邢敏劍 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

基于機(jī)器視覺的電子水平儀自動(dòng)檢定系統(tǒng)

邢敏劍 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

針對(duì)目前電子水平儀手動(dòng)檢定裝置的不足，提出了基于機(jī)器視覺的電子水平儀自動(dòng)檢定系統(tǒng)。具體介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理，對(duì)示值自動(dòng)判讀方法和系統(tǒng)軟件，并對(duì)檢定結(jié)果的不確定度進(jìn)行了分析評(píng)定。通過實(shí)驗(yàn)將自動(dòng)檢定結(jié)果和人工檢定結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了自動(dòng)檢定系統(tǒng)的可行性和有效性。

電子水平儀；自動(dòng)檢定；不確定度

0 引言

電子水平儀是一種小角度測(cè)量?jī)x器，用于測(cè)量相對(duì)水平面的傾斜角度，是工廠車間生產(chǎn)及工程檢測(cè)中不可或缺的計(jì)量器具。常見的電子水平儀分為數(shù)字式和指針式兩類，如圖1所示。目前電子水平儀是按照J(rèn)JG 103-2005《電子水平儀和合像水平儀》在小角度檢查儀上進(jìn)行手動(dòng)檢定。手動(dòng)檢定需要人工操作，肉眼觀察讀數(shù)，特別是對(duì)于指針式水平儀，其讀數(shù)準(zhǔn)確度還會(huì)受檢測(cè)人員觀察視角影響。同時(shí)手動(dòng)檢定工作量大、效率低下，容易產(chǎn)生視覺疲勞，因此有必要研制一套電子水平儀自動(dòng)檢定系統(tǒng)，用于替代人工判讀，提高識(shí)別準(zhǔn)確性及工作效率。本文針對(duì)電子水平儀自動(dòng)檢定裝置展開研究。

圖1 指針式和數(shù)字式電子水平儀

1 電子水平儀的檢定方法

電子水平儀的檢定項(xiàng)目主要包括外觀、各部分相互作用、零值誤差、漂移、重復(fù)性、各量程示值誤差。

手動(dòng)檢定方法：將電子水平儀放置在小角度檢查儀上固定，選擇相應(yīng)量程檔位后對(duì)電子水平儀進(jìn)行調(diào)零。調(diào)零完成后轉(zhuǎn)動(dòng)光柵傳感器至相應(yīng)量程檔各測(cè)量值，手動(dòng)記錄電子水平儀示值。待全部性能檢測(cè)完成后，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行判定并給出相應(yīng)結(jié)論，制作證書報(bào)告。

自動(dòng)檢定方法：將電子水平儀放置在自動(dòng)檢定裝置上固定，打開自動(dòng)檢定軟件，調(diào)整相關(guān)器件至合適位置，系統(tǒng)將被檢水平儀檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過接口傳送到計(jì)算機(jī)中，由自動(dòng)檢定軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，并得出相應(yīng)結(jié)論，保存數(shù)據(jù)，生成報(bào)告。

手動(dòng)檢定和自動(dòng)檢定比較：自動(dòng)檢定過程中的實(shí)時(shí)測(cè)量、記錄存儲(chǔ)、運(yùn)算處理和結(jié)果評(píng)定等操作使測(cè)試、處理和出具結(jié)果一體化。自動(dòng)檢定較人工檢定可以更好地保證測(cè)量重復(fù)性，為誤差處理和不確定度評(píng)定創(chuàng)造了有利條件，其優(yōu)勢(shì)明顯高于手動(dòng)操作。

2 自動(dòng)檢定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電子水平儀檢定過程

2.1 自動(dòng)檢定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)檢定系統(tǒng)包括光源、CCD攝像機(jī)、可調(diào)節(jié)支架結(jié)構(gòu)、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、小角度檢查儀等，如圖2所示。LED 光源具有電壓低、體積小、輕便、節(jié)能環(huán)保、壽命長(zhǎng)、可靠性高、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，且白光LED較為接近日光的光譜分布，能較好地反映被測(cè)物的真實(shí)顏色。選用DHHV5051Ux-M數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，像素2 592×1 944，幀率6 FPS。該相機(jī)能運(yùn)行在32 bit/64 bit的Windows 7/ Vista/ XP系統(tǒng)上，配套的SDK支持VC、VB、BCB、Delphi等開發(fā)工具，并且提供兼容DirectX的設(shè)備驅(qū)動(dòng)以及可直接被HALCON、LabVIEW等軟件識(shí)別的軟件接口，完全可以滿足本裝置的要求。選用MV-750工業(yè)高精度圖像采集卡。該采集卡具有高分辨力、高清晰度、高保真的特點(diǎn)，適合進(jìn)行專業(yè)的彩色或黑白圖像分析、處理工作，符合本系統(tǒng)要求。步進(jìn)電機(jī)選用安川的86HD3435-14-37ASB步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。該步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角為1.8°，定位力矩12.5 kg·cm，滿足系統(tǒng)要求。

圖2 電子水平儀自動(dòng)檢定系統(tǒng)

2.2 電子水平儀檢定過程

首先調(diào)整可調(diào)節(jié)支架，改變CCD攝像機(jī)與被檢電子水平儀的相對(duì)位置，確保圖像采集裝置采集到清晰的圖像，使CCD攝像機(jī)光學(xué)中心與被檢指針式電子水平儀儀表盤指針旋轉(zhuǎn)中心相互平行（與數(shù)顯式電子水平儀液晶屏相互平行）；然后由計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，使小角度檢查儀發(fā)生偏轉(zhuǎn)從而對(duì)電子水平儀進(jìn)行調(diào)零。待電子水平儀調(diào)零穩(wěn)定后，通過計(jì)算機(jī)顯示電子水平儀表盤（或液晶屏）圖像，然后按照檢定規(guī)程要求分別采集不同檢測(cè)點(diǎn)處的圖像，由計(jì)算機(jī)對(duì)采集的圖像進(jìn)行分析處理，獲得電子水平儀在各檢測(cè)點(diǎn)的示值，并通過與小角度檢查儀上光柵傳感器的標(biāo)準(zhǔn)值比較，得出相應(yīng)的示值誤差，最后對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析和判定。電子水平儀檢定過程如圖3所示。

3 表盤示值的自動(dòng)判讀

3.1 指針的檢出

要實(shí)現(xiàn)對(duì)電子水平儀的自動(dòng)讀數(shù)，首先需要能夠幫助判讀的表盤特征，即指針和分度線。在圖像采集過程中，由于攝像頭與儀表的相對(duì)位置不變，光照環(huán)境與方式也沒有發(fā)生改變，因此理論上采集到的兩幅圖像應(yīng)該擁有相同的背景。當(dāng)指針處于不同位置時(shí)，兩幅圖片的其他信息均一致，只有指針信息不同，如圖4所示。利用這一特點(diǎn)，將處理后的兩幅二值化圖像進(jìn)行差影法運(yùn)算即可找出指針位置。采用的方法是差影法邏輯異或運(yùn)算，即將指針在不同位置處的兩幅圖像灰度值進(jìn)行異或運(yùn)算處理，信息一致區(qū)域相減后的灰度值近似零，剩下指針區(qū)域。再選擇適當(dāng)?shù)拈撝?，?duì)剩余的指針圖像進(jìn)行二值化處理。二值化處理后得到的指針圖像如圖5所示。

圖3 電子水平儀檢定過程

圖4 指針不同位置處的表盤圖像

3.2 分度線的檢出

對(duì)于電子水平儀表盤的分度線采用邊緣檢測(cè)方法進(jìn)行確定。邊緣檢測(cè)主要是利用物體和背景在圖像特征上的差異來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，如灰度、顏色、紋理等。對(duì)于表盤分度線的檢出，需要對(duì)圖像進(jìn)行濾波、增強(qiáng)、檢測(cè)、定位幾個(gè)步驟。濾波主要是將圖像中的干擾噪聲去除，圖像增強(qiáng)可以使表盤的相關(guān)特征更加明顯，有利于特征提取。通過邊緣檢測(cè)主要得到表盤指針、分度、盤面圓周、文字的邊緣。對(duì)邊緣圖像進(jìn)行二值化處理，并實(shí)施Hough變換，檢測(cè)出圖像中的直線段，選取適當(dāng)?shù)拈撝档玫綀D像中的分度線，如圖6所示。

圖5 指針圖像

圖6 分度線圖像

3.3 指針回轉(zhuǎn)中心的定位

假設(shè)（ρ，θ）是空間一個(gè)點(diǎn)，空間中任意一點(diǎn)可由無數(shù)條直線通過，這些直線的集合變換到參數(shù)空間可以表示為一正弦曲線，如式（1）所示。

由給定圖像空間兩點(diǎn)映射的兩條正弦曲線在參數(shù)空間的交點(diǎn)確定了原圖像空間兩點(diǎn)所表示的直線參數(shù)。對(duì)兩條直線段實(shí)施Hough變換，并經(jīng)閾值處理，可得到兩個(gè)指針位置所描述的直線參數(shù)，兩條直線的交點(diǎn)即為指針回轉(zhuǎn)中心。

3.4 示值判讀

本文利用角度法來確定指針讀數(shù)，即利用待測(cè)圖像指針和零位時(shí)圖像指針的位置來求出指針讀數(shù),其工作原理是：先求出指針指向零分度線與指針指向量程極限分度線時(shí)兩指針的夾角α，然后求出待檢測(cè)圖像中的指針與指向零分度線時(shí)指針的夾角α0，應(yīng)用兩個(gè)角度與量程間的關(guān)系即可求出待測(cè)圖像中的指針讀數(shù)，如式（2）所示，式中R表示被測(cè)儀表的量程。

4 軟件系統(tǒng)

4.1 自動(dòng)檢定系統(tǒng)的軟件界面

該檢定系統(tǒng)選用的編程語言是 Visual C++，軟件界面如圖7所示。采用Visual C++語言編寫的程序通俗易懂且修改方便，有利于后續(xù)的進(jìn)一步優(yōu)化。

4.2 軟件模塊

該系統(tǒng)主要由可調(diào)節(jié)支架控制、電子水平儀信息錄入、自動(dòng)檢定、記錄管理和退出系統(tǒng)幾個(gè)模塊組成，如圖8所示。

可調(diào)節(jié)支架控制模塊主要用于控制CCD攝像機(jī)在X、Y、Z 三個(gè)方向上的移動(dòng)。X、Y 方向主要用于保證CCD攝像機(jī)的光學(xué)中心位于表盤指針旋轉(zhuǎn)中心的正前方，Z方向用于保證被檢電子水平儀與CCD攝像機(jī)的相對(duì)位置。在檢定前將兩者調(diào)整到最佳位置有利于采集到高質(zhì)量的圖像，為后續(xù)圖像處理提供良好保證。

水平儀信息錄入模塊主要用于將被檢儀器的相關(guān)信息輸入自動(dòng)檢定系統(tǒng)，包括儀器的生產(chǎn)廠家、出廠編號(hào)、量程檔位、檢測(cè)方式等，完成證書所需信息。

自動(dòng)檢定模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，主要負(fù)責(zé)電子水平儀檢定中的圖像采集；對(duì)采集的圖像進(jìn)行特征提取，包括指針和分度線及指針旋轉(zhuǎn)中心的提?。蝗缓筮M(jìn)行示值判讀，包括擬合直線和示值判讀兩個(gè)部分。直線擬合部分采用最小二乘法，示值判讀部分根據(jù)直線擬合的結(jié)果應(yīng)用距離法識(shí)別指針位置完成讀數(shù)；最后得出檢測(cè)結(jié)論。

記錄管理模塊負(fù)責(zé)將檢定數(shù)據(jù)和結(jié)論保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，生成報(bào)告供打印使用；同時(shí)可以查詢歷次檢定內(nèi)容，方便隨時(shí)調(diào)取歷史記錄；設(shè)定了刪除修改功能，以便后續(xù)參考與修正使用。

圖7 電子水平儀自動(dòng)檢定裝置軟件界面

圖8 軟件系統(tǒng)組成模塊

5 不確定度分析與實(shí)驗(yàn)

5.1 不確定度評(píng)定

標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量見表1。

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的有效自由度veff為

取置信概率p =95%，按有效自由度veff=61，查t分布表得到t值。

經(jīng)對(duì)分度值為0.01 mm/m、0.05 mm/m的電子水平儀示值誤差測(cè)量結(jié)果進(jìn)行測(cè)量不確定度評(píng)定，其擴(kuò)展不確定度為

當(dāng)分度值為0.05 mm/m時(shí)，U =0.10 mm/m（k =2）

當(dāng)分度值為0.01 mm/m時(shí)，U =0.02 mm/m（k =2）

5.2 實(shí)驗(yàn)

對(duì)送檢樣品WYLER牌指針式電子水平儀進(jìn)行檢定讀數(shù)實(shí)驗(yàn)，其分度值為0.05 mm/m和0.01 mm/m。本文僅取分度值為0.05 mm/m量程檔進(jìn)行讀數(shù)數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如表2所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量一覽表

表2 分度值為0.05 mm/m 電子水平儀示值誤差自動(dòng)檢定和手動(dòng)檢定讀數(shù)（取多次實(shí)驗(yàn)的平均值）

圖9 自動(dòng)檢定和手動(dòng)檢定誤差曲線

通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)可知，分度值為0.05 mm/m的被檢WYLER牌指針式電子水平儀自動(dòng)檢定與手動(dòng)檢定的示值誤差結(jié)果基本一致，最大誤差為0.030 mm/m，小于擴(kuò)展不確定度的1/3，因此在允許范圍內(nèi)。由于肉眼觀察識(shí)別讀數(shù)受光線、視角影響較大，每次檢測(cè)結(jié)果受人為影響較大，而機(jī)器視覺可更好地保證數(shù)據(jù)的重復(fù)性，因此兩者相比自動(dòng)檢定可以獲得更為穩(wěn)定準(zhǔn)確的讀數(shù)。

6 結(jié)語

本文對(duì)電子水平儀自動(dòng)檢定系統(tǒng)進(jìn)行了組建，采用機(jī)器視覺方法替代肉眼讀數(shù)，提高了儀表的檢定效率及自動(dòng)化水平。通過實(shí)際測(cè)試，該系統(tǒng)功能完善、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定可靠，可以替代手動(dòng)檢定，完全達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，具有較好的應(yīng)用前景。

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An automatic verification system for electronic levels based on machine vision

Xing Minjian
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

Aiming at the shortcomings of current manual verification devices for electronic levels, this paper puts forward an automatic verification system for electronic levels based on machine vision.The structure, working principle of the system, automatic interpretation method for the indicating values of electronic levels and system software are detailedly introduced.The uncertainties of verification results are analyzed and evaluated.The feasibility and effectiveness of the automatic verification system has been verified by comparing the results of automatic test and manual test.

electronic level; automatic verification; uncertainty