基于梅花針計數(shù)的冷水水表檢定方法

楊 濤， 李曉曉， 冉光澤,3

(1.成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電信息學(xué)院， 成都 611130；2.成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 成都 610106；3.成都海逸機(jī)電設(shè)備有限公司， 成都 610107)

引 言

隨著城鎮(zhèn)化改革的推進(jìn)，自來水水表的需求日益突增，水表生產(chǎn)企業(yè)也積極引進(jìn)信息化技術(shù)擴(kuò)大其產(chǎn)能。機(jī)械式水表因其成本低、不易受電磁干擾等優(yōu)勢在數(shù)顯水表發(fā)展中仍然占有一席之地[1-2]。水表檢定是其生產(chǎn)環(huán)節(jié)的最后一道工序，其檢定精度和效率是保證水表品質(zhì)的關(guān)鍵。然而，日益增長的水表出貨量與效率低下的人工讀數(shù)檢測方式之間的矛盾越來越突出，也就是說，指針式儀表自動讀數(shù)問題已經(jīng)成為了制約水表生產(chǎn)企業(yè)發(fā)展的瓶頸。由此，儀表示數(shù)自動判讀技術(shù)已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)，也是模式識別領(lǐng)域一項重要的研究內(nèi)容和前沿技術(shù)。鄭學(xué)文等[3]采用距離法讀取水表指針讀數(shù)，通過模板匹配、極坐標(biāo)變換等手段實(shí)現(xiàn)了水表指針自動讀數(shù)。韓紹超等[4]運(yùn)用Hough變換識別表盤與子表盤，再運(yùn)用LRCD色差變換法提取水表表盤4個紅色指針并計算零向量與指針方向向量所形成的角度，進(jìn)而判斷指針的讀數(shù)。王長旭等[5]運(yùn)用彩色空間變換與圖像形態(tài)學(xué)處理提取水表指針，再運(yùn)用Hough變換找到每個指針的圓心并結(jié)合步長法找出每個指針的指向，也就得到指針示數(shù)。劉豐等[6]運(yùn)用機(jī)器視覺技術(shù)開發(fā)了水表在線檢定系統(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)了自動讀數(shù)，但準(zhǔn)確率稍差。呂露等[7]提出了一種基于SVM分類器與HOG特征的指針式水表讀數(shù)自動識別方案，遇到氣泡遮擋，千位、百位等高位刻度偏0刻度右側(cè)等情況仍需要人工讀數(shù)。顯然，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于水表讀數(shù)問題的研究都是圍繞表盤4個紅色指針展開的，鮮有人基于具有更高精度的梅花針來計算水表檢定誤差。本文開發(fā)了一款統(tǒng)計梅花針轉(zhuǎn)動圈數(shù)來計算流過水表水體積的檢定系統(tǒng)，在提高檢定效率的同時有效避免了氣泡的影響。這對于促進(jìn)水表自動化、智能化生產(chǎn)以及智慧工廠建設(shè)有重要意義。

1 檢定方法

1.1 檢定裝置

水表檢定方法主要是容積法與質(zhì)量法，傳統(tǒng)水表檢定裝置需要人工讀數(shù)并計算每只表的誤差[8]。根據(jù)《JJG162-2009冷水水表檢定規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)相關(guān)規(guī)定，水表指針示數(shù)從計量單位最低的子表盤示數(shù)讀起，從低到高一次讀取每個子表盤的示數(shù)，得到完整的表盤示數(shù)。計算穩(wěn)定狀態(tài)下起始指針示數(shù)num1與終止指針示數(shù)值num2的差，得到該水表的通水體積計量值V。然后，再與通水計量標(biāo)準(zhǔn)值Vs計算出該水表計量誤差ξ，即：

(1)

同時，《規(guī)程》規(guī)定q3、q2的示數(shù)誤差范圍是±2%，q1的示數(shù)誤差范圍是±5%?？菰铩⒎爆嵉娜斯ぷx數(shù)與誤差計算方法大幅降低了生產(chǎn)效率，其檢定結(jié)果也極易受到人為因素的影響。因此，水表表盤示數(shù)自動判讀技術(shù)已成為降低企業(yè)成本、突破企業(yè)發(fā)展瓶頸的核心技術(shù)之一。圖1所示的是我司使用機(jī)器視覺技術(shù)自主研制的全自動水表檢定裝置，該裝置使用容積法檢定水表，由通水閥門自動控制系統(tǒng)、電子天平數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、上位機(jī)、水表表盤成像系統(tǒng)等組成。其中，視覺計數(shù)系統(tǒng)由工控機(jī)、水表圖像采集模塊、LED光源組成。與傳統(tǒng)水表檢定裝置的主要差異在于使用了一套自主研發(fā)的梅花針視覺計數(shù)系統(tǒng)來代替水表檢定過程中人工讀數(shù)過程，從而提高設(shè)備檢定精度、自動化程度與生產(chǎn)效率、降低人力勞動強(qiáng)度。

圖1 水表自動檢定裝置

1.2 傳統(tǒng)指針示數(shù)判別方法

傳統(tǒng)的表盤示數(shù)視覺判別方法如圖2所示，主要集中在表盤4個紅色指針的提取，再逐一提取出每一個指針圖像并判斷其位置關(guān)系或指向，進(jìn)而判斷出指針示數(shù)。常見的指針示數(shù)判讀方法有角度法、距離法與模板匹配法等[9]。

圖2 傳統(tǒng)水表指針示數(shù)判讀方法

1.2.1 角度法

角度法原理如圖3所示，其運(yùn)用差影法、向量法、步長法等手段判斷指針中心線并獲取指針起始時與終止時的角度差α，從而根據(jù)公式(2)計算出指針示數(shù)I。該方法需要提取指針頂點(diǎn)與圓心，再計算出兩點(diǎn)連線的斜率，從而計算出指針角度，判讀過程復(fù)雜，精度較差。

圖3 角度法原理

(2)

其中：I0為被檢儀表的量程。

1.2.2 距離法

距離法原理如圖4所示，其將圓形表盤極坐標(biāo)展開，計算指針直線到各刻度線的距離并找出最近的兩條刻度線記為d1、d2，再取其對應(yīng)的較小刻度值J0，運(yùn)用公式(3)得到較為精確的讀數(shù)J。雖然，距離法相對角度法在檢定精度方面有所提高，但在表盤刻度不清晰、氣泡遮擋等場景下仍然難以實(shí)現(xiàn)指針示數(shù)精確判讀。

圖4 距離法原理

(3)

1.2.3 模板匹配法

模板匹配法原理首先對模板進(jìn)行標(biāo)記，再與待判別指針圖像進(jìn)行相似度計算，得到相似度最高的模板，從而根據(jù)模板標(biāo)記值計算出待判別指針示數(shù)。

(1) 建立模板

選擇一個沒有被氣泡遮擋且剛好指向0刻度的指針二值圖像作為基準(zhǔn)模板，如圖5所示。運(yùn)用Hough變換檢測圖像中的指針圓，再以該圓的圓心為旋轉(zhuǎn)中心，每順時針旋轉(zhuǎn)一個β角即建立一個該方向上的指針模板。由此，得到N個指針模板并按照1～N依次編號。

圖5 基準(zhǔn)模板

(2) 示數(shù)判讀

對于大小均為m×n的兩個向量X和Y，其相似度可用相關(guān)系數(shù)公式(4)來計算。

(4)

由此，將待判別指針圖像逐一與模板圖像計算相似度，并取相似度最大的模板編號L。那么，編號為L的模板其指針指向的刻度值M應(yīng)滿足式(5)：

(5)

模板匹配法雖然彌補(bǔ)了角度法、距離法在檢定精度、適應(yīng)復(fù)雜場景等情況下的指針示數(shù)高精度判讀，但是，也帶來了計算量大、效率低等不足。

綜上所述，傳統(tǒng)的表盤示數(shù)判讀方法雖然在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)水表的自動判讀，但是，在檢定精度、效率以及適應(yīng)復(fù)雜場景等方面還存在諸多問題。而且在表盤圖像傾斜校正、指針圖像提取、指針示數(shù)判讀等環(huán)節(jié)均存在較大的系統(tǒng)誤差，難以勝任高精度檢定要求。

2 基于梅花針的水表自動計數(shù)

2.1 計數(shù)原理

為滿足水表高精度檢定需要，選擇了水表最小計量單位的梅花針作為研究對象。常見的水表梅花針計數(shù)方法有激光反射法與機(jī)器視覺法兩種[9]。激光反射法因?qū)馀菁捌涿舾?，檢定水表時，一旦出現(xiàn)氣泡系統(tǒng)就無法正確判讀其示數(shù)。而基于機(jī)器視覺技術(shù)的梅花針計數(shù)方法則可通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理避免氣泡對判讀結(jié)果的影響。此外，梅花針本身并不具有明顯的、可用于計數(shù)的標(biāo)記，不能直接使用圖像處理技術(shù)統(tǒng)計梅花針的轉(zhuǎn)動齒數(shù)或圈數(shù)。因此，需要在采集到的梅花針圖像中設(shè)置虛擬標(biāo)記點(diǎn)，以便統(tǒng)計梅花針轉(zhuǎn)動齒數(shù)。據(jù)觀察，梅花針每轉(zhuǎn)動1個齒即在該齒標(biāo)記處出現(xiàn)1次黑白交替，針對這一現(xiàn)象提出了一種基于梅花針序列圖像計數(shù)方法，其原理如圖6所示。首先，由安裝在水表表盤正上方的攝像頭采集梅花針圖像得到圖像序列；然后，將其轉(zhuǎn)換為二值圖像后，再提取圖像序列中每幅圖像同一位置的標(biāo)記點(diǎn)；接著，計算提取到的標(biāo)記圖像灰度平均值并由此組成標(biāo)記圖像行向量X；最后，對該向量進(jìn)行分析，找出其極值點(diǎn)并統(tǒng)計極值(極大值或極小值)出現(xiàn)的次數(shù)Z，即得到梅花針轉(zhuǎn)動的齒數(shù)。進(jìn)而計算出水表通水體積，再運(yùn)用公式(1)計算出該水表的計量誤差，并與《規(guī)程》中的標(biāo)準(zhǔn)誤差值比較，從而判斷該水表是否合格。

圖6 梅花針視覺計數(shù)原理

2.2 圖像采集

2.3 梅花針標(biāo)記

梅花針上沒有明顯的特征標(biāo)記，轉(zhuǎn)動中無法直接統(tǒng)計其轉(zhuǎn)動齒數(shù)。就需要在梅花針圖像中設(shè)置虛擬標(biāo)記點(diǎn)，每個標(biāo)記點(diǎn)大小為20 px×20 px，如圖7所示。梅花針為黑色、表盤為白色，梅花針齒經(jīng)過某一位置時，標(biāo)記點(diǎn)為黑色；反之，未經(jīng)過該位置時，標(biāo)記點(diǎn)為白色。也就是說，對于梅花針上同一位置(標(biāo)記點(diǎn))而言，每經(jīng)過1個齒就會在該處出現(xiàn)1次黑白交替[13-14]。那么，統(tǒng)計標(biāo)記點(diǎn)黑白交替次數(shù)即可計算出梅花針的轉(zhuǎn)動齒數(shù)。由此，就將無明顯標(biāo)記特征的梅花針轉(zhuǎn)動圈數(shù)問題轉(zhuǎn)換為如何統(tǒng)計標(biāo)記點(diǎn)圖像序列黑白交替次數(shù)問題。

圖7 梅花針標(biāo)記

2.4 梅花針轉(zhuǎn)動齒數(shù)計數(shù)

檢定過程中梅花針快速轉(zhuǎn)動，相機(jī)連續(xù)拍攝得到p張轉(zhuǎn)動梅花針圖像組成的圖像序列。然后，需要從這些序列圖像中提取出標(biāo)記點(diǎn)并計算其灰度平均值，得到便于統(tǒng)計分析的向量X，如圖8所示。

圖8 梅花針標(biāo)記點(diǎn)轉(zhuǎn)換為行向量過程

X=[x1,x2,x3,…,xp]

(6)

裁剪出的標(biāo)記圖像為二值圖像，那么其灰度平均值勢必在0～1之間，即0≤x≤1。倘若標(biāo)記點(diǎn)正好全部在梅花針上，則其圖像全部呈黑色，其灰度平均值x=0；反之，標(biāo)記點(diǎn)正好全部在梅花針間隙處，則圖像全部呈白色，其灰度平均值x=1。也就是說，梅花針轉(zhuǎn)動1個齒即出現(xiàn)一次黑白交替，表現(xiàn)出其灰度平均值0、1交替出現(xiàn)1次。圖9所示的是隨機(jī)截取X中連續(xù)200個值繪制的波形變化情況。顯然，X中0、1交替出現(xiàn)的次數(shù)即為其極大值與極小值交替出現(xiàn)的次數(shù)。為避免梅花針轉(zhuǎn)動1個齒時間內(nèi)采集到多張圖像使得X中連續(xù)出現(xiàn)多個0或1對統(tǒng)計結(jié)果造成的干擾，只統(tǒng)計X中峰值(極大值或極小值)的個數(shù)，即梅花針轉(zhuǎn)動的齒數(shù)。由此，可依據(jù)式(7)統(tǒng)計X峰值個數(shù)Z，進(jìn)而據(jù)式(8)計算出流過水表的水體積V，再與通水計量標(biāo)準(zhǔn)值Vs比較，通過式(1)得到該水表的計量誤差ξ，從而完成水表的檢定。

圖9 X中連續(xù)200個元素值變化

(7)

(8)

3 誤差分析與比較

根據(jù)公式(1)可知，水表通水體積的計量精度直接影響到水表計量誤差ξ，而指針示數(shù)判讀準(zhǔn)確率η又是影響水表通水體積計量誤差的主要因素。傳統(tǒng)的角度法、距離法、模板匹配法歸根結(jié)底均是對水表指針示數(shù)進(jìn)行判讀。角度法計算方法簡單，判讀精度最差，一般用于對精度要求不高的場合；距離法計算了指針與刻度線之間的距離，判讀精度有所提高，但更容易產(chǎn)生視點(diǎn)誤差[15-16]；模板匹配法可以增加模板數(shù)量來提高準(zhǔn)確率，但也增加了計算量，對不同類別的指針適應(yīng)性較差。此外，水表表盤示數(shù)要將4個指針示數(shù)與對應(yīng)的比例系數(shù)相乘后再求和才能得到表盤示數(shù)，即：

num=N1×10-1+N2×10-2+N3×10-3+N4×10-4

V'=num2-num1

(9)

那么，比例系數(shù)最大的指針對檢定誤差的影響也就最大，并且，這樣復(fù)雜的讀數(shù)過程也間接增大了系統(tǒng)誤差。也就是說，指針式水表表盤示數(shù)判讀方法的正確率η1為4個指針判讀正確率ηp的積，即

(10)

眾所周知，梅花針是水表表盤上最小的計量單位?；诿坊ㄡ樣嫈?shù)方法統(tǒng)計的是水表通水過程中梅花針轉(zhuǎn)動的齒數(shù)，其精度達(dá)萬分之一，遠(yuǎn)高于指針示數(shù)判讀方法的讀數(shù)，并且，該方法直接計量水表通水體積V，減少了中間計算過程，其系統(tǒng)誤差ξ2遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)指針判別方法的誤差ξ1，即ξ2?ξ1。

綜上所述，與傳統(tǒng)角度法、距離法、模板匹配法相比，本文方法在檢定精度、計算速度等方面表現(xiàn)最好，滿足用戶高精度檢定需要。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

圖10所示的是成都匯錦水務(wù)發(fā)展有限公司水表檢定裝置中的梅花針計數(shù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將計數(shù)結(jié)果傳遞到上位機(jī)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了水表自動讀數(shù)、自動檢定，滿足該公司日常生產(chǎn)要求，并大幅提高生產(chǎn)效率。此外，為避免氣泡對識別結(jié)果的影響，檢定前可人為選擇無氣泡遮擋標(biāo)記點(diǎn)。并且，倘若系統(tǒng)輸出結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值差異較大，系統(tǒng)自動對圖像進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理以降低氣泡對計數(shù)結(jié)果的影響。相較于傳統(tǒng)指針識別方法而言，本文方法主要有以下幾個優(yōu)勢：

圖10 梅花針轉(zhuǎn)動齒數(shù)計數(shù)系統(tǒng)

(1) 對水表適應(yīng)性更強(qiáng)，幾乎兼容國內(nèi)外所有齒數(shù)的梅花針式水表檢定。

(2) 傳統(tǒng)方法需要分別識別檢定前后兩次表盤指針示數(shù)，增大了系統(tǒng)出現(xiàn)誤差的概率，且計算過程較為復(fù)雜。本文方法直接測量檢定過程中的通水體積，減少了計算流程與復(fù)雜度。

(3) 消除了視點(diǎn)誤差對結(jié)果帶來的影響，檢定精度也達(dá)萬分之一，遠(yuǎn)高于其他方法的檢定精度。

5 結(jié)束語

本文總結(jié)了指針式機(jī)械水表檢定原理，詳細(xì)分析了傳統(tǒng)水表指針示數(shù)判讀方法，并開發(fā)出了基于梅花針計數(shù)的水表檢定系統(tǒng)，大幅提高水表檢定精度與檢定效率，且成功應(yīng)用于成都匯錦水務(wù)發(fā)展有限公司水表校驗(yàn)臺的改造升級與全自動水表校驗(yàn)臺的研制上。這對于節(jié)省企業(yè)生產(chǎn)成本，促進(jìn)企業(yè)智能化發(fā)展有重要意義。