【《仪表图像检测相关技术及系统总体设计案例》4400字】

仪表图像检测相关技术及系统总体设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u17923仪表图像检测相关技术及系统总体设计案例 1314341.1HSV与RGB色彩模型对比分析 1321321.1.1RGB色彩模型 1263901.1.2HSV色彩模型 257151.2窗及卷积运算 3166861.4图像处理系统总体方案设计 6249811.4.1图像处理系统的总体结构 6321081.4.2方案对比分析 61.1HSV与RGB色彩模型对比分析人类是依靠物品的色彩来读取该物品一些关键的信息的，人类的眼睛主要采集的信息就是物品的色彩。根据这个原理，如果使用工控机对一个物品进行一系列操作的话，首先要使工控机可以读取出该物品的色彩信息。也就是说，工控机需要对该物品不同的色彩实行标记。如果工控机要完成对物品不同的色彩实行标记，那么就需要给工控机定义一个适合的色彩模型。若色彩模型挑选的恰当，工控机能够很迅速的将物品的信息转化成可识别的机器语言。所以挑选恰当的色彩模型对整个系统来说是十分关键的。目前，主流的色彩模型主要有HSV与RGB两种，这两种模型各有利弊，具体请看下面的解析。1.1.1RGB色彩模型一般家用的电器上所用到的显示屏幕上用的都是RGB色彩模型，它在我们身边经常见到。该模型是把红色(Red)、绿色(Green)、蓝色(Blue)作为基准颜色，通过这三种颜色不同的配比，达到显示所有颜色的目的。图1.1是RGB色彩模型：图1.1RGB色彩模型由RGB色彩模型图可得，红、绿和蓝这几种基准色彩分别对应空间坐标系的X轴、Y轴、Z轴，因每种色彩在计算机中对应的位数为八位，故每种色彩被分割的份数为：28=256份，所以对应坐标轴的每种颜色最大值255，而在该坐标系内，任何一种色彩都能找到对应的点，该坐标系能够表示的色彩总共有：2553=16777216种。由此可见，RGB色彩模型的优点是实现较容易，能够很清晰的描绘各种色彩的特性。1.1.2HSV色彩模型HSV色彩模型是通过H(色调)、S(饱和度)与V(亮度)这几大类基本要素构成的，它是模拟人类对色彩的认知方式构建的。H是色调，代表的是物体的相对明暗程度。S是饱和度，代表的物体颜色的纯度。V是亮度，顾名思义就是物品的明亮程度，也是该物品对人的光亮感觉。如图1.2就是HSV色彩模型。图1.2HSV色彩模型由图1.2可以看出，H、S与V的这三者之间的联系为：H表示色彩的色调，是依靠旋转度数越大，其物品的颜色也就越丰富，其旋转角度最小为0度，最大是360度，当其色调值在0度时，代表的是只有红色一种颜色，物品颜色非常单一，随着旋转角度逐渐变大，开始逐渐向黄色靠拢，在其旋转至60度时，就变成了黄色；接着旋转至120度时，变成了绿色；旋转至180度时，变成了青色；旋转至240度时，变成了蓝色；旋转至300度时，变成了品红；最后到360度时，又回到了0度对应的红色。S是代表物品的饱和度，表示色调值的浓郁水准，饱和度越高，其色调值就越浓郁，最小的是0%，最大到100%，饱和度越高的物品其色彩对比就越明显。V表示色彩的亮度，代表了一个物品的明亮程度，亮度值越高，其物品就越发明亮。最小值是0%，最大值是100%。由于HSV色彩模型是根据人类的眼睛观察物品的习惯建立的，所以这种模型的照片让人看起来更加舒服。而且由于该模型的H、S、V这三者之间的联系不是很大，对工控机来说，更加有利于对照片的色彩进行把控。虽然现在主流的图片显示器都使用RGB模型来显示物品，但是在图形分析领域，时常会用HSV模型把原来RGB模型的图形转换，以此更加方便的分析图形属性，其换算公式如下：(1.1)其中：(1.2)(1.3)(1.4)1.2窗及卷积运算图形识别中经常使用一种算法，名叫滑动窗口法，这是大部分算法的根源。主要讲的是：将一个像素点看成是一个窗，以这个像素点为中心延伸出一个矩阵，该矩阵的数量必须是奇数，例如3×3的矩阵或者是5×5的矩阵，然后给定一些特殊的计算条件，使矩阵内的数据均参与运算，输出的结果就可以得到以这个像素点为中心周围区域内的加权平均值或者是峰值等。图1.3就是图形识别中经常使用的是3×3滑动窗，虽然在制定窗口时，可以依照目标特征制定5×5、7×7等更多的矩阵，但是，随着矩阵的数量不断增多，在图形识别时工控机处理的数据也就越多。像素点图1.33×3滑动窗卷积其实可以解释成为一组数据的加权求和的经过。运用3×3分布矩阵代表卷积的权，而被看做权的矩阵则被称之为卷积核，它的大小与被处理像素区域大小相同，权矩阵中，每一个权值与被计算区域中对应位置的像素先相乘，之后将每个的乘积求和，得出的数据便是中心像素的最终值，取代最初的原先的值。举个例子：3×3的矩阵区域U与权矩阵H卷积之后，U的中心像素的最终值T5的公式为：(1.5)该权矩阵里面的元素称为卷积系数，图形识别的精确度以及效率与卷积系数的联系比较大。在数字信号处理中，卷积的计算被经常拿来使用，而在图形识别的计算过程中，也常常运用，详细运算方程式具体如下所示：(1.6)在2-6上述计算方程式里，g(x,y)为经卷积计算处理过后的图形照片，f(x,y)为被计算的图形照片，T(i,j)则是nn的方形窗。卷积模板的计算不只是和所全面处理的点的实际有效灰度数值相关[15]，同时还和其周围地区点的图片像素数值相关，完成了一类临近分布域计算。中数值自动滤波、特点选取与功能模板匹配对应等，都需要用到最为根本的卷积计算。1.3像素间的邻接性及连通性图形识别与运算里，点的邻接性非常重要，同时，点的连通性也非常重要，例如采集连通域、细化计算等，均是以点与点之间的连通性和邻接性为根本的。被测图形f(m,n)中，像素p的33方形窗中横向相邻的像素有两个，左侧的像素为(m,y)右侧的像素为(m,y)；纵向的相邻像素有两个上方的像素为(,n)下方的像素为(n)这四个像素加在一起被叫做p的四邻域[16]用字母N4(p)表示；p的左下方的像素为(mn右下方的像素为(mn(mn(mn图1.4也就是为NDpNDpN4pp8N8p，图1.4即为NDpN4pN8p。图1.4相邻像素下面开始解释像素之间的邻接性，首先创建一个集合，将所有相同灰度值的像素汇总在一起。设像素q与像素p时是集合W当中的两个像素，如果q属于N4(p)中，那么q与p的关系是四邻接；如果q属于N8(p)中，那么q与p的关系是八邻接，为了避免两个运算既有四邻接也有八邻接时，将采用四邻接，放弃八邻接[17-18]。图1.5图片像素通路图片像素的连通性的产生存在，是根据图片像素邻接性的一类相互关系。假定图片像素q的分布坐标为(s，t)，图片像素p的分布坐标为(x，y)，添加一个点从图片像素p出发，终点是像素q，那么这个点所经过的所有像素形成的集合，就叫通路，这条通路所包含的图片像素的点的分布坐标，就称之为图片像素排布序列：(x0，y0)，(x1，y1)，…，(xn，yn)，在这其中[19]，(x0，y0)就是图片像素p的分布坐标，(xn，yn)就是图片像素q的分布坐标(s,t)，n为像素序列的长度。像素s和像素t，存在一条m通路和一条8通路和。1.4图像处理系统总体方案设计1.4.1图像处理系统的总体结构单元仪表图像处理系统总体分为：图形识别硬件设施应用平台，操作应用系统和单元仪表图像辨别应用操作程序，图1.6为单元仪表图片全面处理体系组成结构框架示意图。图1.6系统总体设计框图1.4.2方案对比分析在选择该方案的处理核心时，设计了两套不同的核心方案。第一种是使用单片机做处理核心，组态工控屏作为人机交互单元（以下简称单片机方案）；第二种为使用工控机作为处理核心，显示器、鼠标、键盘作为人机交互单元（以下简称工控机方案）。两种方案的开发成本、开发周期、检测效率、可靠性这四个方面均有着不同的差异。下面主要就两种方案的可靠性与检测效率方面进行详细地分析。工控机[20-21]的兼容性能能超强：1、同时使用ISA和PCI及PICMG资源，并且支持多种操作应用系统，很多种不同编程语言汇编，多工作任务操作应用系统。2、实时在线性工控机对生产加工工艺过程展开实时在线操作控制和实时监测，所以需要它实时在线地反应操作控制目标对象多种系数的改变。当过程系数产生误差或问题故障的时候，工控作用机能及时有效反应，并且能实行地展开自动报警与全面处理。3、环境适应性能强，测试现场环境庞杂，电磁影响干扰严重，需要工控机满足不同环境的要求，例如符合宽温需求；具备防尘的水平；具备良好的电磁兼容性能与高抗外界干扰水平等。4、工控机一般应用在操作控制不中断的生产加工工艺过程，只要产生问题故障就会造成质量意外突发事故。所以需求工控机具备高可行性，充分保障平均无问题故障运行工作的时间实现几千小时之后，与此同时，尽可能减少问题故障修复完善时间，以实现比较大的运行工作效率。5、可同时传输性强，工控机为应用底板+CPU卡组成结构，从而具备非常强的自动输入自动输出作用功能，可扩张数个板卡，可以和第二产业测试现场的多种外设、板卡例如和道控制操作设备、视频监督控制体系、车辆测试仪等相互连接，以实现了多种工作任务。图1.7为工控机方案框架图。图1.7工控机方案框架图单片机[22-23]的特点：1、可维护性方面，只要单片机产生故障问题无法诊治判断出现问题故障设备元件，简易的模式是调换整套设备系，增长了维修保护成本费用。2、可扩展性方面，因为单片机设备的连接线路是参考依据确定的作用功能需求尤其综合系统设计的，因此要增长一个作用功能就需要重新再次综合系统设计连接线路，并且与之对应的应用程序都需要重新再次综合系统设计。这样会导致研发费用与工作周期均增长。3、可靠性方面，截至当前，单片机设备控制芯片的综合品质不同，加上其它外围设备元件的系数离散性也巨大，批量小的产品没有通过筛选装置等专业技术全面处理，所以这样的产品无法保持较好的一致性与高，因为任一设备元件的系数偏离设计要求都会引起系统的不稳定。图1.8为单片机方案框架图。图1.8单片机方案框架图方案可靠性对比分析：单片机方案与工控机方案都是比较成熟的方案，首先从功能可靠性方面进行两者的对比。为了验证两个系统的可靠性，设计了一个实验，在单片机系统所用到的组态工控屏界面建立一个按钮，单片机的P1^0口连一个LED发光二极管。单片机方案连接框图，如图1.9所示。图1.9单片机方案连接框图连接好线路后，每隔半小时使用工控屏控制单片机对应的LED灯，看是否会打开熄灭。同时工控机系统这边，用工控机通过IO板卡，控制一路继电器，看是否会正常吸合。测试数据如表1.1：序号连续运行天数测试次数单片机方案死机次数工控机方案死机次数11810232440354040475670597270630240320由表中数据可以看出，用工控机为控制核心的方案，可靠性是远大于单片机方案的，而单片机方案存在经常死机现象，该现象在以后的生产环节是致命的缺陷，无法满足生产的