机器视觉技术的水表新型检定方法探讨

(深圳市计量质量检测研究院民生计量测试所 广东 深圳 518055)

水表检定广泛用于供水领域，应用十分广泛，但是传统水表检定方法效率较低，受人为因素干扰较大，目前机器视觉这项技术在水表检定方法进行应用不失为一项解决措施。该方法不仅是检定准确的保证，又能够使检定时间缩短，使水表检定提升效率，此外还使得湿式水表存在的气泡对于检定结果的影响降低甚至消除。

一、结构组成

水表检定由图像采集仪器与数据采集仪器以及PC机等组成。其中图像采集选用数台相机，至于数据采集包括水压力传感器，水温度传感器、以及进/出口控制阀门接口还有数据采集卡和无线式便携扫码枪。这一系统主要模块为视频图像的采集与通水阀门的自动控制和电子天平的数据采集以及工控机组成。

二、硬件特点

(一)采集视频图像。视频图像动态采集时数据极多，采用合适采集卡不仅分辨率较高，同时采集速度较快，有效避免数据丢失造成拉道的现象。此外为了充分发挥总线带宽，需要在通水排气时通过建模算法定位水表指针。

(二)通水阀门的自动控制。采取ATMEGAl6型号微控制器达成的控制核心进行工控机的通信工作，当工控机进行流量测试的程序需要开启总进/出水阀时，此时工控机会发送包含延时信息时间与相应数据至微控制器，此时微控制器在接收命令时会解析数据，从而进行相关阀门的打开关闭。

(三)电子天平的数据采集。借助电子天平采集标准水量的数据，电子天平借助通道直接与工控机进行串行通信，例如测量前后采集到电子天平的稳定数据或采集的其它参数进行动态检定，随后换向器开始引导水流在电子天平进出，同时采取方法解决天平的数据稳定。

(四)工控机。采用工控机进行整个水表的检测工作控制，包括诸如动态视频的图像数据采集与电子天平采集的标准量值分析等工作，此外还可以实现指针定位精确位置等算法过程以及阀门按序或自动控制，同时协调各模块共同工作与人机对话和判别合格以及报表打印诸多功能。

三、水表表盘

由于湿式水表与干式水表表盘梅花针的形状有所差异。计算系统误差的方法为比较法，其检测原理大致为：取标准表串联被测量表，而这一同在一起进行检测，使水表流过相同量的水，正确读取标准表与被测量表的实际读数，随后计算水表不同流量点出示值误差大小，最后与国标规定进行比较，判断是否合格。

湿式水表的表盘梅花针处容易受到气泡影响，若存在气泡，则对现场拍摄图像二值化处理时，梅花针会由于受到气泡干扰出现错误分割，甚至采样点刚好处于气泡处，会导致无法计数。我们选择借助二值图像处理施行形态学操作来使气泡消除。

四、软件设计

水表检测软件进行模块化设计，例如梅花针的定位模块，数值计数模块与数据库的存储模块以及参数设置的模块，最后还有显示打印的模块。在水表检定进行之前，需要工作员将基准表的误差补偿数据信息以及待检表的类型与检定员信息输入，然后开始水表检定工作。

(一)梅花针计数。通过梅花针计算转动齿数，来间接测取经过水流体积。若梅花齿位于采样点位置，该点变为黑色，否则该点变为白色，采样点的颜色从黑色变成白色及白色变成黑色为一遍黑白交替，通过记录采样点的颜色交替，得出采样点转动齿数的计数值。

五、软件特点

(一)系统组成与要求。整个系统功能由多模块组成，包括含电子阀门的定时控制模块、系统的注册安全模块、摄像头检定算法模块、系统全局设置模块等等，其中，系统全局设置模块最为关键，内部有水表检定时间以及状态

参数设置功能，方便操作人员的参数设置和控制，实现水表检定的自动化。水表检定环境条件比较复杂，要求确保照明充足，各种电路能持续稳定工作。

(二)图像识别及数据建模算法。在检定阶段，为了连续跟踪水表指针，以获得水表示值的准确数据，摄像机需实时传输大量的图像数据，若算法过于复杂的话，就不能实时完成任务，但算法过于简单又不能解决水珠、气泡等遮挡的问题。因此除了采用新型图像采集卡及新型总线外，设计一个有效合适的图像处理算法极其重要。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。

六、实验及结论

水表检定方法种类繁多，新型方法层出不穷，这里我们选取一种进行实验，研究主要目标为同等检测精度，使检测时间大幅缩短能否通过用水量减少来实现。首先按相关规程要求，水表读数为使误差处于允许范围，实验时水表所用检定水量不可以少于水表最小单元检定分格数值的两百倍，已知普通机械式水表最小标准分格数值是0.05升，所以传统水表在检测实验时用水量需要大于10L。随后对水表进行常用流量、分界流量与最小流量这3种流量点作出出厂检定，使后两种流量点的用水量控制在10L，由于流量值小但是检定时间十分漫长，占到检定时间整体93%左右，可以看出减少这两种流量点试验检定时间能够有效提高检定效率。新型检定方法为借助高速摄像仪器，计算机建模以及拟合结合算法做到水表指针的定位准确，其中水表最小读数精确度可达0.0005升，用水量减少至1L，处于指针消除运转影响的考虑，检定用水量确定为1L。以此水表所得数据的可靠性可以借助实验验证。一般检验检测方法是否准确有效，常用办法是可以将待检测仪表使用其他成熟检测方法再测一遍比较，美中不足的是机械式普通水表其重复性较差，同一条件下测试同一水表重复性时仍存在巨大误差，失去比较意义。指针数据为确保可靠性，可于系统软件设置数据获得同时，检定前后时间段保留瞬间指针所示图像，采取人眼识别确定水表显示数值，最后比较二种方法所获数据。结果显示二种方法虽然所获数据存在差异，但十分接近，需要注意，人工读数时末位数据为估读数值，不可避免存在一定误差，同时表盘分度也有一定误差存在，机器视觉所得数据由系统进行准确定位从而得到读数，分辨率高。对比传统检定方法与机器视觉检定方法的最小读数与水表用水量和最终检定时间，可以得出最小读数取决于水流量大小以及摄像仪器采集，若摄像仪器采集速度30帧/s，则全部水表检定的时间大致为传统的16%。

七、结束语

检定方法各有不同，这里采取高精度的高速摄像仪器代替人眼对水表所示图像数据连续获取，然后借助计算机在处理动态视图以及模式识别的功能来获得分辨率更高的水表示值，不仅减少大量检定时间，同时检定过程实现自动化，节省大量人力物力，同时考虑水表用于安装拆卸与试验封闭性的时间，水表检定的效率总体可提升约3倍左右。但是人影光照等环境因素一定程度上干扰了机器图像的准确，严重者会使得图像变化剧烈，影响最终处理图像的结果。