楊銀銀，丁 斌，何飛飛，陳子望

（南通市計(jì)量檢定測(cè)試所，江蘇南通226000）

0 引言

溶解氧測(cè)定儀主要用于測(cè)定水中常量溶解氧（DO）濃度［1］，其工作原理是氧透過(guò)隔膜被工作電極還原，產(chǎn)生與氧濃度成正比的擴(kuò)散電流，通過(guò)測(cè)量此電流，得到水中溶解氧的濃度［2］。主要分為電化學(xué)探頭法和熒光法溶解氧測(cè)定儀。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于視頻的圖像識(shí)別算法越來(lái)越多地應(yīng)用到自動(dòng)化檢測(cè)過(guò)程中，將人從單一重復(fù)的讀表工作中解放出來(lái)，不僅解放了勞動(dòng)力，也保證讀數(shù)的準(zhǔn)確率和及時(shí)性。

根據(jù)溶解氧儀顯示屏的實(shí)際顯示，如圖1所示，本文采用基于視頻的數(shù)字儀表示數(shù)識(shí)別算法，包括圖像采集和預(yù)處理模塊，數(shù)字區(qū)域定位于傾斜校正模塊、數(shù)字字符分割模塊、數(shù)字字符識(shí)別模塊以及識(shí)別結(jié)果輸出模塊。同時(shí)，在字符分割和字符識(shí)別部分添加了對(duì)小數(shù)點(diǎn)識(shí)別的優(yōu)化處理算法，提高了小數(shù)點(diǎn)的識(shí)別率。

圖1 溶解氧測(cè)定儀顯示屏

1 圖像采集和預(yù)處理

視頻圖像的采集是算法識(shí)別的第一步，本算法采用USB高清攝像機(jī)采集儀表圖像，圖像分辨率1 280×1 024，幀率為15幀/s。采集到原始視頻幀需要先做圖像預(yù)處理，然后才能進(jìn)行后期的識(shí)別。本算法中圖像預(yù)處理主要包括：圖像灰度化、圖像濾波和圖像二值化3個(gè)部分。

1.1 圖像灰度化

本算法采用加權(quán)平均法進(jìn)行圖像灰度化：將RGB色彩空間里的圖像轉(zhuǎn)化為YCbCr色彩空間。在YCbCr色彩空間中，Y表示圖像灰度值，Cb表示圖像色調(diào)，Cr表示飽和度。RGB色彩空間與YCbCr色彩空間關(guān)系如下：

Y=0.299R+0.587G+0.114B

Cb=-0.168 7R-0.331G+0.5B+128

Cr=0.5R-0.418 7G-0.081 3B+128

R=Y+1.402（Cr-128）

G=Y-0.331 4（Cb-128）-0.714 14（Cr-128）

B=Y+1.772（Cb-128）

通過(guò)上面公式可以得出YCbCr色彩空間中的灰度值Y與RGB空間三分量R、G、B的關(guān)系，如下式所示［3］：

Y=0.299R+0.587G+0.114B

圖像灰度化效果如圖2b所示。

1.2 圖像濾波

本算法采用高斯濾波，高斯濾波是根據(jù)高斯函數(shù)的形狀來(lái)選擇權(quán)值的線(xiàn)性平滑濾波。高斯濾波對(duì)去除服從正態(tài)分布的噪聲是很有效果的。

圖2 圖像預(yù)處理

高斯濾波效果如圖2c所示。

1.3 圖像二值化

對(duì)經(jīng)過(guò)灰度化和高斯濾波的圖像進(jìn)行二值化，圖像二值化就是將像素點(diǎn)的灰度值根據(jù)閾值設(shè)置為0或255［4］。圖像的二值化使圖像中數(shù)據(jù)量大為減少，從而能凸顯出目標(biāo)的輪廓。圖像二值化公式如下：

其中，T是閾值。本算法采用基于Otus算法的局部閾值處理。該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，不受圖像亮度和對(duì)比度的影響，是圖像分割中閾值選取的最佳算法。基于Otsu的局部閾值處理的局部閾值處理的圖像二值化效果如圖2d所示。

2 數(shù)字區(qū)域定位與傾斜校正

經(jīng)過(guò)灰度化、高斯濾波去噪和二值化最終得到數(shù)字儀表示數(shù)的二值化圖像，在識(shí)別之前還需要定位數(shù)字儀表示數(shù)區(qū)域，并對(duì)圖像進(jìn)行矯正處理。

2.1 數(shù)字儀表示數(shù)區(qū)域

數(shù)字儀表示數(shù)區(qū)域，即從圖像中定位出數(shù)字儀表的示數(shù)區(qū)域，區(qū)分出要識(shí)別的圖像部分。本算法先采用投影法對(duì)數(shù)字儀表示數(shù)區(qū)域進(jìn)行粗定位，然后利用數(shù)字形態(tài)學(xué)的定位方法對(duì)數(shù)字儀表示數(shù)區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)定位。

投影法分為水平方向的投影和垂直方向的投影。水平方向投影，將圖像數(shù)組進(jìn)行列求和；垂直方向投影，將圖像數(shù)組進(jìn)行行求和。

水平方向投影：循環(huán)各行，依次判斷每一列的像素值是否為黑，統(tǒng)計(jì)該行所有黑像素的個(gè)數(shù)。設(shè)該行共有N個(gè)黑像素，則把該行從第1列到第N列置為黑。

垂直方向投影：循環(huán)各列，依次判斷每一行的像素值是否為黑，統(tǒng)計(jì)該列所有黑像素的個(gè)數(shù)。設(shè)該列共有N個(gè)黑像素，則把第1行到第N行置為黑。

2.2 傾斜矯正

圖像處理有3個(gè)基本的變換矩陣——平行變換矩陣、縮放矩陣和旋轉(zhuǎn)變換矩陣。進(jìn)行傾斜矯正用的是旋轉(zhuǎn)變換矩陣，具體矩陣如下：

這個(gè)矩陣和旋轉(zhuǎn)變換矩陣是一致的，圖像傾斜矯正基本思想就是首先利用邊緣檢測(cè)算法得到邊緣檢測(cè)圖像，然后通過(guò)各種技術(shù)手段找到圖像的矯正角，最后利用旋轉(zhuǎn)變換矩陣對(duì)圖像旋轉(zhuǎn)達(dá)到矯正的目的。

3 數(shù)字字符分割

根據(jù)前面的處理，已經(jīng)獲得了精確定位并矯正后的數(shù)字儀表示數(shù)區(qū)域的二值化圖像，接下來(lái)就要對(duì)數(shù)字字符進(jìn)行分割，以方便后期進(jìn)行特征提取和識(shí)別。

根據(jù)溶解氧測(cè)定儀示數(shù)的顯示特點(diǎn)，每個(gè)字符是一個(gè)連通域，不同字符之間是不同的連通域。因此本文采用連通域分割算法，通過(guò)計(jì)算預(yù)處理后的二值化圖像的連通域，并根據(jù)獲取的連通域的寬高比、面積、矩形度以及在圖像中的位置可以簡(jiǎn)單地區(qū)分出是否是字符區(qū)域或者小數(shù)點(diǎn)區(qū)域。效果如圖3所示。

圖3 數(shù)字字符分割

4 數(shù)字字符識(shí)別

4.1 段碼顯示設(shè)計(jì)

溶解氧測(cè)定儀的示數(shù)是段碼顯示的方式，如圖4所示。

圖4 段碼顯示

4.2 段碼顯示模型

根據(jù)段碼顯示模型，通過(guò)穿線(xiàn)法可以準(zhǔn)確地識(shí)別出數(shù)字。段碼顯示模型如圖5所示。

4.3 數(shù)字識(shí)別策略

數(shù)字0：d1=1；d2=1；d3=1；d4=0；d5=1；d6=1；d7=1

數(shù)字1：d1=0；d2=0；d3=1；d4=0；d5=0；d6=1；d7=0

數(shù)字2：d1=1；d2=0；d3=1；d4=1；d5=1；d6=0；d7=1

圖5 段碼顯示模型

數(shù)字3：d1=1；d2=0；d3=1；d4=1；d5=0；d6=1；d7=1

數(shù)字4：d1=0；d2=1；d3=1；d4=1；d5=0；d6=1；d7=0

數(shù)字5：d1=1；d2=1；d3=0；d4=1；d5=0；d6=1；d7=1

數(shù)字6：d1=1；d2=1；d3=0；d4=1；d5=1；d6=1；d7=1

數(shù)字7：d1=1；d2=0；d3=1；d4=0；d5=0；d6=1；d7=0

數(shù)字8：d1=1；d2=1；d3=1；d4=1；d5=1；d6=1；d7=1

數(shù)字9：d1=1；d2=1；d3=1；d4=1；d5=0；d6=1；d7=1

4.4 小數(shù)點(diǎn)識(shí)別的優(yōu)化

對(duì)于小數(shù)點(diǎn)識(shí)別的優(yōu)化，首先根據(jù)字符分割階段獲取的連通域的連通域重心位置、寬高比以及像素點(diǎn)均值以及標(biāo)準(zhǔn)差可以簡(jiǎn)便地獲取到小數(shù)點(diǎn)的連通域，解決了小數(shù)點(diǎn)丟失的問(wèn)題，提高識(shí)別準(zhǔn)確度。

小數(shù)點(diǎn)判斷策略：

（1）連通區(qū)域位于圖像的下1/3處；

（2）連通域的寬高比在指定閾值范圍內(nèi)；

（3）連通域內(nèi)的像素點(diǎn)均值大于指定閾值；

（4）連通域內(nèi)像素點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差小于指定閾值。

5 識(shí)別結(jié)果的輸出

算法識(shí)別結(jié)果如圖6所示。

圖6 算法識(shí)別結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

本文旨在為提高溶解氧測(cè)定儀校準(zhǔn)裝置的自動(dòng)化程度，保證溶解氧測(cè)定儀檢定過(guò)程中檢測(cè)結(jié)果讀取的及時(shí)性與準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了基于溶解氧測(cè)定儀校準(zhǔn)裝置自動(dòng)識(shí)別的算法。該算法進(jìn)行溶解氧測(cè)定儀的數(shù)據(jù)讀取，識(shí)別率高、速度快，特別對(duì)小數(shù)點(diǎn)識(shí)別部分的優(yōu)化，解決了通用段碼示數(shù)識(shí)別中小數(shù)點(diǎn)識(shí)別率低的問(wèn)題。溶解氧測(cè)定儀顯示值的自動(dòng)讀取，優(yōu)化了溶解氧測(cè)定儀的檢定過(guò)程，并在更大程度上提高數(shù)據(jù)讀取的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。