CN105868750B - 基于先验信息的表盘指针识别方法 - Google Patents

基于先验信息的表盘指针识别方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种基于先验信息的表盘指针识别方法，通过进行圆周扫描，能够确定表盘上指针粗端的位置；通过根据指针粗端的位置间接获取指针细端的位置，能够避免由于指针细端过细而导致图像识别不准的情况发生，使处理结果更加精确。为使结果更加精准，本发明还利用预测指针细中心再次验证预测指针细端中心是否正确，能够进一步识别结果更加精准。根据本发明的表盘指针识别方法稳定性高、鲁棒性强、实用性好。

Description

基于先验信息的表盘指针识别方法
技术领域
本发明涉及图像处理、光电技术领域，特别涉及一种基于先验信息的表盘指针识别方法。
背景技术
以下对本发明的相关技术背景进行说明，但这些说明并不一定构成本发明的现有技术。
传统表盘指针识别算法具有鲁棒性弱、实用性差的缺点，往往不能处理带有标签的表盘图像，并且对模糊图像的处理效果差。但是在大型国有厂房中，仪器表盘上常常贴有入厂或年检合格证标签。同时，由于大型仪器在运行过程中会带动表盘不停左右晃动，导致采集得到的图像是模糊的。因此，这就对表盘指针识别算法提出了新的需求，即在表盘贴有标签并且图像模糊的情况下检测识别表盘指针并精确地读出指针所在刻度。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于先验信息的表盘指针识别方法，能够获取表盘指针细端的精确位置进而精确地识别指针所在刻度，稳定性高、鲁棒性强、实用性好。
根据本发明的基于先验信息的表盘指针识别方法，包括：
S1、获取表盘上的标签中心Os以及标签半径Rs，依据标签中心与表盘中心的相对位移s以及标签中心Os确定当前图像中的表盘中心Oo；
S2、以表盘中心Oo为圆心、Ra为半径进行圆周扫描，对扫描得到的圆周(Oo,Ra)进行二值化处理；其中，扫描圆周的半径Ra大于标签半径Rs；
S3、搜索圆周(Oo,Ra)上的暗像素，以圆周(Oo,Ra)上暗像素连续最长的部位作为表盘的指针粗端；
S4、根据指针粗端的位置确定表盘上指针细端的位置，其中，指针粗端的位置与指针细端的位置关于关于表盘中心Oo对称；
S5、获取表盘上零刻度线的位置，基于零刻度线、指针细端以及表盘中心的位置确定指针的读数。
优选地，步骤S4中根据指针粗端的位置确定表盘上指针细端的位置具体为：
获取指针粗端的关于表盘中心Oo对称的对称区域，确定所述对称区域的中心；
搜索所述对称区域的中心在扫描圆周(Oo,Ra)上的相邻像素，若相邻像素的像素值为0，则以所述对称区域的中心作为指针细端的中心。
优选地，基于零刻度线、指针细端以及表盘中心的位置确定指针的读数具体为：
获取表盘圆心的坐标Oo(x0,y0)和指针细端中心的坐标(x1,y1)，确定指针所在直线与直角坐标系中x轴正方向夹角α和斜率k：
依据零刻度线与y轴的夹角θ，以及指针所在直线与x轴正方向的夹角α，确定指针与零刻度线的夹角β：
基于零刻度线与y轴的夹角θ，以及指针与零刻度线的夹角β，确定指针的读数：
优选地，步骤S2中以表盘中心Oo为圆心、Ra为半径进行圆周扫描具体为：
以表盘中心Oo为坐标原点建立直角坐标系；
按照逆时针方法进行圆周扫描：
对第一象限进行扫描时，针对到表盘中心Oo的距离为Ra的每一个像素点：获取对该像素点及其左上角的像素点到表盘中心Oo的距离，到表盘中心Oo的距离较接近扫描圆周的半径Ra的像素点，则认为其在圆周上；
对第二象限进行扫描时，针对到表盘中心Oo的距离为Ra的每一个像素点：获取对该像素点及其左下角的像素点到表盘中心Oo的距离，到表盘中心Oo的距离较接近扫描圆周的半径Ra的像素点，则认为其在圆周上；
对第三象限进行扫描时，针对到表盘中心Oo的距离为Ra的每一个像素点：获取对该像素点及其右下角的像素点到表盘中心Oo的距离，到表盘中心Oo的距离较接近扫描圆周的半径Ra的像素点，则认为其在圆周上；
对第四象限进行扫描时，针对到表盘中心Oo的距离为Ra的每一个像素点：获取对该像素点及其右上角的像素点到表盘中心Oo的距离，到表盘中心Oo的距离较接近扫描圆周的半径Ra的像素点，则认为其在圆周上。
优选地，步骤S2中以表盘中心Oo为圆心、Ra为半径进行圆周扫描具体为：
以表盘中心Oo为坐标原点建立直角坐标系；
按照顺时针方法进行圆周扫描：
对第一象限进行扫描时，针对到表盘中心Oo的距离为Ra的每一个像素点：获取对该像素点及其右下角的像素点到表盘中心Oo的距离，到表盘中心Oo的距离较接近扫描圆周的半径Ra的像素点，则认为其在圆周上；
对第二象限进行扫描时，针对到表盘中心Oo的距离为Ra的每一个像素点：获取对该像素点及其左下角的像素点到表盘中心Oo的距离，到表盘中心Oo的距离较接近扫描圆周的半径Ra的像素点，则认为其在圆周上；
对第三象限进行扫描时，针对到表盘中心Oo的距离为Ra的每一个像素点：获取对该像素点及其左上角的像素点到表盘中心Oo的距离，到表盘中心Oo的距离较接近扫描圆周的半径Ra的像素点，则认为其在圆周上；
对第四象限进行扫描时，针对到表盘中心Oo的距离为Ra的每一个像素点：获取对该像素点及其右上角的像素点到表盘中心Oo的距离，到表盘中心Oo的距离较接近扫描圆周的半径Ra的像素点，则认为其在圆周上。
优选地，步骤S1中获取表盘上的标签中心Os以及标签半径Rs具体为：
S11、获取标签信息图，对标签信息图进行二值化处理，得到二值图像；
S12、沿至少两个方向扫瞄所述二值图像，针对每个方向：当该方向的亮度为255的像素的个数大于预设的阈值像素数时，以当前像素点作为标签在该方向的边界；
S13、根据标签在所述至少两个方向的边界，确定标签的标签中心Os以及标签半径Rs。
优选地，步骤S12具体为：
沿所述二值图像的每一行和每一列分别扫描所述二值图像；
针对每个方向：当该方向的亮度为255的像素的个数大于预设的阈值像素数时，以当前像素点作为标签在该方向的边界。
优选地，通过如下方式获取标签信息图：
将标签图像分为R、G、B三通道，两两通道做差，得到任意两个通道之间的分量差；
根据所述分量差中的最大值获取标签信息图。
优选地，步骤S2之前进一步包括：
利用中值滤波技术对当前图像进行处理，消除噪声对当前图像的干扰。
优选地，步骤S3之前进一步包括：
去除进行二值化处理后的圆周(Oo,Ra)上的噪点、填补圆周(Oo,Ra)上的空洞。
根据本发明的基于先验信息的表盘指针识别方法，通过进行圆周扫描，能够确定表盘上指针粗端的位置；通过根据指针粗端的位置间接获取指针细端的位置，能够避免由于指针细端过细而导致图像识别不准的情况发生，使处理结果更加精确。为使结果更加精准，本发明还利用预测指针细中心再次验证预测指针细端中心是否正确，能够进一步识别结果更加精准。根据本发明的表盘指针识别方法稳定性高、鲁棒性强、实用性好。
附图说明
通过以下参照附图而提供的具体实施方式部分，本发明的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：
图1是根据本发明优选实施例的基于先验信息的表盘指针识别方法的示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。
在工业生产过程中，仪器仪表如：电压表、电流表、油位表、温度表等有着广泛的应用。通过仪器仪表，可以有效地监控工业生产运行状态，这就需要仪表读数的准确性高、稳定性强、实用性好。由于人眼远远不能满足这样的需求，因此基于图像处理的仪器仪表表盘识别应运而生。仪器仪表可分为数字式仪表和指针式仪表，本发明专指指针式仪表的自动识别，特别是针对在实际当中贴有入厂或年检合格证标签的仪器表盘。
本发明首先获取获取表盘上的标签中心Os以及标签半径Rs，利用预测当前图像中表盘中心的位置坐标。步骤S1可以通过如下方式获取表盘上的标签中心Os以及标签半径Rs：
S11、获取标签信息图，对标签信息图进行二值化处理得到二值图像；
S12、沿至少两个方向扫瞄二值图像，针对每个方向：当该方向的亮度为255的像素的个数大于预设的阈值像素数时，以当前像素点作为标签在该方向的边界；
S13、根据标签在该至少两个方向的边界，确定标签的标签中心Os以及标签半径Rs。
获取二值图像沿至少两个方向的边界之后，根据标签在两个方向的交点即可确定标签中心。为了更准确地获取标签形状，步骤S12中也可以对二值图像的每一行和每一列进行扫描，具体为：
沿二值图像的每一行和每一列分别扫描二值图像；
针对每个方向：当该方向的亮度为255的像素的个数大于预设的阈值像素数时，以当前像素点作为标签在该方向的边界。
贴在表盘上的标签往往具有不同颜色，液位可以通过标签颜色确定标签信息图，例如：首先将标签图像分为R、G、B三通道，两两通道做差，得到任意两个通道之间的分量差；然后根据上述分量差中的最大值获取标签信息图。
标签与表盘的位置是相对固定的，确定标签中心和标签半径之后，依据标签中心与表盘中心的相对位移s的先验知识以及标签中心Os即可确定当前图像中的表盘中心Oo。
图1示出了根据本发明优选实施例的基于先验信息的表盘指针识别方法的示意图。若获取的当前帧图像为首帧，则首先从该帧图像中提取标签中心与表盘中心的相对位移s，然后再依据标签中心与表盘中心的相对位移s以及标签中心Os确定当前图像中的表盘中心Oo；若当前帧图像不是首帧，表明已经获取标签中心与表盘中心的相对位移s的先验知识，此时，直接从当前帧图像提取标签信息图，然后再依据标签中心与表盘中心的相对位移s以及标签中心Os确定当前图像中的表盘中心Oo。
接下来，在步骤S2中以表盘中心Oo为圆心、Ra为半径进行圆周扫描，扫描圆周的半径Ra大于标签半径Rs。确定圆周(Oo,Ra)的半径Ra之后即可进行圆周扫描。若扫描圆周无法找到指针粗端，表明圆周(Oo,Ra)的半径Ra过大，应适当减小圆周(Oo,Ra)的半径Ra，然后再进行扫描，参见图1。为了保证圆周(Oo,Ra)穿过指针粗端，圆周(Oo,Ra)的半径Ra其中不应过大，实际进行圆周扫描时，可以使圆周(Oo,Ra)的半径Ra略大于标签半径Rs。指针的颜色往往比表盘底色的颜色深，当圆周(Oo,Ra)穿过指针粗端时，穿过指针粗端的部位的颜色较深，未穿过指针的部位的颜色较浅。因此，对扫描得到的圆周(Oo,Ra)进行二值化处理后，穿过指针粗端的圆周(Oo,Ra)的部位会出现连续的暗像素。
为了消除噪声对当前图像的干扰，步骤S2之前可以进一步包括：利用中值滤波技术对当前图像进行处理。
对于到表盘中心Oo的距离为Ra的每一个像素点，为了尽量减小扫描工作量，可以仅对位于扫描方向上的该像素点的相邻像素点进行扫描。根据本发明的一些实施例，步骤S2中以表盘中心Oo为圆心、Ra为半径进行圆周扫描具体为：
以表盘中心Oo为坐标原点建立直角坐标系；
按照逆时针方法进行圆周扫描：
对第一象限进行扫描时，针对到表盘中心Oo的距离为Ra的每一个像素点：获取对该像素点及其左上角的像素点到表盘中心Oo的距离，到表盘中心Oo的距离较接近扫描圆周的半径Ra的像素点，则认为其在圆周上；
对第二象限进行扫描时，针对到表盘中心Oo的距离为Ra的每一个像素点：获取对该像素点及其左下角的像素点到表盘中心Oo的距离，到表盘中心Oo的距离较接近扫描圆周的半径Ra的像素点，则认为其在圆周上；
对第三象限进行扫描时，针对到表盘中心Oo的距离为Ra的每一个像素点：获取对该像素点及其右下角的像素点到表盘中心Oo的距离，到表盘中心Oo的距离较接近扫描圆周的半径Ra的像素点，则认为其在圆周上；
对第四象限进行扫描时，针对到表盘中心Oo的距离为Ra的每一个像素点：获取对该像素点及其右上角的像素点到表盘中心Oo的距离，到表盘中心Oo的距离较接近扫描圆周的半径Ra的像素点，则认为其在圆周上。
根据本发明的一些实施例，步骤S2中以表盘中心Oo为圆心、Ra为半径进行圆周扫描具体为：
以表盘中心Oo为坐标原点建立直角坐标系；
按照顺时针方法进行圆周扫描：
对第一象限进行扫描时，针对到表盘中心Oo的距离为Ra的每一个像素点：获取对该像素点及其右下角的像素点到表盘中心Oo的距离，到表盘中心Oo的距离较接近扫描圆周的半径Ra的像素点，则认为其在圆周上；
对第二象限进行扫描时，针对到表盘中心Oo的距离为Ra的每一个像素点：获取对该像素点及其左下角的像素点到表盘中心Oo的距离，到表盘中心Oo的距离较接近扫描圆周的半径Ra的像素点，则认为其在圆周上；
对第三象限进行扫描时，针对到表盘中心Oo的距离为Ra的每一个像素点：获取对该像素点及其左上角的像素点到表盘中心Oo的距离，到表盘中心Oo的距离较接近扫描圆周的半径Ra的像素点，则认为其在圆周上；
对第四象限进行扫描时，针对到表盘中心Oo的距离为Ra的每一个像素点：获取对该像素点及其右上角的像素点到表盘中心Oo的距离，到表盘中心Oo的距离较接近扫描圆周的半径Ra的像素点，则认为其在圆周上。
S3、搜索圆周(Oo,Ra)上的暗像素，以圆周(Oo,Ra)上暗像素连续最长的部位作为表盘的指针粗端。
为消除噪声对图像的干扰，步骤S3之前可以进一步包括：
去除进行二值化处理后的圆周(Oo,Ra)上的噪点、填补圆周(Oo,Ra)上的空洞。
S4、根据指针粗端的位置确定表盘上指针细端的位置，其中，指针粗端的位置与指针细端的位置关于关于表盘中心Oo对称。与现有技术中的直接求得指针细端位置相比，本发明通过根据指针粗端的位置间接获取指针细端的位置，能够避免由于指针细端过细而导致图像识别不准的情况发生，使处理结果更加精确。
为了进一步提高处理结果的准确性，在本发明的一些实施例中，步骤S4中根据指针粗端的位置确定表盘上指针细端的位置具体为：
获取指针粗端的关于表盘中心Oo对称的对称区域，确定所述对称区域的中心，即预测指针细端中心；
利用邻域信息确定预测指针细端中心是否正确，具体地，搜索所述对称区域的中心在扫描圆周(Oo,Ra)上的相邻像素，若相邻像素的像素值为0，表明该预测的指针细端中心正确，此时则以对称区域的中心作为指针细端的中心，参见图1。通过利用预测指针细中心再次验证预测指针细端中心是否正确，能够进一步识别结果更加精准。
S5、获取表盘上零刻度线的位置，基于零刻度线、指针细端以及表盘中心的位置确定指针的读数。
优选地，基于零刻度线、指针细端以及表盘中心的位置确定指针的读数具体为：
获取表盘圆心的坐标Oo(x0,y0)和指针细端中心的坐标(x1,y1)，确定指针所在直线与直角坐标系中x轴正方向夹角α和斜率k：
依据零刻度线与y轴的夹角θ，以及指针所在直线与x轴正方向的夹角α，确定指针与零刻度线的夹角β：
基于零刻度线与y轴的夹角θ，以及指针与零刻度线的夹角β，确定指针的读数：
与现有技术中的表盘指针识别算法相比，本发明的表盘指针识别算法稳定性高、鲁棒性强、实用性好，为指针式表盘指针识别开辟了一条新途径。主要应用于厂房表盘识别系统。
虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改变。

Claims (6)

1.一种基于先验信息的表盘指针识别方法，其特征在于包括：
S1、获取表盘上的标签中心Os以及标签半径Rs，依据标签中心与表盘中心的相对位移s以及标签中心Os确定当前图像中的表盘中心Oo；
S2、以表盘中心Oo为圆心、Ra为半径进行圆周扫描，对扫描得到的圆周(Oo,Ra)进行二值化处理；其中，扫描圆周的半径Ra大于标签半径Rs；
S3、搜索圆周(Oo,Ra)上的暗像素，以圆周(Oo,Ra)上暗像素连续最长的部位作为表盘的指针粗端；
S4、根据指针粗端的位置确定表盘上指针细端的位置，其中，指针粗端的位置与指针细端的位置关于关于表盘中心Oo对称；
S5、获取表盘上零刻度线的位置，基于零刻度线、指针细端以及表盘中心的位置确定指针的读数；
其中，步骤S1中获取表盘上的标签中心Os以及标签半径Rs具体为：
S11、获取标签信息图，对标签信息图进行二值化处理，得到二值图像；
S12、沿至少两个方向扫描所述二值图像，针对每个方向：当该方向的亮度为255的像素的个数大于预设的阈值像素数时，以当前像素点作为标签在该方向的边界；
S13、根据标签在所述至少两个方向的边界，确定标签的标签中心Os以及标签半径Rs；
步骤S12具体为：
沿所述二值图像的每一行和每一列分别扫描所述二值图像；
针对每个方向：当该方向的亮度为255的像素的个数大于预设的阈值像素数时，以当前像素点作为标签在该方向的边界；
其中，通过如下方式获取标签信息图：
将标签图像分为R、G、B三通道，两两通道做差，得到任意两个通道之间的分量差；
根据所述分量差中的最大值获取标签信息图。
2.如权利要求1所述的表盘指针识别方法，其特征在于，步骤S4中根据指针粗端的位置确定表盘上指针细端的位置具体为：
获取指针粗端的关于表盘中心Oo对称的对称区域，确定所述对称区域的中心；
搜索所述对称区域的中心在扫描圆周(Oo,Ra)上的相邻像素，若相邻像素的像素值为0，则以所述对称区域的中心作为指针细端的中心。
3.如权利要求1所述的表盘指针识别方法，其特征在于，步骤S2中以表盘中心Oo为圆心、Ra为半径进行圆周扫描具体为：
以表盘中心Oo为坐标原点建立直角坐标系；
按照逆时针方法进行圆周扫描：
对第一象限进行扫描时，针对到表盘中心Oo的距离为Ra的每一个像素点：获取对该像素点及其左上角的像素点到表盘中心Oo的距离，到表盘中心Oo的距离接近扫描圆周的半径Ra的像素点，则认为其在圆周上；
对第二象限进行扫描时，针对到表盘中心Oo的距离为Ra的每一个像素点：获取对该像素点及其左下角的像素点到表盘中心Oo的距离，到表盘中心Oo的距离接近扫描圆周的半径Ra的像素点，则认为其在圆周上；
对第三象限进行扫描时，针对到表盘中心Oo的距离为Ra的每一个像素点：获取对该像素点及其右下角的像素点到表盘中心Oo的距离，到表盘中心Oo的距离接近扫描圆周的半径Ra的像素点，则认为其在圆周上；
对第四象限进行扫描时，针对到表盘中心Oo的距离为Ra的每一个像素点：获取对该像素点及其右上角的像素点到表盘中心Oo的距离，到表盘中心Oo的距离接近扫描圆周的半径Ra的像素点，则认为其在圆周上。
4.如权利要求1所述的表盘指针识别方法，其特征在于，步骤S2中以表盘中心Oo为圆心、Ra为半径进行圆周扫描具体为：
以表盘中心Oo为坐标原点建立直角坐标系；
按照顺时针方法进行圆周扫描：
对第一象限进行扫描时，针对到表盘中心Oo的距离为Ra的每一个像素点：获取对该像素点及其右下角的像素点到表盘中心Oo的距离，到表盘中心Oo的距离接近扫描圆周的半径Ra的像素点，则认为其在圆周上；
对第二象限进行扫描时，针对到表盘中心Oo的距离为Ra的每一个像素点：获取对该像素点及其左下角的像素点到表盘中心Oo的距离，到表盘中心Oo的距离接近扫描圆周的半径Ra的像素点，则认为其在圆周上；
对第三象限进行扫描时，针对到表盘中心Oo的距离为Ra的每一个像素点：获取对该像素点及其左上角的像素点到表盘中心Oo的距离，到表盘中心Oo的距离接近扫描圆周的半径Ra的像素点，则认为其在圆周上；
对第四象限进行扫描时，针对到表盘中心Oo的距离为Ra的每一个像素点：获取对该像素点及其右上角的像素点到表盘中心Oo的距离，到表盘中心Oo的距离接近扫描圆周的半径Ra的像素点，则认为其在圆周上。
5.如权利要求1-3任一所述的表盘指针识别方法，其特征在于，步骤S2之前进一步包括：
利用中值滤波技术对当前图像进行处理，消除噪声对当前图像的干扰。
6.如权利要求1-3任一所述的表盘指针识别方法，其特征在于，步骤S3之前进一步包括：
去除进行二值化处理后的圆周(Oo,Ra)上的噪点、填补圆周(Oo,Ra)上的空洞。
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