基于Linux系統(tǒng)的非線性指針式儀表識別研究

1、基于Linux系統(tǒng)的非線性指針式儀表識別研究    0引言指針式儀表是目前生產和使用過程中應用非常普遍的測量儀表，不僅種類多，而且數(shù)量大。這類儀表將輸入到表內的模擬信息（電壓、電流等）轉換為指針的偏轉角度，然后根據(jù)指針的偏轉情況讀出輸入表內的模擬量的大小，實現(xiàn)讀數(shù)。傳統(tǒng)上人們采用目測的方法來檢定指針式儀表，這種判別方法受人的主觀因素如人的觀測角度，觀測距離及疲勞強度等影響，具有勞動強度大等不利因素，無法實現(xiàn)自動數(shù)據(jù)采集和自動檢定的需求1。隨著數(shù)字電子技術的發(fā)展，雖然部分指針式儀表己被數(shù)字儀表所代替，數(shù)字儀表精度高、易讀，但是當被測量快速變化或來回波動時，

2、數(shù)字式儀表的示值會相應快速變化而不易被讀取，而且價格高。而指針式儀表可以直觀地反映出測量值變化趨勢，且價格相對便宜，故指針式儀表在某些方面仍發(fā)揮著數(shù)字儀表不可替代的作用。利用數(shù)字圖像處理技術及計算機視覺或機器視覺技術，可實現(xiàn)儀表圖像的自動采集、分析、處理及識別，從而為系統(tǒng)的監(jiān)控提供儀表示值信息。儀表盤面的圖像處理與識別是非電子設備與現(xiàn)代電子設備的接口，與當前工業(yè)在線檢測、精密測量領域向自動化、智能化發(fā)展的新趨勢相一致，具有廣闊的發(fā)展前景和應指針儀表識別的關鍵技術用價值2,3。1指針儀表識別的關鍵技術11指零表盤圖像處理假設有一幅純凈的單刻度盤圖像，從已有圖像上，一方面，識別出刻度線和指針，進而

3、能計算刻度間的距離以及指針與就近刻度的距離；另一方面，還要識別各大刻度線的印刷體刻度數(shù)字，進而計算各刻度區(qū)間內大小刻度的標稱值。如果在識別指針測量圖像之前，先識別其指零圖像，就自然克服了第一個不利因素，第二種不利因素，在本文后續(xù)相關章節(jié)有具體論述。此外，識別指零圖像還有一個優(yōu)點，就是可以創(chuàng)建一個表盤數(shù)據(jù)庫，即將該表盤的特征數(shù)據(jù)記錄下來，如大小刻度線條數(shù)，大小刻度線刻度值等，冠以相應的表盤類型。這樣以后再遇到識別同樣的表盤，或者識別其他在表盤庫已備份過的表盤，都可以不需再進行指零圖像識別，而直接調用對應表盤特征數(shù)據(jù)即可，從而提高了效率。從某種意義上來說，也提高了程序的智能性。下面是對指零圖像的部

4、分處理過程，當然，前面的印刷體刻度數(shù)字的識別，也隸屬于指零圖像的識別部分，這些圖像處理相當于表盤識別的初始化過程。指零表盤圖像識別流程圖1。（1）計算各刻度值。線性刻度與非線性刻度在同級標尺范圍內，分度間隔值是均勻的，具體的刻度線有下列幾種情況：判斷是大刻度線，由識別數(shù)字直接標定；判定是中刻度線，搜索最近的兩條大刻度線，并根據(jù)兩者間的中刻度線的條數(shù)，來計算每條中刻度線的標度值；判定是小刻度線，可根據(jù)臨近大、中刻度線的標度值，并結合單元刻度線的條數(shù)，再計算個小刻度線的刻度值。假設識別出該段刻度內，單元刻度線的條圖1指零圖像識別Fig.1 Recognition ofzero image指零圖像圖

5、像預處理分別提取刻度線和數(shù)字大小刻度線識別、印刷體數(shù)字識別大小刻度線個數(shù)及標準值表盤數(shù)據(jù)備份數(shù)為n，右端刻度線示值N，左端刻度線示值為M，則該刻度單元內的第m條小刻度線的刻度值：v(m)=(m-1)/n*(N-M)+N。進行確認后，將以上結果存入系統(tǒng)表盤庫中備案，以方便后續(xù)相同表盤識別。這里要分別識別指零表盤和測量表盤，是為了對被識別的表盤做個備份，將其數(shù)據(jù)存儲到系統(tǒng)表盤數(shù)據(jù)庫中，后面的識別直接調用相應數(shù)據(jù)即可，而且以后如果再遇到同一種表盤，亦可省去再識別指零圖像的過程，直接調用庫中的數(shù)據(jù)，從而提高了效率4。（2）識別大小刻度線。常見儀表的刻度線一般分為三級：大刻度線（帶數(shù)字的長粗刻度線）、中

6、刻度線（不帶數(shù)字的長粗刻度線）和小刻度線（不帶數(shù)字的短細刻度線）。根據(jù)國家標準相關文件中的分度辦法：線性標尺刻度線之間的分度數(shù)在整個標度尺上應相等；非線性標尺在整個標尺范圍內，小刻度線間分度間隔、中刻度線間分度間隔、大刻度線間分度間隔與被測量值應相等。即雖然刻度線長度的大小體現(xiàn)了刻度的線性與非線性，但是刻度間隔標度值在對應的大、中刻度線間是均勻的，這就為識別計算中、小刻度線的標度值提供了客觀依據(jù)。對提取出來的刻度線，加標簽（從上到下，由左至右掃描），標記刻度線，并記錄各刻度線像素點數(shù)和像素點坐標。對加標簽后的對象按像素數(shù)進行排序（由小到大），選取適當?shù)拇笮】潭染€的分度閩值，歐姆刻度分大小兩級刻

7、度（這里大中刻度線看作一體）。這里需要說明的是加標簽函數(shù)，它是對一幅圖像中的所有像素進行掃描，找出各自連通的對象，并逐個加上標簽，其中對每一個像素點的掃描域是該像素周圍的與其相接的八個鄰域的像素點，如果任意一個鄰域的像素點是黑的，則說明該兩像素點是連通的，并且該對象的像素點計數(shù)加1。求取大小刻度的分度閥值的方法是:從排序后列表中，找到前后相鄰對象間像素點數(shù)差值最大的兩條刻度線，即小刻度中的像素點數(shù)最大者和大刻度中的像素點數(shù)最小者，求兩者的之和平均值并取整，則結果即為分度值。將識別的各刻度線分別與分度閥值比較，大于該閥值者為大刻度，小于該閥值者為小刻度，接著計數(shù)相鄰大刻度間的小刻度線數(shù)目，即為各

8、刻度單元的小刻度數(shù)，以利后面計算指針左右小刻度值。12指針測量圖像識別指針盤面值是通過刻度特性來計算，這也是刻度特性的具體體現(xiàn)。線性刻度的分度大小是線性的，而非線性刻度的則是不均勻的。這里首先縮小到刻度線之間的特性表示，進而可以提高精度。設計指針讀數(shù)識別過程：先尋找指針，看指針與刻度重合與否，重合則直接讀?。蝗绮恢睾显倏醋笥遗R近刻度，取適當?shù)暮饬勘壤烙嬛羔槺P面值。其中衡量比例，由刻度算法來決定，刻度特性不同，標準也就不同，線性的比例均勻，非線性的取不均勻比例。指針指示在刻度盤上，與大小刻度線重合的情況也很常見，程序設計中將這種情況單列出來，先進行判斷，如果重合，則讀取重合的大或小刻度線的刻

9、度值即可；如不重合，則繼續(xù)運行后續(xù)的識別程序。因為刻度線是表盤自身標注的，當指針與刻度線重合時，直接讀取該刻度值，這就保證了指針與刻度線重合時識別結果的精確性，同時在某些情況下，也提高了效率。2嵌入式圖像處理平臺的實現(xiàn)2.1硬件平臺的構建根據(jù)實際需要、成本及目前在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)應用中的成熟度，本設計所選用微處理器S3C2410X芯片作為平臺主處理器，IP核為ARM920T架構。因為研究開發(fā)階段，主要目的是研究和實現(xiàn)圖像處理算法平臺，真正要成為產品的話，可以采用DSP來實現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)硬件平臺的主要構成部分如圖2，以S3C2410X CPU為處理器的硬件平臺，結合嵌入式Linux操作系

10、統(tǒng)，實現(xiàn)完全替代PC機的功能，通過USB攝像頭采集儀表圖像數(shù)據(jù)，可存于大容量的SDRAM或FLASH中，并可通過網絡接口，將圖像識別數(shù)據(jù)上傳到中心數(shù)據(jù)庫中。處理過程中，通過LCD進行實時的顯示識別結果，結合觸摸屏，實現(xiàn)對圖像識別的控制。22嵌入式圖形用戶接口開發(fā)環(huán)境本設計中選用Qt/Embedded是一個支持多操作系統(tǒng)平臺的應用程序框架，主要是提供統(tǒng)一的、精美的跨平臺圖形用戶編程接口，提供統(tǒng)一的網絡和數(shù)據(jù)庫操作編程接口，是以工具包的形式發(fā)放給開發(fā)者。Qt/Embed-ded結合了小型和高性能的優(yōu)點，可以在友好的環(huán)境中建立代碼，這就使程序員即使在沒有嵌入式硬件的情況下，仍能快速有效地建立解決方案

11、。Qt/Embedded為帶有輕量級窗口系統(tǒng)的嵌入式設備提供了標準的API。通過使用Qt/Embedded開發(fā)者可以在Qt/X 11，Qt/Windows和Qt/Mac等不同的版本下使用相同的API編程，而且這些程序很容易相互移植。因此，自從Qt/Embedded以圖2系統(tǒng)硬件平臺框圖GPL條款形式發(fā)布以來，就有大量的嵌入式Linux開發(fā)商轉到了Qt/Embedded系統(tǒng)上。故而，這里我們選用Qt/Embedded作為本系統(tǒng)的GUI。嵌入式Linux應用程序的開發(fā)類似Linux上應用程序的開發(fā)，用PC機上開發(fā)工具編譯、鏈接成PC機上的可執(zhí)行程序，并使用PC機上仿真環(huán)境對程序進行調試，調試好的程

12、序最終用交叉編譯工具鏈生成目標應用程序，下載到嵌入式目標系統(tǒng)平臺上即可。3識別系統(tǒng)的實現(xiàn)嵌入式應用程序開發(fā)流程如圖3所示。系統(tǒng)在實現(xiàn)時，先在PC上Matlab中仿真實現(xiàn)非線性刻度及線性刻度算法，再結合Qt/Embedded的API改編成相應的C+代碼。設計中嵌入式圖像處理平臺主要是以Qt和Qt/Embeded的幾個圖形圖像API的基礎，通過調用這些API中公、私有成員函數(shù)對圖像進行適當處理，獲取識別圖像刻度需要的特征數(shù)據(jù)，再結合刻度算法的C+代碼實現(xiàn)指針刻度識別。對識別的不同類型的表盤，可以在第一次識別的時候，可將表盤特征數(shù)據(jù)備份到MYSQL數(shù)據(jù)庫中，以便后來再識別同類型刻度盤時，調用表盤特征數(shù)據(jù)。而對識別得到的各指針測量讀數(shù)，一方面可通過LCD實時顯示識別結果，另一方面也可以通過網絡實時上傳到中心數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)在線檢測指針儀表。嵌入式指針圖像識別平臺的實現(xiàn)界面見圖4，儀表識別軟件平臺的實現(xiàn)界面見圖5。4結束語提出了基于嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)指針式儀表讀數(shù)識別設計方案，初步建立了嵌入式系統(tǒng)軟、硬件平臺，對基于嵌入式Linux下的Qt/Embedded平臺的圖像處理編程工作做了一些研