基于机器视觉的电子水平仪自动检定系统

邢敏剑 / 上海市计量测试技术研究院

基于机器视觉的电子水平仪自动检定系统

邢敏剑 / 上海市计量测试技术研究院

针对目前电子水平仪手动检定装置的不足，提出了基于机器视觉的电子水平仪自动检定系统。具体介绍了系统的结构、工作原理，对示值自动判读方法和系统软件，并对检定结果的不确定度进行了分析评定。通过实验将自动检定结果和人工检定结果进行比较，验证了自动检定系统的可行性和有效性。

电子水平仪；自动检定；不确定度

0 引言

电子水平仪是一种小角度测量仪器，用于测量相对水平面的倾斜角度，是工厂车间生产及工程检测中不可或缺的计量器具。常见的电子水平仪分为数字式和指针式两类，如图1所示。目前电子水平仪是按照JJG 103-2005《电子水平仪和合像水平仪》在小角度检查仪上进行手动检定。手动检定需要人工操作，肉眼观察读数，特别是对于指针式水平仪，其读数准确度还会受检测人员观察视角影响。同时手动检定工作量大、效率低下，容易产生视觉疲劳，因此有必要研制一套电子水平仪自动检定系统，用于替代人工判读，提高识别准确性及工作效率。本文针对电子水平仪自动检定装置展开研究。

图1 指针式和数字式电子水平仪

1 电子水平仪的检定方法

电子水平仪的检定项目主要包括外观、各部分相互作用、零值误差、漂移、重复性、各量程示值误差。

手动检定方法：将电子水平仪放置在小角度检查仪上固定，选择相应量程档位后对电子水平仪进行调零。调零完成后转动光栅传感器至相应量程档各测量值，手动记录电子水平仪示值。待全部性能检测完成后，对测量数据进行判定并给出相应结论，制作证书报告。

自动检定方法：将电子水平仪放置在自动检定装置上固定，打开自动检定软件，调整相关器件至合适位置，系统将被检水平仪检测到的数据通过接口传送到计算机中，由自动检定软件对数据进行整理分析，并得出相应结论，保存数据，生成报告。

手动检定和自动检定比较：自动检定过程中的实时测量、记录存储、运算处理和结果评定等操作使测试、处理和出具结果一体化。自动检定较人工检定可以更好地保证测量重复性，为误差处理和不确定度评定创造了有利条件，其优势明显高于手动操作。

2 自动检定系统结构和电子水平仪检定过程

2.1 自动检定系统结构

自动检定系统包括光源、CCD摄像机、可调节支架结构、图像采集卡、计算机、步进电机、小角度检查仪等，如图2所示。LED 光源具有电压低、体积小、轻便、节能环保、寿命长、可靠性高、响应时间短等优点，且白光LED较为接近日光的光谱分布，能较好地反映被测物的真实颜色。选用DHHV5051Ux-M数字摄像机，像素2 592×1 944，帧率6 FPS。该相机能运行在32 bit/64 bit的Windows 7/ Vista/ XP系统上，配套的SDK支持VC、VB、BCB、Delphi等开发工具，并且提供兼容DirectX的设备驱动以及可直接被HALCON、LabVIEW等软件识别的软件接口，完全可以满足本装置的要求。选用MV-750工业高精度图像采集卡。该采集卡具有高分辨力、高清晰度、高保真的特点，适合进行专业的彩色或黑白图像分析、处理工作，符合本系统要求。步进电机选用安川的86HD3435-14-37ASB步进电机和步进电机驱动器。该步进电机的步进角为1.8°，定位力矩12.5 kg·cm，满足系统要求。

图2 电子水平仪自动检定系统

2.2 电子水平仪检定过程

首先调整可调节支架，改变CCD摄像机与被检电子水平仪的相对位置，确保图像采集装置采集到清晰的图像，使CCD摄像机光学中心与被检指针式电子水平仪仪表盘指针旋转中心相互平行（与数显式电子水平仪液晶屏相互平行）；然后由计算机控制步进电机运动，使小角度检查仪发生偏转从而对电子水平仪进行调零。待电子水平仪调零稳定后，通过计算机显示电子水平仪表盘（或液晶屏）图像，然后按照检定规程要求分别采集不同检测点处的图像，由计算机对采集的图像进行分析处理，获得电子水平仪在各检测点的示值，并通过与小角度检查仪上光栅传感器的标准值比较，得出相应的示值误差，最后对检测结果进行分析和判定。电子水平仪检定过程如图3所示。

3 表盘示值的自动判读

3.1 指针的检出

要实现对电子水平仪的自动读数，首先需要能够帮助判读的表盘特征，即指针和分度线。在图像采集过程中，由于摄像头与仪表的相对位置不变，光照环境与方式也没有发生改变，因此理论上采集到的两幅图像应该拥有相同的背景。当指针处于不同位置时，两幅图片的其他信息均一致，只有指针信息不同，如图4所示。利用这一特点，将处理后的两幅二值化图像进行差影法运算即可找出指针位置。采用的方法是差影法逻辑异或运算，即将指针在不同位置处的两幅图像灰度值进行异或运算处理，信息一致区域相减后的灰度值近似零，剩下指针区域。再选择适当的阈值，对剩余的指针图像进行二值化处理。二值化处理后得到的指针图像如图5所示。

图3 电子水平仪检定过程

图4 指针不同位置处的表盘图像

3.2 分度线的检出

对于电子水平仪表盘的分度线采用边缘检测方法进行确定。边缘检测主要是利用物体和背景在图像特征上的差异来实现检测，如灰度、颜色、纹理等。对于表盘分度线的检出，需要对图像进行滤波、增强、检测、定位几个步骤。滤波主要是将图像中的干扰噪声去除，图像增强可以使表盘的相关特征更加明显，有利于特征提取。通过边缘检测主要得到表盘指针、分度、盘面圆周、文字的边缘。对边缘图像进行二值化处理，并实施Hough变换，检测出图像中的直线段，选取适当的阈值得到图像中的分度线，如图6所示。

图5 指针图像

图6 分度线图像

3.3 指针回转中心的定位

假设（ρ，θ）是空间一个点，空间中任意一点可由无数条直线通过，这些直线的集合变换到参数空间可以表示为一正弦曲线，如式（1）所示。

由给定图像空间两点映射的两条正弦曲线在参数空间的交点确定了原图像空间两点所表示的直线参数。对两条直线段实施Hough变换，并经阈值处理，可得到两个指针位置所描述的直线参数，两条直线的交点即为指针回转中心。

3.4 示值判读

本文利用角度法来确定指针读数，即利用待测图像指针和零位时图像指针的位置来求出指针读数,其工作原理是：先求出指针指向零分度线与指针指向量程极限分度线时两指针的夹角α，然后求出待检测图像中的指针与指向零分度线时指针的夹角α0，应用两个角度与量程间的关系即可求出待测图像中的指针读数，如式（2）所示，式中R表示被测仪表的量程。

4 软件系统

4.1 自动检定系统的软件界面

该检定系统选用的编程语言是 Visual C++，软件界面如图7所示。采用Visual C++语言编写的程序通俗易懂且修改方便，有利于后续的进一步优化。

4.2 软件模块

该系统主要由可调节支架控制、电子水平仪信息录入、自动检定、记录管理和退出系统几个模块组成，如图8所示。

可调节支架控制模块主要用于控制CCD摄像机在X、Y、Z 三个方向上的移动。X、Y 方向主要用于保证CCD摄像机的光学中心位于表盘指针旋转中心的正前方，Z方向用于保证被检电子水平仪与CCD摄像机的相对位置。在检定前将两者调整到最佳位置有利于采集到高质量的图像，为后续图像处理提供良好保证。

水平仪信息录入模块主要用于将被检仪器的相关信息输入自动检定系统，包括仪器的生产厂家、出厂编号、量程档位、检测方式等，完成证书所需信息。

自动检定模块是整个系统的核心模块，主要负责电子水平仪检定中的图像采集；对采集的图像进行特征提取，包括指针和分度线及指针旋转中心的提取；然后进行示值判读，包括拟合直线和示值判读两个部分。直线拟合部分采用最小二乘法，示值判读部分根据直线拟合的结果应用距离法识别指针位置完成读数；最后得出检测结论。

记录管理模块负责将检定数据和结论保存到数据库中，生成报告供打印使用；同时可以查询历次检定内容，方便随时调取历史记录；设定了删除修改功能，以便后续参考与修正使用。

图7 电子水平仪自动检定装置软件界面

图8 软件系统组成模块

5 不确定度分析与实验

5.1 不确定度评定

标准不确定度分量见表1。

合成标准不确定度的有效自由度veff为

取置信概率p =95%，按有效自由度veff=61，查t分布表得到t值。

经对分度值为0.01 mm/m、0.05 mm/m的电子水平仪示值误差测量结果进行测量不确定度评定，其扩展不确定度为

当分度值为0.05 mm/m时，U =0.10 mm/m（k =2）

当分度值为0.01 mm/m时，U =0.02 mm/m（k =2）

5.2 实验

对送检样品WYLER牌指针式电子水平仪进行检定读数实验，其分度值为0.05 mm/m和0.01 mm/m。本文仅取分度值为0.05 mm/m量程档进行读数数据分析，结果如表2所示。

表1 标准不确定度分量一览表

表2 分度值为0.05 mm/m 电子水平仪示值误差自动检定和手动检定读数（取多次实验的平均值）

图9 自动检定和手动检定误差曲线

通过对比实验可知，分度值为0.05 mm/m的被检WYLER牌指针式电子水平仪自动检定与手动检定的示值误差结果基本一致，最大误差为0.030 mm/m，小于扩展不确定度的1/3，因此在允许范围内。由于肉眼观察识别读数受光线、视角影响较大，每次检测结果受人为影响较大，而机器视觉可更好地保证数据的重复性，因此两者相比自动检定可以获得更为稳定准确的读数。

6 结语

本文对电子水平仪自动检定系统进行了组建，采用机器视觉方法替代肉眼读数，提高了仪表的检定效率及自动化水平。通过实际测试，该系统功能完善、自动化程度高、操作简单、性能稳定可靠，可以替代手动检定，完全达到了预期目标，具有较好的应用前景。

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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