基于机器视觉的压力表盘打印装置

在基于机器视觉技术的基础上，结合OpenCV视觉函数库研究设计了一款压力表盘打印装置。该设计方案包括硬件设计和软件设计，硬件设计主要包括整个系统的搭建及硬件选型，软件设计主要分为表盘配置模块、拍照模块、图像预处理模块、模式识别模块、标定校准模块、表盘绘制模块以及打印模块，其中模式识别模块主要是基于Hough变换的方法来检测表盘圆心及指针。实验结果表明该设计方案满足精度等级要求，即生产表盘符合标准。

目前，指针式仪表的传统读数方法主要还是依赖于人眼的识别然后再记录保存，但是这种方式往往被操作人员的主观因素所影响，而且其获取的读数精度不高，在识别工作量大的情况下又导致工作效率拖沓，传统生产过程中利用人工读数的非接触测量方法已经越来越不能满足日益提升的现代化生产需求。因此，可以使用工业相机来替代人工人眼对仪表的观察读取，通过PC对仪表的示数进行处理，完成对仪表进行自动识别与实时的智能监控，不仅有效地提高生产效率，消除人为因素所造成的误差影响，同时为企业带来更多效益。

本文通过计算指针角度进而获得仪表示值，然后将示值进行标定校准后记录下来保存到数据库中，将整个表盘刻度信息在计算机中重绘无误后再在空白表盘上打印输出。

1.系统搭建

本系统的硬件连线图如图1所示。照相机由12V直流电源供电，拍照获得压力表盘图像后，采用以太网接口通过网线与计算机连接传输图像，计算机将采集图像进行预处理后识别表盘读数，完成表盘重绘后再送给打印机打印输出表盘。

2.软件系统

本软件设计包括表盘配置模块、拍照模块、图像预处理模

块、模式识别模块、表盘绘制模块及打印模块。其中图像预处理模块和模式识别模块是关键部分。

2.1拍照模块

系统相机采用以太网接口连接，拍好的照片通过网络上传至电脑，软件实时显示照相机图像画面，根据画面手动调整焦距；按下拍照命令，得到照片的JPG格式图片文件，并利用计算机保存，软件采用对同一角度连续拍摄5张照片，分别对5张照片进行角度分析，去掉最大值和最小值的两张，取剩下的3个角度的平均值作为最终的打印角度，以确保同一角度的精确度。2.2图像预处理模块

2.2.1图像灰度化

由照相机采集得到的仪表图像为彩色图像，如果直接进行处理就面临着数据量庞大、算法复杂并且会导致处理速度很慢，因此需要将图片进行灰度化，在保留了图像主要特征要素的前提下，又减小了图像的数据存储量，提升了图像处理的效率。图像灰度化就是将原本的彩色图像转化成为灰度图像的处理过程。

2.2.2图像二值化

二值化的目的是为了便于将仪表指针及刻度线从背景图像中抽取出来。然而实际的操作过程中，由于压力表盘的表面一般为玻璃镜面容易反光，会造成图像信息被淹没，加之噪声干扰等影响，这些因素都会降低采集仪表图像的质量，因此需要选择适当的阈值来进行二值化处理。

本程序采用迭代法来求取图像二值化的阈值；迭代法基于逼近的思想，其步骤如下：

求出图像的最大灰度值和最小灰度值，分别记作Z_<和ZMIN，令初始阈值T0=(ZMAX+ZMIN)/2

根据所得阈值Tk将图象分割为前景和背景两部分，再分别求出两者的平均灰度值记作Z。和Zb

求出新阈值JK+1:(ZoZb)/2

若7K:7K+1，则所得即为阈值；否则转2)，迭代计算。

2.2.3图像滤波去矂

本文选择中值滤波进行降噪滤波处理，中值滤波是一种非线性信号处理方法。

2.3模式识别模块

模式识别是本软件最核心的模块，主要包括了圆心识别、指针识别以及指针角度计算三个部分，圆心识别主要利用Hough圆变换，指针识别则首先利用Canny边缘检测算子检测出图像的边缘信息[2]，然后用Hough直线检测来提取识别指针直线。

2.3.1圆心识别

圆心识别的主要步骤为：

1）获取图像的中心区域图像，中心区域是指整个图片的中心部分区域，在这里假定圆心一定在该区域。

2）对中心区域进行平滑处理，然后对其进行Hough圆变换，检测中心区域中所有圆。

3）对所有检测出来的圆过滤，过滤规则：若圆中所有像素点的灰度值在其所处背景灰度值范围内的百分比超过50%，则认为该圆无效。然后对剩余圆的圆心求平均值。

4）对求得的圆心做调整，调整方法基于本程序检测对象特征：图片最小圆处灰度值相对于周围相差较大。

调整的方法：调整范围以检测出圆的圆心为中心，长度（L)为半径的0.7的正方形调整区域。

调整思路:①先调整x轴向的坐标，计算以此坐标为中心长度为L的正方形的左半部分和右半部分的灰度平均，若左半部分灰度值大，x向左移动（-1)，反之；若上一次坐标移动与本次移动方向不同，则移动结束②然后根据同样的方法调整y坐标。

其中Hough圆变换首先获取的中心区域如图2所示，经过Hough圆变换后得到圆心并进行调整后的圆心位置对比效果如图3所示。

该段程序的思路如流程图4所示。

2.3.2指针识别

指针直线识别的主要流程为：先将原始图像灰度化，然后利用Canny算子进行边缘检测，再通过Hough直线变换去检测图像中所包含的全部直线。对检测出的直线进行过滤，其过滤准则为：检测出线段的端点至少有一个在图片中心区域。

筛选过滤后的直线，求出直线远离圆心的点。其筛选规则为：

1）若只有一条直线，则本直线远离圆心的点为检测直线的端点；

2）若有两条直线，则取这两条直线远离圆心的点的平均值作为检测直线的端点；

3）若有两条以上的直线，对每条直线求灰度平均，选出平均值最小的两条，这两条直线远离圆心的点的平均值作为检测直线的端点。

该段程序的思路如流程图5所示。

2.3.3指针角度计算

运行程序计算指针角度结果如图6所示。

2.4表盘绘制模块

表盘绘制模块是本软件的核心模块之一。通过读取对应配置文件的表盘信息，获取表盘刻度线长度、大刻度数、中刻度数及小刻度数等关键参数后，该模块将对表盘做出圆心定位，角度转换为弧度，计算得出任意角上符合半径要求的圆周点的象限坐标，最后分别设置相应的映射模式，把得到的成像映射到屏幕和打印机上。

2.5打印模块

在微软的MFC单/多文档程序中，打印机编程由类库自动封装并提供，软件开发时只需根据实际需要添加少量打印机打印代码就可以完成需求。程序调用Windows的打印驱动程序后，再自动调用工业打印机所对应的驱动程序，启动打印机在空白表盘上打印出重绘出的表盘。

3.压力表盘标定实验

本实验首先选用了某仪表厂生产的压力表进行验证，实验数据及误差如表1所示。

在标定过程中需要执行上行增负荷和下行减负荷各一次全量程加压过程。最终得到仪表准确度为0.367%，该仪表的精度等级为0.4，因此可以认定该表盘合格。此外，仪表的回程误差取上、下行程同一压力负荷下的示值之差的最大值。计算得到最大回程误差为0.8，除以仪表量程得到回差准确度为0.267%，在可接受范围内。

4.结束语

结合具体试验结果，本文提出了一种新的的压力表盘的标定打印装置，能够生产出合符标准的压力表盘，以适应市场需要，但在一些实际应用场合中还存在一定不足之处，有待改进。