儀表圖像檢測(cè)相關(guān)技術(shù)及系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u17923儀表圖像檢測(cè)相關(guān)技術(shù)及系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)案例 1314341.1HSV與RGB色彩模型對(duì)比分析 1321321.1.1RGB色彩模型 1263901.1.2HSV色彩模型 257151.2窗及卷積運(yùn)算 3166861.4圖像處理系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 6249811.4.1圖像處理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 6321081.4.2方案對(duì)比分析 61.1HSV與RGB色彩模型對(duì)比分析人類(lèi)是依靠物品的色彩來(lái)讀取該物品一些關(guān)鍵的信息的，人類(lèi)的眼睛主要采集的信息就是物品的色彩。根據(jù)這個(gè)原理，如果使用工控機(jī)對(duì)一個(gè)物品進(jìn)行一系列操作的話(huà)，首先要使工控機(jī)可以讀取出該物品的色彩信息。也就是說(shuō)，工控機(jī)需要對(duì)該物品不同的色彩實(shí)行標(biāo)記。如果工控機(jī)要完成對(duì)物品不同的色彩實(shí)行標(biāo)記，那么就需要給工控機(jī)定義一個(gè)適合的色彩模型。若色彩模型挑選的恰當(dāng)，工控機(jī)能夠很迅速的將物品的信息轉(zhuǎn)化成可識(shí)別的機(jī)器語(yǔ)言。所以挑選恰當(dāng)?shù)纳誓Ｐ蛯?duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是十分關(guān)鍵的。目前，主流的色彩模型主要有HSV與RGB兩種，這兩種模型各有利弊，具體請(qǐng)看下面的解析。1.1.1RGB色彩模型一般家用的電器上所用到的顯示屏幕上用的都是RGB色彩模型，它在我們身邊經(jīng)常見(jiàn)到。該模型是把紅色(Red)、綠色(Green)、藍(lán)色(Blue)作為基準(zhǔn)顏色，通過(guò)這三種顏色不同的配比，達(dá)到顯示所有顏色的目的。圖1.1是RGB色彩模型：圖1.1RGB色彩模型由RGB色彩模型圖可得，紅、綠和藍(lán)這幾種基準(zhǔn)色彩分別對(duì)應(yīng)空間坐標(biāo)系的X軸、Y軸、Z軸，因每種色彩在計(jì)算機(jī)中對(duì)應(yīng)的位數(shù)為八位，故每種色彩被分割的份數(shù)為：28=256份，所以對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸的每種顏色最大值255，而在該坐標(biāo)系內(nèi)，任何一種色彩都能找到對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，該坐標(biāo)系能夠表示的色彩總共有：2553=16777216種。由此可見(jiàn)，RGB色彩模型的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)較容易，能夠很清晰的描繪各種色彩的特性。1.1.2HSV色彩模型HSV色彩模型是通過(guò)H(色調(diào))、S(飽和度)與V(亮度)這幾大類(lèi)基本要素構(gòu)成的，它是模擬人類(lèi)對(duì)色彩的認(rèn)知方式構(gòu)建的。H是色調(diào)，代表的是物體的相對(duì)明暗程度。S是飽和度，代表的物體顏色的純度。V是亮度，顧名思義就是物品的明亮程度，也是該物品對(duì)人的光亮感覺(jué)。如圖1.2就是HSV色彩模型。圖1.2HSV色彩模型由圖1.2可以看出，H、S與V的這三者之間的聯(lián)系為：H表示色彩的色調(diào)，是依靠旋轉(zhuǎn)度數(shù)越大，其物品的顏色也就越豐富，其旋轉(zhuǎn)角度最小為0度，最大是360度，當(dāng)其色調(diào)值在0度時(shí)，代表的是只有紅色一種顏色，物品顏色非常單一，隨著旋轉(zhuǎn)角度逐漸變大，開(kāi)始逐漸向黃色靠攏，在其旋轉(zhuǎn)至60度時(shí)，就變成了黃色；接著旋轉(zhuǎn)至120度時(shí)，變成了綠色；旋轉(zhuǎn)至180度時(shí)，變成了青色；旋轉(zhuǎn)至240度時(shí)，變成了藍(lán)色；旋轉(zhuǎn)至300度時(shí)，變成了品紅；最后到360度時(shí)，又回到了0度對(duì)應(yīng)的紅色。S是代表物品的飽和度，表示色調(diào)值的濃郁水準(zhǔn)，飽和度越高，其色調(diào)值就越濃郁，最小的是0%，最大到100%，飽和度越高的物品其色彩對(duì)比就越明顯。V表示色彩的亮度，代表了一個(gè)物品的明亮程度，亮度值越高，其物品就越發(fā)明亮。最小值是0%，最大值是100%。由于HSV色彩模型是根據(jù)人類(lèi)的眼睛觀察物品的習(xí)慣建立的，所以這種模型的照片讓人看起來(lái)更加舒服。而且由于該模型的H、S、V這三者之間的聯(lián)系不是很大，對(duì)工控機(jī)來(lái)說(shuō)，更加有利于對(duì)照片的色彩進(jìn)行把控。雖然現(xiàn)在主流的圖片顯示器都使用RGB模型來(lái)顯示物品，但是在圖形分析領(lǐng)域，時(shí)常會(huì)用HSV模型把原來(lái)RGB模型的圖形轉(zhuǎn)換，以此更加方便的分析圖形屬性，其換算公式如下：(1.1)其中：(1.2)(1.3)(1.4)1.2窗及卷積運(yùn)算圖形識(shí)別中經(jīng)常使用一種算法，名叫滑動(dòng)窗口法，這是大部分算法的根源。主要講的是：將一個(gè)像素點(diǎn)看成是一個(gè)窗，以這個(gè)像素點(diǎn)為中心延伸出一個(gè)矩陣，該矩陣的數(shù)量必須是奇數(shù)，例如3×3的矩陣或者是5×5的矩陣，然后給定一些特殊的計(jì)算條件，使矩陣內(nèi)的數(shù)據(jù)均參與運(yùn)算，輸出的結(jié)果就可以得到以這個(gè)像素點(diǎn)為中心周?chē)鷧^(qū)域內(nèi)的加權(quán)平均值或者是峰值等。圖1.3就是圖形識(shí)別中經(jīng)常使用的是3×3滑動(dòng)窗，雖然在制定窗口時(shí)，可以依照目標(biāo)特征制定5×5、7×7等更多的矩陣，但是，隨著矩陣的數(shù)量不斷增多，在圖形識(shí)別時(shí)工控機(jī)處理的數(shù)據(jù)也就越多。像素點(diǎn)圖1.33×3滑動(dòng)窗卷積其實(shí)可以解釋成為一組數(shù)據(jù)的加權(quán)求和的經(jīng)過(guò)。運(yùn)用3×3分布矩陣代表卷積的權(quán)，而被看做權(quán)的矩陣則被稱(chēng)之為卷積核，它的大小與被處理像素區(qū)域大小相同，權(quán)矩陣中，每一個(gè)權(quán)值與被計(jì)算區(qū)域中對(duì)應(yīng)位置的像素先相乘，之后將每個(gè)的乘積求和，得出的數(shù)據(jù)便是中心像素的最終值，取代最初的原先的值。舉個(gè)例子：3×3的矩陣區(qū)域U與權(quán)矩陣H卷積之后，U的中心像素的最終值T5的公式為：(1.5)該權(quán)矩陣?yán)锩娴脑胤Q(chēng)為卷積系數(shù)，圖形識(shí)別的精確度以及效率與卷積系數(shù)的聯(lián)系比較大。在數(shù)字信號(hào)處理中，卷積的計(jì)算被經(jīng)常拿來(lái)使用，而在圖形識(shí)別的計(jì)算過(guò)程中，也常常運(yùn)用，詳細(xì)運(yùn)算方程式具體如下所示：(1.6)在2-6上述計(jì)算方程式里，g(x,y)為經(jīng)卷積計(jì)算處理過(guò)后的圖形照片，f(x,y)為被計(jì)算的圖形照片，T(i,j)則是nn的方形窗。卷積模板的計(jì)算不只是和所全面處理的點(diǎn)的實(shí)際有效灰度數(shù)值相關(guān)[15]，同時(shí)還和其周?chē)貐^(qū)點(diǎn)的圖片像素?cái)?shù)值相關(guān)，完成了一類(lèi)臨近分布域計(jì)算。中數(shù)值自動(dòng)濾波、特點(diǎn)選取與功能模板匹配對(duì)應(yīng)等，都需要用到最為根本的卷積計(jì)算。1.3像素間的鄰接性及連通性圖形識(shí)別與運(yùn)算里，點(diǎn)的鄰接性非常重要，同時(shí)，點(diǎn)的連通性也非常重要，例如采集連通域、細(xì)化計(jì)算等，均是以點(diǎn)與點(diǎn)之間的連通性和鄰接性為根本的。被測(cè)圖形f(m,n)中，像素p的33方形窗中橫向相鄰的像素有兩個(gè)，左側(cè)的像素為(m,y)右側(cè)的像素為(m,y)；縱向的相鄰像素有兩個(gè)上方的像素為(,n)下方的像素為(n)這四個(gè)像素加在一起被叫做p的四鄰域[16]用字母N4(p)表示；p的左下方的像素為(mn右下方的像素為(mn(mn(mn圖1.4也就是為NDpNDpN4pp8N8p，圖1.4即為NDpN4pN8p。圖1.4相鄰像素下面開(kāi)始解釋像素之間的鄰接性，首先創(chuàng)建一個(gè)集合，將所有相同灰度值的像素匯總在一起。設(shè)像素q與像素p時(shí)是集合W當(dāng)中的兩個(gè)像素，如果q屬于N4(p)中，那么q與p的關(guān)系是四鄰接；如果q屬于N8(p)中，那么q與p的關(guān)系是八鄰接，為了避免兩個(gè)運(yùn)算既有四鄰接也有八鄰接時(shí)，將采用四鄰接，放棄八鄰接[17-18]。圖1.5圖片像素通路圖片像素的連通性的產(chǎn)生存在，是根據(jù)圖片像素鄰接性的一類(lèi)相互關(guān)系。假定圖片像素q的分布坐標(biāo)為(s，t)，圖片像素p的分布坐標(biāo)為(x，y)，添加一個(gè)點(diǎn)從圖片像素p出發(fā)，終點(diǎn)是像素q，那么這個(gè)點(diǎn)所經(jīng)過(guò)的所有像素形成的集合，就叫通路，這條通路所包含的圖片像素的點(diǎn)的分布坐標(biāo)，就稱(chēng)之為圖片像素排布序列：(x0，y0)，(x1，y1)，…，(xn，yn)，在這其中[19]，(x0，y0)就是圖片像素p的分布坐標(biāo)，(xn，yn)就是圖片像素q的分布坐標(biāo)(s,t)，n為像素序列的長(zhǎng)度。像素s和像素t，存在一條m通路和一條8通路和。1.4圖像處理系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)1.4.1圖像處理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)單元儀表圖像處理系統(tǒng)總體分為：圖形識(shí)別硬件設(shè)施應(yīng)用平臺(tái)，操作應(yīng)用系統(tǒng)和單元儀表圖像辨別應(yīng)用操作程序，圖1.6為單元儀表圖片全面處理體系組成結(jié)構(gòu)框架示意圖。圖1.6系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖1.4.2方案對(duì)比分析在選擇該方案的處理核心時(shí)，設(shè)計(jì)了兩套不同的核心方案。第一種是使用單片機(jī)做處理核心，組態(tài)工控屏作為人機(jī)交互單元（以下簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)方案）；第二種為使用工控機(jī)作為處理核心，顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤(pán)作為人機(jī)交互單元（以下簡(jiǎn)稱(chēng)工控機(jī)方案）。兩種方案的開(kāi)發(fā)成本、開(kāi)發(fā)周期、檢測(cè)效率、可靠性這四個(gè)方面均有著不同的差異。下面主要就兩種方案的可靠性與檢測(cè)效率方面進(jìn)行詳細(xì)地分析。工控機(jī)[20-21]的兼容性能能超強(qiáng)：1、同時(shí)使用ISA和PCI及PICMG資源，并且支持多種操作應(yīng)用系統(tǒng)，很多種不同編程語(yǔ)言匯編，多工作任務(wù)操作應(yīng)用系統(tǒng)。2、實(shí)時(shí)在線(xiàn)性工控機(jī)對(duì)生產(chǎn)加工工藝過(guò)程展開(kāi)實(shí)時(shí)在線(xiàn)操作控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，所以需要它實(shí)時(shí)在線(xiàn)地反應(yīng)操作控制目標(biāo)對(duì)象多種系數(shù)的改變。當(dāng)過(guò)程系數(shù)產(chǎn)生誤差或問(wèn)題故障的時(shí)候，工控作用機(jī)能及時(shí)有效反應(yīng)，并且能實(shí)行地展開(kāi)自動(dòng)報(bào)警與全面處理。3、環(huán)境適應(yīng)性能強(qiáng)，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境龐雜，電磁影響干擾嚴(yán)重，需要工控機(jī)滿(mǎn)足不同環(huán)境的要求，例如符合寬溫需求；具備防塵的水平；具備良好的電磁兼容性能與高抗外界干擾水平等。4、工控機(jī)一般應(yīng)用在操作控制不中斷的生產(chǎn)加工工藝過(guò)程，只要產(chǎn)生問(wèn)題故障就會(huì)造成質(zhì)量意外突發(fā)事故。所以需求工控機(jī)具備高可行性，充分保障平均無(wú)問(wèn)題故障運(yùn)行工作的時(shí)間實(shí)現(xiàn)幾千小時(shí)之后，與此同時(shí)，盡可能減少問(wèn)題故障修復(fù)完善時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)比較大的運(yùn)行工作效率。5、可同時(shí)傳輸性強(qiáng)，工控機(jī)為應(yīng)用底板+CPU卡組成結(jié)構(gòu)，從而具備非常強(qiáng)的自動(dòng)輸入自動(dòng)輸出作用功能，可擴(kuò)張數(shù)個(gè)板卡，可以和第二產(chǎn)業(yè)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的多種外設(shè)、板卡例如和道控制操作設(shè)備、視頻監(jiān)督控制體系、車(chē)輛測(cè)試儀等相互連接，以實(shí)現(xiàn)了多種工作任務(wù)。圖1.7為工控機(jī)方案框架圖。圖1.7工控機(jī)方案框架圖單片機(jī)[22-23]的特點(diǎn)：1、可維護(hù)性方面，只要單片機(jī)產(chǎn)生故障問(wèn)題無(wú)法診治判斷出現(xiàn)問(wèn)題故障設(shè)備元件，簡(jiǎn)易的模式是調(diào)換整套設(shè)備系，增長(zhǎng)了維修保護(hù)成本費(fèi)用。2、可擴(kuò)展性方面，因?yàn)閱纹瑱C(jī)設(shè)備的連接線(xiàn)路是參考依據(jù)確定的作用功能需求尤其綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，因此要增長(zhǎng)一個(gè)作用功能就需要重新再次綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)連接線(xiàn)路，并且與之對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序都需要重新再次綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這樣會(huì)導(dǎo)致研發(fā)費(fèi)用與工作周期均增長(zhǎng)。3、可靠性方面，截至當(dāng)前，單片機(jī)設(shè)備控制芯片的綜合品質(zhì)不同，加上其它外圍設(shè)備元件的系數(shù)離散性也巨大，批量小的產(chǎn)品沒(méi)有通過(guò)篩選裝置等專(zhuān)業(yè)技術(shù)全面處理，所以這樣的產(chǎn)品無(wú)法保持較好的一致性與高，因?yàn)槿我辉O(shè)備元件的系數(shù)偏離設(shè)計(jì)要求都會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。圖1.8為單片機(jī)方案框架圖。圖1.8單片機(jī)方案框架圖方案可靠性對(duì)比分析：?jiǎn)纹瑱C(jī)方案與工控機(jī)方案都是比較成熟的方案，首先從功能可靠性方面進(jìn)行兩者的對(duì)比。為了驗(yàn)證兩個(gè)系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在單片機(jī)系統(tǒng)所用到的組態(tài)工控屏界面建立一個(gè)按鈕，單片機(jī)的P1^0口連一個(gè)LED發(fā)光二極管。單片機(jī)方案連接框圖，如圖1.9所示。圖1.9單片機(jī)方案連接框圖連接好線(xiàn)路后，每隔半小時(shí)使用工控屏控制單片機(jī)對(duì)應(yīng)的LED燈，看是否會(huì)打開(kāi)熄滅。同時(shí)工控機(jī)系統(tǒng)這邊，用工控機(jī)通過(guò)IO板卡，控制一路繼電器，看是否會(huì)正常吸合。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1.1：序號(hào)連續(xù)運(yùn)行天數(shù)測(cè)試次數(shù)單片機(jī)方案死機(jī)次數(shù)工控機(jī)方案死機(jī)次數(shù)11810232440354040475670597270630240320由表中數(shù)據(jù)可以看出，用工控機(jī)為控制核心的方案，可靠性是遠(yuǎn)大于單片機(jī)方案的，而單片機(jī)方案存在經(jīng)常死機(jī)現(xiàn)象，該現(xiàn)象在以后的生產(chǎn)環(huán)節(jié)是致命的缺陷，無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)的