维也里试验试纸颜色辨识装置

摘要

本发明公开了一种维也里试验试纸颜色辨识装置，包括试样杯位置同步编码器、照明组件、3CCD彩色摄像机、编有图像处理与颜色辨别软件包的工业控制机。试样杯位置同步编码器用于提供试样杯正对维也里试验恒温器观察窗口的到位信号，图像处理与颜色辨别软件包从3CCD彩色摄像机的视频输出中捕获当前正对观察窗口的试样杯中试纸的一帧静止图像，并对该帧静止图像进行截取、计算、辨识等处理，最终得出该试样杯中试纸的当前时刻颜色标记。本发明的主要优点是，可以有效地消除照明亮度对颜色辨识的影响，颜色判别精度高、速度快、重复性好，从而有效地减小了维也里试验定值的不确定度，为维也里试验操作的自动化和试纸颜色判别基准的定量传递打下基础。

权利要求

1.一种维也里试验试纸颜色辨识装置，其特征在于：包括含有编码盘[1]和两个光电转换器[2、3]的试样杯位置同步编码器，含有照明灯和照明灯电源的照明组件，3CCD彩色摄像机，装有开关量输入卡[4]、开关量输出卡、RGB三基色视频采集卡和图像处理与颜色辨别软件包的工业控制机，所述的编码盘[1]与维也里试验恒温器中试样杯支架的转轴固连，其上带有与试样杯支架上的试样杯孔数量相同且位置对应的编码槽[1-1]和一个编码孔[1-2]，所述两个光电转换器[2、3]均由位于所述编码盘[1]上方的发光管和位于所述编码盘[1]下方的光电转换管构成，当任意一个试样杯随试样杯支架转到正对维也里试验恒温器的观察窗口时，第一光电转换器[2]的发光管和光电转换管正好与对应的编码槽[1-1]正对，第一光电转换器[2]向所述的开关量输入卡[4]提供高电平信号，当放置测温铂电阻的试样杯支架孔转到所述的观察窗口时，第一光电转换器[2]的发光管和光电转换管正好与对应的编码槽[1-1]正对，而且第二光电转换器[3]的发光管和光电转换管正好与所述编码孔[1-2]正对，第一、第二光电转换器[2、3]同时向所述的开关量输入卡[4]提供高电平信号；所述照明组件和3CCD彩色摄像机正对维也里试验恒温器的观察窗口放置，照明灯电源与所述开关量输出卡上的第一固态继电器连接，摄像机电源与所述开关量输出卡上的第二固态继电器连接；所述的图像处理与颜色辨别软件包含有颜色标记数据库、测试结果数据库、参数设置模块、电源控制模块、显示模块、试样杯同步信号处理模块、图像捕获模块、颜色辨识模块：所述的颜色标记数据库存有几十种不同试样药型的六个颜色档次所对应的红色与蓝色的比值；所述的测试结果数据库保存各时刻采集的试纸颜色数据和辨识结果；所述的参数设置模块用于设置试验时各试样杯中所放试样的药型参数；所述电源控制模块在一个测试周期的开始或结束时相应控制所述第一、第二固态继电器来接通或断开照明灯电源、摄像机电源；所述显示模块通过三基色视频采集卡采集所述3CCD彩色摄像机的视频输出，在一个测试周期内始终通过显示屏显示试样杯中试纸的现场动态图像，测试周期结束后显示每个试样杯中试纸的颜色标记；所述试样杯同步信号处理模块的功能是，当查询到所述开关量输入卡[4]有开关量信号时调用所述的图像捕获模块，同时根据开关量信号的路数判断当前正对所述观察窗口的是否为装有试纸的试样杯，若判断为是，则调用所述的颜色辨识模块；所述图像捕获模块通过RGB三基色视频采集卡捕获一帧试样中杯试纸的静止图像并将其存入帧缓冲区中；所述颜色辨识模块的功能是，选取帧缓冲区中当前一帧静止图像并截取带有试纸重叠部分图像的固定矩形区域，对该固定矩形区域中所有像素求取RGB三基色各自的平均值，再求出红色平均值与蓝色平均值的比值，将该比值与所述的颜色标记数据库中对应试样品试纸颜色的六个档次的基准数据作比较，确定此时当前试样杯中试纸的颜色标记并将判定结果以列表形式存入所述测试结果数据库中。

2.根据权利要求1所述的维也里试验试纸颜色辨识装置，其特征在于：所述试样杯中试纸的现场动态图像大小192×144像素；所述固定矩形区域为44×64像素。

说明书

技术领域

本发明属于机器视觉技术领域，主要涉及一种基于视频图像处理的、应用于火药维也里试验试纸颜色自动辨识的测量装置。

技术背景

维也里试验，又称石蕊试纸试验，是一种以硝酸酯为基的火药安定性试验的基本方法。其原理是：将一定量的火药样品放入带有石蕊试纸的维也里试样杯中密封，并将试样杯放入106.5±0.5℃的恒温器内加热，观察样品分解释放出来的NO2与石蕊试纸作用使试纸颜色改变的时间，来判断火药或硝化纤维素的安定性。这种试验方法的主要优点是结果稳定、可靠性高，已经应用了近百年，至今仍然是许多国家判定火药安定性的主要方法之一。

按照国军标GJB 770A-97进行维也里试验时，要采用一种专用的维也里试验恒温器，装有火药样品和石蕊试纸的试样杯(一般每次10-15个)安置在恒温器内一个转动的支架上，支架以每分钟5～8转的速度转动。当试样在恒温器内加热时，石蕊试纸逐渐由初始的蓝色变为红色，按照试验标准要求，要分六个档次判别试纸颜色：“L-蓝色”、“Lz-蓝紫色”、“Z-紫色”、“Zm-紫玫瑰色”、“M-玫瑰色”、“Ho-红色”。由于石蕊试纸是卷放在试样杯中的，因此石蕊试纸的两边有一定的重叠，而在试验过程中，石蕊试纸的重叠部分颜色变化滞后于不重叠部分；同时，由于试纸存在网纹，颜色的变化也是不一致的。操作人员每30分钟通过恒温器的观察窗口辨别每个试样杯中试纸重叠部分的颜色，按照上述的六个颜色档次记录每个观察时刻试纸重叠部分的颜色标记，直到满七个小时、或者试纸的颜色由初始的蓝色变为红色或样品冒出棕烟，即可取出试样杯通风冷却，再进行下一轮的试验。对一组样品的试验过程一般需要持续几十个小时。

长期以来，我国一直沿用原苏联引进的恒温器和人工试验方式，试纸颜色的判别依赖于操作人员肉眼辨别。由于人工肉眼判别难以严格规定统一的颜色基准，缺乏有效的量值传递方法，虽然采用了标准药、标准试纸和定期举办操作人员统一操作会等措施，仍然存在测量精度低，人为误差大这一本质缺陷；同时，由于试验的持续时间长，操作人员需要换班，由光照差别、人员视觉疲劳和倒班引起的不同操作人员的颜色判别误差，更增加了这种方法的测量误差。目前人工肉眼判别方式下，对火药标准物质和标准试纸，维也里试验定值的不确定度只能达到10％～15％。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现用维也里试验中人工肉眼辨别试纸颜色的本质缺陷，提供一种采用计算机数字颜色识别技术的维也里试验试纸颜色辨识装置。该装置能够定量判别试纸颜色变化，减小维也里试验定值的不确定度，从而为维也里试验操作自动化和试纸颜色判别基准的定量传递打下基础。
为解决上述技术问题，本发明包括含有编码盘和两个光电转换器的试样杯位置同步编码器，含有照明灯和照明灯电源的照明组件，3CCD彩色摄像机，装有开关量输入卡、开关量输出卡、RGB三基色视频采集卡和图像处理与颜色辨别软件包的工业控制机，所述的编码盘与维也里试验恒温器中试样杯支架的转轴固连，其上带有与试样杯支架上的试样杯孔数量相同且位置对应的编码槽和一个编码孔，所述两个光电转换器均由位于所述编码盘上方的发光管和位于所述编码盘下方的光电转换管构成，当任意一个试样杯随试样杯支架转到正对维也里试验恒温器的观察窗口时，第一光电转换器的发光管和光电转换管正好与对应的编码槽正对，第一光电转换器向所述的开关量输入卡提供高电平信号，当放置测温铂电阻的试样杯支架孔转到所述的观察窗口时，第一光电转换器的发光管和光电转换管正好与对应的编码槽正对，而第二光电转换器的发光管和光电转换管正好与所述编码孔正对，第一、第二光电转换器同时向所述的开关量输入卡提供高电平信号；所述照明组件和3CCD彩色摄像机正对维也里试验恒温器的观察窗口放置，照明灯电源与所述开关量输出卡上的第一固态继电器连接，摄像机电源与所述开关量输出卡上的第二固态继电器连接；所述的图像处理与颜色辨别软件包含有颜色标记数据库、测试结果数据库、参数设置模块、电源控制模块、显示模块、试样杯同步信号处理模块、图像捕获模块、颜色辨识模块：所述的颜色标记数据库存有几十种试样药型的六个颜色档次所对应的红色与蓝色的比值；所述的测试结果数据库保存各时刻采集的试纸颜色数据和辨识结果；所述的参数设置模块用于设置试验时各试样杯中所放试样的药型参数；所述电源控制模块在一个测试周期的开始或结束时相应控制所述第一、第二固态继电器来接通或断开照明灯电源、摄像机电源；所述显示模块通过三基色视频采集卡采集所述3CCD彩色摄像机的视频输出，在一个测试周期内始终通过显示屏显示试样杯中试纸的现场动态图像，测试周期结束后显示每个试样杯中试纸的颜色标记；所述试样杯同步信号处理模块的功能是，当查询到所述开关量输入卡有开关量信号时调用所述的图像捕获模块，同时根据开关量信号的路数判断当前正对所述观察窗口的是否为装有试纸的试样杯，若判断为是，则调用所述的颜色辨识模块；所述图像捕获模块通过RGB三基色视频采集卡捕获一帧试样杯中试纸的静止图像并将其存入帧缓冲区中；所述颜色辨识模块的功能是，选取帧缓冲区中当前一帧静止图像并截取带有试纸重叠部分图像的固定矩形区域，对该固定矩形区域中所有像素求取RGB三基色各自的平均值，再求出红色平均值与蓝色平均值的比值，将该比值与所述的颜色标记数据库中对应试样品试纸颜色的六个档次的基准数据作比较，确定此时当前试样杯中试纸的颜色标记并将判定结果以列表形式存入所述的测试结果数据库中。
根据本发明，所述试样杯中试纸的现场动态图像大小为192×144像素；所述固定矩形区域为44×64像素。
本发明的有益效果体现在以下几个方面。
(一)采用将所捕获静止图像中对应于试纸重叠部分的固定矩形区域中所有像素求取RGB三基色各自的平均值，作为试纸颜色的基础数据，有效地消除了因试纸存在网纹引起的颜色变化不一致性。
(二)采用求出红色平均值与蓝色平均值的比值作为试纸颜色判别的依据，符合石蕊试纸在试验过程中逐渐由初始的蓝色变为红色的客观规律，具有较大的颜色分辨范围。同时，采用比值而不是某些颜色的数值作为判别的依据，可以有效地消除照明亮度对三基色值的影响。
(三)本发明采用3CCD彩色摄像机、RGB三基色视频采集卡，三个基色具有各自独立的光路、信号调理器、传输线和A/D变换器，可以保证色彩信号数字化的精确度；采用本发明对不同颜色的标准颜色块进行重复采集和处理，减小了维也里试验定值的不确定度。
(四)本发明可以作为成套维也里试验自动测控系统的核心装置，改变长期沿用的依赖人工肉眼辨别试纸的操作方式，消除人为误差这一本质缺陷；为实现维也里试验量值的定量传递和操作自动化打下基础。
(五)本发明也可移植应用于其它化工领域，具有较广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明维也里试验试纸颜色辨识装置的组成示意图。
图2是图1中所示的试样杯位置同步编码器的组成示意图。
图3是图1中所示的照明灯组件的组成示意图。
图4是试纸RGB三基色视频信号采集原理图。
图5是本发明的图像处理与颜色辨别软件包的主程序流程图。
图6是本发明优选实施例在屏幕上显示的某时刻的测试结果。
图7是图5中所示颜色辨识模块的流程图。
图8是本发明优选实施例对某种火药样品进行测试的试纸颜色三基色平均值变化曲线。

具体实施方式

正如图1所示，本发明的优选实施例包括试样杯位置同步编码器、照明组件、3CCD彩色摄像机、工业控制机。试样杯位置同步编码器安装在维也里试验恒温器的下部，照明组件和3CCD彩色摄像机正对维也里试验恒温器的观察窗口，工业控制机根据试样杯位置同步编码器的输出信号，完成对维也里试验恒温器中相应位置上带有石蕊试纸试样杯的图像捕获、信号处理、颜色辨识等操作。
根据图2所示，试样杯位置同步编码器含有编码盘1、第一光电转换器2、第二光电转换器3。编码盘1是带有轴孔的金属圆盘，它固连在维也里试验恒温器的转轴上并可与试样杯支架同步转动；圆盘上设有数个编码槽1-1和一个编码孔1-2，数个编码槽1-1均布在圆盘的外缘，编码槽1-1的具体数量与试样杯支架上的试样杯放置孔的数量相同且位置一一对应；编码孔1-2位于轴孔外侧其中一个编码槽1-1的径向线上且位置向轴孔方向偏移，以便与相邻的编码槽1-1错开。目前，实验室中的维也里试验恒温器采用的是十一孔试样杯支架，其中0号孔放置插有测温铂电阻的试样杯，1号至10号孔放置装有试纸的试样杯(在放置试样杯时，要求可看到试纸重叠部分的试样杯一侧位于试样杯支架的外圆周一侧且试纸重叠部分居中)，因此本优选实施例的编码盘1上设有十一个编码槽1-1，安装时，径向线上带有编码孔1-2的编码槽1-1与试样杯支架上的0号孔插位置对正。第一光电转换器2安装在维也里试验恒温器观察窗口一侧的本体上，其发光管和光电转换管分别位于编码盘1的上、下端且径向位置与编码槽1-1对应，第二光电转换器3与第一光电转换器2相隔180°安装在维也里试验恒温器的本体上，其发光管和光电转换管分别位于编码盘1的上、下端且径向位置与编码孔1-2对应。当维也里试验恒温器中的电机带动试样杯支架转到其中一个试样杯正对3CCD彩色摄像机的位置时，第一光电转换器2的光电转换管通过编码槽1-1接收到发光管发出的光线，经转换成为高电平信号送入信息采集与控制系统，试样杯支架每转动一周，第一光电转换器2就会产生十一个脉冲信号。当试样杯支架的0号孔转到正对3CCD彩色摄像机位置时，第二光电转换器3的光电转换管通过编码孔1-2接收到发光管发出的光线，经转换成为高电平信号送入信息采集与控制系统，试样杯支架每转动一周，第二光电转换器3只产生一个脉冲信号。当工业控制机同时接收到两路信号均为高电平，就可以确认当前3CCD彩色摄像机拍摄的是带有测温铂电阻试样杯的图像。当工业控制机只接收到第一路信号为高电平，就确认当前3CCD彩色摄像机拍摄的是试样杯中试纸的图像(而且试纸重叠部分的图像位于该幅图像的居中位置)。
根据图3所示，照明组件含有照明灯电源及滤波器、金属卤素灯泡、聚光罩、聚光透镜，其功能是为摄像机采集试纸图像提供稳定的照明光源。在本优选实施例中，照明灯电源采用5V开关稳压电源，输出端加π滤波器。照明灯泡选用金属卤素灯泡，这种灯泡具有高效率、高演色性、高色温和短弧距的特点，适用于实验室环境下低压仪器的断续照明。聚光罩和聚光透镜将灯光会聚成一束近似平行光，垂直照射到维也里试验恒温器的观察窗口，该窗口是镀有光学薄膜的双层玻璃。该束平行光透过观察窗口后在试样杯的上部玻璃、试样杯支架壁和恒温器内壁发生多重反射，形成漫射光照亮试样杯的下部，从而有效地避免外部光线在试纸图像部位产生反射光。除该照明灯光外，整个观察窗口和摄像机用遮光布蒙住，以消除外部其它光线对试纸颜色判别的影响。
根据图4所示，本优选实施例选用的3CCD彩色摄像机以12V开关稳压电源和π滤波器作供电电源，其主要技术指标为：CCD芯片3X1/3”，752X582像素，水平分辨率570 TV线，信噪比＞54db；其工作原理是目标图像由透镜会聚到分色棱镜，再经分色棱镜分离成各自独立的RGB三色光，分别照射到相应的面阵CCD，这三路分色视频信号经各自独立的电路板调制后与同步信号一起输出到信息采集与控制系统。
在本实施例中，工业控制机中插有开关量输入卡、开关量输出卡、RGB三基色视频采集卡，并内置有包括颜色标记数据库、测试结果数据库、试样杯同步信号处理模块、电源控制模块、图像捕获模块、颜色辨识模块、显示模块、参数设置模块的图像处理与颜色辨别软件包。开关量输入卡可将第一、第二光电转换器输出的高电平信号转换成两路开关量信号送入试样杯同步信号处理模块，其主要技术指标为：输入电压5～24V，输入电流最大60mA隔离输入，输入阻抗1.2kQ。开关量输出卡带有两路开关输出通道，其中：第一开关输出通道根据控制模块发出的指令，控制第一固态继电器，由此接通或断开照明灯电源；第二开关输出通道根据控制模块发出的指令，控制第二固态继电器，由此接通或断开3CCD彩色摄像机的稳压电源，开关量输出卡的主要技术指标为：继电器类别8 SPST，触点额定电压24VDC，电流1A。RGB三基色视频采集卡带有三路各自独立的前置放大器、A/D变换器及附属电路，其主要技术指标为：6个软件可选的A/D转换通道支持两路RGB视频信号，1路单独的同步信号通道，RGB 8:8:8输出像素格式，4MB视频缓冲存储器；由3CCD彩色摄像机输出的三路分色视频信号经RGB三基色视频采集卡转换为三个8位数字的视频信号。颜色标记数据库中存有几十种试样药型的六个颜色档次所对应的红色与蓝色的比值，这些数据是可以通过大量实验操作并对实验结果进行统计分析得出，或经由上一级维也里试验计量装置量值传递获得。    
图5示出了信息采集与控制系统软件程序的主流程。采用本发明进行维也里试验时，由于不同药型的维也里试验试纸颜色判别基准是不一样的，所以在试验前，要通过工业控制机的键盘将当前批次中试样支架上每个试样杯中的药型参数输入到参数设置模块。试验开始，首先启动计时系统并在工业控制机的显示屏上显示当前时间。当计时达到规定的试纸颜色判别时间前1分钟，电源控制模块控制开关量输出卡上第一、第二固态继电器分别接通照明灯和3CCD彩色摄像机的电源，以便在采集图像前，使照明灯的光亮度和摄像机内部的电路性能达到稳定状态；与此同时，为当前时刻颜色判别做好准备，即清除帧缓冲区中前一次颜色判别留存的一组数字图像，清除内存中前一次判别流程暂存的颜色识别处理过程中的相关数据，清除显示屏中显示的前一次判别流程各试样杯中试纸的颜色数据和颜色标记。随即，显示模块接收RGB三基色视频采集卡输出的数字视频信号，并截取该幅图像中心部位(192 X 144像素)通过显示屏显示动态的现场图像。当计时达到规定的试纸颜色判别时间，试样杯同步信号处理模块启动，并不断查询开关量输入卡是否有中断信号。一旦开关量输入卡送来中断信号，同步信号处理模块根据两路开关量信号的电平判别此时正对观察窗口的是放置插有测温铂电阻的试样杯(即支架的0号孔位置)，还是某一个放有试样和试纸的试样杯。如果是支架的0号孔位置，将内存中的当前试样杯号变量清零；如果只有第一光电转换器2的信号为高电平，即支架的1号孔～10号孔之中的一个孔正对观察窗口，将内存中的当前试样杯号变量递增，该时刻的视频信号即为当前试样杯号的试纸图像。如果这一试样杯中试纸颜色尚未判别，就调用图像捕获模块从RGB三基色视频采集卡的输出中捕获一帧被分成红、蓝、绿三幅单色图像的静止图像，并从中间部位截取192 X 144像素存入帧缓冲区中；随即调用颜色识别模块完成试纸图像的颜色辨别。接着程序继续查询开关量输入卡是否有中断信号，直至所有试样杯中试纸图像颜色全部判别完。如果所有试样杯中试纸图像颜色全部判别完毕，程序将当前时刻各试样杯中试纸的三基色数值、颜色标记在显示屏进行显示(参见图6)，同时还以列表形式将上述测试结果存入到测试结果数据库中。至此，程序完成了一个测试周期，电源控制模块启动，通过开关量输出卡上的第一、第二固态继电器关闭照明灯电源和摄像机电源，随后程序可从计时步骤开始反复循环上述测试周期，直至达到七个小时或者试验结束。
图7示出了本发明的颜色辨别子程序流程图。当主流程判断当前的捕获图像为试纸图像时，颜色辨识模块启动。该模块首先从帧缓冲区中保存的红、绿、蓝图像数据中截取44 X 64个像素的矩形框，该矩形框的图像即为试纸重叠部位的图像；分别采用以下公式对三幅单色静止图像矩形框中的所有像素求取其基色平均值，即：
$\bar{r}=\frac{1}{m\times n}\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{r}_{\mathrm{ij}}$
$\bar{g}=\frac{1}{m\times n}\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{g}_{\mathrm{ij}}$
$\bar{b}=\frac{1}{m\times n}\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{b}_{\mathrm{ij}}$
式中，r、g、b分别表示对m行×n列像素求出的红色、绿色、蓝色平均值，rij、gij、bij分别表示第i行第j像素上的红色、绿色、蓝色值，并根据下式求出红色平均值与蓝色平均值的比值。
δ＝r/b
颜色辨识模块根据参数设置模块设置的药型参数，从颜色标记数据库数据库中调出相应药型的试纸颜色基准数据，即六个颜色档次所对应的红色与蓝色的比值与本模块计算的δ值进行比较，确定此时试纸颜色属于那个颜色段，从而判定其颜色标记。
维也里试验使用石蕊试纸，当石蕊试纸和火药样品在密封的试样杯中加热时，样品分解释放出来的NO2与石蕊试纸作用，使试纸颜色由初始的偏蓝色向偏红色改变。由于不同类型的火药中含有的其它添加剂及其比例不同，试纸的颜色变化不完全相同，但是，石蕊试纸的颜色由偏蓝逐渐变为偏红这一客观规律是由石蕊试纸的本性所决定的。图8为某一种火药样品在一次维也里试验中实测的试纸颜色三基色平均值变化曲线，横坐标为试纸颜色判别的次数，每次间隔半小时，纵坐标为基色值。可以看出，对三基色分离后，在7个小时中石蕊试纸的绿色分量在试验过程中改变很少，红色呈逐步升高，蓝色呈下降趋势。在该实例中，试纸颜色由蓝紫色(Lz)变为玫瑰色(M)，红色平均值由91.27变为109.02，变化19.45％，绿色平均值由80.75变为86.08，变化6.6％，蓝色平均值由87.37变为79.55，变化-8.95％，因此，人眼的感觉是试纸颜色逐渐从蓝色改变为红色。同时，外部光源的色温和照度对三基色的值有很大影响，光线的照度变化，使整个试纸图像的亮度改变，三基色值相应升降。经过不同处理方法的试验，本发明采用了红色平均值与蓝色平均值的比值作为判别试纸颜色的标志的判别依据，可以有效地消除照明亮度对三基色值的影响。同时，红色平均值与蓝色平均值的比值改变幅度大，可以更有效地分辨石蕊试纸颜色的变化。在该实例中，红色平均值与蓝色平均值的比值由1.045变为1.37，变化量达31.1％。
本优选实施例所达到的技术指标为：
测量重复性标准差                ＜3％，
对一个试样杯中试纸的测量时间    0.5秒。
测量重复性标准差是指对标准颜色块进行重复测量所求出的红色平均值与蓝色平均值的比值的统计偏差。