空盒气压表示值图像采集系统、识别系统及其工作方法与流程

本发明涉及一种空盒气压表示值图像采集系统、识别系统及其工作方法，属于机器视觉与图像处理设备技术领域。

背景技术：

在计量行业和工业生产中，时常需要人工对空盒气压表读数。目前读数工作主要采用人工方式，存在读数误差大和工作效率低的问题。利用图像处理与机器视觉技术，设计一种空盒气压表示值识别系统，可实现自动化空盒气压表高精度图像采集及示值识别，整个过程无需人工参与，是我们需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种空盒气压表示值图像采集系统以用于构建空盒气压表示值识别系统需要的图像采集平台；提供了一种空盒气压表示值识别系统，以用于实现与空盒气压表示值图像采集系统的连接，提供空盒气压表示值识别的平台；提供了一种空盒气压表示值识别系统的工作方法，以用于获得空盒气压表的指针示值。

本发明的技术方案是：一种空盒气压表示值图像采集系统，包括同步带模组1、工业相机2、步进电机5；通过两个步进电机5转动实现同步带模组1在x、y二维平面内位置控制；通过同步带模组1在x、y二维平面内位置改变进而实现工业相机2位置改变。

第一个步进电机5驱动x方向同步带模组1的滑台运动，实现安装在x方向同步带模组1上的y方向同步带模组1沿x方向运动；第二个步进电机2驱动y方向同步带模组1的滑台运动，实现安装在y方向同步带模组1的滑台上的工业相机2沿y方向运动。

所述同步带模组1为三根，两根为x方向布置，一根为y方向布置，安装方式为：两根x方向同步带模组1平行安装在支撑部件13上方，两根x方向同步带模组1之间通过联轴器6、连杆连接为一个整体，第一个步进电机5安装于一根x方向同步带模组1末端，第一个步进电机5转动带动两根x方向同步带模组1的同步带转动，两根x方向同步带模组1的同步带转动带动x方向同步带模组1的滑台移动，通过x方向同步带模组1的滑台移动带动安装在其上的y方向同步带模组1沿x方向移动，通过y方向同步带模组1沿x方向移动带动安装在其上的工业相机2沿x方向移动；工业相机2经相机支架3安装在y方向同步带模组1的滑台4上，一根y方向同步带模组1两端底部分别安装于两根x方向同步带模组1上，第二个步进电机5安装于y方向同步带模组1末端，第二个步进电机5转动带动y方向同步带模组1的同步带转动，y方向同步带模组1的同步带转动带动y方向同步带模组1的滑台4移动，通过y方向同步带模组1上的滑台4移动带动工业相机2沿y方向移动。

一种空盒气压表示值识别系统，包括图像采集系统，还包括高速交换机7、上位机8、下位机9；工业相机2、上位机8和下位机9分别通过网线与高速交换机7连接，下位机9通过电线与步进电机5连接。

一种空盒气压表示值识别系统的工作方法，所述方法步骤如下：

step1、将若干空盒气压表11放置于气压检定箱12中；

step2、将系统中各设备及部件上电开机；

step3、对各设备及部件进行通信及控制测试，各设备及部件包括工业相机2、步进电机5、高速交换机7、上位机8、下位机9；

step4、进行工业相机2零位校准工作，实现工业相机镜头中心位置与视场物理中心位置重合或者误差范围以内；

step5、进行各空盒气压表11圆心位置信息获取工作：上位机8发出图像采集指令，驱动工业相机2进行一次图像采集并传至上位机8，上位机8获得视场内空盒气压表11的数目及位置信息；

step6、上位机8根据step5的各仪表位置信息，依次调整工业相机2位置进行各空盒气压表11正视角图像采集并传输至上位机8；

step7、所有空盒气压表11的正视角图像采集完成后，工业相机2归零至step4工业相机镜头中心位置；

step8、上位机8对step6所采集图像数据进行示值识别工作，以识别指针示值；

step9、上位机8根据step8识别结果进行展示及存储。

所述误差范围设置为：以视场物理中心位置为基准，x、y方向偏离该位置±30像素以内。

所述step4中，工业相机2零位校准具体为；

s1、在气压检定箱11内底面角落放置4个圆形标记点10；

s2、位于任意位置的工业相机2采集一帧图像，并传输至上位机8；

s3、上位机8识别出s2采集图像中的圆形标记点数目及位置，发送信息至下位机9，下位机9驱动步进电机5工作进而控制工业相机2位置移动；

s4、重复s2和s3，直至工业相机2镜头中心位置与标记点视场物理中心位置重合，实现零位校准。

所述step5中，各空盒气压表11圆心位置信息获取具体为：

p1、工业相机2位置校准后，上位机8发出图像采集指令，工业相机2接收到指令后进行图像采集并上传至上位机8，上位机8对所采集到的图像进行均值滤波处理，消除图像中噪声；

p2、上位机8对p1结果执行幂变换操作，扩大特征区域与背景灰度层次；

p3、上位机8对p2结果进行阈值分割、边缘检测及锐化操作，提取空盒气压表11基本轮廓信息；

p4、上位机8对p3结果进行形态学操作，分离各空盒气压表11轮廓，避免相邻气压表联通为同一区域；

p5、上位机8对p4结果进行霍夫圆检测，得到圆心坐标信息。

所述step6中，各空盒气压表11正视角图像采集过程如下：

c1、上位机8发送一个视场中各空盒气压表11圆心坐标信息给下位机9；

c2、下位机9根据收到的坐标信息将坐标信息转换为步进电机5转动角度，分别将转动角度信号发送给两个步进电机5；

c3、两个步进电机5收到转动信号后，分别执行转动动作，其中一个步进电机5控制x方向同步带模组1转动，另一个步进电机5控制y方向同步带模组1转动，从而实现工业相机2在x、y二维平面内位置改变；

c4、两个步进电机5转动到达目标位置后，发信号到下位机9，下位机9将动作完毕信号转发至上位机8；

c5、上位机8收到信号后，向工业相机2发出图像采集指令；

c6、工业相机2收到图像采集指令后，执行图像采集并将图像发送至上位机8保存，供后续示值识别过程使用；

c7、重复c1至c6，直到完成初始视场内所有空盒气压表11的正视角图像采集工作。

所述step8中，上位机8对某空盒气压表11正视角图像进行示值识别，具体为：

r1、上位机8对采集到的正视角某空盒气压表11图像执行霍夫圆检测，并选取半径画一个白圆；

r2、上位机8对r1结果执行阈值分割、锐化、轮廓检测操作；

r3、上位机8对r2结果执行感兴趣区域操作，分割出工业相机2中心位置正对单个空盒气压表11图像，然后根据图像中的温度计边缘，旋转图像至温度计水平；

r4、上位机8对r3结果进行高斯滤波，去除高斯噪声，然后执行二值化处理；

r5、上位机8对r3结果进行拉普拉斯边缘检测操作，得到图像内容的轮廓；

r6、上位机8对r5结果进行霍夫圆检测，确定表盘圆心和半径；

r7、上位机8对r4结果进行canny边缘检测和霍夫直线检测操作，检测出指针并画线；

r8、上位机8对r7结果指针直线进行角度计算；

r9、上位机8对r5结果结合r6所得到的圆心和半径绘制两个半径不同的同心圆并提取刻度线感兴趣区域；

r10、上位机8对r9结果执行二值化和轮廓提取操作，提取出较长刻度线；

r11、上位机8对r10结果执行腐蚀膨胀操作，并将长刻度线中心点坐标与圆心坐标连线，计算排列出各刻度线所在直线角度并保存；

r12、上位机8利用r8结果结合r11结果，利用指针相邻刻度角度计算方法计算得到空盒气压表11图像的指针示值。

本发明的有益效果是：本发明的空盒气压表示值图像采集系统可以有效地与空盒气压表示值识别系统进行连接，并为空盒气压表示值识别系统提供图像采集的平台；本发明提供的空盒气压表示值识别系统构建了对空盒气压表示值图像采集系统采集的图像进行示值识别的平台，通过该平台并进一步融合本发明提供的空盒气压表示值识别系统的工作方法，获得空盒气压表的示值信息，工作方法通过目标检测及定位过程，实现各仪表的正视角图像采集，避免人工读数过程中由于视角灵活性引入的读数误差，利用数字图像处理相关算法，实现指针提取及角度计算，并模拟人工读数方式，采用相邻刻度角度计算方式得到指针示值，与单一角度计算方法想比较，本算法避免了因表盘刻度不均匀分布而引入的误差，进一步提高了示值识别精度。

整个发明利用数字图像处理、嵌入式及机器视觉技术，实现现有空盒气压表人工检定工作的自动化；工作过程高度自动化，无需人工参与，降低人力检定负担，系统模块功能清晰，分工明确，自动化程度高，相对于人工读数误差小、一致性高并保证对示值识别的准确性和高效性；通过设置上位机、下位机，使得整个发明具有良好的人机交互界面，提高了系统的易用性。

附图说明

图1为空盒气压表示值图像采集系统及示值识别系统结构示意图；

图2为工业相机零位校准图；

图3为p1均值滤波结果图；

图4为p2幂变换结果图；

图5为p3基本轮廓提取图；

图6为p4分离轮廓结果图；

图7为p5颜色标注结果图；

图8为视场中某空盒气压表的正视角图像；

图9为r1正视角仪表区域白圆覆盖图；

图10为r2轮廓检测结果图；

图11为r3单个仪表分割及图像转正结果图；

图12为r4单个仪表图像高斯滤波及二值化结果图；

图13为r5单个仪表图像拉普拉斯边缘检测结果图；

图14为r6单个仪表图像霍夫圆检测结果图；

图15为r7指针检测结果图；

图16为r8指针角度计算结果图；

图17为r9刻度线提取结果图；

图18为r10长刻度线提取结果图；

图19为r11长刻度线与圆心连线图；

图20为r12示值识别结果图；

图21为工作方法流程图；

图中各标号为：1-同步带模组、2-工业相机、3-相机支架、4-滑台、5-步进电机、6-联轴器、7-高速交换机、8-上位机、9-下位机、10-圆形标记点、11-空盒气压表、12-气压检定箱、13-支撑部件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。

实施例1：如图1所示，一种空盒气压表示值图像采集系统，包括同步带模组1、工业相机2、步进电机5；通过两个步进电机5转动实现同步带模组1在x、y二维平面内位置控制；通过同步带模组1在x、y二维平面内位置改变进而实现工业相机2位置改变。

进一步地，可以设置第一个步进电机5驱动x方向同步带模组1的滑台运动，实现安装在x方向同步带模组1上的y方向同步带模组1沿x方向运动；第二个步进电机2驱动y方向同步带模组1的滑台运动，实现安装在y方向同步带模组1的滑台上的工业相机2沿y方向运动。

进一步地，可以设置所述同步带模组1为三根，两根为x方向布置，一根为y方向布置，安装方式为：两根x方向同步带模组1平行安装在支撑部件13上方，两根x方向同步带模组1之间通过联轴器6、连杆连接为一个整体，第一个步进电机5安装于一根x方向同步带模组1末端，第一个步进电机5转动带动两根x方向同步带模组1的同步带转动，两根x方向同步带模组1的同步带转动带动x方向同步带模组1的滑台移动，通过x方向同步带模组1的滑台移动带动安装在其上的y方向同步带模组1沿x方向移动，通过y方向同步带模组1沿x方向移动带动安装在其上的工业相机2沿x方向移动；工业相机2经相机支架3安装在y方向同步带模组1的滑台4上，一根y方向同步带模组1两端底部分别安装于两根x方向同步带模组1上，底部两端通过螺丝固定在x方向同步模组的滑台上，第二个步进电机5安装于y方向同步带模组1末端，第二个步进电机5转动带动y方向同步带模组1的同步带转动，y方向同步带模组1的同步带转动带动y方向同步带模组1的滑台4移动，通过y方向同步带模组1上的滑台4移动带动工业相机2沿y方向移动。整个图像采集系统通过支撑部件13安装在气压检定箱12上方，系统工作时有若干个空盒气压表11在气压检定箱12中；其中同步带模组包括轴、轨道、同步带和滑台，步进电机的输出轴和同步带模组的轴通过联轴器连接，轨道上安装了同步带，同步带上安装滑台。

一种空盒气压表示值识别系统，包括图像采集系统，还包括高速交换机7、上位机8、下位机9；工业相机2、上位机8和下位机9分别通过网线与高速交换机7连接，下位机9通过电线与步进电机5连接。

进一步地，可以设置工业相机2采用通用工业面阵相机，高速交换机7端口带宽为1000mb/s及以上，下位机9为了stm32为核心的嵌入式开发板。

本申请的系统采用特定的工业相机而非其它，该选择为专用设计，工业相机其特有的高分辨率、支撑长时间连续曝光，使得本系统可以长时间连续工作，从而更符合实际需求；同时本系统中的工业相机通过相机支架安装在滑台上，可以灵活的改变相机高度，以适应视场大小及焦距等需求。整个系统可以作为独立结构，而不需要与特定的气压检定箱绑定，使其可以适用各种场景。

一种空盒气压表示值识别系统的工作方法，所述方法步骤如下：

step1、将若干空盒气压表11放置于气压检定箱12中；

step2、将系统中各设备及部件上电开机；

step3、对各设备及部件进行通信及控制测试，各设备及部件包括工业相机2、步进电机5、高速交换机7、上位机8、下位机9；(如测试：上位机发送控制指令步进电机是否受控，功能是否正常；上下左右是否能够正常移动等)；

step4、进行工业相机2零位校准工作，实现工业相机镜头中心位置与视场物理中心位置重合或者误差范围以内；

step5、进行各空盒气压表11圆心位置信息获取工作：上位机8发出图像采集指令，驱动工业相机2进行一次图像采集并传至上位机8，上位机8获得视场内空盒气压表11的数目及位置信息；

step6、上位机8根据step5的各仪表位置信息，依次调整工业相机2位置进行各空盒气压表11正视角图像采集并传输至上位机8；

step7、所有空盒气压表11的正视角图像采集完成后，工业相机2归零至step4工业相机镜头中心位置；

step8、上位机8对step6所采集图像数据进行示值识别工作，以识别指针示值；

step9、上位机8根据step8识别结果进行展示及存储。

进一步地，可以设置所述误差范围设置为：以视场物理中心位置为基准，x、y方向偏离该位置±30像素以内。(选用的工业相机为2000万及以上像素)。该误差范围可以使得较准时间更优的同时通过相机采集的图像信息对后续示值识别的精度影响微小。

进一步地，可以设置所述step4中，工业相机2零位校准具体为；

s1、在气压检定箱11内底面角落放置4个圆形标记点10；

s2、位于任意位置的工业相机2采集一帧图像，并传输至上位机8；

s3、上位机8识别出s2采集图像中的圆形标记点数目及位置，发送信息至下位机9，下位机9驱动步进电机5工作进而控制工业相机2位置移动(此处移动为微小移动，可以设置在20像素范围内进行移动，使得移动效果更佳)；

s4、重复s2和s3，直至工业相机2采集图像如图2所示(图中四个角落为圆形标记点、中间红点为标记点视场物理中心位置，图2中红色是为了展示清楚所给，可以替换为其它颜色)，直至工业相机2镜头中心(中心像素)位置与标记点视场物理中心(对角圆形标记点连线交点)位置重合，实现零位校准。

进一步地，可以设置所述step5中，各空盒气压表11圆心位置信息获取具体为：

p1、工业相机2位置校准后，上位机8发出图像采集指令，工业相机2接收到指令后进行图像采集并上传至上位机8，上位机8对所采集到的图像进行均值滤波处理，消除图像中噪声；得到图3所示结果；

p2、上位机8对p1结果执行幂变换操作，扩大特征区域与背景灰度层次；得到图4所示结果；

p3、上位机8对p2结果进行阈值分割、边缘检测及锐化操作，提取空盒气压表11基本轮廓信息；结果如图5所示；

p4、上位机8对p3结果进行形态学操作，分离各空盒气压表11轮廓，避免相邻气压表联通为同一区域；结果如图6所示；

p5、上位机8对p4结果进行霍夫圆检测，得到圆心坐标信息。为了后续正视角图像采集所用，完成颜色标注，结果如图7所示，通过颜色标注，提高人机交互效率。

进一步地，可以设置所述step6中，各空盒气压表11正视角图像采集过程如下：

c1、上位机8发送一个视场中各空盒气压表11圆心坐标信息给下位机9；

c2、下位机9根据收到的坐标信息将坐标信息转换为步进电机5转动角度，分别将转动角度信号发送给两个步进电机5；

c3、两个步进电机5收到转动信号后，分别执行转动动作，其中一个步进电机5控制x方向同步带模组1转动，另一个步进电机5控制y方向同步带模组1转动，从而实现工业相机2在x、y二维平面内位置改变；

c4、两个步进电机5转动到达目标位置后，发信号到下位机9，下位机9将动作完毕信号转发至上位机8；

c5、上位机8收到信号后，向工业相机2发出图像采集指令；

c6、工业相机2收到图像采集指令后，执行图像采集并将图像发送至上位机8保存，供后续示值识别过程使用；

c7、重复c1至c6，直到完成初始视场内所有空盒气压表11的正视角图像采集工作。

进一步地，可以设置所述step8中，上位机8对某空盒气压表11正视角图像进行示值识别，具体为(以图片中右下角空盒气压表11为目标仪表为例)：

r1、上位机8对采集到的如图8所示的正视角某空盒气压表11(图片中右下角空盒气压表11为目标仪表)图像执行霍夫圆检测，并选取适当半径画一个白圆；结果如图9所示；

r2、上位机8对r1结果执行阈值分割、锐化、轮廓检测操作；结果如图10所示；

r3、上位机8对r2结果执行感兴趣区域操作，分割出工业相机2中心位置正对单个空盒气压表11图像，然后根据图像中的温度计边缘，旋转图像至温度计水平；结果如图11所示；

r4、上位机8对r3结果进行高斯滤波，去除高斯噪声，然后执行二值化处理；结果如图12所示；

r5、上位机8对r3结果进行拉普拉斯边缘检测操作，得到图像内容的轮廓；结果如图13所示；

r6、上位机8对r5结果进行霍夫圆检测，确定表盘圆心和半径；结果如图14所示；

r7、上位机8对r4结果进行canny边缘检测和霍夫直线检测操作，检测出指针并画线；结果如图15所示；图中为了展示效果更佳，对指针用了绿色标识；

r8、上位机8对r7结果指针直线进行角度计算；以起始刻度(示值49)为零点，结果如图16所示；

r9、上位机8对r5结果结合r6所得到的圆心和半径绘制两个半径不同的同心圆并提取刻度线感兴趣区域；结果如图17所示；

r10、上位机8对r9结果执行二值化和轮廓提取操作，提取出较长刻度线；结果如图18所示；

r11、上位机8对r10结果执行腐蚀膨胀操作，并将长刻度线中心点坐标与圆心坐标连线，计算排列出各刻度线所在直线角度并保存；结果如图19所示；

r12、上位机8利用r8结果结合r11结果，利用指针相邻刻度角度计算方法计算得到空盒气压表11图像的指针示值。结果如图20所示。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。