基于機器視覺的廣電監測設備數字化升級改造項目設計與實現

張偉

摘 要 本文介紹了一種基于機器視覺技術進行老舊監測設備數字化改造的方案，論證了相關軟硬件及圖像處理算法的選取，實現了設備示值自動判讀與回傳。

關鍵詞 機器視覺；數字化；改造；示值判讀

中圖分類號 G2 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）193-0069-02

機器視覺技術是人機交互和智能化的主要研究方向之一，起源于20世紀60年代對機器人感知系統的研發，并于20世紀70年代形成了較為完整的視覺理論體系，在感知的量化、外界信息識別和處理方面有重要意義，并成為包括監測工作在內社會各項事業的發展方向。

我國廣電部門經過幾十年建設，基本建成了覆蓋省、地市各級的完整、全面的監管網絡。但受限于高精度接收機、場強儀等設備高昂的價格及系統成套的特殊方式，老舊監測設備無法在短時間內被替換。利用機器視覺為主體的圖像識別技術對老舊設備進行改造，將其結果自動判讀，形成數字化結果后接入專用網絡回傳，從而減少人工判讀誤差、增加工作效率、增強傳統監管系統的自動化水平，對當前監測監管事業的發展具有重大應用價值。

1 系統硬件構成及軟件環境

本系統主要利用機器視覺原理，針對指針式儀表的示值進行自動判讀后回傳數據。系統主要由補充照明設備、數字式工業相機及服務器構成。其中系統服務器與其他設備共用，整套系統造價較低，架設方便。

目前市面上較為易得的補充照明設備有白熾燈、疝氣燈、鹵素燈、熒光物質及LED光源等。傳統的白熾燈、疝氣燈等壽命較短，耗能較高，體積較大且存在一定安全隱患，熒光物質的照度也無法滿足要求，故本系統采用LED光源作為補充照明設備。LED光源的另一個優勢在其異色發光管采購便捷替換容易，便于在特定的工業相機上實現最佳對比度。

數字式工業相機模塊是本系統的重要構成部分。目前常見的工業相機分為CCD相機與CMOS相機兩大分類。CCD相機分辨率高但采購價格也較高，而CMOS工業相機基于互補金屬氧化物傳感器，有低成本、高性價比、高穩定度的特點，廣泛應用于中低端圖像識別系統。本系統由于機房室內操作環境較為理想，焦距固定且有補充照明光源，故選取了ALEIENTEK公司的OV2640攝像頭模塊作為圖像采集相機。該模塊接口簡單，集成有源晶振和LDO，較為適用。相機分辨率固定為1600×1200像素。

本系統數字圖像處理開發平臺選取常用的VC++6.0，開發環境功能較為完整，可調用函數系統也較為易用。視覺庫系統選取OpenCV開源機器視覺庫，封裝有較多圖像算法。

2 圖像處理及示值判讀

系統工作流程圖如圖1。

工業相機輸出圖像為真彩圖像，將其轉化為黑白圖像再做處理即為灰度化。由于OV2640相機模塊可直接輸出未進行預壓縮的RGB565格式圖片，故采取直接取用圖片中Y分量的方法即可完成灰度化處理。

將圖像相關特征突出、顯著化的過程稱為圖像增強，增強后的圖像有利于保留細節元素，方便后續示值識別。本系統采用直方圖增強技術進行圖像增強，即拉開圖像灰度間距，均勻化全局的灰度值，從而增強圖像細節。其圖像算法的數學原理簡示如下：

設r為原始灰度值，s為最終灰度值，對0≤r，s≤1，在[0，1]區間內任意一個r值，經過T（r）變換后可產生一個對應的S=T（r）。

T（r）作為變換函數需滿足：在0≤r≤1區間為單調遞增函數，且在0≤r≤1內有在0≤T（r）≤1。即保證灰度無論如何變化，均保持從黑到白的順序不變且在從黑到白的區間內。

當變換函數T（r）為給定圖像的灰度直方圖累積分布函數時，即完成圖像直方圖均衡化。

將灰度圖像處理為只有黑白兩種顏色的過程成為二值化，對后續識別工作有重要意義。本系統采用較為成熟的闕值分割算法進行圖像二值化，即只輸出大于某亮度闕值的像素點為1。

在完成各類圖像處理預操作后，需要將儀表指針識別并提取。對指針的識別有Hough變換法、差影法等途徑。Hough變換法魯棒性強，復雜環境適應度高，但運算復雜，輸出結果有時延。鑒于本系統圖像采集環境較為簡單且固定，故采用差影法進行指針提取，即預采集一張圖像并處理為無指針的標準圖像，將待測圖像與標準圖像的二值化圖像進行對比，將結果相減。由于兩幅圖像采集環境相同，除指針圖像外均可相減得0，得到一副僅有指針的二值化圖像。差影法的細小噪聲用連通域識別算法可輕易除去，在本系統中有較好適應性。

指針提取后需進行計算得到儀表示值。由于指針儀表以角度區分不同示值的特點，故只需檢測出指針與基準線間偏差角即可。其算法原理簡示如下：

設基準線直線方程為：

待測指針直線方程為：

則兩直線交點坐標即為旋轉軸心坐標（X，Y），可示為：

即可得到儀表示值，其中M為儀表最大量程，α為相應的最大偏轉角。

將示值通過廣電專用網絡回傳至遠端，即完成整個流程。

經實驗測得，本系統針對某常用場強儀示值判讀，相對誤差小于2.52%，符合使用要求。

3 結論

此項目的設計與實現依托機器視覺技術的進步，實現了設備示值結果自動判讀回傳，在充分考慮廣電網絡現有監測環境的前提下，以較小的成本完成了老舊設備的數字化改造，有效降低了人工成本，符合新時期廣電監測網絡的發展要求。

參考文獻

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