李 偉，任青青，胡艷俠，朱少君，謝磊金

(長(zhǎng)安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064)

一種復(fù)雜指針式儀表的讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別算法

李 偉，任青青，胡艷俠，朱少君，謝磊金

(長(zhǎng)安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064)

針對(duì)儀表表盤背景復(fù)雜且有液體填充物的指針式儀表，為了得到更加精確的讀數(shù)，提出了一種新穎實(shí)用的基于圖像處理技術(shù)的指針讀數(shù)識(shí)別方法。該方法在綜合運(yùn)用自適應(yīng)閾值迭代法對(duì)圖像二值化及形態(tài)學(xué)與剪影法結(jié)合的邊緣提取算法進(jìn)行圖像預(yù)處理的基礎(chǔ)上，采用Hough變換圓檢測(cè)和para空間均值圓心的方法確定儀表的圓心，創(chuàng)造性地采用了基于傳統(tǒng)中心投影法的雙向掃描求取均值確定角度的算法，并應(yīng)用角度法計(jì)算出儀表指針讀數(shù)。采用傳統(tǒng)中心投影法及其改進(jìn)算法進(jìn)行了同步對(duì)比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，并對(duì)兩種方法的誤差進(jìn)行了對(duì)比評(píng)估和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)算法性能穩(wěn)定，特別對(duì)于旋轉(zhuǎn)的儀表指針識(shí)別具有較高的精度和較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。

中心投影法；Hough變換；指針式儀表

0 引 言

指針式儀表因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、性能穩(wěn)定、成本低等特點(diǎn)，一直以來(lái)在工業(yè)控制、汽車船舶、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。儀表校驗(yàn)是保證儀表結(jié)構(gòu)完好、讀數(shù)準(zhǔn)確可靠的重要技術(shù)手段。在指針識(shí)別方面，學(xué)者們進(jìn)行了大量研究。有的學(xué)者設(shè)計(jì)了指針識(shí)別系統(tǒng)[1-2]，但是可靠性不高；劉迪等[3]提出了非均勻光照下指針式儀表自動(dòng)判讀算法設(shè)計(jì)；丁嬋等[4]運(yùn)用圖像剪影技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)圖像分辨率實(shí)現(xiàn)指針的檢出，通過(guò)轉(zhuǎn)換偏轉(zhuǎn)角度的基線位置，確定出儀表指針的讀數(shù)；汪澤濤等[5]提出了一種指針式儀表非接觸測(cè)量方法。但上述幾個(gè)文獻(xiàn)都采用Hough變換直線檢測(cè)指針，且實(shí)驗(yàn)儀表為背景簡(jiǎn)單的電壓或者電流表，針對(duì)背景復(fù)雜且有液體填充物形成水印的儀表，上述方法就不再適用。

為此，文中提出利用改進(jìn)的快速中心投影法和Hough變換[6-8]圓檢測(cè)與彩色分割相結(jié)合的方法，對(duì)具有復(fù)雜背景的儀表效果顯著。

1 算法總體框圖

該算法的總體框圖如圖1所示。

圖1 儀表識(shí)別算法框圖

為了精確識(shí)別出指針讀數(shù)，首先對(duì)采集的儀表圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括灰度化、二值化、邊緣提取等；其次采用Hough變換圓檢測(cè)與para空間均值圓心相結(jié)合的算法識(shí)別出圓心；再利用改進(jìn)的快速中心投影法識(shí)別出指針角度；然后采用彩色分割及連通域面積特征的方法識(shí)別出起始刻度線及終止刻度線；最后由角度法計(jì)算出儀表指針讀數(shù)。

2 圖像預(yù)處理

對(duì)采集到的儀表圖片先進(jìn)行圖像的預(yù)處理，以便后期Hough圓檢測(cè)可以準(zhǔn)確、高效的識(shí)別出儀表的圓心，指針識(shí)別預(yù)處理包括灰度化、二值化及邊緣檢測(cè)等。

2.1 二值化

為了準(zhǔn)確提取出指針，需要對(duì)圖像進(jìn)行閾值分割。首先將真彩圖轉(zhuǎn)換為灰度圖，然后再對(duì)灰度圖像進(jìn)行閾值分割。所謂傳統(tǒng)的二值化[9-10]方法，一種是通過(guò)全局閾值，另一種是通過(guò)局部閾值來(lái)處理目標(biāo)圖片[11-12]，但在實(shí)際的判讀中，由于受被測(cè)儀表的環(huán)境亮度、表盤背景等因素影響，將會(huì)造成圖像的亮度發(fā)生變化。若選用固定的閾值進(jìn)行二值化處理，不能適應(yīng)這種變化。

文中選用迭代法對(duì)儀表圖像進(jìn)行二值化，首先求出灰度圖像像素的最大灰度值fmax和最小灰度值fmin的平均值。

(1)

再根據(jù)閾值Ti將圖像分為前景和背景，分別求出兩者的平均灰度值Z1和Z2，最后求出新閾值：

Ti+1=(Z1+Z2)/2

(2)

如果所求Ti等于Ti+1，則所得即為閾值，否則繼續(xù)迭代求Ti+1，這樣確定的二值化閾值能夠很好地適應(yīng)外部環(huán)境的變化。儀表原圖和二值化后的結(jié)果圖分別如圖2(a)和(b)所示。

2.2 邊緣提取

邊緣檢測(cè)的有效性直接影響Hough變換檢測(cè)圓的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的邊緣檢測(cè)方法很多，比如Roberts邊緣檢測(cè)、Prewitt邊緣檢測(cè)、Log邊緣檢測(cè)、Canny邊緣檢測(cè)等。但是對(duì)于儀表表盤有水印和彩色刻度環(huán)即表盤紋理比較復(fù)雜的指針式儀表，用以上方法對(duì)儀表邊緣進(jìn)行提取都會(huì)丟失重要信息，這樣就不能利用Hough變換很好地識(shí)別出圓。所以，文中選用形態(tài)學(xué)與剪影法相結(jié)合的邊緣提取方法，可以提取出更全的儀表邊緣信息。首先利用形態(tài)學(xué)對(duì)二值化后的儀表圖像進(jìn)行腐蝕操作得到腐蝕后的圖像，然后利用剪影法將二值化后的圖像與腐蝕后的圖像相減得到邊緣圖像，該方法可以很好地保留儀表的邊緣。儀表邊緣提取圖像如圖2(c)所示。

圖2 儀表指針處理圖

3 儀表圓心的確定

對(duì)于儀表圓心的識(shí)別，采用基于Hough變換圓檢測(cè)和para空間均值圓心的方法確定儀表的圓心。Hough變換就是對(duì)圖像像素進(jìn)行某種形式的坐標(biāo)變換。Hough變換原理就是過(guò)x-y平面上固定點(diǎn)的所有圓的a-b-r對(duì)應(yīng)于參數(shù)空間中的一個(gè)三維錐面。這樣，檢測(cè)x-y平面上圓的問(wèn)題就轉(zhuǎn)換到檢測(cè)a-b-r參數(shù)空間上三維錐面的交點(diǎn)。

由Hough變換檢測(cè)圓的原理可知，只要找到參數(shù)空間中圓的交點(diǎn)即可，交點(diǎn)的累加值是參數(shù)空間中最大的。Hough變換算法的具體步驟如下：

(1)清空變換域，初始化閾值p為0～1之間的數(shù)。

(2)空間轉(zhuǎn)換，把圖像空間轉(zhuǎn)換到參數(shù)空間，轉(zhuǎn)換公式如下：

a=x-r×cosθ1

(3)

b=y-r×sinθ1

(4)

其中，a,b為圓心的橫、縱坐標(biāo)；x,y是圖像像素點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)；r為半徑；θ1為查找角度。r和θ1都是以一定的步長(zhǎng)變化的值。

(3)經(jīng)Hough變換后，需要在變換域內(nèi)搜索峰值。

Hough變換將所有檢測(cè)到的圓心坐標(biāo)存儲(chǔ)在para空間中。為了準(zhǔn)確得到圓心坐標(biāo)，將para空間中存儲(chǔ)的圓心坐標(biāo)累加求均值得到儀表的圓心坐標(biāo)。圓心坐標(biāo)在原圖中的顯示如圖2(d)所示。

4 指針識(shí)別

針對(duì)儀表表盤比較復(fù)雜，且表盤有色彩干擾及液體填充物分界線的影響，對(duì)圖像進(jìn)行二值化之后，儀表表盤的分界線也比較明顯，所以采用中心投影法[13-14]可以識(shí)別出指針的位置及角度；但是由于在運(yùn)用角度法識(shí)別指針時(shí)，會(huì)產(chǎn)生指針夾角的測(cè)量誤差，進(jìn)而會(huì)對(duì)儀表讀數(shù)產(chǎn)生較大影響，使讀數(shù)誤差較大。為了提高指針角度識(shí)別的準(zhǔn)確性，采用改進(jìn)的中心投影法對(duì)指針進(jìn)行識(shí)別，且在有限的圓環(huán)內(nèi)進(jìn)行識(shí)別，從而提高了識(shí)別的速度及精度。識(shí)別框圖如圖3所示。

圖3 指針識(shí)別流程圖

具體步驟如下：

(1)把儀表盤分成n個(gè)子區(qū)域，文中n取400，每個(gè)子區(qū)域都對(duì)應(yīng)一個(gè)角度θ。

(2)初始化一個(gè)角度值集合A(θ)，使其包含所有要投影的角度值，即整個(gè)圓周。設(shè)定起始搜索角度、終止搜索角度及搜索角度步長(zhǎng)，以水平方向開始順時(shí)針掃描，搜索步長(zhǎng)為0.005*pi。

(3)從未被選過(guò)的子區(qū)域中選出一個(gè)，在子區(qū)域內(nèi)進(jìn)行中心投影。

(4)判斷搜索角度是否達(dá)到終止搜索角度，若沒有則跳轉(zhuǎn)到步驟(3)繼續(xù)進(jìn)行，否則停止搜索，算法結(jié)束。

(5)檢測(cè)出投影后所有極大值imax的角度集合，在A(θ)中篩選出最大值的角度col，然后換算成指針的角度：

(5)

(6)

同理，用同樣的方法進(jìn)行逆時(shí)針掃描，通過(guò)求順時(shí)針與逆時(shí)針?biāo)弥羔樈嵌鹊木档贸鲋羔樈嵌?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于傳統(tǒng)的中心投影法，該算法對(duì)指針的識(shí)別更加準(zhǔn)確。圖2(e)是改進(jìn)方法識(shí)別指針圖，圖2(f)為二值化后的指針位置圖，白色細(xì)線即為指針位置。

5 起始及終止刻度線的確定

提取起始、終止刻度線是為了計(jì)算指針的讀數(shù)做準(zhǔn)備。由于這種復(fù)雜的儀表刻度環(huán)上基本都會(huì)有顏色，所以也不可能提取出所有的刻度線。文中選用彩色分割[15]及連通域面積特征來(lái)提取起始、終止刻度線，具體步驟如下：

(1)將RGB轉(zhuǎn)換到HSV空間，提取出S分量，然后進(jìn)行中值濾波。

(2)將提取出的S分量圖像二值化，去除刻度環(huán)以外的連通域，保留有用的刻度環(huán)。

(3)為了更加準(zhǔn)確地提取出起始、終止刻度線，根據(jù)刻度環(huán)連通域不同的面積分別識(shí)別出起始刻度線以及終止刻度線。

(4)根據(jù)提取出的起始和終止的連通域，以檢測(cè)的儀表圓心為中心，水平方向?yàn)檎较蚪⒆鴺?biāo)系，找到離水平方向距離最遠(yuǎn)的點(diǎn)，也即連通域最下面的點(diǎn)即為起始刻度上的點(diǎn)，同理找到終止刻度點(diǎn)，然后由圓心分別擬合成起始刻度線及終止刻度線。

儀表指針的識(shí)別過(guò)程如圖4所示。

圖4 儀表的指針識(shí)別過(guò)程

6 儀表判讀

以識(shí)別出的指針、起始刻度線及終止刻度線為依據(jù)，文中采用角度法[16]對(duì)儀表進(jìn)行判讀。

以儀表圓心為中心，水平方向?yàn)檎较蚪⒆鴺?biāo)系，當(dāng)指針位置在0°～270°時(shí)，儀表讀數(shù)為：

y=-0.1+(α-d)×D

(7)

當(dāng)指針位置在270°～360°時(shí)，儀表讀數(shù)為：

y=-0.1+(2×pi-d+α)×D

(8)

其中，α為起始角度；d為求出的儀表指針角度；D為儀表刻度每個(gè)弧度代表的讀數(shù)。

7 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)選用六氟化硫氣體壓力表，并對(duì)指針在不同位置進(jìn)行識(shí)別，用該方法對(duì)20幅圖像進(jìn)行識(shí)別。表1是傳統(tǒng)中心投影法與改進(jìn)的中心投影法的絕對(duì)誤差與相對(duì)誤差的對(duì)比圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文中方法明顯提高了讀數(shù)精度，而且對(duì)旋轉(zhuǎn)的儀表圖像指針識(shí)別也同樣準(zhǔn)確。

圖5是不同儀表以及旋轉(zhuǎn)儀表的指針識(shí)別結(jié)果圖。

圖5 不同的儀表識(shí)別結(jié)果

8 結(jié)束語(yǔ)

文中采用Hough變換圓檢測(cè)和para空間均值圓心的方法確定儀表圓心，根據(jù)改進(jìn)的快速中心投影法識(shí)別出指針的位置及角度，由彩色分割與連通域面積特征算法結(jié)合識(shí)別起始刻度線及終止刻度線，結(jié)合實(shí)際儀表限定角度搜索范圍及搜索區(qū)域，提高指針檢測(cè)的速度，確定儀表的讀數(shù)。該方法識(shí)別精度高，準(zhǔn)確性好，適合不同形狀的儀表表盤的識(shí)別，為后續(xù)更高難度的指針式儀表讀數(shù)工作奠定了基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定且識(shí)別誤差小，具有較為顯著的工程應(yīng)用價(jià)值。

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A Kind of Automatic Recognition Algorithm for Complex Pointer Instrument

LI Wei,REN Qing-qing,HU Yan-xia,ZHU Shao-jun,XIE Lei-jin

(College of Information Engineering,Chang’an University,Xi’an 710064,China)

For the pointer instrument with complex surface background and liquid filler,in order to get a more accurate reading,a novel and practical reading recognition method based on image processing technology is proposed.Based on this method in the integrated use of adaptive threshold iteration method for image binarization and edge extraction algorithm combined morphological method and the silhouette for image pre-processing,Hough transform circle detection and para space average center detection are adopted to determine the center of the instrument.And the method is adopted to find the pointer angle which is the mean method of bidirectional scanning based on traditional central projection,and the meter reading is calculated by using the angle method.The traditional central projection method and its improved one are compared and verified,and the error of the two methods are compared and analyzed.The experimental results show that the improved algorithm has stable performance,especially for the rotation of the pointer instrument recognition with high accuracy and strong real-time performance.

mid-projection;Hough transformation;pointer instrument

2016-04-22

2016-07-26

時(shí)間：2017-02-17

中央高校項(xiàng)目(310824152103)

李 偉(1981-)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)楣怆姅?shù)字化成像及檢測(cè)技術(shù)、儀器儀表自動(dòng)化；任青青(1989-)，女，碩士研究生，通訊作者，研究方向?yàn)閳D像處理、儀器儀表自動(dòng)化。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170217.1630.048.html

TP301.6

A

1673-629X(2017)03-0201-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.03.043