CN110991233B - 指针式压力表的自动读数方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种指针式压力表的自动读数方法，包括如下步骤：读取包含仪表的原始图像S，并对所述原始图像S进行预处理，得到图像S₁；对图像S₁进行阈值分割，得到图像S₂；对表盘进行定位及分割，得到表盘图像S_C；对图像S_C进行坐标变换，通过极坐标变换将圆形的表盘图像归一化为矩形图像S_R；采用均值滤波与局部阈值分割相结合的方法提取表盘刻度线与指针；根据指针和刻度线之间的位置关系，结合指针式压力表的分度值，计算压力表的读数。该方法可实现对具有复杂背景的指针式压力表的自动、准确读数。

Description

指针式压力表的自动读数方法

技术领域

本发明涉及指针式仪表的自动读数方法，特别提供了一种指针式压力表的自动读数方法。

背景技术

智能识别在现代工业中的应用越来越广泛，在一些特殊工况下，人员不方便进行现场读取数值，并且人工读数工作量大，存在误读等不确定因数，针对指针式压力表的读数也有一些研究方法；然而，现有针对压力表自动读数方法多采用Hough变换直线检测指针与刻度线，这种方法的计算量较大，并且针对表盘背景复杂的仪表，该方法对于指针与刻度线的定位不够准确，会直接影响读数的准确性。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种指针式压力表的自动读数方法，可实现对具有复杂背景的表盘的准确读数。

本发明提供的技术方案是：指针式压力表的自动读数方法，包括如下步骤：

步骤1：读取包含仪表的原始图像S，并对所述原始图像S进行预处理，得到图像S₁，其中，所述预处理包括：将原始图像S转换为灰度图像S₀及对灰度图像S₀进行直方图均衡化；

步骤2：对图像S₁进行阈值分割，得到图像S₂；

步骤3：对表盘进行定位及分割，得到表盘图像S_C；

步骤4：对图像S_C进行坐标变换，通过极坐标变换将圆形的表盘图像归一化为矩形图像S_R；

步骤5：采用均值滤波与局部阈值分割相结合的方法提取表盘刻度线与指针；

步骤6：根据指针和刻度线之间的位置关系，结合指针式压力表的分度值，计算压力表的读数。

优选，步骤2中，对图像S₁进行阈值分割时的分割阈值为T，分割阈值T的确定步骤如下：

步骤21：计算灰度图像S₀的最大灰度值g_max和最小灰度值g_min，并求出平均值T_i，其中，T_i＝(g_max+g_min)/2；

步骤22：根据T_i将灰度图像S₀的所有像素的灰度分为两部分，并分别求出这两部分的平均灰度值g₁和g₂；

步骤23：计算灰度值g₁和g₂的平均值T_i+1，其中，T_i+1＝(g₁+g₂)/2；若T_i等于T_i+1，即设T_i为分割阈值T，否则，用T_i+1更新T_i，并返回至步骤22继续执行，直至T_i等于T_i+1。

进一步优选，步骤3包括如下步骤：

步骤31，对图像S₂进行高斯平滑，消除噪声干扰，得到图像S₂₁；

步骤32，对图像S₂₁使用一阶差分卷积模板增强边缘，得到在边缘处的特征被增强的图像S₂₂，其中，一阶差分卷积模板分别为模板H₁和模板H₂，模板H₁如公式(1)所示，体现的是X轴方向上的差异，模板H₂如公式(2)所示，体现的是Y轴方向上的差异；

步骤33，通过Canny算子对图像S₂₂进行边缘检测，得到边缘轮廓曲线图像S_L1，之后，对图像S_L1进行Hough变换检测圆形，得到i个圆形轮廓C_i，接着，计算每个圆形轮廓的圆心并将坐标相同的圆心作为表盘圆心，其中，圆形通过OpenCV中的HoughCircles函数检测，检测到的圆形轮廓包含表盘内外轮廓和表盘表面圆形图案等，由于表盘内外轮廓为同心圆，因此，将坐标相同的圆心作为表盘圆心，记为(a₀ b₀)；

步骤34，沿着圆心为(a₀ b₀)且半径最大的轮廓C_k从原图像S₀截取得到表盘图像S_C，即将表盘图像从背景中分割了出来。

进一步优选，步骤4中，坐标变换过程如下：

利用如下公式将圆形图像归一化为矩形图像；

式中，θ₂为表盘刻度线的起始角度，设为250°，θ₁为表盘刻度线的终止角度，设为70°，设点A为表盘上的任意一点，坐标为(x,y)，点O为圆形表盘的圆心，坐标为(x₀,y₀)，θ为点A与X轴正半轴所成的角度，r为表盘的半径，(X,Y)为转换为矩形图像后点A的坐标。

进一步优选，步骤5的包括如下步骤：

步骤51：对图像S_R进行均值滤波，得到图像S_R1；

步骤52：比较均值滤波后的图像S_R1和原图像S_R，即：用原图像S_R和均值滤波后的图像S_R1做差，并选取灰度值差值大于设定阈值的区域，得到图像S_R2，其中，S_R2中第i行第j列的灰度值f(i,j)如下式所示：

式中，x_ij代表原图像S_R第i行第j列灰度值，x_ij'代表均值滤波后的图像S_R1第i行第j列灰度值，d为设定的阈值；

步骤53：计算图像S_R2上每一列的灰度值的累加值，并根据每一列的累加值对指针及刻度线进行定位；

其中，指针的定位方法如下：

1)利用下式计算图像S_R2上每一列的灰度值的累加值：

式中，gray(i,j)为图像S_R2第j行第i列的灰度值，G_i为图像S_R2第i列的灰度值的累加值，height为图像的高度；

2)找到灰度累加值最小的列G_i，并将i作为指针所在列的坐标值。

其中，刻度线的定位方法如下：

1)利用下式计算图像S_R2上每一列的灰度值的累加值：

式中，gray(i,j)为第j行第i列的灰度值，G_i为第i列的灰度值的累加值，height为图像的高度；

2)比较每一列的灰度值的累加值的大小，并按值的大小将每一列的灰度值的累加值分为两部分，其中，灰度累加值小的部分对应的列标i为刻度线所在列的坐标值。

进一步优选，步骤6包括如下步骤：

步骤61：确定指针与刻度线之间的位置关系，即：计算指针横坐标与刻度线横坐标之间的距离和比例关系，设指针的横坐标为x，第k个刻度线的横坐标为a_k，用计算出来的指针的横坐标分别与刻度线数组当中每一个刻度线的横坐标做差，计算z＝x-a_k的值，然后查找z为最小正数时的k值，此时，k就代表与指针左侧最邻近的刻度线是第k条刻度线；

步骤62：按照下式计算指针式压力表读数：

式中，f为相邻刻度线横坐标差值的平均值，q为指针式压力表的分度值。

本发明提供的指针式压力表的自动读数方法可对具有复杂背景的指针式压力表进行自动、准确地读数，采用基于边缘轮廓的图像分割方法，根据表盘轮廓的形状特征可准确定位出表盘轮廓；采用极坐标变换将圆形的表盘图像归一化为矩形图像，可使图像当中所有的刻度线变为相互平行的位置关系，可以更加直观的获取指针与刻度之间的位置关系，使得读数更为直观，计算也相对简便。

具体实施方式

下面将结合具体的实施方案对本发明进行进一步的解释，但并不局限本发明。

本发明提供了一种指针式压力表的自动读数方法，包括如下步骤：

步骤1：读取包含仪表的原始图像S，并对所述原始图像S进行预处理，得到图像S₁，其中，所述预处理包括：将原始图像S转换为灰度图像S₀及对灰度图像S₀进行直方图均衡化；

步骤2：对图像S₁进行阈值分割，得到图像S₂，其中，对图像S₁进行阈值分割时的分割阈值为T，分割阈值T的确定步骤如下：

步骤21：计算灰度图像S₀的最大灰度值g_max和最小灰度值g_min，并求出平均值T_i，其中，T_i＝(g_max+g_min)/2；

步骤22：根据T_i将灰度图像S₀的所有像素的灰度分为两部分，并分别求出这两部分的平均灰度值g₁和g₂；

步骤23：计算灰度值g₁和g₂的平均值T_i+1，其中，T_i+1＝(g₁+g₂)/2；若T_i等于T_i+1，即设T_i为分割阈值T，否则，用T_i+1更新T_i，并返回至步骤22继续执行，直至T_i等于T_i+1；

步骤3：对表盘进行定位及分割，得到表盘图像S_C，具体步骤如下：

步骤31，对图像S₂进行高斯平滑，消除噪声干扰，得到图像S₂₁；

步骤32，对图像S₂₁使用一阶差分卷积模板增强边缘，得到在边缘处的特征被增强的图像S₂₂，其中，一阶差分卷积模板分别为模板H₁和模板H₂，模板H₁如公式(1)所示，体现的是X轴方向上的差异，模板H₂如公式(2)所示，体现的是Y轴方向上的差异；

步骤33，通过Canny算子对图像S₂₂进行边缘检测，得到边缘轮廓曲线图像S_L1，之后，对图像S_L1进行Hough变换检测圆形，得到i个圆形轮廓C_i，接着，计算每个圆形轮廓的圆心并将坐标相同的圆心作为表盘圆心，其中，圆形通过OpenCV中的HoughCircles函数检测，检测到的圆形轮廓包含表盘内外轮廓和表盘表面圆形图案等，由于表盘内外轮廓为同心圆，因此，将坐标相同的圆心作为表盘圆心，记为(a₀ b₀)；

步骤34，沿着圆心为(a₀ b₀)且半径最大的轮廓C_k从原图像S₀截取得到表盘图像S_C，即将表盘图像从背景中分割了出来；

步骤4：对图像S_C进行坐标变换，通过极坐标变换将圆形的表盘图像归一化为矩形图像S_R，其中，具体坐标变换过程如下：

利用如下公式将圆形图像归一化为矩形图像；

其中，θ₂为表盘刻度线的起始角度，设为250°，θ₁为表盘刻度线的终止角度，设为70°，设点A为表盘上的任意一点，坐标为(x,y)，点O为圆形表盘的圆心，坐标为(x₀,y₀)，θ为点A与X轴正半轴所成的角度，r为表盘的半径，(X,Y)为转换为矩形图像后点A的坐标；

由于压力表的起始刻度和终止刻度与圆心所构成的角度都稳定在40°-60°的范围内，因此，将刻度线的起始角度θ₂设定为250°，刻度线的终止角度θ₁设定为70°；

步骤5：提取表盘刻度线与指针，由于表盘刻度线和指针所在区域灰度值偏低，因此，可采用均值滤波与局部阈值分割相结合的方法提取表盘刻度线与指针，具体步骤如下：

步骤51：对图像S_R进行均值滤波，得到图像S_R1，优选，采用3*3的模板进行均值滤波；

步骤52：比较均值滤波后的图像S_R1和原图像S_R，即：用原图像S_R和均值滤波后的图像S_R1做差，并选取灰度值差值大于设定阈值的区域，得到图像S_R2，其中，S_R2中第i行第j列的灰度值f(i,j)如下式所示：

式中，x_ij代表原图像S_R第i行第j列灰度值，x_ij'代表均值滤波后的图像S_R1第i行第j列灰度值，d为设定的阈值，优选为170；

步骤53：计算图像S_R2上每一列的灰度值的累加值，并根据每一列的累加值对指针及刻度线进行定位；

其中，指针的定位方法如下：

1)利用下式计算图像S_R2上每一列的灰度值的累加值：

式中，gray(i,j)为图像S_R2第j行第i列的灰度值，G_i为图像S_R2第i列的灰度值的累加值，height为图像的高度；

2)找到灰度累加值最小的列G_i，并将i作为指针所在列的坐标值。

其中，刻度线的定位方法如下：

1)利用下式计算图像S_R2上每一列的灰度值的累加值：

式中，gray(i,j)为第j行第i列的灰度值，G_i为第i列的灰度值的累加值，height为图像的高度；

2)比较每一列的灰度值的累加值的大小，并按值的大小将每一列的灰度值的累加值分为两部分，其中，灰度累加值小的部分对应的列标i为刻度线所在列的坐标值；

步骤6：根据指针和刻度线之间的位置关系，结合指针式压力表的分度值，计算压力表的读数，包括如下步骤：

步骤61：确定指针与刻度线之间的位置关系，即：计算指针横坐标与刻度线横坐标之间的距离和比例关系，设指针的横坐标为x，第k个刻度线的横坐标为a_k，用计算出来的指针的横坐标分别与刻度线数组当中每一个刻度线的横坐标做差，计算z＝x-a_k的值，然后查找z为最小正数时的k值，此时，k就代表与指针左侧最邻近的刻度线是第k条刻度线；

步骤62：按照下式计算指针式压力表读数：

式中，f为相邻刻度线横坐标差值的平均值，q为指针式压力表的分度值。

本发明提供的指针式压力表的自动读数方法可对具有复杂背景的指针式压力表进行自动、准确地读数，采用基于边缘轮廓的图像分割方法，根据表盘轮廓的形状特征可准确定位出表盘轮廓；采用极坐标变换将圆形的表盘图像归一化为矩形图像，可使图像当中所有的刻度线变为相互平行的位置关系，可以更加直观的获取指针与刻度之间的位置关系，使得读数更为直观，计算也相对简便。

上面对本发明的实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.指针式压力表的自动读数方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：读取包含仪表的原始图像S，并对所述原始图像S进行预处理，得到图像S₁，其中，所述预处理包括：将原始图像S转换为灰度图像S₀及对灰度图像S₀进行直方图均衡化；

步骤2：对图像S₁进行阈值分割，得到图像S₂；

步骤3：对表盘进行定位及分割，得到表盘图像S_C；

步骤4：对图像S_C进行坐标变换，通过极坐标变换将圆形的表盘图像归一化为矩形图像S_R；

步骤5：采用均值滤波与局部阈值分割相结合的方法提取表盘刻度线与指针；

步骤6：根据指针和刻度线之间的位置关系，结合指针式压力表的分度值，计算压力表的读数；

其中，步骤5包括如下步骤：

步骤51：对图像S_R进行均值滤波，得到图像S_R1；

步骤52：比较均值滤波后的图像S_R1和原图像S_R，即：用原图像S_R和均值滤波后的图像S_R1做差，并选取灰度值差值大于设定阈值的区域，得到图像S_R2，其中，S_R2中第i行第j列的灰度值f(i,j)如下式所示：

式中，x_ij代表原图像S_R第i行第j列灰度值，x_ij'代表均值滤波后的图像S_R1第i行第j列灰度值，d为设定的阈值；

步骤53：计算图像S_R2上每一列的灰度值的累加值，并根据每一列的累加值对指针及刻度线进行定位；

其中，指针的定位方法如下：

1)利用下式计算图像S_R2上每一列的灰度值的累加值：

式中，gray(i,j)为图像S_R2第j行第i列的灰度值，G_i为图像S_R2第i列的灰度值的累加值，height为图像的高度；

2)找到灰度累加值最小的列G_i，并将i作为指针所在列的坐标值；

其中，刻度线的定位方法如下：

1)利用下式计算图像S_R2上每一列的灰度值的累加值：

式中，gray(i,j)为第j行第i列的灰度值，G_i为第i列的灰度值的累加值，height为图像的高度；

2)比较每一列的灰度值的累加值的大小，并按值的大小将每一列的灰度值的累加值分为两部分，其中，灰度累加值小的部分对应的列标i为刻度线所在列的坐标值。

2.按照权利要求1所述的指针式压力表的自动读数方法，其特征在于：步骤2中，对图像S₁进行阈值分割时的分割阈值为T，分割阈值T的确定步骤如下：

步骤21：计算灰度图像S₀的最大灰度值g_max和最小灰度值g_min，并求出平均值T_i，其中，T_i＝(g_max+g_min)/2；

步骤22：根据T_i将灰度图像S₀的所有像素的灰度分为两部分，并分别求出这两部分的平均灰度值g₁和g₂；

步骤23：计算灰度值g₁和g₂的平均值T_i+1，其中，T_i+1＝(g₁+g₂)/2；若T_i等于T_i+1，即设T_i为分割阈值T，否则，用T_i+1更新T_i，并返回至步骤22继续执行，直至T_i等于T_i+1。

3.按照权利要求1所述的指针式压力表的自动读数方法，其特征在于：步骤3包括如下步骤：

步骤31，对图像S₂进行高斯平滑，消除噪声干扰，得到图像S₂₁；

步骤32，对图像S₂₁使用一阶差分卷积模板增强边缘，得到在边缘处的特征被增强的图像S₂₂，其中，一阶差分卷积模板分别为模板H₁和模板H₂，模板H₁如公式(1)所示，体现的是X轴方向上的差异，模板H₂如公式(2)所示，体现的是Y轴方向上的差异；

步骤33，通过Canny算子对图像S₂₂进行边缘检测，得到边缘轮廓曲线图像S_L1，之后，对图像S_L1进行Hough变换检测圆形，得到i个圆形轮廓C_i，接着，计算每个圆形轮廓的圆心并将坐标相同的圆心作为表盘圆心，其中，圆形通过OpenCV中的HoughCircles函数检测，检测到的圆形轮廓包含表盘内外轮廓和表盘表面圆形图案等，由于表盘内外轮廓为同心圆，因此，将坐标相同的圆心作为表盘圆心，记为(a₀ b₀)；

步骤34，沿着圆心为(a₀ b₀)且半径最大的轮廓C_k从原图像S₀截取得到表盘图像S_C，即将表盘图像从背景中分割了出来。

4.按照权利要求1所述的指针式压力表的自动读数方法，其特征在于：步骤4中，坐标变换过程如下：

利用如下公式将圆形图像归一化为矩形图像；

式中，θ₂为表盘刻度线的起始角度，设为250°，θ₁为表盘刻度线的终止角度，设为70°，设点A为表盘上的任意一点，坐标为(x,y)，点O为圆形表盘的圆心，坐标为(x₀,y₀)，θ为点A与X轴正半轴所成的角度，r为表盘的半径，(X,Y)为转换为矩形图像后点A的坐标。

5.按照权利要求1所述的指针式压力表的自动读数方法，其特征在于：步骤6包括如下步骤：

步骤61：确定指针与刻度线之间的位置关系，即：计算指针横坐标与刻度线横坐标之间的距离和比例关系，设指针的横坐标为x，第k个刻度线的横坐标为a_k，用计算出来的指针的横坐标分别与刻度线数组当中每一个刻度线的横坐标做差，计算z＝x-a_k的值，然后查找z为最小正数时的k值，此时，k就代表与指针左侧最邻近的刻度线是第k条刻度线；

步骤62：按照下式计算指针式压力表读数：

式中，f为相邻刻度线横坐标差值的平均值，q为指针式压力表的分度值。