倾城的猪

玻璃温度表的计算机视觉检定系统研究 赖卫国 （江西省气象技术装备中心，江西 南昌　330046） 　　摘　要：介绍了玻璃温度表的计算机视觉检定系统的任务及软、硬件构成；并具体就温度表图像中刻度线的特征和图像识别作详细分析，以体现系统程序的关键算法思想和编辑特征；最后阐述了系统对温度表的适用范围和需进一步提高性能的方向。 　　关键词：温度表　检定　系统　研究

玻璃温度表是通过其液质柱芯相对于刻度的位置来表示当前温度的。由于存在误差，需要通过检定来获取订正值。通常玻璃温度表的检定方法是将被测表与标准表（玻璃表）一起置于特制的温度检定槽的液体温度介质中，用控温装置调节液体介质的温度，使之到达所需检定的温度点，并保持温度稳恒，分布均匀，当槽内各温度表内的感温质稳定后，用人工通过光学放大镜逐一记录各表的温度指示，再经过与标准表的指示值比较计算就可求出被测表误差和修正值。每只温度表都要在其可测温度内的每隔10 ℃的各温度点上作相似检定，最后计算出包含修正数据的温度检定证，供该表使用时订正读数误差。上述过程就称之为温度表检定。 　　温度表检定的人工操作和计算，不仅工作量大，而且精度不高，人为的不可控制的误差多，因此解决温度表计量、检定自动化的要求是很迫切的。随着计算机数字视觉技术的发展，采用机械化自动读数已成为可能。基于此，我们研制开发了一套玻璃温度表自动检定系统。该系统是包含图像采集分析、图像辩识读数存档及过程自动控制的软硬件结合的综合系统。这类系统在医学、工业控制和产品检测领域近年已得到广泛应用，而在精密测量、计量领域的应用，国内则很少报道。 1　系统构成概述 1.1　系统任务 　　将温度槽中温度表的图像直接转换成为计算机能处理的图像数据；在图像识别的基础上对每只表进行精确定位控制，从而完成图像的完整采样；用计算机处理和识别温度表图像，读出温度示值，并进行必要的记录、存档和计算。 1.2　系统硬件模块 　　(1) 图像摄取模块：它包含摄像镜头、CCD摄像头、图像采集卡和照明系统。 　　(2) 机械位移驱动模块：它包含驱动电机、机械交联结构和电机驱动电源。 　　(3) 智能数据处理模块：它包含计算机系统、输入输出及控制接口电路。 　　3个模块是互不可缺的。例如控制温度表的定位，由图像识别系统感知温度表被测图像区当前的位置，通过智能模块确定温度表要移动的方向和距离，控制驱动电机转动，并进一步通过摄像分析系统确认电机的执行结果是否到位，若不到位则继续控制电机转动。这是1个位置闭环的控制系统。 1.3　系统软件 　　系统软件主要包括图像处理和分析，图像增强和显示，从图像中读取温度示值，温度表位置控制，温度表数据库管理，交互式人机操作界面，检定计算打印等一系列功能程序。 　　在温度槽内很难改进图像的摄取环境，且在摄取过程中，设备不能停止运转，振动很大，采集的图像往往被严重劣化。因此，高速、有效地对图像进行处理，是有一定难度的。 　　对图像的特征及参数的提取和识别，不仅要求有较好的精度，还要求有很高的速度，否则就无法在温度表的运动中测定图像关键区域的位置，实现对温度表的控制。系统对速度的要求除了机器的档次之外，更主要的是开发较快较好的算法程序。为了进行温度表图像特征的研究，改进图像的分析准确性和效率，系统还包括了对图像脱机分析程序，资料图像的存储和管理程序，人工对比等相应的辅助程序，从而为系统提取图像处理模型、测试图像算法提供了方便。在有了一定的图像积累后，不用外部采集设备，可以用模仿方式进行系统调试和改进。 2　系统的硬件实现 2.1　摄像模块 　　摄像模块决定了系统的最终测量精度。系统设计选择了CCD器件作为图像接收器。CCD具有体积小，重量轻，电压及功耗低、可靠性高，使用寿命长、价格低等一系列优点，特别是它的理想的线性扫描，较高的分辨率以及很高的光灵敏度，是本系统理想的首选器件。采用普通的具有480线～600线（TVL电视行）的黑白CCD摄像机就已基本满足本系统的要求了。CCD的结构是在1块矩形硅片上按行列制作高密度的光生电荷耦合器以及转换输出这些电荷的电路。这块硅片又称为CCD靶或面阵CCD。面阵CCD常用的有1/2 in（指对角线）、1/3 in、1 in等多种。摄像镜头（物镜）的选择有2种方案，一为用显微物镜，这类镜头比较适合本系统的近距离摄像方式。在进行系统整体设计时选用显微物镜是一个较好的方案，但是在现有系统上加装显微镜，则显得不方便，特别是固定调整及调焦都有困难，如选用变焦显微镜则价格贵。本方案最后选用了固定式长焦镜头。长焦镜头的原用途是作望远镜的，但取其视场小的特点，略加改造，也可在近距离作放大镜头使用。摄像物镜配合CCD摄像机的成像原理，即将CCD靶放在物镜像方焦点上，使成像正好落在CCD靶上，CCD的扫描电路把CCD靶上的光生电荷图像逐个转换成电压，排队输出，并加上电视同步信号，把这些信号加到电视机上，就再现了被摄物的图象。CCD器件上的感光单元的密度即所谓像元密度决定了CCD对成像的解析分辨力，而成像的质量则完全取决于镜头。 　　根据温度检定规程，在人工读数时，精度要求是按照温度表最小刻度示值的1/10读出。目前温度表中刻度线间距离最小的为小通风干湿表，该表的刻度间距按规范要求是>0.4 mm。按照奈奎斯特定理，1个摄像器件能够分辨的最高频率等于它的采样频率的1/2。由此可计算出，在0.4 mm内得到1/10的分辨力需要20线的采样点，才能满足采样定理的要求。此时对应的每mm采样线数为20/0.4 = 50线。当选用具有隔行扫描的电视CCD面阵的摄像头时，在电视图像上可获得480垂直分辨行。于是，可以求出当采样线数为50线/mm时，电视满屏时最大的被摄物高度为480/50 =9.6 mm。如此小的视场，对镜头的要求很高，也提高了对图像位置控制难度。 2.1.1　CCD及镜头 　　根据物高和像高用高斯公式：f=d0/(1＋m0)可求得所需镜头的焦长。 　　式中f为焦长（mm），d0为物距（mm），m0为物高/像高比（物方放大率）。 　　已知物高9.6 mm。像高即CCD感光阵面的高度尺寸，1/2 in阵面高度为4.8 mm,1/3 in阵面为3.3 mm。物距即物镜到被摄物的距离，由温度槽的结构决定。在常规温度槽中，物距有2种，即180 mm和200 mm。我们居中取190 mm进行计算。将这些参数代入上式，可得:1/2 in阵面CCD f=63 mm,1/3 in阵面f=48 mm。 　　按目前固定焦长镜头的产品序列，1/2 in阵面可选用75 mm镜头，1/3 in阵面可选50 mm镜头。根据实际情况和条件，我们选用1/2 in阵面CCD和75 mm镜头的组合。标准长焦镜头用于近距离190 mm摄像时，其象距已远超出原结构的可调范围。即当物距缩短，象距则加长，应使用镜头接圈加长象距。象距可按公式1/f=1/d0＋1/di计算。其中di为象距（像方成象距离），将do参数代入，得di=124 mm，减去原有象距60 mm，则需加接圈长度为64 mm。此外，在镜头的选择上还需满足分辨力和景深的要求。由于近距离摄影，景深范围已经很小，要保持合格的成像要求，就需用小光圈、大镜头和足够强的照明系统。 2.1.2　照明 　　长焦镜头进行近距离摄像，景物的景深范围很小，而被测的温度表又需要3～5 mm的景深范围。解决办法是加大光圈F数和增强照明。实际使用中，光圈取到8～11即可满足要求。但这时光束口径减小，需增加照明度才能满足取样要求。为此在温度槽内加装了照明装置，采用了2个1.5 W灯泡，对称照射摄像部位。照明光线的射入角要防止温度表各层面的反射光射入摄像镜头。由于温度表是圆柱形的，极易形成反光，要保持在水平及垂直方向都有一定的照射夹角防止反光，可选择的灯泡固定位置是很有限的。此外，合理控制照明光线的分布，可以有效的突出温度表图像的灰度特征，为图像处理程序进行准确图像识别和测量创造了条件。 2.1.3　图像采集卡 　　本系统为图像采集专门制作了图像采集卡。采集卡用来采集和冻结数字化图像，是系统关键的输入设备。采集卡使用了10 MHz的采样速率，6位闪烁式高速A/D变换器，256 KB SRAM图像存储器，并以512×512×8的格式存储数据，满足了系统要求的水平512点、垂直480行的图像点存储量。采集卡中采用了晶体同步振荡技术，使每1行图像采样精确的同相位对齐。在存储方面使用了交叉访问技术，使100 ns的SRAM可以支持10 MHz的采样速率。在采集卡上还设计了步进电机控制电路，可以方便地连接步进电机，完成检定过程的机械操作程序。图像采集卡的制作和设计也是本课题的重点，限于篇幅此处仅对其技术要点加以介绍。 2.2　步进电机驱动模块 　　本系统是在通用温度检定槽的基础上做少量改造而形成的。这些改造除了前面已提到的照明系统外，在机械方面也做了一些改造，主要是增加了步进电动机和齿轮系统。另外，为实现对图像位置的精确控制，设计了1个步进电机智能控制器，通过微机的串行接口实现对整批温度表的自动循环控制。 2.3　微机 　　微机作为本系统的核心部分，一般要求PⅡ档次的普通微机，内存64 M,显示卡速度和分辨率支持1024×768多频显示器，硬盘4 G以上，Windows 98操作系统。 3　软件构成 　　系统程序由以下各功能子模块组成：完成人机结合的界面程序；进行数据存取转换的输入输出程序和文件处理程序；外部机械操作控制程序；图像处理程序；对于图像处理包含帧处理、块处理和点处理等必备的和常规的处理程序；为完成图像测量，还有相应的图像变换、图像特征提取、图像描述、图像象模式识别程序；具有针对性的特殊处理程序；为方便人工观察和检验，还配有图像增强、图像再现、图像放大、图像存储，以及图像标示显示等图像界面处理程序。 　　为方便操作，系统同时使用鼠标器和键盘。可用鼠标器人工进行图像读数或读数校正，除了个别数字项，绝大多数操作和数据输入仅使用鼠标即可完成。为进行温度表图像的研究、算法效果的检验、以及算法的筛选等，在程序开发过程中还编写了辅助实验程序。这些程序在最终的实用程序中并不采用，但对程序的开发成功是必不可少的。 　　系统程序采用Windows 98为平台，用BUILDER C＋＋语言进行开发。在算法上经过反复优化，最后获得的程序代码有较高的效率和运行速度。在进行图像运算和显示时，速度也基本令人满意。 　　由于系统的多面性，开发中的工作量很大，系统程序较大，因此为节省篇幅，对程序的编制不加详细介绍。在后面章节中，具体就温度表图像中刻度线的特征和图像识别作详细分析，以体现系统程序关键的算法思想和编程特征。 4　气象常用温度表的图像特征 　　温度表图像特征的研究，是进行温度表图像识别处理的基础。常用气象玻璃温度表有8中基本型号：(1) 干湿球温度表；(2) 小通风干湿球温度表；(3) 直管地温温度表；(4) 最高温度表；(5) 曲管温度表；(6) 地面温度表；(7) 最低温度表；(8) 标准温度表。 4.1　结构特征 　　上述8种温度表中除了第7种表为有机液质表芯外，其它7种都为水银液质表芯。玻璃温度表的图形结构特征大多相同，都由垂直和水平的灰度线条构成。它们之间的差异主要在线条的粗细、长短、间隔以及灰度变化等方面。结构特征参数的提取是进行图形识别的1个重要环节。 4.2　灰度特征 　　温度表图像中灰度特征是分割图像目标的主要参数。影响灰度特征的因素是多方面的，如1) 照明环境的光线分布和方向；(2) 镜头的调焦和景深大小；(3) 温度槽中液体导温介质及其中的杂质气泡；(4) 温度表各层玻壳对光线的吸收、折射、反射；(5) 刻度线的粗细深浅、不均和断续；(6) 温度槽玻璃窗的洁净度及其表面附着物；(7) 槽内其它物体对光线的散射、反射、遮挡等。 　　上述因素对灰度特征的影响，有些使温度表的特征更加明显，而有利于处理和识别；有些则引起灰度图像劣化，增加了处理和识别的困难。温度图像的结构特征包含在灰度信息之中，正确的灰度处理是获得结构特征的基础。由于灰度图像的复杂性，使得计算机对其处理占用了较多的时间。 4.3　对称性 　　温度表图像的第3个特征是其具有准水平对称性。大多图像在找到其水平中点后，其两侧图像都呈基本的水平对称分布，对称性由温度表的圆柱型结构及其内部瓷板刻度的对称决定。但由于制造工艺的不一致和安装后偏斜，大多温度表并不是严格水平对称的。另外，还有1种菱形结构的水银表内管，只有从某一角度看时它才是水平对称的。对称是进行图形识别和测量中可以利用的重要特性之一，处理程序常常需要从1幅看上去不大对称的图形中挖掘出对称性来。 5　温度表图像刻度特征信息的提取及应用 　　通常把图像特征信息提取、识别和测量称为图像分析。它与图像处理不同，它是在图像处理之后进行更高层次的信息提取。图像经处理，输出的还是图像，而图像分析输出的是数值。图像分析一般有2个过程：一是特征提取，它一般使用图像的幅值(灰度)特征、直方图特征、边沿特征、纹理特征等对图像进行分割或标记；二是对图像进行描述，描述是利用图像的特征对图像进行数据化和符号化。描述中往往把感兴趣的部分作为目标，把其它部分作为背景。当我们对图形进行了精确的数据描述后，识别和测量也就很容易了。 　　温度表图像的主要测量信息包含在水平分布的刻度和垂直分布的水银柱图像上，它们都是直线。然而，要从灰度严重分布不均，光线及图像千变万化的图像中准确提取这些线条，并对它们的中心及端点合理的定位，问题就复杂化了。 　　1个图像的结构，用二值图形即可表达，而我们获得的温度表图像却是分布不均的多灰度图形，要把它们转化成二值图形，边界在哪里？这是1个十分棘手的问题。为了分割出二值图形，必须取得二值化的“域值”灰度作为分割门榄，而为了获得正确“域值”并成功的进行二值化，又需要首先对图像进行噪声滤波以及亮度背景平衡。为了在进行这2项图像处理时不使图像中的有用细节被同时滤波掉，就需要采用一些“高级"的处理算法。好在这些问题现在已被人们研究的很彻底，拿来后，稍加改进加以利用，效果十分不错。然而问题又来了，温度表自动检定是1个实用系统，如果你做的太慢，还不如别人快的话，就没有什么实际意义。因此，我们进行程序优化，改变思路，把复杂的算法用在关键点上。 　　温度表图像特征的提取就是在图像中提取直线——水平线和垂直线。在测量中，影响精度的关键是对这些线条边沿和中心的定位精度。 　　本项目中涉及图像识别和测量的技术方法很多，限于时间和篇幅，以下仅举2点加以介绍。前1例分析了刻度线特征，在进行温度表类型识别时它们是重要参数。后1例分析了本系统测量误差的主要来源及其改良方法。 5.1　温度表的刻度线特征 　　刻度线在图像中为黑色，水平方向伸展，垂直方向排列。每1只表的刻度线特征表现在4个方面：长度、线宽、线间距、线的组合及排列。 　　（1） 每种温度表一般有长、中、短3种刻度，分别表示0.1、0.2、0.5、1.0、5.0、10.0的分度，具体代表哪3种，由表的类型决定。每种刻度有多长，在各表之间没有确定。 　　（2） 刻度线的宽度各类表不同。同类表不同厂家或不同批次也不同。同1只表的线宽一般相等。线宽直接影响了温度表的最小可辨温度。线越宽可辨误差越大。 　　（3）刻度线间距每只表一般近似相等，每个间距代表的温度值也相同。间距代表温度值有0.1、0.2、0.5 3种，由温度表类型而定。相邻2个刻度间距的差值一般为3％～5％，最大的可达15％～20％，但不多见。 　　（4） 温度表的线长短组合有3种：1 短长短长组合，一般分度为0.5的表有这种类型。2 4短1中（或1长），一般分度为0.2、0.1的表。3 4短1长，部分小通风表。 　　刻度线是人工进行温度读数的工准，也是机器识别的基准。刻度线是刻制在温度表内瓷板上的，在垂直方向上，同种长设的刻度线两端点是重叠的。 5.2　应用刻度特征提高刻度线附近的示值分辨精度 　　由于水银柱图像与刻度线图像同为黑色，在图像上灰度分布也基本相同。当水银柱头部在刻度线的宽度范围内或附近，使两者图像连为一体，有1个难以分辨的间隙。这种情况下，图像分析就会产生无法校正的误差，其误差大小与刻度线宽度成正比。即 T=Tmin×d/n 。其中T为误差，Tmin为分度值，d为1/2线宽，n为两刻度间距。 　　由上式可计算出：(1) 干湿球表T=0.02 ℃，相对误差为10.2％；(2) 地面表T=0.039 ℃，相对误差为7.8％；(3) 小通风干湿球T=0.027 ℃，相对误差为13.55％；(4) 标准表的T=0.007 95 ℃，相对误差为7.9％。 　　实际上，当刻度线与水银柱头比较接近时，其图像已不可分辨，等效刻度线宽度比原宽度要大，若设增加的宽度为4条电视扫描线，即刻度线两侧各有2条不确定宽度，可计算出： 　　(1) 干湿球表T=0.028 5 ℃，相对误差为14.2％；(2) 小通风干湿表T=0.042 3 ℃，相对误差为21.1％；(3) 标准表T=0.012 5 ℃，相对误差为12.5％。 　　由上述结果可知，误差都为10％～ 20％。虽然计算机的测量效果并不比人眼观察更差，但这种情况也说明用计算机进行图象处理时，若在刻度线附近的分辨力处理不好，引起的误差还是比较大的。 　　为解决这一问题，需从两方面入手，一是进一步改善照明条件，精确调整焦聚，增加摄像景深，达到最终提高图象小间隔的对比度，缩小图象发生灰度交连的距离。二是用软件处理方法改进，软件改进主要有几种方法，首先在进行图象滤波处理时，尽可能保持水平相关的间隔信息，只滤除垂直相关的噪声和无用信息。域值选取方面，为追踪小间隔，进行多域值扫描，域值选取为2/3、1/2、1/4、1/8等多种，当域值低时，能改善小间隔的检出率，但误选率增加，需要采取其它逻辑判断交叉处理，以剔除误选点。再就是改善刻度线宽度的测量精度，刻度线宽度对水银柱是否露头的判断影响很大。刻度线改善主要在多刻度平均、改良平滑方式和刻度线选择域值的筛选等方面进行。 6　系统对温度表的适用范围 　　为了使图象识别测量程序能进行得快速准确，程序的判断过程是按某种先验的知识来设计的。这知识就是一种规范，它先告诉程序设计者，所处理的对象一定是在某个范围内变化的，程序不必在此范围之外去搜索而浪费时间。规范规定了湿度表及其图象在其标准形式上的变化范围，在这个范围内设计算法，并进行优化使其具有实用价值。然而允许变化的范围越大算法越难设计。因此规范应当既能使程序容易编制，又能包容大范围变化的对象，这二者是相矛盾的，也是本系统研制者追求完善的所在。系统的最终目标是能完全自动地代替人工读数。现在系统能达到现状是，对95％以上的温度表都能进行自动读数，对另外5％的温度表的个别温度点需要在人工干预下进行机器读数。 7　系统进一步提高性能的方向 　　(1) 进一步减少人工干预读数的数量。 　　(2) 除了目前的温度表转动定位控制之外，再增加对温度槽其它参量的控制功能，如温度控制、稳定时间控制和搅拌控制等。 　 (3) 由于摄像机视角很小，而系统对人工装表的定位精度要求很高，且需要在温度槽内通过电视机画面进行垂直定位。应增加摄像机的垂直移位控制机构，简化人工装表的复杂性。 　　(4) 采用性能更优良的照明系统，如卤素光纤照明系统，改善成像质量。 　　(5) 将图象测量系统与温度槽统一设计，形成一体化的自动温度检定设备。 　　(6) 采用更好的摄像控制技术，消除刻度线对温度表测量的影响，使测量精度再提高。 　　(7) 采用数字式标准表，取消目前往返式的温度比对方法，可把检定速度提高1倍。 ______________________ 作者简介：赖卫国(1953－)，男，高级工程师，主要从事气象技术装备保障工作.