩小分度搜索范围，提高搜索的准确度，比如在y 疗 和x m 的区域内，有可能存在仪表的一些符号比如仪表类型、型号、准确度等级标 注、出厂日期、出厂编号等等，这些符号在图像处理过程中会成为干扰因素，不利 于分度线的提取，通过上面的方法确定两条直线将这些元素排除在下一步的搜索范 围之内，会提高搜索的效率和准确性。 缩小了分度区域的搜索范围之后，可以对分度区域进行准确地定位，也就是确 定上面提到的扇形区域的圆心和内外半径。依然是利用该类型仪表的特征，注意到 最小分度线是水平的，而最大分度线是垂直的，利用这两个特征，可以实现对分度 区域的准确定位，检测原理如图4 - 4 所示。 图4 4 分度线区域准确定位检测原理 实验证明，第二种的方法切实可行。分别采集仪表不同摆放位置( 包括仪表相 对摄像机前、后、左、右方向的移动) 时的图像，进行分度线区域搜索，得到的搜 索结果如图4 5 所示。两次搜索结果分别用直线和扇形进行标识别，同时还可以注 意到，该方法可以排除表盘以外的干扰，比如图像上表盘外面的电线等背景，完全 没有给搜索和定位造成影响。 ( a ) 9 ( b ) 华北电力大学硕士学位论文 图4 5 分度线区域搜索结果 4 2 2 分度线区域的定位 分度线分布于扇形区域，将该区域作为感兴趣利用图像的掩模技术( m a s k ) 进行 定位。 1 ) r o i r o i 是r e g i o no f i n t e r e s t 的缩写，即感兴趣的区域。可以在一幅图像上通过设定 r o i ，然后在该区域内进行图像处理。使用r o i 的优点在于可以更加直观、形象的进 行图像处理，可以通过拖动鼠标在图像上圈定要处理的区域，也可以通过程序生成 在指定的位置生成需要的形状，从而设定所要处理的r o i 。由于在图像上限定了处 理区域，不必对整幅图像进行处理，这样就可以提程序运行的效率。 2 ) m a s k m a s k 是一种特殊的图像，利用它可以实现图像的分割，其根本是利用了两幅图 像进行相与的运算。 f ( x ，y ) = i m a g e ( x ，y ) a n dm a s k ( x ，y ) 所以在进行m a s k 处理的时候，通常是有两幅图像，一个是m a s k ，另一个是将要 被处理的图像( 下面称为“被检图像”) 。m a s k 中的像素值决定了被检图像中的哪些 像素将要被进行处理，如果m a s k 的像素值非零，则在被检图像中与之相对应的像 素将会被处理，如果m a s k 的像素值为零，则在被检图像中与之相对应的像素将会 不被处理。通过图4 6 将说明m a s k 血h 何作用于被检图像。 通过在被检图像上指定一个矩形作为m a s k 所在的区域，这样5 酢1 m a s k 在所感兴 趣的区域内，可以节约内存，对- 于r o i ，可以在被检图像上设置坐标系，通过移动 m a s k 至l j 指定的位置。图4 7 说明了如何设置m a s k 在图像中的位置。图a 中的多边形区 华北电力大学硕士学位论文 域为需要进行m a s k 处理的r o i 区域；图b 为采用与被检图像相同大小的m a s k ，该情 况下m a s k 在被检图像坐标系的坐标为( 0 ，o ) ，图c 采用的m a s k 的大小n r o i 的p , t ：) j 矩形相等，此时的m a s k 的坐标为r o i 的外切矩形的左上角在被检图像中的坐标。 a 被检图像bm a s k c m a s k 作用于被检图像之后进行反转效果 d 没有被m a s k 作用的被检图像反转效果 图4 - 6 对图像进行m a s k 处理的结果 图4 7m a s k 的使用方法 通过图4 8 可以看出两个不同的偏移坐标t m a s k 对被检图像的影响。n a n 被检 图像，图b 为m a s k ，图c 和图d 分别是m a s k 的偏移坐标为( 0 ，0 ) 和( 3 ，1 ) 时作用于被 检图像的效果图。 图4 8 两个不同的偏移坐标下m a s k 对被检图像的影响 2 l 华北电力大学硕士学位论文 3 ) 分度线区域的提取 图4 9 是分度线区域提取的效果图，图a 为原始图像，图b 为m a s k ，图c 为通过 m a s k 作用与原始图像的到的结果，可以看出准确的对分度区域进行了分割。 ( b ) 图4 - 9 分度线区域提取的效果图 4 3 分度线区域的二值化 分度线区域确定以后，由于分割出来的分度区域图像仍然属于灰度图像，需要 对其进行二值化。图像二值化的方法有很多，本文采用动态阈值的方法，以提高系 统的抗干扰能力和对环境的适应能力。 4 3 1 图像分割阈值的一般式 阈值，与像素( m ，竹) 、像素的灰度值( 像素值) f ( m ，n ) ，以及像素( m ，n ) 邻近区域 的局部性质s ( m ，月) 有关，例如，( m ，n ) 的邻近区域的平均灰度值的函数f ，可以表示 为 t = f ( ( m ， ) ，f ( m ，h ) ，s ( m ，n ) ( 4 2 0 ) 由上式所确定的闽值称为动态闽值“。 4 3 2 最大方差比的阈值确定方法 当对象物和背景的灰度值的差具有一定大小的时候，最大方差比阈值确定方法 是很有效的。这种方法是将图像分成c l 和c 2 两个类，使分离度叩( r ) 为最大值的t 即 为最佳阈值，r l ( r ) 表示为 孵，： 舞 。 z d 式中，2 ( r ) 是类内方差 盯w 2 = q 砰+ q 豸= 专 蔷( i - 。1 ) 2 n i + 篆c z 一如，2 啊 c a z z ， 华北电力大学硕士学位论文 靠( 丁) 是类间方差 盯；2 q ( “一所) 2 + z ( 鸬一所) 2 = 专 丢( “一所) 2 一十篆( z 一所) 2 _ ( 4 - 2 3 ) 此处，2 + 以= 司( 听2 为全局方差) ，q 和q 分别是类c 1 和类c 2 的发生概率( 标 准化后的像像素数) ，“和：以及仃一。呸2 分别是属于c i 和c 2 的像素灰度的平均值 和灰度的方差。 当图像中的灰度所形成的簇只有两个时，其灰度直方图中所形成的两个山峰之 间的间隔很大，如果起间分布很平坦( 当然不等于0 ) 用式( 4 2 2 ) 所求的阂值就不 是最佳阈值。 图4 一l o 是利用最大方差l v , 的方法确定动态闽值，并进行二值化以后的结果。 、 ? 一f j 图4 一l o 利用最大方差比法确定的闽值进行二值化的结果 4 4 分度线的提取和定位 为了实现指针式仪表示数的自动识别，必须对所采集的仪表图像上的分度和指 针进行提取，此特征的提取方法有很多，并且根据不同类型的仪表，也有不同的提 取方法，但是所有方法必须满足提取的有效性和快速性这两个基本要求，本文采用 “颗粒分析”的方法对指针和分度线进行提取，然后利用“点弧投影法”和直线拟 合的方法分别对分度线和指针进行定位。 4 4 1 分度线的提取 1 ) “颗粒”的定义 “颗粒”，就是在二值化图像中由彼此连接的目标像素组成的点的集合。一个 颗粒可以是由一个独立的像素构成，也可以是很多彼此连通的像素的组合。此外， 颗粒的构成还与图像学中对毗邻像素的两种不同连接情况的定义有关，毗邻像素的 华北电力大学硕士学位论文 连接情况可以分为是4 连接和8 连接。 当以4 连接定义划分时，当像素周围上、下、左、右4 个方向中任意一个方向 存在连接时，认为该像素和在前面提到的四个方向存在的像素互相连通：而以8 连 接划分时，只要该像素周围8 个方向中存在目标像素，就认为是彼此连通的。如图 4 一1 1 所示，当以8 连接划分时，认为图中只存在1 个颗粒；如果以4 连接划分，则 存在4 个颗粒。在实际分析中，由于分度线本身较细，还要经过细化等图像处理， 很多情况下会出现单个像素连接两部分的情况，所以本文中采用8 连接进行所有颗 粒的划分。 一 一一 ( a ) 4