CN104392206B - 一种指针式仪表读数自动识别的图像处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种指针式仪表读数自动识别的图像处理方法，实现步骤如下：（1）对图像进行Hough圆检测，使用加权平均法定位表盘圆心及半径，提取表盘区域方形图像；（2）图像预处理，提取仪表指针二值细化图像；（3）使用中心投影法确定指针角度；（4）提取零刻度线、满刻度线位置模板，标定量程起点、终点位置；（5）使用模板匹配得到零刻度线、满刻度线角度；（6）根据指针角度、零刻度线角度、满刻度线角度计算得指针读数。本发明解决了由于摄像机与指针式仪表相对位置不固定，导致在采集到的图像上仪表表盘位置不固定的问题，不仅可以消除人工读取仪表读数所造成的主观误差，而且可以提高效率和精度、保障人员安全、应用范围广、鲁棒性强。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，具体是一种对指针式仪表读数进行自动识别的图像处理方法。
背景技术
在测试技术中，由于指针式仪表结构简单，使用方便，被广泛地应用于电力、石油、化工等行业中。在一些测试现场，比如不易观测的室外或对人员具有危害的场所，人工读取仪表读数有一定难度和危险。将图像处理技术用于指针式仪表读数高精度自动识别，不仅可以消除人工读取仪表读数所造成的主观误差，而且可以提高效率和精度、保障人员安全。
利用图像处理技术进行指针式仪表读数高精度自动识别，首先通过摄像机采集包含读数信息的仪表表盘原始图像，然后运用图像处理方法对仪表表盘原始图像中的指针、刻度等特征进行提取、识别，最后得到指针式仪表的具体读数。其中需要解决的问题主要有两个：一是由于摄像机与指针式仪表相对位置不固定，导致在采集到的图像上仪表表盘位置不固定。另一为由于测试现场环境的影响，以及仪表表盘表面的磨损导致摄像机成像质量较低，需要对图像进行相应的处理。
目前基于图像处理技术的指针式仪表读数自动识别方法主要分为指针提取、刻度识别及读数两部分。指针提取方法一般有2种：11、使用区域分割的方法提取表盘特征，采用消影法获得指针图像，对指针图像进行二值化，使用直线提取方法得到指针直线；12、对图像进行去噪滤波、二值化、形态学滤波等处理以提取指针图像，使用直线提取方法得到指针直线。刻度识别及读数方法一般有3种：21、摄像机与仪表表盘的相对位置固定，根据两者的位置关系及先验知识由指针偏转角度得到读数；22、对图像进行去噪滤波、二值化、形态学滤波等处理提取刻度图像，使用直线提取方法得到刻度直线，根据指针与刻度直线的关系得到读数；23、对刻度数字进行识别以得到读数。方法11、21要求摄像机与仪表表盘位置固定。方法12、22、23对摄像机成像质量要求较高且需根据具体情况进行相应的处理。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种指针式仪表读数自动识别的图像处理方法，该方法在摄像机与仪表表盘位置不固定、摄像机成像质量不高的情况下，依然可以实现对指针式仪表读数的自动识别，且识别精度高。
本发明公开的一种指针式仪表读数自动识别的图像处理方法，包括以下步骤：
1)读入摄像机所采集的原始图像；
2)提取表盘区域方形图像；
3)对步骤2)所述的表盘区域方形图像进行图像预处理得到指针二值细化图像；
4)设置指针角度定位精度，根据步骤3)中得到的二值细化图像，使用中心投影法确定指针角度；
5)获得表盘区域方形图像中的零刻度线、满刻度线位置；
6)根据步骤5)中得到的表盘区域方形图像中的零刻度线、满刻度线位置坐标计算得零刻度线、满刻度线角度；根据步骤4)中指针角度所占量程比例计算得指针读数。
所述步骤2)提取表盘区域方形图像的过程为：对图像进行Hough圆检测，使用加权平均法确定表盘圆心及半径，根据得到的表盘圆心及半径提取表盘区域方形图像。
所述Hough圆检测过程如下：
21)根据现场拍摄情况及表盘原始图像大小W×H，定义最小表盘半径minR及最大表盘半径maxR作为Hough圆检测的其中两个输入参数，具体计算公式为：
minR＝floor(min(W,H)/4)
maxR＝floor(min(W,H)/2)
其中，W为图像的宽度，H为图像的高度；
22)对原始图像进行Hough圆检测，得到满足步骤21)中的多组圆心坐标及对应半径，即(xi,yi,ri)为一组圆参数；对所有圆心坐标xi、yi及半径ri分别进行加权平均，设置阈值，剔除与平均圆心坐标average_x、average_y及平均半径average_r相差较大的结果；对剩下的圆心坐标及对应半径再次进行加权平均，得到最终圆心坐标(final_x,final_y)和半径final_r；
23)在原始图像中，以圆心坐标(final_x,final_y)为中心点，2×final_r为边长，提取表盘区域方形图像，去除背景干扰；将提取到的表盘区域方形图像作为后续图像处理步骤的输入图像。
所述步骤5)获得表盘区域方形图像中的零刻度线、满刻度线位置的具体过程为：
51)提取表盘零刻度线、满刻度线位置模板：根据表盘区域方形图像的大小及表盘刻度、示数大小，截取边长为的表盘零刻度线、满刻度线位置方形模板；其中，零刻度线位置模板中需包含零刻度线及起始刻度值；满刻度线位置模板需包含满刻度线及终止刻度值；
52)在步骤51)所提取的模板中分别标定量程起点、终点位置：在零刻度线上选定某一点作为量程起点，其在零刻度线位置模板中坐标为(x0_start,y0_start)；在满刻度线上选定某一点作为量程终点，其在满刻度线位置模板中坐标为(x0_end,y0_end)；
53)使用模板匹配法在表盘区域方形图像中找到两个模板的匹配位置(xm_start,ym_start)、(xm_end,ym_end)；其中，相似性度量使用归一化相关系数，计算公式为：
其中，I为表盘区域方形图像，T为模板图像，(x',y')为模板图像中像素的坐标，R为结果映射图像；
54)根据步骤52)中标定的量程起点、终点坐标及步骤53)中所得的模板匹配坐标，分别得到零刻度线及满刻度线在表盘区域方形图像中的坐标(x_start,y_start)、(x_end,y_end)，计算公式为：
作为上述技术方案的另一种改进，所述步骤3)图像预处理得到指针细化图像的过程包括图像高斯滤波、二值化及图像细化；其中图像二值化尽量只保留指针数据，去除其他干扰；在二值图像上进行图像细化，以提取指针的二值细化图像。
作为上述技术方案的另一种改进，所述步骤4)确定指针角度的具体过程包括以下步骤：
41)定义一个INT型数组，作为中心投影法计数空间，用于存储各角度指针特征数据的计数结果；定义指针角度定位精度，并根据定义的不同精度，为数组分配相应大小的空间并置0；若定义最终得到的指针角度精度为n°，则分配包含360/n个INT型数据的数组，用于存储360/n个角度计数；
42)根据步骤2)中得到的仪表指针二值细化图像，遍历以(final_x,final_y)为圆心，final_r为半径的圆形区域，即表盘区域；若某一位置处的灰度值为1，则认为该位置有指针特征数据；计算该位置与圆心(final_x,final_y)连线与表盘零刻度线所成的角度，并将对应角度的角度计数器中的指针特征数据加1；
43)根据步骤42)中得到的各角度指针特征数据计数结果，选出计数最多的相应角度，即为指针直线对应的角度。
所述步骤5)获得表盘区域方形图像中的零刻度线、满刻度线位置的具体过程为：
51)提取表盘零刻度线、满刻度线位置模板：根据表盘区域方形图像的大小及表盘刻度、示数大小，截取边长为的表盘零刻度线、满刻度线位置方形模板；其中，零刻度线位置模板中需包含零刻度线及起始刻度值；满刻度线位置模板需包含满刻度线及终止刻度值；
52)在步骤51)所提取的模板中分别标定量程起点、终点位置：在零刻度线上选定某一点作为量程起点，其在零刻度线位置模板中坐标为(x0_start,y0_start)；在满刻度线上选定某一点作为量程终点，其在满刻度线位置模板中坐标为(x0_end,y0_end)；
53)使用模板匹配法在表盘区域方形图像中找到两个模板的匹配位置(xm_start,ym_start)、(xm_end,ym_end)；其中，相似性度量使用归一化相关系数，计算公式为：
其中，I为表盘区域方形图像，T为模板图像，(x',y')为模板图像中像素的坐标，R为结果映射图像；
54)根据步骤52)中标定的量程起点、终点坐标及步骤53)中所得的模板匹配坐标，分别得到零刻度线及满刻度线在表盘区域方形图像中的坐标(x_start,y_start)、(x_end,y_end)，计算公式为：
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明根据现场拍摄情况及表盘原始图像大小，通过限定Hough圆检测的最小及最大圆半径以准确定位表盘，并且降低了Hough圆检测的计算量。
(2)本发明通过对各组圆心坐标及对应半径进行加权平均，剔除与平均值偏差较大的结果，对剩下的再次加权平均得到表盘圆心坐标和半径，提高了圆心和半径的定位精度。
(3)本发明通过定义不同的指针角度精度，实现了不同精度要求下的中心投影法的切换，得到不同精度要求下的指针角度，提高了指针定位的精度，扩大了算法的适用范围。
(4)本发明使用模板标定、模板匹配的方法定位零刻度线及满刻度线，解决了摄像机与仪表相对位置不固定的问题，扩大了算法适用范围。
本发明解决了由于摄像机与指针式仪表相对位置不固定，导致在采集到的图像上仪表表盘位置不固定的问题，不仅可以消除人工读取仪表读数所造成的主观误差，而且可以提高效率和精度、保障人员安全、应用范围广、鲁棒性强。
附图说明
图1是本发明所述方法整体流程图；
图2是本发明圆心及半径定位流程图；
图3是本发明指针定位流程图；
图4是本发明零刻度线及满刻度线定位流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提出的一种指针式仪表读数自动识别的图像处理方法进行详细说明。
如图1所示，首先由与指针式仪表相对位置不固定的摄像机采集需要读数的仪表盘原始图像并存储。
接着进行表盘区域提取，如图2所示，对原始图像进行Hough圆检测提取多组圆心坐标及对应半径值。分别对圆心横坐标、纵坐标及半径进行加权平均得到各自的均值，设定阈值剔除与其均值偏差较大的圆心坐标及半径。对保留的圆心坐标及对应半径再次进行加权平均，得到最终圆心坐标及半径。以圆心为中心，半径的两倍为边长，提取表盘区域图像并存储。
然后得到指针直线角度，如图3所示，对表盘区域图像进行高斯滤波、二值化及图像细化处理，提取只包含指针的细化图像并存储。使用中心投影法对指针细化图像进行处理，计算得到指针直线所在角度并存储。
同时得到零刻度线、满刻度线角度，如图4所示，提取该种指针式仪表的零刻度线、满刻度线模板，分别在模板上标定零刻度及满刻度坐标位置。使用模板匹配法在表盘区域图像中得到两个模板的位置，根据标定的坐标得到表盘区域图像中零刻度线、满刻度线坐标，将其分别与圆心坐标相连，得到零刻度线、满刻度线所在的角度并存储。
最后根据指针直线角度在量程中所占比例得到指针读数。
本发明对指针式仪表读数进行高精度自动识别的图像处理方法具体实现方式如下：
(1)读入摄像机所采集的原始图像；
(2)在原始图像中提取多组圆心及半径；提取圆心及半径采用Hough圆检测方法，步骤如下：
A.定义最小表盘半径minR及最大表盘半径maxR作为Hough圆检测的其中两个输入参数，具体计算公式为：
minR＝floor(min(W,H)/4)
maxR＝floor(min(W,H)/2)
其中，W为图像的宽度，H为图像的高度。
B.使用Canny算子对原始图像进行边缘检测，并将图像二值化，得到边缘图像。
C.将图像空间中的每一个边缘点映射到圆检测参数空间中，圆心坐标(a,b)及半径r为参数空间中的三个变量。
D.在半径范围[minR,maxR]中，对某一个边缘点所对应的r1，可以确定出一组圆心坐标(ai1,bi1)值，将(ai1,bi1)值投票到r1层的累加器上；对另一个边缘点所对应的半径r2，可以确定出一组圆心坐标(ai2,bi2)值，将(ai2,bi2)值投票到r2层的累加器上；以此类推，可得到每一个边缘点所对应的三维累加阵列(aij,bij,rj)。
E.通过三维累加计算，得到最大累加值对应的圆心坐标及半径(a0,b0,r0)，即得到被检测圆的3个参数，实现Hough圆检测。
(3)两次加权平均法定位表盘圆心及半径，提取表盘区域方形图像，流程如图2所示，具体如下：
A.使用加权平均法计算各组圆心坐标与对应半径的平均值：
其中N为组数，(xi,yi,ri)为一组圆参数。
B.选定适当的阈值Thr_x，Thr_y，Thr_r，剔除与圆心平均坐标average_x、average_y及平均半径average_r相差较大的那组圆心坐标与对应半径：
其中，i＝1...N，N为组数。
C.对保留的圆心坐标及对应半径(xi,yi,ri)分别进行加权平均，得到最终的圆心坐标(final_x,final_y)及对应半径final_r。
D.在原始图像中以圆心坐标(final_x,final_y)为中心点，2×final_r为边长设置感兴趣区域，将此区域的图像数据复制成一幅新图像以提取表盘区域方形图像，去除背景干扰，将提取到的表盘图像作为后续图像处理步骤的输入图像。
(4)图像预处理算法包括高斯平滑滤波、图像二值化及图像细化，实现方法如下：
A.高斯平滑滤波：
令M为高斯卷积核窗口大小，且有M＝2k+1(k＝0,1,2…)，根据公式计算离散高斯卷积核元素：
其中σ为标准差，k确定离散高斯核的维数，高斯核的中心坐标为(k+1,k+1)，(i,j)为核的位置坐标，起始坐标为(1,1)，终止坐标为(2k+1,2k+1)。
对H进行归一化后即可获取归一化高斯卷积核Hn，将原始图像与Hn进行卷积，得到高斯滤波后的平滑图像。
B.图像二值化：
创建一幅与表盘区域图像大小一致的目标图像，遍历表盘区域图像，比较图像(i,j)位置处的像素值src(i,j)和阈值T之间的大小关系，若src(i,j)＞T，则目标图像(i,j)位置处的像素值dst(i,j)置为1，否则为0：
其中，阈值T采用自适应阈值的方法确定，自适应阈值T(x,y)在每个像素点处都不同。通过计算像素点周围b×b区域的加权平均值，然后减去一个常数param来得到自适应阈值。b为选取的周围区域边长，一般为3。设置适当的常数param，一般取5，提取仪表指针图像。
进行图像二值化处理后主要保留指针的特征数据，去除其它干扰，以进行指针直线的确定。
C.图像细化：
使用Zhang快速并行细化算法：
(a1)考虑以边界点为中心的8邻域，记中心点为p1，其邻域的8个点顺时针绕中心点分别记为p2，p3，...，p9，其中p2在p1上方。首先标记同时满足下列条件的边界点：
(1.1)2≤N(p1)≤6；
(1.2)S(p1)＝1；
(1.3)p2×p4×p6＝0；
(1.4)p4×p6×p8＝0；
其中N(p1)是p1的非零邻点的个数，S(p1)是以p2，p3，...，p9为序时这些点的值从0到1变化的次数。当对所有边界点都检验完毕后，将所有标记了的点除去。
(a2)同第(a1)步，仅将前面条件(1.3)改为(2.3)p2×p4×p8＝0；条件(1.4)改为条件(2.4)p2×p6×p8＝0。同样当对所有边界点都检验完毕后，将所有标记了的点除去。
以上两步操作构成一次迭代，直至没有点再满足标记条件，这时剩下的点组成区域的骨架，即得到指针细化图像。
(5)使用中心投影法确定指针角度，实现方法如下：
A.定义一个INT型数组，作为中心投影法计数空间，用于存储各角度指针特征数据的计数结果。定义指针角度定位精度，并根据不同精度，为数组分配相应大小的空间并置0。若定义最终得到的指针角度精度为1°，则分配包含360个INT型数据的数组，用于存储360个角度计数；若精度为0.5°，则分配包含720个INT型数据的数组，用于存储720个角度计数。
B.在仪表指针二值细化图像中，遍历以(final_x,final_y)为圆心，final_r为半径的圆形区域，即表盘区域。若某一位置处灰度值为1，则表示该位置有指针特征数据。计算该位置与圆心(final_x,final_y)连线与表盘零刻度线所成的角度，并将对应角度的角度计数器中的指针特征数据加1。
C.根据各角度指针特征数据计数结果，选出计数最多的相应角度，即为指针直线所对应的角度θp。
(6)提取模板，标定零刻度线、满刻度线在模板中的坐标，实现方法如下：
A.提取表盘零刻度线、满刻度线模板。根据表盘区域方形图像的大小：(2×final_r)×(2×final_r)，截取边长为的表盘零刻度线、满刻度线方形模板。其中，零刻度线模板中需包含零刻度线及起始刻度值；满刻度线模板需包含满刻度线及终止刻度值。
B.标定量程起点、终点位置。在进行模板匹配前，首先在提取的模板中实现零刻度线及满刻度线的定位：在零刻度线上选定某一点作为量程起点，其在模板中坐标为(x0_start,y0_start)。在满刻度线上选定某一点作为量程终点，其在模板中坐标为(x0_end,y0_end)。
(7)使用模板匹配得到零刻度线、满刻度线角度，实现方法如下：
A.遍历表盘区域图像，得到两个模板图像在表盘区域图像各位置处的相似性程度。相似性度量使用归一化相关系数，计算公式为：
其中，I为表盘区域图像，T为模板图像，(x',y')为模板图像中像素的坐标，R为结果映射图像，存放各位置处表盘区域图像与模板图像的归一化相关系数结果。
B.根据归一化相关系数的计算公式得，当系数值最大时即为最匹配的位置。遍历结果映射图像R，分别得到零刻度线、满刻度线模板在表盘区域图像中的最佳匹配位置坐标：(xm_start,ym_start)、(xm_end,ym_end)。
C.根据零刻度线及满刻度线在模板图像中的位置坐标：(x0_start,y0_start)、(x0_end,y0_end)及模板的最佳匹配位置坐标：(xm_start,ym_start)、(xm_end,ym_end)，分别得到零刻度线及满刻度线在表盘区域图像中的坐标为(x_start,y_start)、(x_end,y_end)，计算公式为：
D.将零刻度线及满刻度线坐标与圆心坐标相连，根据直线方程得到零刻度线及满刻度线斜率，计算两条直线的角度θs、θe。(8)根据比例识别指针读数，实现方法如下：
A.根据步骤(5)及步骤(7)中得到的指针直线角度、零刻度线角度及满刻度线角度，得到指针直线所在位置占量程的比例k：
B.根据已知的起点刻度值d_start及终点刻度值d_end，由比例k计算得到指针的读数display为：
display＝k×(d_end-d_start)
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种指针式仪表读数自动识别的图像处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)读入摄像机所采集的原始图像；
2)提取表盘区域方形图像；
3)对步骤2)所述的表盘区域方形图像进行图像预处理得到指针二值细化图像；
4)设置指针角度定位精度，根据步骤3)中得到的二值细化图像，使用中心投影法确定指针角度；
5)获得表盘区域方形图像中的零刻度线、满刻度线位置；
6)根据步骤5)中得到的表盘区域方形图像中的零刻度线、满刻度线位置坐标计算得零刻度线、满刻度线角度；根据步骤4)中指针角度所占量程比例计算得指针读数；
所述步骤2)提取表盘区域方形图像的过程为：对图像进行Hough圆检测，使用加权平均法确定表盘圆心及半径，根据得到的表盘圆心及半径提取表盘区域方形图；
所述Hough圆检测过程如下：
21)根据现场拍摄情况及表盘原始图像大小W×H，定义最小表盘半径minR及最大表盘半径maxR作为Hough圆检测的其中两个输入参数，具体计算公式为：
minR＝floor(min(W,H)/4)
maxR＝floor(min(W,H)/2)
其中，W为图像的宽度，H为图像的高度；
22)对原始图像进行Hough圆检测，得到满足步骤21)中的多组圆心坐标及对应半径，即(xi,yi,ri)为一组圆参数；对所有圆心坐标xi、yi及半径ri分别进行加权平均，设置阈值，剔除与平均圆心坐标average_x、average_y及平均半径average_r相差较大的结果；对剩下的圆心坐标及对应半径再次进行加权平均，得到最终圆心坐标(final_x,final_y)和半径final_r；
23)在原始图像中，以圆心坐标(final_x,final_y)为中心点，2×final_r为边长，提取表盘区域方形图像，去除背景干扰；将提取到的表盘区域方形图像作为后续图像处理步骤的输入图像；
所述步骤5)获得表盘区域方形图像中的零刻度线、满刻度线位置的具体过程为：
51)提取表盘零刻度线、满刻度线位置模板：根据表盘区域方形图像的大小及表盘刻度、示数大小，截取边长为的表盘零刻度线、满刻度线位置方形模板；其中，零刻度线位置模板中需包含零刻度线及起始刻度值；满刻度线位置模板需包含满刻度线及终止刻度值；
52)在步骤51)所提取的模板中分别标定量程起点、终点位置：在零刻度线上选定某一点作为量程起点，其在零刻度线位置模板中坐标为(x0_start,y0_start)；在满刻度线上选定某一点作为量程终点，其在满刻度线位置模板中坐标为(x0_end,y0_end)；
53)使用模板匹配法在表盘区域方形图像中找到两个模板的匹配位置(xm_start,ym_start)、(xm_end,ym_end)；其中，相似性度量使用归一化相关系数，计算公式为：
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其中，I为表盘区域方形图像，T为模板图像，(x',y')为模板图像中像素的坐标，R为结果映射图像；
54)根据步骤52)中标定的量程起点、终点坐标及步骤53)中所得的模板匹配坐标，分别得到零刻度线及满刻度线在表盘区域方形图像中的坐标(x_start,y_start)、(x_end,y_end)，计算公式为：
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2.根据权利要求1所述的指针式仪表读数自动识别的图像处理方法，其特征在于：所述步骤3)图像预处理得到指针细化图像的过程包括图像高斯滤波、二值化及图像细化；其中图像二值化尽量只保留指针数据，去除其他干扰；在二值图像上进行图像细化，以提取指针的二值细化图像。
3.根据权利要求1所述的指针式仪表读数自动识别的图像处理方法，其特征在于：所述步骤4)确定指针角度的具体过程包括以下步骤：
41)定义一个INT型数组，作为中心投影法计数空间，用于存储各角度指针特征数据的计数结果；定义指针角度定位精度，并根据定义的不同精度，为数组分配相应大小的空间并置0；若定义最终得到的指针角度精度为n°，则分配包含360/n个INT型数据的数组，用于存储360/n个角度计数；
42)根据步骤2)中得到的仪表指针二值细化图像，遍历以(final_x,final_y)为圆心，final_r为半径的圆形区域，即表盘区域；若某一位置处的灰度值为1，则认为该位置有指针特征数据；计算该位置与圆心(final_x,final_y)连线与表盘零刻度线所成的角度，并将对应角度的角度计数器中的指针特征数据加1；
43)根据步骤42)中得到的各角度指针特征数据计数结果，选出计数最多的相应角度，即为指针直线对应的角度。
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