（电工理论与新技术专业论文）基于计算机视觉的直读仪表校验方法研究.pdf

华北电力大学博士学位论文 a b s t r a c t p e r i o d i c a lc a l i b r a t i o ni si m p o r t a n tt e c h n i c a lo p e r m i o nf o rm a k i n gi n s t r u m e n t s i ng o o dc o n d i t i o n i nt r a d i t i o n a lc a l i b r a t i o nm e t h o d t h en e e d l ep o s i t i o nr e l a t i v et o d i a li sd e t e r m i n e db ym a n i p u l a t o rv i s i o n a n dl e a dt ot e s t e da c c u r a c yi si n f l u e n c e d b ym a n sj u d g m e n t t h ec a l i b r a t i o n sa c c u r a t ea n df a s ta r em o s tc r i t i c a lr e q u i r e m e n t s o ft h ec a l i b r a t i o np h a s e i nt h i sp a p e r an e wm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t sc a l i b r a t i o n m e t h o di si n t r o d u c e db a s e do nc o m p u t e rv i s i o nm e c h a n i c s t h ef i x i n gv i e w p o i n t i m a g i n gm o d e li sd e d u c e d t h en e e d l ea n ds c a l ec a l c u l a t i n gm e t h o di so p t i m i z e d a n dt h ed i a le l e m e n t sa r ec l a s s i f i e d f i n a l l y t h em e a s u r e m e n te r r o r sa r ea n a l y z e d a n dt h e f o r e g r o u n d i s r e p r e s e n t e d i nt h e p o w e rs y s t e m t h et h e o r y a n d i m p l e m e n t a t i o nt e c h n i q u ei ss t u d i e d a n dt h ea c h i e v e m e n t sa n dr e s u l t sa r ei n c l u d e d t h en e wc a l i b r a t i o na p p r o a c hb a s e do nc o m p u t e rv i s i o n w h i c hu s i n gv i s u a l i m a g ea n a l y s i se x t r a c tt h en e e d l ea n dd i a lf e a t u r e s a n dt h er e c o g n i t i o nr e s u l t si s u t i l i z e dt oc o n t r o lt h ec a l i b r a t i o np r o c e s si n s t e a do fo p e r a t o re y e s i g h t t h es c h e m e i s b e l o n gt o c a l i b r a t et h ei n s t r u m e n t su s i n gs t a n d a r dp o w e rs o u r c e a n di ti s c o m p o s e do fp r o g r a m m e dp o w e rs o u r c e d i g i t a lc a m e r a i m a g ea c q u i r e db o a r da n d c o m p u t e r i ti sac l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e m a n di ti n t e g r a t e st h eo p t i c e l e c t r i ca n d c o m p u t e r c o m p l e t et h ei n s t r u m e n td r i v i n g r e a d i n ga n de r r o ra n a l y z i n g a i m e da tt h em o v i n gv i e w p o i n tb a s e do nt h ei n s t r u m e n tr e a d i n gr u l e t h e i m a g i n gm o d e li sa n a l y z e du t i l i z et h ei m a g i n gt h e o r y t h en e wa l g o r i t h mi sd e d u c e d a tt h ef i x i n gv i e w p o i n ts a t i s f i e dt h ei n s t r u m e n tr e a d i n gr u l e i tc a l lr e d u c et h e d e f l e c t i o ni nt h ei n s t r u m e n tr e a d i n g t h el i g h tr e f l e c t i o no ft h em e t e rg l a s s c o v e ri ss t u d i e da n di t s c a t e g o r yi s d e t e r m i n e d a n dt h eh o m o m o r p h i cf i l t e ri su t i l i z e dt or e d u c ei n t e r f e r e s t h e s e g m e n tm e t h o d s a r ed i s c u s s e d a n dt h eb e s tt h r e s h o l di sd e t e r m i n e d u s i n g h i s t o g r a ma n dm o s tv a r i a n t r a t i om e t h o d b a s e do np r o j e c t i o na n dk e r ft e c h n o l o g y t h ep o i n t e ra n ds c a l e sa r e ai sl o c a t i o n a c c o r d i n gt ot h ee d g e so fm e t e ri m a g e t h el i n ep a r a m e t e re s t i m a t i o nu t i l i z e dt h e l e a s ts q u a r ea n dp o i n tt oa r cm e t h o di sr e p r e s e n t e d t h ep o i n tt oa r ca l g o r i t h mc a n d e t e r m i n e dm u l t i p l el i n e sa tm e a n t i m e a n dc a nd i s c r i m i n a t e dt h el o n ga n ds h o r t s c a l e s i ti n s e n s i t i v i t yt od i s c o n t i n u e sl i n ea n da c n o d e i nt h ep r o c e s s i o no fp o w e rm e t e ra u t o m a t i cr e c o g n i t i o n t h r e ep a r t i c l ef e a t u r e 华北电力大学博士学位论文摘要 i n v a r i a n t s i n c l u d el e n g t hr a t i o c o m p a c t n e s sa n ds i m p l i c i t yf a c t o r h a v eb e e n e x t r a c t e d t h er b f n ni su t i l i z e di nt h ed i a lp l a t ee l e m e n t sr e c o g n i t i o n t h em e t e r i d e n t i f y i n ge x p e r i m e n t sp r o v e dt h a tt h er b f n ni n p u ti n v a r i a n t s 眦s t a b l ea n d p r o p e r a n di ti si n s e n s i t i v et ot h eb a c k g r o u n dn o i s e n o to n l yi tc r nb eu t i l i z e da s i m p o r t a n tr e f e r e n c et oc a l i b r a t i o no t h e rk i n d so fi n s t r u m e n t a n di ta l s oc a l lo p t i m i z e t h ep o w e rs y s t e md y n a m i cp a r a m e t e ra c q u i r i n ga n dr u n n i n gs t a t em o n i t o r i n gw i t h t h ei m a g e a n a l y z i n gi n t r o d u c i n g k e yw a r d s i n s t r u m e n tc a l i b r a t i o n c o m p u t e rv i s i o n i m a g er e c o g n i t i o n c a l i b r a t i o n b a s e ds t a n d a r ds o u r c e p a r a m e t e rm o n i t o r i n g 声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 独立进行研究 工作所取得的成果 尽我所知 除文中已经注明引用的内容外 本学位论文的 研究成果不包含任何他人享有著作权的内容 对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体 均已在文中以明确方式标明 特此申明 签名 蔓碰连日期 趔 芝 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 缩印或其他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 同意学校以不 同方式在不同媒体上发表 传播本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 兰蹒 日期 堑五12 g 导师签名 日 期 颦 华北电力大学博士学位论文 1 1 选题的科学意义 第一章绪论 在人类的科学探索与生产实践活动中 仪器仪表是认识世界的重要工具 作为 现代社会中 信息获得 的源头 仪器仪表工业代表着一个国家科技发展的水平 依据被测量的不同 采用一定的转换关系 仪表通过测量机构把被测量转换为数字 显示或者角位移 直读仪表结构简单 使用方便 价格低廉 在电力系统 铁路系 统 厂矿企业 计量部门中应用极其广泛 电力系统作为电工仪表的第一大用户 从电力设备现场调试 预防性试验和电能计量 到电压 电流 功率 功率因数 频率等参数的监测 都要以仪表为基准 因此 电工仪表的准确与否对电力系统的 可靠运行起着至关重要的作用 为确保测量仪表的准确度 依照国家相关规定必须定期校验 早期的仪表校验 由操作员来加载 解除标准信号 读取并记录被检仪表的示值 通过与标准量的比 较来计算误差 首先 人眼的分辨能力有限 当指针位于两分度线之间时 只能粗 略估计指针位置 不能准确读取仪表的示值 其次 整个工作过程繁琐 重复性工 作很多 操作员责任心和视觉疲劳也严重影响了校验的准确程度 另外 直读仪表 的年产量很大 大量的仪表需要定期进行校准检定 因此 在校验测试工作中难免 不出现疏忽和差错 如果能及时发现 改正这些差错 往往只是增加了重复劳动 如果不能及时发现 则有可能带来严重的后果 这就对传统的仪表校验方式提出了 严峻的挑战 解决上述问题的有效方法是提高仪表校验的自动化程度 2j 在校验过程中尽量 减少或消除人工操作 随着计算机运算处理能力的增强 微机控制标准源技术的发 展 出现了一些自动校验仪表的方法 仪表校验的部分或全部工作已经可由计算机 来完成 使仪表校验的效率和准确度有了很大程度的提高 例如 由计算机控制标 准源的调节 人工确定示数 利用计算机进行误差计算 这是一种 半自动校验 仪表的方法 对带数字通信接口的仪表 测量值的获得以及标准源的输出均可由计 算机完成 这种 全自动校验 技术已经日渐成熟 5 但是对于不带数字接口的 表盘复杂的指针式仪表的自动校验 很多专家 学者在此领域进行了大量的研究工 作 但目前的校验方法仍不够成熟 示数识别的难题一直未有很好解决 已有的自 动校验系统的通用性 准确度和自动化程度也不够高 仪表校验新方法一直是测量领域研究的热点课题之一 目前 标准源及其控制 技术相对成熟 在解决仪表校验过程中存在的诸多问题时 如减少或消除人工操作 第一章绪论 作等 其中最关键的是仪表示数自动识别的问题 近年来 计算机视觉理论的出现 和飞速发展 在许多领域取得了巨大成功 在校验仪器的智能化 自动化设计方面 也已经开始受到人们的重视 因校验仪表是一项对准确度要求非常严格的测试工 作 计算机视觉给仪表自动校验系统的设计带来机遇的同时 在仪表的识别理论和 校验系统的设计上带来了许多亟待解决的课题 仪表校验过程不仅包括仪表的识 别 还要考虑仪表读取准则和标准源的配合问题 同时校验系统必须具备足够的速 度和准确性 如何实现指示仪表校验工作真正意义的自动化 智能化 提高检测效 率 使仪表校验的准确度不受人为因素的影响 这一直是仪表生产 使用和计量部 门共同面临的重要课题 本文将计算机视觉技术 信息处理技术 模式识别和智能仪器设计原理引入电 测仪表校验系统 在设计仪表全自动校验方案的基础上 重点研究指针式仪表自动 识别机理和快速识别算法 所提出的仪表校验方案 原理上对各类仪表的识别和校 验具有普遍的适用性 可望从根本上解决目前仪表校验理论和方法上存在的难题 课题的完成 可促进仪表校验和管理工作真正向多功能 智能化 自动化的方向发 展 产品化后 将为大量的仪表生产厂家 计量部门和工业生产部门提供新一代的 校验仪器 大大提高仪表校验的效率 具有巨大的实用价值 1 2 国内外与本课题相关的发展概况 仪表校验是一项要求严格的测试工作 工作流程一般为 首先将被校表在特定 温度 湿度下进行状态稳定 按相关规程给被测仪表由小到大逐次加标准信号 直 至满量程 之后再逐次从满量程递减至零 在此过程中读取仪表的示值并记录 确 定各分度线上仪表的最大引用误差 最后根据误差分析的相关数据判断仪表的使用 情况 给出目前的误差限和修正值 由此得出校验结论和报告 1 2 1 仪表校验方法的分类 目前 从使用 标准 的角度 仪表校验方法基本可归为两大类1 5 6 j 第一类为 早期使用的 标准表法 这是一种 以表检表 的校验方法 第二类为 标准源 法 是一种 以源检表 的方法 根据校验过程中的人工参与操作的情况 也就是仪表校验的 自动化程度 可分为人工校验 半自动校验和全自动校验方法 两种分类方法既有区别 又互相联系 标准表法 主要是以人工操作为主 属于人工校验的方式 也有些人将用计算机录入数据 计箅误差和打印校验结果等 处理称为 自动校验 从校验的关键技术上讲 可归于自动数据处理的范畴 在 华北电力大学博士学位论文 标准源法 中 引入了微机程序控制后 对标准源的反复调节工作改由计算机完 成 这就是仪表的半自动校验方式 当图像处理技术发展到计算机视觉的高级阶段 在准确判读仪表示数的基础上 加上标准源程控技术和计算机的数据处理功能 才 有可能出现全部校验工作由微机替代的可能 也就是全自动校验方式 下面分别介 绍目前仪表的各种校验方式 其中基于图像分析的校验方式与本课题关系密切 本 文予以重点介绍 并剖析其存在的问题 1 2 2 标准表法 标准表法的特征是利用比被校仪表准确度等级更高的仪表作为校验过程中 比 对的标准 按照规定对仪表进行校验 根据国家标准g b t 7 6 7 6 1 1 9 9 8 模拟指 示直接作用的电压表和电流表的准确度等级分为 0 0 5 0 1 0 2 0 3 0 5 1 1 5 2 2 5 3 和5 共十一个等级 例如 按规定的工作方式下 0 2 级的仪表的 最大引用误差在 o 1 o 2 之间 同理 0 5 级的仪表的最大引用误差在 i 0 2 o 5 之间 校验仪表就是确定仪表最大引用误差所属范围的过程 对于 0 0 5 级 0 1 级和0 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 级以下的仪表 一般是现场监视所用 标准表法实质上就是用高准确度等级的仪表校验低等级的仪表 称之为 以表 检表 一般通过手动调节来控制电量输出 同时注视被检仪表的指针位置 观察 并记录数据 然后计算误差 得出校验结论 需要花很长时间才能检测一块多量程 的仪表 虽然标准表准确度等级已经相当高 但常常由于被校仪表量程多 标尺刻 度特性各异 每一量程又对应多条分度线 在校验工作中靠操作员的眼盯 手调 手记 人算 不仅劳动强度大 往往校验结果受人疲劳和读数误差的影响较大 目 前 基于标准表法校验原理 还有很多学者的精力集中在利用计算机强大的处理能 力 实现数据记录 误差分析等方面 最后输出符合国家标准规定的检定报告 2 6 总之 采用 标准表法 校验仪表 对操作者提出了很高的技术 责任心等要 求 但繁重的工作不能保证操作员刁i 出现错误或疏忽 校验准确度极易受到人为因 素的影响发生 错检 由于工作效率低下 还可能会造成仪表的 漏检 1 2 3 标准源法 标准源法的主要特征是利用标准源作为校验过程中比对的标准 按照规定对仪 表进行校验 在2 0 世纪9 0 年代 微机程控调节标准源的出现被看作是仪表行业的 一项巨大技术进步 最初 以源检表 采用微机控制的标准源输出 人工读取被校 仪表示数后 然后控制下一个模拟量输出 计算各个分度线的误差 这种 以源检 表 是一种 半自动仪表校验 方法 使标准量调节更方便 更准确 但其结果同 样也受至4 人工读数的影响1 5 6 1 a l e s s a n d r of e r r e r o 等在文献 3 中提出利用i e e e 4 8 8 3 第一章绪论 g p i b 总线控制标准源 对带有通信接口的数字仪表进行校验 这属于 以源检 表 的全自动校验 但被校验仪表主要针对数字仪表 而对指针式的直读仪表 这 种方法显然无法实现全自动校验 随着光电技术的发展 在 以源检表 基础上 有人尝试在指针式仪表盘上放 置光电敏感器件 根据指针通过被校表盘的受检点时该点的反射光强度的变化 利 用光电效应来产生触发信号 从而获取指针在某一瞬间的位置 如同本三丰公司百 分表检查仪和成都科技大学b j y 1 百分表自动检查仪 基于重合点数字测量法原理 用光学系统将表盘影像成像在影屏上 在影屏固定位置开有光缝 以便光电元件接 收扫描信号 从而测出指针与各校验点空间的重合信号 由后续电路测出各校验点 的误差1 1 4 1s j 哈尔滨量具刃具厂的4 6 1 6 型百分表自动检查仪利用光学透镜将指针 的偏转反应到十几只光电管上 利用光栅传感器作为位置瞄准控制方式进行百分表 的检查 1 6 l 另外 也有人利用激光管发出激光的反射光线 由光敏元件接收 表盘 的白色底面与指针和刻度的黑色反射光强度不同来区分其位置 需要定位器及伺服 机构一一步进电机的控制 激光能量集中而且光束极细 分辨率较高 该方法要求 定位准确 需要激光器专用电源 造成整个校验装置结构复杂 这些 光电式识别 方法虽然实现了指针自动判读 但远未达到代替人眼判读 的程度 实际上 反射光强度受表盘的反射系数的影响很大 即使同一型号的表盘 其反射系数亦有差别 只能针对特定类型的仪表校验 不具备分度数字和符号的识 别能力 校验装置稳定性和重复性也不能令人满意 计算机视觉和图像处理技术的 发展 近来出现了基于图像分析的仪表校验方法 1 2 4 基于图像分析的校验方法 国外在测量和计算机视觉结合领域的研究开展的较早 在仪器仪表的自动校验 方面做了很多值得借鉴的前期工作 1 在仪表识别和校验方法研究方面 r o b e r ts a b l a t n i g 等人利用图像处理技术进行了水表识别的研究 这类指针仪表 的刻度分布为一个圆周 指针旋转的角度范围是3 6 0 在图像分割完成之后直接 利用h o u g h 变换得到指针的角度 从而确定水表的读数1 7 8 f c o r r e a a l e g r i a 等人利用机器视觉系统对模拟指针式仪表进行识别 采用摄像 头采集表盘图像 然后利用差分图像和h o u g h 变换得到指针的角度 并将原始得到 的图像做几何变换 使表盘上的分度线成为水平线并与指针垂直 最后得到指针的 读数1 9 a 0 华北电力大学博士学位论文 2 在仪表自动校验的产品方面 德国马尔 m a h r 公司研制的半自动 全自动表类检查仪 如o p t i m a r l 0 0 半自 动表类检查仪和8 7 5 全自动表类检查仪 在校验过程中采用c c d 摄像机来抓取仪 表图像 运用图像处理技术来进行仪表指针和示值的分析 能对指示仪表实现快速 可靠 准确的校验 但工作方式采用的是半自动的 同时由于其价格的昂贵 很难 被国内用户所接受 国内在仪表的校验研究方面也取得了一些成绩 由目前得到的资料结果看 归 纳如下 1 基于图像分析的仪表识别算法 随着计算机视觉技术的发展 近几年国内在仪表校验或识别领域也开展了很多 研究工作 杨耀权等提出基于计算机视觉技术的指针式仪表自动检定方法 针对压 力仪表的校验 介绍了系统构成及工作原理 采用h o u g h 变换直线检测原理分析图 像 后来又提出一种双阈值改进的h o u g h 变换算法 1 4 15 陶建军针对直读式流量仪 表检定问题 采用了摄像头代替人眼读数的方法 研制了直读式流量计的摄像检定 系统 1 们 王红平等研究了百分表的自动检定 采用步进电机 瞄准 和判读 刀 戴 亚文等利用h o u g h 变换算法对水表进行识别 1 8 罗钧等研究了模拟指针式仪表自动 检定中的图像分割技术 1 2 1 3 金连文结合中心投影法来改进h o u g h 变换进行仪表 指针分度线的检测 2 2 在仪表自动校验的产品方面 通过查询中国专利数据库 万方数据库 中国科技成果数据库 万方数据库 和国家科技成果网1 9 8 5 年1 月到2 0 0 5 年1 2 月的信息 最新产品是毛学军等人于 2 0 0 3 年5 月获专利的带有图像识别装置的校表台 主要涉及测试气体或液体流量仪 表的检定设备 在电测量仪表方面 目前产品主要是利用程控标准源技术和光电器件校验电能 表 以电脉冲的形式记录电能表铝盘的转数 对于通信接口的数字仪表可以实现全 自动校验 对于指针式仪表的校验 计算机可以控制标准量的输出 自动计算误差 但在校验过程中仍需要人工参与仪表的读数 处于 半自动化校验 阶段 虽有人 提出利用图像识别和校验仪表的一些想法 但由于存在许多困难 电测仪表全自动 校验的产品尚不够成熟 1 z5 仪表校验存在的问题 随着标准源技术的成熟 进行自动校验已是现代测试测试技术发展的一个必然 趋势 为消除仪表校验中人为因素的影响 许多学者和工程技术人员曾作了大量 第一章绪论 的研究工作 但仍有许多问题值得深入探索 数字仪表的自动校验利用数字通信技 术获得仪表的示值 方法上已经成熟 指针式仪表表盘复杂 自动识别上存在困难 下面对指针仪表校验理论和方法上存在的问题总结如下 i 校验方式 因指针式直读仪表没有数字接口 利用标准表法校验离不开人工参与 需要操 作员通过眼睛读取指示值 手工调节输入参量 记录数据 计算误差和填写报告等 同时也缺乏对仪表终身数据的跟踪手段 虽然目前这种方法仍在使用 但逐步会被 自动校验方式所替代 利用标准源法可以提高校验的自动化程度 光电式识别系统 也没有从根本 上解决仪表指针及标尺刻度的识别问题 无法做到真正意义上的 全自动校验 对指针式仪表的全自动校验一直是公认的难题 就目前技术而言 利用计算机视觉识别仪表 结合标准源的计算机控制技术 应该是实现全自动校验的最佳途径 本文正是基于计算机视觉技术对仪表的全自动 校验进行了深入的研究 2 表盘识别方法的研究 总结目前利用图像进行仪表识别的算法 在仪表读数模型方面的研究较少 文 献1 7 9 提出利用机械装置改变摄像机视点 但是 该方法会造成系统的可靠性下降 机械装置移动不准确会使仪表读取的准确性降低 其他文献计算指针参数时未考虑 准确读取仪表的规则 要求读取仪表时眼睛指针尖端构成的直线与仪表盘平面垂 直 因此 对仪表成像模型的深入研究 找出固定视点的修j 下仪表读数的算法是仪 表准确识别中的关键问题 在仪表指针和分度线相对位置的确定方面 利用h o u g h 变换及其改进后方法确 定指针和分度线是主流的研究方法 悖 2 虽然h o u g h 变换具有一定的抗干扰能 力 是一种通用的 成熟的直线和曲线参数方程的确定方法 但是其计算量很大 较困难做到快速识别 改进的h o u g h 变换算法的速度有了一定提高 取得了一定的 效果 但是在区别噪声和短直线宽度上仍存在困难 得到的两个参数 p 0 无法 描述线段的两个端点参数 也就是无法确定直线的长短 另外 诸多的识别方法没 有充分利用仪表的先验知识对仪表的识剐方法和过程进行优化 便于识别稳定性 和实时性的提高 已有的文献中提到的识别对象主要是均匀刻度的仪表 如百分表和压力表 较 少涉及到非均匀标尺和多量程仪表 7 8 挖 们 因为仪表种类繁多 实际的标度盘形 状又不同 标尺刻度特性各异 指针移动方法也不相同 电磁系槽型表呈长方形 6 华北电力大学博士学位论文 指针平移与分度线平行 因此对多量程 非均匀仪表的识别将是今后研究的重点 问题 从目前已有的文献看 对指针仪表识别的研究主要集中在指针和分度线的参数 确定上 对表盘各类符号的识别各文献中尚未涉及 表盘符号的识别不同于一般的 文字识别和车牌照识别 符号的位鼍 大小和类型各不相同 另外 已有的研究假 设仪表成像环境较为理想 对于采集仪表图像中的干扰消除方法也未见有报道 3 在校验装置上 常规的仪表校验装置或系统很多 技术较成熟 但多属于半自动仪表校验仪器 在全自动校验方面 已有压力和流量表校验的产品问世 目前尚正处在改进 成熟 和推广的初级阶段 4 误差分析和不确定度的评定 在基于计算机视觉的仪表识别方法中 遵照现行的国家测试规范和标准 2 4 2 5 测量结果误差标定的数学模型发生了变化 如何对产生的误差和不确定度进行评 定 在已有的文献中未见报道 另外 有关仪表识别理论的拓展应用方面 研究的 文献也很少 综上所述 有通信接口数字仪表的全自动校验问题已经解决 而指针式仪表因 其表盘相对复杂 简单地光电检测技术不能满足要求 目前一般采用的仍是手工或 半自动校验方式 图像处理技术的发展使复杂的识别工作成为可能 基于计算机视 觉的仪表的全自动校验有广阔的研究和应用前景 目前在该领域有人做了一些探 索 但是许多问题的研究还不够深入 主要方法集中在利用h o u g h 变换及其改进的 h o u g h 变换识别仪表 从原理和算法上还没有对仪表准确读数成像的模型进行讨论 已有的研究考虑视点移动问题时 均采用步进电机移动视点 对非均匀标尺仪表的 判读和仪表盘各种符号的识别等也未见报道 目前 对指针仪表的校验离真j 下意义 上的全自动 实用化还有相当大的差距 因此 许多基础性的研究工作值得去做 许多关键性的技术疑难问题亟待解决 1 3 本文的主要工作 为解决了仪表校验中上述的各种问题 提高仪表校验的自动化程度 需要寻找 全新的仪表自动校验方法 其含义在于三个方面 一是利用智能控制的方法产生和调节标准量 二是解决各类仪表示值的自动判 读问题 三是评定自动校验系统的误差 本文紧密围绕仪表校验的关键技术 重点研究校验系统的实现技术 校验中视 第一章绪论 点的固定成像模型 仪表示值和关键元素的快速识别方法 以及误差的评定和仪表 识别技术的拓展应用 本文作者拟以指针式电测仪表为研究对象 从以下几个方面 展开研究工作 1 仪表校验全自动化实施方案的研究 从计算机视觉替代人来完成仪表校验中的各项工作出发 提出由测试程控标准 源 图像采集单元和计算机识别系统构建一个系统闭环控制方案 研究控制程控标 准源输出 采集仪表偏转图像和识别示数在时涮上相互配合的问题 2 成像模型以及满足读表准则修正方法的研究 针对仪表读取规则要求的视点动态移动问题 通过分析仪表成像模型 解决视 点固定的仪表读数模型及读数修正算法 3 仪表指针和分度线参数确定方法的研究 研究仪表图像预处理和直线参数确定的一般方法 重点研究指针和分度线快速 定位的原理和求解参数方程的快速算法 找到判别分度线长短和参数方程的方法 4 表盘元素的特征提取和识别方法的研究 深入研究表盘元素符号的识别问题 找出对图像中目标分类的特征 确定快速 的模式识别方法 5 系统性能测试 误差的来源和评定方法的研究 对系统的软件 硬件性能进行测试 分析基于计算机视觉的仪表校验中引入误 差的原因 评定对校验的准确度的影响 6 仪表识别技术拓展应用的研究 针对目前电力系统动态监测中的一些难题 提出基于计算机视觉的仪表识别理 论和技术的监测新策略 并讨论监测系统的构架和具体实现方法 研究其在电力系 统应用的前景 8 华北电力大学博士学位论文 第二章基于计算机视觉的仪表校验方法 仪表校验是专业性极强的 项测试工作 利用计算机实现部分人类视觉功能和 理解功能的机理 克服目前校验过程中的弊端 自动完成直读仪表的校验工作是一 项浩大的工程 它涉及测量 信号获取与处理 图像分析处理 模式识别 计算机 控制和测量误差理论等多方面的知识 本章首先分析仪表的校验过程 介绍计算机视觉的概念 在仪表校验中引入计 算机视觉 提出可实现仪表全自动校验的新方案 并分析工作原理 给出校验软件 流程图 最后与人工校验过程对比 简要分析仪表识别中的自动认知机理 2 1 仪表的校验过程计算机视觉技术 目前 标准源的控制技术已经逐渐成熟 准确度等级 调节细度已经很高 而 且稳定性也很好 易于通信控制 减小仪表校验过程中人为因素产生的误差 提高 校验的自动化程度 关键要解决好校验中仪表自动识别的难题 2 1 1 指示仪表的校验过程 据初步统计 目前我国仅电工仪器仪表产品制造企业有7 0 0 多家 年生产能力 可达到2 4 亿台 套 其中电能表为1 9 亿多台 安装式及便携式电测仪表可达到3 0 0 0 万台 其他类产品2 0 0 0 万台 套 指示仪表可随时显示被测量 在很多场合指示仪 表具备特定的优势 如指针式真读仪表不仅可以显示被测量大小 而且能反映被测 量的变化趋势 相比之下 数字仪表在被测量快速变化时 人眼无法跟随数字的变 化进行观察 随着电子技术和测量技术的进步 虽然部分指针式仪表已经被数字仪 表所代替 但指针式仪表一目了然 易于观察 因此在各行业中仍起着重要作用 仪表校验是确保仪表完好 准确和可靠的重要技术手段 目前 指针式仪表校 验主要采用人工校验或者自动调节标准源的半自动校验 人工校验电流表时 在规 定的条件下 如图2 一l 所示 将标准表a n 和被校表a 串联在电路中 手动调节标 准源e 的输出 驱动被校仪表指针偏转到需要校准的分度线 设此时仪表指示值为 a 作为真值 人工读取标准电流表a n 和被校电流表a 此时的示数 记录数据 重复调节标准源和仪表读数 直到完成所有需要校准的分度线 最后确定被校仪 表的误差限 在标准输入上升和下降的过程中 设彳 彳 分别是两个过程中标准表a n 的读 数 它与被校准分度线的仪表指示值a 相对应 该分度线上的绝对误差取两次误差 9 第二章基于计算机视觉的仪表校验方法 图2 1 电流表校验原理电路图 平均值 可表示为 垒 生二型 2 2 1 由 a4 a 一2 a 2 2 1 a 2 以 确定此时的引用误差 式中a 为被校验电流表的量程 找到各个各分度线上引用误差九中的最大值 用最大引用误差以 标定仪表 准确度等级 在上述过程中 由操作员来加载 解除标准信号 完成读取数据以及记录和分 析工作 整个过程繁琐 速度慢 重复性工作很多 操作人员引起的读数 记录和 计算误差 严重影响了校验的准确度 需要找到替代人工操作的全自动校验方法 如果以标准源的输出值作为标准表的读数 采用计算机控制标准源的调节 将读取 的被校验仪表的示数手工输入计算机 由计算机自动计算和分析误差 这就是所谓 半自动校验方式 控制标准量的自动产生的技术目前已经成熟 而各类仪表示值的 自动判读仍是目前亟待解决的难题 2 1 2 计算机视觉技术及其应用 人可以通过视觉 听觉和语言与外界交换信息 并且可以以不同的方式表示相 同的含义 而目前的计算机只能通过严格的语言编写程序才能够运行 那么 让计 算机在仪表校验中具有良好完备的视觉 理解以及控制能力 首要解决的就是仪表 和相关的外界信息的输入问题 计算机视觉 c o m p u t e rv i s i o n 又称机器视觉 就是运用成像系统代替视觉器 官作为输入的敏感手段 由计算机来代替大脑完成处理和解释 最终目的是使计算 机能够像人一样通过视觉和观察理解世界 具有自主适应环境的能力 是当今世界 1 0 华北电力大学博士学位论文 上最引人瞩目的高技术之一 2 0 世纪5 0 年代初 计算机视觉 图像处理和模式识 别一起统称为计算机图像处理 泛指一切研究用计算机处理图像信息的技术 其中 图像处理偏重于改善图像质量 模式识别偏重于对金相图谱 植物标本 文字 指 纹 染色体等进行分类 而计算机视觉则侧重于对图像所反映场景中的物体迸行描 述 这与图像处理 模式识别 计算机控制和图像理解等学科关系密切 在某种程 度上各学科相互交叉重叠 视觉图像检测技术是计算机视觉重要应用方面之一 是进行非接触式测量的重 要手段 在卫星遥感 信息处理 医学和工业领域已取得重大成就 据统计 1 9 7 3 年美国自然科学基金会 n f s 制定了1 9 7 3 至1 9 8 2 发展视觉系统和机器人的计划 并在斯坦福 普度等大学率先展开研究 日本同期也展开了研究 并成功地将计算 机视觉系统用于印刷电路板的质量检测 据统计1 9 8 2 年在美国共安装了6 3 0 1 套机 器视觉系统 到1 9 9 0 年美国安装数超过1 0 万套 而日本超过5 5 7 万套 有人认为 计算机图像处理在医学上应用的最成功的例子就是x 射线c t 其主要研制者 h o u n s f e l d 英 和c o m m a c k 美 获得了1 9 7 9 年的诺贝尔生理医学奖 在2 0 世纪7 0 年代末 m a r r 教授在他的 v i s i o n 一书中 把几千年来神秘莫测的视觉解释为一 种可以计算的信息处理过程 并以3 d 重建为目的 建立了一套比较完整的理论1 2 7 2 8 1 随着后人的不断努力和探索 计算机视觉理论逐步得到发展和完善 检测系统在工 业发达国家得到了迅速应用 且在我国各行业的应用研究也取得了巨大成功 在电 力系统方面 已经出现了电厂煤粉锅炉火焰检测 可见断口丌关刀闸状态识别 煤 场存煤量自动检测等方面的应用f 2 目 j i 的这些应用 大部分仅限于检测 以判断 和估计状态量为主 而用于准确的测量工作还不够成熟 本文基于计算机视觉机理 利用图像测量技术柬实现仪表的自动判读 是以现 代光学为基础 融光电子学 计算机图像学 信息处理 计算机视觉等科学技术为 一体的现代测量技术 图像测量就是测量被测对象时 把图像当作检测和传输的信 息手段或载体加以利用的测量方法 其目的是从图像中提取有用的信号 本文将图 像测量技术和成像统统归到了计算机视觉范围内 在分析仪表全自动校验新方案之 前 先以一种在变电站安装的方形仪表为例 通过计算 比较计算机视觉和仪表的 准确程度 2 1 3 计算机视觉识别和人工读表的对比 当摄取一幅图像时 借助投影关系将仪表场景坐标系中的点与显示屏幕之问的 点联系起来 一幅大场景被变换成一幅小尺寸的平面 即可建立仪表盘与成像平面 的理想对应关系 大幅场景到一幅小平面的压缩 以及连续的图像坐标在像平面上 被量化 都会产生量化误差 由于c c d 成像器件的限制 空间量化的极大误差是 第二章基于计算机视觉的仪表校验方法 半个像元 量化单位的一半 如采用面积为6 4m mx 4 8m m 的c c d 面阵 图像采集系统最大像元数 分 辨率 为1 0 2 4 7 6 8 对如图3 1 所示的1 5 级电磁系1 t i v 2 型电压表 设成像时 仪表1 4 圆弧形标度尺长度设为厶对应c c d 图像传感器的有效像素可达1 0 0 0 个 以上 取三 1 0 0 0 量化误差取 1 个像素 a 6 4 l n 0 0 6 4 m m 3 1 可见 量化误差远小于分度格的间隔和分度线本身的宽度 o 5 m m 一3 0 m m 2 2 1 圈3 1 仪表图像及形状标定 具体到1 t 1 v 2 型电压表 表盘为正方形 尺寸为1 6 0 1 6 0 m m 最大示值 量 程 为7 k v 分布在9 0 度的弧线上为3 5 个格 成像后图像沿径向至少7 0 0 像元 半 径r 7 0 0 在四分之一圆弧上有3 5 条分度线 3 4 个格 每格对应o 2 k v 电压值 下面比较计算机视觉模型读数与人工读数的目测内插分度产生的量化误差 每分度格距离的平均像元数为 d 三坐 2 n 7 0 0 3 2 3 个 3 2 j 7 rl j j 4 x 3 44 3 4 图像处理的误差按正负一个像素计算 实际是量化单位一半 所以计算机视 觉可准确分辨 a y 0 2 1 3 2 3 0 0 0 6 2 k v 3 3 根据国标 一般可假定将标度尺分度内插5 份 即人眼能粗略分辩 估读 1 5 格 o 0 4 k v 2 5 1 显然 理想情况下 计算机视觉读取仪表就比人工读数的准确度高得多 而且 不受视觉和心理疲劳的影响 因此 结合标准源以及计算机控制技术 可以建立基 于计算机视觉的电测仪表全自动校验新方案 1 2 华北电力大学博士学位论文 2 2 基于计算机视觉的仪表校验新方法 2 2 1 基于计算机视党的仪表校验方案 从利用计算机视觉替代部分人类视觉功能出发 将繁杂的仪表校验过程中的读 数操作用计算机视觉替代 加上程控标准源控制技术和计算机强大的处理能力 就 可进行全自动校验电测仪表的尝试 系统硬件以计算机为核心 配以c c d 数字摄 像机和图像采集卡 通过串行通信接口r s 一2 3 2 或r s 4 8 5 与程控标准信号源相连 接 系统组成原理如图2 2 所示 显示 国 l 塑堕垄望il 壁垒l 图2 2 基 丁视觉原理的仪表自动化校验系统组成 该系统采用的是一种 以源检表 的 全自动仪表校验 方式 在计算机控制 下 利用智能反馈和控制调节标准输出 由测试程控标准源 图像采集单元和计算 机识别系统组成一个闭环控制系统 硬件以计算机为核心 配以电荷耦合器件 c o u p l ec h a r g e dd e v i c e c c d 图 像传感器和图像采集卡 通过通信接口r s 2 3 2 或r s 4 8 5 与程控标准源连接构成闭 环校验系统 它是光 电和计算机技术相结合的一种校验测试系统 由计算机视觉 替代操作员完成校验工作中不停的眼盯 手调 手记 脑算等复杂的活动 首先 计算机经通信接口 f 达指令 控制程控标准源输出标准模拟量 将一系 列在标准激励下仪表指针偏转的视频图像记录下来 然后在软件控制下实现仪表图 像的预处理 分割获取分度线和指针等目标 最后经过模板匹配 曲线拟合等方法 确定仪表类型和示数 再控制标准源输出变化 从而实现多分度上的连续误差计算 和分析 经最大基本误差 最大变差和更正值的计算 根据仪表校验规程 对比校 验结果的最大引用误差与仪表的准确度等级 最终可实现包括指针仪表在内的各类 仪表的全自动校验工作 如图2 3 所示 图像采集 仪表图像的 预处理群篙雾翥卜l 瓣针的分割l 7l 信计算 图2 3仪表识别过程示意图仪表识别过程 计算机 第二章基于计算机视觉的仪表校验方法 本文设计的校验系统软件采用w i n d o w s 下的多线程技术 由c 语言完成 主要 由标准源的控制 图像采集 仪表示数识别和误差分析等功能模块构成 程序流程 框图如2 4 图所示 甲 输入环境条 件 输入仪表 编号 根熊篓开i l j 控制程控源相应 的输i l j y 圈2 4 校验系统软件流程图 基于计算机视觉识别仪表的校验方法 消除了人员读数误差 原始记录差错 一翌一 华北电力大学博士学位论文 误差表达不正确 数据涂改和计算错误等现象 杜绝了违反校验规程 有效数字不 规范和校验证书填写不规范等问题 2 2 2 程控标准源 除图像采集卡 计算机 打印机和连接电缆等 仪表自动校验中硬件使用的关 键设备有程控标准测试源和数字成像单元 标准源的准确度等级和正确控制在检验系统中起着关键作用 本文采用w d x 一1 g 单相仪