一種改進條碼尺編碼的閘門開度測量方法

西秀秀，孫久運，汪云甲，張新耐，劉克強

(中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

閘門是水工建筑的重要組成部分，通常設置在取水輸水建筑物的進、出水口等咽喉要道，通過靈活可靠地啟閉來發揮它們的功能與效益，并維護建筑物的安全。隨著國家水利水電事業信息化建設的大力推廣，越來越多的水利工程運用各種高新技術成果建立自動化監控系統[1]，同時對閘門控制精度及控制效果的要求也越來越高。閘門開度是指閘門底水封到底檻的垂直距離，對閘門開度的監測是閘門監控最基本的指標之一。傳統的閘門開度測量速度慢、精度低、自動化弱[2]，不利于實時控制閘門的閉合。近年來有學者提出利用計算機視覺進行閘門開度檢測并制作基于圖像識別的閘門開度儀[3]，盡管其監控位移難度小，但仍存在測量精度低、魯棒性不強等缺陷。

針對實時監測閘門開度的困難，本文結合條碼尺測量精度高及計算機視覺監測難度小的優點，探索基于條碼尺圖像分析的閘門開度測量方法；并針對目前條碼尺編碼解碼的缺陷，提出一種新的編碼解碼方式進行改進，最終完成一套實時閘門開度測量系統。目前，基于改進條碼尺編碼與解碼方案的閘門開度測量方法在國內外水利水電工程應用中具有一定的先進性，可望產生較高的經濟效益。

1 閘門開度測量中條碼尺圖像分析

在基于條碼尺的閘門開度測量中，主要通過對攝像機采集圖像幀進行處理，識別數字條碼尺的碼元信息及檢定基線，提取條碼尺特征值，解碼操作繼而得到閘門開度的位移信息。由于采用圖像輸入設備對條碼尺圖像進行采集，因此與傳統的光電傳感器的識別方法有所不同，對條碼尺圖像采集和圖像識別是其核心內容，也是對條碼尺進行解碼的前提。條碼尺圖像采集和圖像識別主要包括畸變校正、圖像預處理、條碼尺精確定位和誤差處理4個步驟。條碼尺圖像分析流程如圖1所示。

1.1 畸變校正

監控攝像頭是圖像采集的主要元件，其具有性能穩定、全天候拍攝、耗電量小等優點，但在實際應用中鏡頭或多或少都會發生畸變現象，而畸變在一定程度上可以帶來更寬泛的視場角，因而在廣角端畸變會變得更加明顯。畸變會使物體失去原有的形狀，對條形碼的解碼存在較大的干擾，影響其測量精度，因此需要建立監控攝像頭的校正系統，降低畸變對圖像的影響[4]。具體過程就是利用監控攝像頭標定獲得的內方位矩陣[5]，建立一個幾何糾正模型，根據該數學模型結合重采樣技術，實現圖像的畸變糾正(如圖2所示)，為實現精度解碼奠定基礎。

圖2 畸變糾正流程

1.2 圖像處理

數字圖像處理即利用計算機處理數字圖像[6]，其主要內容包括對圖像進行噪聲去除、增強、復原、分割、特征提取等。在本文中，需要對復雜環境下的條碼圖像進行處理以識別和定位條碼尺，基本思路是首先對條碼圖像進行色彩轉換將其轉化為灰度圖，以減少內存的開支，再將條碼圖像進一步處理以提取條碼范圍進行解碼操作。因此主要的處理內容有：圖像灰度化、圖像濾波、邊緣檢測、內輪廓填充及漫水補充，得到復雜環境下的完整條碼尺。在進行圖像濾波時采用中值濾波與雙邊濾波結合的二級級聯濾波方式代替傳統方式下的高斯濾波[7]；根據條碼尺的邊緣信息將閉合的邊界內部進行漫水填充，目的是使條碼尺識別度更高，后期實現條碼解碼更加準確。

1.3 條碼定位

在復雜的環境背景下，根據條碼尺固有的特征能夠快速準確地識別出條碼尺是計算閘門開度的關鍵問題。條碼定位技術[8]不僅限于條碼識別技術，在編解碼要求上具有更高的難度和復雜性，且到目前為止，相關研究文獻較少。通過圖像處理得到的二值圖進行形態學膨脹處理，將區域內所含目標分別處理成完整的連通域，其中最大的連通域為條碼區域。當含有條碼信息的圖像進入監測視場，即可自動定位當前條碼的位置，進行條碼的分析和解碼。

1.4 誤差處理

由于條碼尺在安裝過程中可能存在人為測量誤差或由觀測視角差異導致的條碼尺傾斜，因此需要將條碼尺存在傾斜情況考慮到解碼過程中，使解碼出的條碼尺位移信息更加精確。在圖像處理中邊緣檢測已計算出圖像的邊緣梯度及方向，結合條碼定位區域，對區域內邊緣角度統計并計算平均值，得到條碼尺的傾斜角度，進而對條碼尺進行傾斜校正。

2 改進三周期條碼尺編碼和解碼

由于條碼技術具有準確、快速、經濟的特點[9-10]，相對于旋轉編碼器具有極高的測量精度，因此利用條碼尺進行閘門開度測量具有優勢。傳統的條碼尺[11-12]在解碼時采用碼元所占像素個數計算寬度，識別碼元所在周期，過程中像素個數識別差異導致碼區判斷誤差，在精測值計算時引入垂直放大率[13]均會導致閘門開度測量精度較低。考慮到條碼尺的優缺點，本文在原有編碼方案基礎上提出一種定量與定性相結合的方法改進條碼尺，主要內容包括兩點：一是定義起始碼元長度為其余碼元的2倍，以起始碼元作為特征碼識別周期；二是碼元的特征值以碼元中縫隙個數表示，代替以碼元寬度表示的特征值，在進行解碼時只要定性識別間隙的個數即可，充分利用間隙來存儲信息。

2.1 改進條碼尺的編碼原理

條碼尺設計基本原則是所有碼區的編碼唯一，為滿足該條件，此處設立3個條碼序列且每個序列內部所有元素各不相同，3個序列為

(1)

式中，A序列的所有元素作為起始碼元，其長度2L是B、C序列中碼元長度L的2倍。A、B、C3個序列均以碼元中間隔出現個數作為特征值，其中縫隙長度和個數根據碼元特征值進行設計：縫隙長度定義為黑色塊元的一半，縫隙最大個數為碼元特征值的最大值max，則此處間隔的長度大小Lgap為

Lgap=L/max+2max+2

(2)

Lb=2Lgap

(3)

從3個條碼序列中各取一個碼元順序組成碼區，共有K=x·y·z種不同的碼區，再將不同的碼區作置亂加密，將置亂加密后的編碼序列存至條碼尺高度信息—條碼特征數據庫，作為解碼的參照基準數據，按照此編碼方式的編碼如圖3所示。此編碼中空白間隔大小必須滿足光學分辨能力。

圖3 改進編碼方法示意圖

2.2 改進條碼尺的解碼原理

由于條碼尺的特征量是由碼元上間隔數量所決定的，因此最重要的就是識別間隔個數，相比傳統方式的計算碼元寬度，采用定性的方式可以更加準確地求解特征量。因此本文采用定性與定量結合的方式求解。

粗測值是根據圖像處理技術求解觀測點所在碼區內所有碼元的間隙個數，進而得到該周期的碼字，檢索條碼尺高度信息—條碼特征數據庫中對應的位移信息得出粗測值。根據圖4所示，碼元中黑色塊元至空白間隙的變化次數就是特征值，但是由于起始碼元的長度是其余碼元的2倍，觀察可知非起始碼元的變化次數比起始碼元多1，因此在計算特征值時必須減去該值，這樣即得到該周期的碼字。與條碼尺高度信息—條碼特征數據庫檢索分析找出對應的碼字，計算實際粗測位移。

精測值通過觀測點所在位置距離當前起始條碼與下一周期起始條碼的像素比，由式(4)可知精測值與實際長度的比例與像素比相同。

(4)

式中，a為標識點距離當前碼區起始條碼的像元個數；b為標識點距離下一碼區起始條碼的像元個數；Sk為條碼尺高度信息—條碼特征數據庫中每個周期對應的實際長度。則精測值為

(5)

根據所求的粗測值和精測值，由式(6)即可計算出觀測標識點的實際位移S的值。此時解碼結束。

S=S粗+S精

(6)

圖4 改進條碼的解碼示意圖

3 試驗設計與結果分析

3.1 試驗系統設計

為完成閘門開度自動測量，本文設計了基于條碼尺圖像分析的閘門開度測量系統，該測量系統組成與計算流程如圖5所示，其主要分為3部分：視頻采集模塊、條碼尺制作模塊及開度測量系統模塊。視頻采集模塊采集大壩閘門開度變化視頻數據，同時將此數據通過網絡傳輸到開度測量程序進行閘門開度的位移測量；條碼尺制作模塊將提出的編碼規則用于制作周期各異的條碼尺，并將對應的實際位移信息存儲為“條碼尺高度信息—條碼特征”特征數據庫；開度測量系統模塊主要運用計算機視覺解譯回傳視頻，識別與定位視頻數據中的條碼尺，提取監控點的空間位置特征，通過查詢特征數據庫檢索監控點真實位置，最終完成閘門開度計算。

3.2 試驗結果

通過模擬閘門啟閉過程進行數據采集，對閘門開度測量系統進行測試，并結合其試驗結果進行分析。

(1) 重復性檢定。對本文設計的閘門開度測量系統來說，其重復性就是模擬閘門固定在某一位置處的情況下以相同的測量條件為前提，重復測量同一位置的條碼位移，閘門開度測量系統能夠測到相近讀數的能力，即對固定位置處多次檢定，本次試驗設置至少三處固定位置，檢測其測量值及誤差。因此，整個測量過程必須在盡量短的時間內完成，以保證在相同的條件下進行測量，測量結果見表1、圖6。

圖5 閘門開度測量系統流程

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(2) 穩定性檢定。在模擬閘門模型上設定4個固定位置監測點，在不同時間段內對監測點測量其閘門開度量數據見表2和圖7，比較測量結果的極差(最大值與最小值之差，其代表在不同時間內的穩定程度)。

圖6 重復性檢定結果分析

3.3 試驗分析

根據表1，對本文提出的閘門開度測量方法測量的閘門開度位移量與實際的閘門開度位移量進行誤差分析，誤差平均值為0.048 mm，方差為0.061 mm，表明其測量精度高，觀察圖6，表明系統測量精度不會隨著位移的增加而變化；表2顯示不同時間段內觀測值最大極差為0.2 mm，結合圖7表明系統在不同時間段內穩定性良好。由于各采樣點之間的閘門開度的檢測都是獨立進行的，并且每次換算成實際相對位移量都是重新進行查表，因此不會產生累計誤差。

表2 穩定性測試數據

圖7 穩定性檢定結果分析

4 結 語

本文提出的改進條碼尺編碼與解碼方法能夠改善三周期等間距編碼的缺陷，采用基于改進條碼尺圖像處理的方式構建閘門開度測量系統進行閘門開度的計算，由計算機直接處理顯示開度信息代替人工度數，實現了非接觸遠距離高精度觀測，大大提高了閘門開度自動監控程度，減少了測量過程中的誤差。試驗表明，運用本研究方法的閘門開度測量系統的測量精度高、穩定性好。因此，本文方法可為以后閘門的運行、測量提供一種思路和解決途徑。

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