一种基于动态视频图像处理和模式识别算法的水表自动检定技术

摘要

本发明公开了一种基于动态视频图像处理和模式识别算法的水表自动检定技术，它涉及一种将动态视频图像处理和模式识别算法应用到水表检定领域的技术，整套检定技术主要包括管路系统和检定系统，在检定系统中采用了新型图像采集卡来实现输入动态视频图像的比例缩放、裁剪，采用PCI-E×1总线作为数据存取通道，及使用基于记忆的混合高斯背景建模算法完成水表指针的定位；同时，当指针运动到水珠、气泡遮挡的区域，利用已知信息和指针运动的连续性特征，确定指针运动方位，并且在指针每圈运动结束时自动记录一次结果，防止误差传递到下一次，这样就排除了光照、水珠和气泡等的影响，保证水表读数的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及水表检定技术，尤其涉及一种将动态视频图像处理和模式识别算法应用到水表检定领域的技术。

背景技术

水表检定装置是计量技术机构和水表生产厂家进行水表检定的必备设备，它主要由标准器、试验直管段、夹紧器、瞬时流量计等部件组成，可进行水表的示值误差等常规项目的试验。据文献报道，目前国内外水表自动检定技术主要有二种：图像法和脉冲法。脉冲法的工作原理是：在被检水表上方安装脉冲发射与接收装置，将发射的光束对准与水表计量有关的指针，水表运转时，指针连续遮挡光束的反射信号，脉冲装置产生脉冲信号并传输给计算机，计算机再将信号转换成水表的量值，同时，从标准器输出的信号经计算机处理后得到标准量值，将该标准量值与水表量值进行比较，可得到水表的示值误差，该方法虽然实现了水表的自动检定，但在实际使用时存在如下不足：1.对焦不方便，脉冲装置发射的光束只有在对焦状况下，得到的信号才最强，才能获得有效的水表量值，但脉冲装置的焦距非常狭窄，稍有不慎便取不到信号，给水表的安装带来不便；2.检定过程容易漏掉信号，检定时，随着水流过管道系统，会有一定程度的振动，由于脉冲装置的对焦距离有限，被检水表相对距离的稍微变动，会造成脉冲信号的掉失，导致检定数据的不准，因此，脉冲法测量数据的可靠性和稳定性不是很好。图像法的工作原理是：在被检水表上方安装图像摄像头，图像信号经计算机处理并识别后，获得水表的示值，同时系统自动控制水流量并测量工作量器的水位得到标准流量值，将水表示值与标准量值比较后便得到水表的示值误差，从而实现水表检定过程自动化，该方法尽管可靠性和稳定性比脉冲法好，在水表表面无水珠、气泡等的情况下，能够实现水表指针数据的自动读取，但也仅是用摄像头代替人眼读数而已，当水表表面出现水珠、气泡等情况时，其简单的静态图像处理方法不能准确读取图像的指针读数，可靠性大大下降，结果只能采用人工读数的方式解决，影响水表的检定效率，更重要的是该方法的读数分辨率没有得到任何提高，检定时间与普通水表检定装置相同，目前，图像法自动水表检定装置在国内已有较多研发单位，大都采用CCD摄像头取代人工读取水表测试值，其输出视频信号直接输入到高速计算机的图像采集卡，计算机软件完成对水表盘静态图像的处理并识别被检定水表流量，静态图像识别误差一般在1/10-1/3分格之间，即水表读数分辨率为0.01-0.033升。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷而提供一种基于动态视频图像处理和模式识别算法的水表快速自动检定技术，该水表自动检定技术能有效解决当水珠和气泡遮挡读数指针时读不准的难题。

本发明的技术问题通过以下技术方案实现：

一种基于动态视频图像处理和模式识别算法的水表自动检定技术，其包括构成管路系统的总进水阀、多个水表、多个出水阀、换向器、电磁阀和精密称重量器，还包括构成检定系统的摄像机、图像采集卡和工控机；所述的每一水表上方均设置一个摄像机；所述的摄像机、图像采集卡和工控机之间设有作数据传输连接的总线；所述的精密称重量器与工控机之间也设有作数据传输连接的总线；所述的工控机通过微控制器与电磁阀作电路控制连接；所述的电磁阀分别与总进水阀、多个出水阀、换向器作控制连接；所述的摄像机在水表检定阶段连续拍摄水表指针从初始到终止的动态视频图像，并以数据方式输入图像采集卡内；所述的图像采集卡将输入的动态视频图像进行比例缩放、裁剪，并以数据方式输入工控机内；所述的工控机将采集到的动态视频图像数据经高斯拟合建模算法完成水表指针定位的分析示值。

所述的高斯拟合建模算法完成水表指针的定位，其主要通过图像采集卡裁剪水表指针附近小块区域的动态视频图像作为水表指针读取算法的数据输入，该图像采集卡在水表检定前的放水排气阶段，每秒读取10张初始动态视频图像、连续10秒共读取100张动态视频图像进行加权累加以得到图像A，该图像A的每个像素的加权和小于10，则该像素置为0，否则用                                                初始化图像A的每个像素，该图像A的每个像素的加权和大于255，则该像素置为255，并得到图像I，再根据水表指针个数，结合水表指针和水表表盘的形状及颜色的先验信息、水表指针转圈的运动特征，建立关于图像I的高斯拟合模型，其公式为：

，

其中为水表中心点坐标，根据水表指针图像多次累加选择，并采用EM算法计算的能量最小值；

所述图像I上的像素，为隐变量，，令，且，，，根据公式：

    

其中，，，得到，并进行M-step，根据公式：

，

，

，

不再变化，EM算法达到收敛，以得到水表中心坐标，半径长度，将这些记忆信息数据加入下一次的EM算法参数，，，的初始化中，以加快EM算法收敛；

根据4个0.0001分度的水表指针位置先验信息，按照公式：

，

计算4个指针区域的中点，得到位置向量，，，，求出它们两两相乘的内积恒为正的向量，对应的即为0.001分度的水表指针，并确定0.0001分度的水表指针位置及其半径；

对0.0001分度的水表指针位置及其半径的邻域建立动态高斯背景建模，得到水表指针部分的前景图像，继续选择轮廓区域最大的区域作为水表指针区域，减去以水表指针半径的圆范围内的水表指针部分，得到水表指针的尖端部分，统计水表指针尖端的像素位置，并对其加权平均，按照公式：

，

计算得出水表指针尖部的中心，其中，为属于指针尖端的区域，n为尖端区域的像素点个数，指针尖端减去指针中心，得到指针的方向向量，并确定0.0001分度的水表指针的准确指向读数；

水表指针运动到水珠、气泡遮挡的区域，利用已知信息和水表指针运动的连续性特征，确定水表指针的运动方位，并在水表指针每圈运动结束时自动记录一次结果。

所述的图像采集卡为四通道彩色视频采集卡，所述的总线为PCI-E×1总线。

所述的微控制器经三极管、继电器与电磁阀作电路控制连接。

所述的精密称重量器为精密电子秤。

与现有技术相比，本发明基于动态视频图像处理和模式识别算法而实现水表读数的实时识别，它通过设计新型图像采集卡，实现8路720×540视频分辨率的高速采集及处理，达到25～30帧/秒的实时级别，使水表读数的分辨率达到0.0027升，可以减少水表的检定用水量，从而大幅度减少检定时间，提高劳动生产率。同时，该水表自动检定技术还解决了当水珠和气泡遮挡读数指针时读不准的难题。

附图说明

图1为水表自动检定技术的结构框图。

具体实施方式

下面将按上述附图对本发明实施例再作详细说明。

一种基于动态视频图像处理和模式识别算法的水表自动检定技术，其包括构成管路系统的总进水阀、多个水表、多个出水阀、换向器、电磁阀和精密称重量器，还包括构成检定系统的摄像机、图像采集卡和工控机；所述的每一水表上均并接有出水阀，每一水表上方均设置一个摄像机。

所述的电磁阀分别与总进水阀、多个出水阀、换向器作控制连接，以形成通水阀门的自动控制；所述的摄像机、图像采集卡和工控机之间设有作数据传输连接的总线，以实现动态视频图像的采集和分析；所述的精密称重量器采用精密电子秤，它与工控机之间也设有作数据传输连接的总线，以形成电子秤的数据采集；所述的工控机通过微控制器与电磁阀作电路控制连接，。

整套水表自动检定技术如图1所示，动态视频图像采集部分的前端采用灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动的CCD工业相机、及物距在1米以内的高像素镜头，本实施例的摄像机选用了原装日本进口Watec品牌工业CCD相机，搭载Computar品牌的百万像素级工业镜头，清晰度及速度均可满足项目要求；然后通过图像采集卡同时采集多路动态视频图像信号并输入工控机内存进行处理，本实施例采用以新型PCI-E×1总线作为数据存取通道的多路图像采集卡，每个PCI-E总线采集4个摄像头的数据，这样可以使图像采集速度更快，突破了在全分辨率多路视频同时采集时，PCI总线带宽的限制，从而避免了因数据丢失而产生的拉道现象；采用两块大恒公司的DH‐VT142四通道彩色视频采集卡，它是在DH-CG300的基础上扩展为四通道彩色视频采集卡，具有2个PCI-E插槽，能同时对六到八路图像进行采集。上述硬件的最大优点是，能完成输入动态视频图像比例缩放、裁剪，为了不浪费总线的带宽，只截取水表指针附近小块区域的图像。

所述通水阀门的自动控制部分主要以微控制器作为控制核心与工控机进行通信，并设计并口继电器驱动模块电路利用微控制器的IO口进行驱动，本实施例利用ATMEGA16微控制器作为控制核心与工控机进行通信，通过ATMEGA16微控制器的IO端口接9012NPN型三极管的基极，再驱动相应的继电器之后直接连接电磁阀，当工控机执行流量测试程序而需要打开总进水阀或出水阀时，工控机发送相应的包含延时时间以及相应通道的数据到微控制器，微控制器接收到工控机发来的命令时首先解析数据，然后在微控制器的IO口输出高电平或者低电平并保持工控机发送过来的延时时间，从而打开或者关闭相应的阀门。

所述的精密电子秤主要作为标准器数据采集部分的核心，该精密电子秤与工控机通过RS232接口进行串行通信，包括测量前后电子秤稳定数据的采集以及工控机对电子秤其它参数的采集，本实施例利用梅特勒-托利多梅特勒电子秤提供的标准串行通信指令与电子秤进行通信及数据采集。

所述的动态图像视频采集过程为：摄像机在水表检定阶段连续拍摄水表指针从初始到终止的动态视频图像，并以数据方式输入图像采集卡内；该图像采集卡将输入的动态视频图像进行比例缩放、裁剪，并以数据方式输入工控机内；工控机将采集到的动态视频图像数据经高斯拟合建模算法完成水表指针定位的分析示值；同时，换向器将水表检定阶段的水流换入精密称重量器内计算标准器的标准示值；最后将分析示值与标准示值进行比较以得到水表示值误差。

所述的基于记忆的高斯拟合建模算法完成水表指针的定位并获得分析示值，其主要利用系统的空闲时间，并通过如下步骤实现：

①通过图像采集卡裁剪水表指针附近小块区域的动态视频图像作为水表指针读取算法的数据输入，减少了总线带宽的占用。图像采集卡在水表检定前的放水排气过程中，以每秒读取10张初始动态视频图像、连续10秒共读取100张动态视频图像进行加权累加，排除了光照、水珠和气泡等对水表指针定位的影响，得到图像A。若图像A的每个像素的加权和小于10，则将该像素置为0，否则用初始化图像A的每个像素，若值大于255，则该像素置为255，起到强化红色区域的识别作用，并得到图像I。然后根据水表指针个数，结合水表指针和水表表盘不同形状及颜色的先验信息、水表指针转圈的运动特征，建立关于图像I的高斯拟合模型，其公式为：

，

其中为水表中心点坐标，有4个水表指针。由于4个水表指针的运动半径应该相等，则只有一个值，根据水表指针图像多次累加实际就是一个对称圆的先验知识，选择。并用类似EM算法计算的能量最小值；

②对于图像I上的像素，为隐变量，表示由第j个（j=1…4）多维正态分布产生的概率，即。令，且，，。

在实施例的EM算法的E-step中，根据公式：

    

其中，。在得到后，就可以进行M-step了，根据公式：

，，

最后，当不再变化，本实施例的EM算法达到收敛，得到水表中心坐标，半径长度。而且根据水表安装常识推断，下一次水表的位置应该在这一次的水表位置附近且半径相等，且下次图像I的每个像素的隐变量的数值也应该不变，将这些记忆信息加入下一次的EM算法参数，，，的初始化中，加快本实施例的EM算法收敛；

③0.0001分度的水表指针是最快最准确的指针，也是本实施例读取水表读数的关键。根据4个0.0001分度的指针位置先验信息，它们应该处于半弧形，我们先计算4个0.0001分度指针区域的中点，按照公式：

，

得到位置向量，，，，求出它们两两相乘的内积恒为正的向量，对应的也就是其0.001分度的指针；

④确定0.0001分度的指针的位置及其半径之后，我们对其邻域建立动态高斯背景建模，得到的前景图像基本就是水表指针部分，还有一些噪音像素存在。继续选择所有可能的水表指针轮廓，并选择轮廓区域最大的区域作为水表指针区域，减去以水表指针半径的圆范围内的水表指针部分，剩余的部分即认为是水表指针的尖端部分，统计水表指针尖端的像素位置，并对其加权平均，计算出水表指针尖部的中心，按照公式：

，

其中为属于指针尖端的区域，n为尖端区域的像素点个数，指针尖端减去指针中心，就得到了指针的方向向量。

⑤确定0.0001分度的指针的准确指向读数后，当水表指针运动到水珠、气泡遮挡的区域，利用已知信息和水表指针运动的连续性特征，确定水表指针运动方位，并且在水表指针每圈运动结束时自动记录一次结果，防止误差传递到下一次，这样就排除了光照、水珠和气泡等的影响，保证水表读数的准确性。

所述的水表检定过程如下：将水表安装在管路系统上，打开工控机和摄像机电源，进行初始化进程，打开进水阀门通水，换向器设置在旁路上，将水表和管路上的空气排出系统外，关闭出水阀门进行耐压检测，在规定的时间内，若发现水表或者管道渗漏则停止检定，否则自动进入后续流程。检定程序控制调节各检定点的流量值，关闭电子秤放水阀门，在规定的时间后，工控机发出开始检定信号，摄像机摄取水表的初始读数动态视频图像开始计量水表示值，同时换向器将水流换入电子秤开始计量标准器的示值，在规定的检定时间后，工控机发出停止检定信号，摄像机摄取水表的终止读数动态视频图像，同时换向器将水流换出电子秤，由水表初始和终止值得到水表的示值，与标准器量值比较，便得到水表的示值误差，每只水表要经历大、中、小3个流量点的检定，检定过程按规定的顺序自动进行，所有测试点的示值误差在允许范围内便是合格，否则便为不合格，再由系统自动识别并打印完成检定结果。