数字图像处理技术在计量仪表检定中的应用.pdf

1、文 章 编 号 : 1004 - 485X (2004) 03 - 0013 - 03收 稿 日 期 : 2004 - 06 - 20基 金 项 目 : 吉 林 省 科 技 厅 资 助 项 目 (20000531 - 1)作 者 简 介 : 王 红 平 , 女 (1976 - ) , 讲 师 , 主 要 从 事 机 电 控 制 及 在 线 检 测 方 面 的 研 究 工 作 。数 字 图 像 处 理 技 术 在 计 量 仪 表 检 定 中 的 应 用王 红 平 曹 国 华 苏 成 志(长 春 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 , 长 春 130022)摘 要 : 本 文 提 出 了 一

2、种 仪 表 自 动 化 检 定 的 新 方 法 。 该 方 法 以 计 算 机 视 觉 技 术 和 光 学 测 量 技 术 为基 础 , 采 用 数 字 图 像 处 理 技 术 对 计 量 仪 表 进 行 检 定 , 克 服 了 传 统 方 法 中 由 于 手 动 进 给 和 人 工 读 数造 成 的 精 度 低 、 重 复 性 差 等 缺 点 。 试 验 证 明 , 该 方 法 简 便 可 靠 , 精 度 高 。关 键 字 : CCD 摄 像 ; 数 字 图 像 处 理 技 术 ; 仪 表 检 定中 图 分 类 号 : TH868 + 13 文 献 标 识 码 : A百 分 表 、 千 分

3、表 等 精 密 测 量 仪 器 是 机 械 工 业 中最 为 广 泛 使 用 的 常 规 仪 表 。 仪 表 生 产 企 业 和 计 量 检定 部 门 , 需 定 期 对 千 分 表 和 百 分 表 示 值 误 差 进 行 准确 检 定 , 以 判 断 其 精 度 是 否 合 格 。 传 统 的 检 定 方法 , 是 组 合 不 同 长 度 的 标 准 量 块 作 为 尺 度 基 准 , 或采 用 具 有 刻 度 的 高 精 度 测 微 机 构 作 为 长 度 基 准 , 以手 动 进 给 , 人 工 读 数 。 其 存 在 的 主 要 问 题 是 : 人 工目 视 读 数 精 度 低 , 可

4、 靠 性 差 , 重 复 性 差 ; 检 定 人 员的 劳 动 强 度 大 、 检 定 周 期 长 , 工 作 效 率 低 ; 且 只 能实 现 有 限 位 置 的 定 点 检 定 , 灵 活 性 和 通 用 性 差 等 。为 此 , 人 们 在 不 断 寻 求 更 简 便 更 可 靠 的 检 定 方法 1 ,2 。 本 文 便 是 在 计 算 机 视 觉 技 术 和 光 学 测 量 技术 的 基 础 上 , 提 出 了 采 用 CCD 摄 像 技 术 与 图 像 处理 技 术 相 结 合 进 行 指 示 表 自 动 检 定 的 新 方 法 , 它 能自 动 完 成 诸 如 : 百 分 表 、

5、 千 分 表 、 杠 杆 表 、 内 径 表等 各 类 指 示 表 示 值 误 差 的 检 定 , 具 有 通 用 性 强 , 检定 效 率 高 , 准 确 、 可 靠 等 优 点 。图 1 指 示 表 检 定 系 统 原 理 示 意 图1 系 统 结 构 及 工 作 原 理为 实 现 快 速 、 自 动 化 检 定 , 本 检 定 系 统 采 用 三部 分 组 合 完 成 , 即 : 伺 服 驱 动 部 分 、 基 准 数 据 的 采集 部 分 及 图 像 的 采 集 与 处 理 部 分 。 其 中 , 伺 服 驱 动部 分 采 用 步 进 电 机 作 为 执 行 元 件 , 以 替 代 手

6、 工 进给 ; 基 准 数 据 采 用 精 密 光 栅 获 取 , 以 替 代 标 准 量块 ; 表 盘 图 像 的 采 集 由 CCD 摄 像 机 获 取 , 图 像 的处 理 由 计 算 机 实 现 , 以 替 代 人 工 的 瞄 准 与 判 读 。 其工 作 原 理 如 图 1 所 示 , 系 统 工 作 时 , 计 算 机 通 过 I/O 卡 发 送 脉 冲 给 步 进 电 机 驱 动 器 以 控 制 步 进 电 机 驱动 指 示 表 测 头 运 动 ; 同 时 , 光 栅 尺 采 集 测 头 运 动 的基 准 数 据 , CCD 摄 取 表 盘 指 针 的 图 像 , 之 后 分 别

7、 通过 光 栅 尺 数 据 采 集 卡 和 图 像 采 集 卡 送 入 微 机 ; 微 机完 成 表 盘 指 针 示 值 的 精 密 判 读 , 并 将 判 读 结 果 与 光栅 尺 采 集 的 基 准 数 据 对 比 以 确 定 检 定 结 果 。 可 见 ,精 密 判 读 的 准 确 性 直 接 决 定 着 本 系 统 的 检 定 精 度 ,因 此 , 实 现 表 盘 精 确 的 检 定 关 键 在 于 表 盘 图 像 的 处理 。2 表 盘 图 像 自 动 判 读 技 术表 盘 图 像 的 自 动 判 读 技 术 主 要 包 括 表 盘 图 像 的预 处 理 技 术 及 表 盘 指 针

8、识 别 技 术 。211 表 盘 图 像 的 预 处 理 技 术表 盘 图 像 的 预 处 理 技 术 包 括 阈 值 分 割 3 、 二 值化 、 边 缘 检 测 , 图 像 锐 化 等 。 为 了 得 到 较 好 的 处 理结 果 , 首 先 对 表 盘 原 始 图 像 梯 度 锐 化 , 使 模 糊 的 图第 27 卷 第 3 期 长 春 理 工 大 学 学 报 Vol127 No132 0 0 4 年 9 月 Journal of Changchun University of Science and Technology Sep . 2 0 0 4像 表 针 和 刻 度 更 加 清

9、晰 ; 之 后 进 行 Sobel 边 缘 检 测 ,有 效 剔 除 表 面 干 扰 因 素 ; 最 后 通 过 试 验 选 取 合 适 的阈 值 进 行 图 像 分 割 。 通 过 上 述 处 理 , 滤 除 表 盘 图 像上 的 一 些 干 扰 因 素 , 使 有 用 区 域 更 加 清 晰 , 为 下 一步 表 针 的 识 别 提 供 保 证 。 图 2 所 示 即 为 表 盘 预 处 理后 的 结 果 。(a) 表 盘 原 图 像 (b) 锐 化 后 Sobel 边 缘 检 测图 2 表 盘 预 处 理 后 的 实 验 结 果212 表 盘 指 针 识 别 技 术在 指 示 表 检 定

10、 过 程 中 , 其 背 景 是 静 止 的 , 只 有指 针 是 变 化 的 。 因 此 在 理 想 情 况 下 , 两 幅 图 像 相 减后 , 即 减 影 处 理 后 , 除 两 指 针 处 的 灰 度 值 为 零 (即黑 色 ) , 其 余 区 域 的 灰 度 值 均 为 255 (即 白 色 ) , 也就 是 减 影 后 的 表 盘 图 像 只 保 留 了 两 个 不 同 时 刻 的 指针 , 再 采 用 “ 定 位 圆 法 ” 来 确 定 这 两 个 指 针 的 位置 。所 谓 “ 定 位 圆 法 ” 是 指 在 表 盘 图 像 中 构 造 两 个以 指 针 回 转 中 心 为 圆

11、 心 , 其 半 径 小 于 指 针 长 度 的 定位 圆 , 以 表 盘 指 针 与 两 个 定 位 圆 的 交 点 关 系 确 定 出两 指 针 的 直 线 方 程 , 最 终 求 出 相 邻 时 刻 的 指 针 位置 。 由 于 指 针 有 一 定 的 宽 度 , 为 保 证 指 针 位 置 的 准确 性 , 应 以 指 针 中 心 线 代 表 指 针 位 置 。图 2 表 盘 预 处 理 后 的 实 验 结 果如 图 3 所 示 :两 个 虚 线 圆 即 为 定 位 圆 ;表 针 1 为指 示 表 初 始 时 刻 的 位 置 ,表 针 2 为 下 一 个 时 刻 指 示表 表 针 位

12、置 。 P1、 P2 和 P3、 P4 分 别 为 表 针 1 与 定 位圆 1 和 定 位 圆 2 的 交 点 , C1、 C2 为 表 针 1 中 线 的 两点 ; P5、 P6 和 P7、 P8 分 别 为 表 针 2 与 定 位 圆 1 和 定位 圆 2 的 交 点 , C3、 C4 为 表 针 2 中 线 的 两 点 ; 为 两表 针 之 间 的 夹 角 。 很 明 显 ,只 要 求 出 夹 角 便 可 确 定出 表 针 在 这 段 时 间 所 走 的 距 离 。 推 导 如 下 :(1) C1 ( x , y) , x = ( p1. x + p2. x) / 2(2) C1 (

13、x , y) , y = ( p1. y + p2. y) / 2(3) C2 ( x , y) , x = ( p3. x + p4. x) / 2(4) C2 ( x , y) , y = ( p3. y + p4. y) / 2由 此 可 得 初 始 时 刻 表 针 1 中 心 线 的 直 线 方 程Y - C2 ( x , y) . y = k1 ( X - C2 ( x , y) x (5)其 中 k1 为 直 线 斜 率k1 = C1 ( x , y) . y - C2 ( x , y) . yC1 ( x , y) . x - C2 ( x , y) . x (6)将 (1) 、

14、 (2) 、 (3) 、 (4) 式 代 入 (6) 式 ,可 得( Y - C2 ( x , y) . y) =C1 ( x , y) . y - C2 ( x , y) . yC1 ( x , y) . x - C2 ( x , y) . x ( X - C2 ( x , y) . x) (7)同 理 可 得 表 针 2 中 心 线 的 直 线 方 程 :( Y - C4 ( x , y) . y) =C3 ( x , y) . y - C4 ( x , y) . yC3 ( x , y) . x - C4 ( x , y) . x ( X - C4 ( x , y) . x) (8)其

15、中 直 线 斜 率 为 k2k2 = C3 ( x , y) . y - C4 ( x , y) . yC3 ( x , y) . x - C4 ( x , y) . x (9)于 是 便 可 得 出 这 两 条 直 线 的 交 角 ,进 而 求 出表 针 的 位 移 。tg = k1 - k21 + k1 k2 (10)将 k1、 k2 代 入 式 (10) ,整 理 得 : = arctanC1(x ,y) . y - C2(x ,y) . yC1(x ,y) . x - C2(x ,y) . x -C3(x ,y) . y - C4(x ,y) . yC3(x ,y) . x - C4(

16、x ,y) . x1 + C1(x ,y) . y - C2(x ,y) . yC3(x ,y) . y - C4(x ,y) . yC1(x ,y) . x - C2(x ,y) . xC3(x ,y) . x - C4(x ,y) . x(11)表 针 在 该 段 时 间 内 所 走 过 的 位 移 为 :S = M 360 (12)其 中 M 为 待 检 表 的 量 程 。可 见 ,通 过 上 述 方 法 求 解 出 指 针 夹 角 ,就 可 确定 计 量 仪 表 的 行 程 示 值 S。3 试 验 结 果为 了 有 效 地 验 证 本 检 定 方 法 的 准 确 性 ,采 用 对比 测

17、 试 的 方 法 实 现 ,即 :检 定 同 一 块 0 级 千 分 表 ,对比 计 量 研 究 所 检 定 结 果 与 本 系 统 检 定 结 果 。 根 据 国家 标 准 JJ G34 - 96 指 示 表 检 定 规 程 规 定 的 指 示 表 检定 算 法 4 ,千 分 表 示 值 误 差 的 检 定 是 在 正 反 行 程 方向 上 每 间 隔 50 个 分 度 进 行 检 定 ,直 到 工 作 行 程 终点 ,整 个 检 定 过 程 中 ,中 途 不 得 改 变 测 杆 的 移 动 方向 ,也 不 应 对 受 检 表 和 检 定 仪 作 任 何 调 整 ;并 规 定 测量 范 围

18、为 0 1mm 的 0 级 千 分 表 的 技 术 指 标 为 :任意 012mm 范 围 内 误 差 310 m ,工 作 行 程 误 差 4 m ,回 程 误 差 210 m。对 所 选 定 的 0 级 千 分 表 检 定 情 况 如 下 :计 量 研究 所 的 检 定 结 果 是 该 表 符 合 0 级 千 分 表 的 技 术 指41 长 春 理 工 大 学 学 报 2004 年标 ,而 本 系 统 的 检 定 结 果 如 表 所 示 :其 在 任 意 0. 2mm范 围 内 最 大 误 差 为 118 m 310 m ,工 作 行 程 误 差为 219 m 4 m ,回 程 误 差 为

19、 114 m 210 m ,各 项误 差 检 定 结 果 均 符 合 0 级 千 分 表 的 指 标 要 求 。表 0 级 千 分 表 测 试 结 果0 50 100 150 200检 定 结 果( m)任 意 012mm范 围 内 误差 ( m)工 作 行程 范 围内 误 差 ( m)回 程 误 差( m)1正 010 - 114 - 118 010 - 013反 - 110 - 111 - 014 - 013 - 0101182正 - 013 012 111 019 0115反 - 010 014 019 - 013 - 0151153正 011 - 013 - 013 - 010 - 1

20、11反 - 015 - 015 - 013 - 110 - 0181124正 - 111 - 110 - 019 - 110 - 017反 - 018 - 110 - 011- 0. 6 0131155正 - 017 - 013 013 - 013 - 019反 013 - 018 - 011 010 - 019112219 114通 过 上 述 对 比 测 试 , 表 明 该 检 定 方 法 的 测 试 准确 性 高 , 实 现 了 检 定 过 程 的 自 动 化 。 当 然 整 个 检 定过 程 也 存 在 着 各 种 误 差 因 素 的 影 响 , 比 如 : 传 动 机构 产 生 的

21、误 差 , 装 置 本 身 的 定 位 误 差 以 及 各 种 随 机误 差 等 。 尽 量 减 小 各 种 误 差 的 影 响 , 有 助 于 进 一 步提 高 系 统 的 精 度 。4 结 论本 文 采 用 数 字 图 像 处 理 技 术 , 实 现 了 计 量 仪 表全 自 动 检 定 。 检 定 过 程 无 需 人 工 读 数 , 操 作 简 便 可靠 , 检 定 精 度 高 , 为 仪 表 检 定 开 创 了 一 种 新 思 路 ,必 将 使 计 量 仪 表 检 定 更 加 科 学 化 , 规 范 化 。参 考 文 献1 严 义 , 包 健 . 一 种 实 用 视 觉 识 别 的 仪

22、 表 自 动 检 定 系 统 . 仪 表 技 术 与 传 感 器 2002 (1) : 28 - 302 Sporea , D. G. ; Miron , N. Dial indicators checking - upby laster interferometry 科 学 文 摘 INSPEC.3 林 瑶 , 田 捷 . 图 像 分 割 方 法 综 述 . 模 式 识 别 与 人 工 智能 . 2002 (6) : 192 - 2004 国 家 技 术 监 督 局 . 常 用 计 量 检 定 规 程 汇 编 . 中 国 计 量出 版 社 . 1996 , 2Application of D

23、igital Image - ProcessingTechnology on Detecting of Dial GaugeWANG Hongping , CAO Guohua , SU Chengzhi( College of Electromechanic Engineering , Changchun University of Science and Technology , Changchun 130022)Abstract : In this paper , a new method of auto - detecting of dial gauge on the basis of

24、 computer visual technology andoptical measuring technology is proposed. Digital image - processing technology is emplpyed in the method. The tradi2tional method which is low accuracy and repetition caused by manual operation and ocular reading is replated. The testresults show that it is reliable and detecting accuracy is high.Key words : CCD imaging ; digital Image - processing technology ; Detecting of Dial gauge51第 3 期 王 红 平 等 : 数 字 图 像 处 理 技 术 在 计 量 仪 表 检 定 中 的 应 用