CN111126371B

CN111126371B - 一种基于图像处理的粗指针表盘示数读取方法

Info

Publication number: CN111126371B
Application number: CN201911151850.0A
Authority: CN
Inventors: 冯亮; 董俊伟; 章良杰; 徐新兴; 刘凯
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2019-11-22
Publication date: 2022-08-30
Anticipated expiration: 2039-11-22
Also published as: CN111126371A

Abstract

发明提供一种基于图像处理的粗指针表盘示数读取方法。该方法包括滤波处理、寻找圆、边缘识别、寻找直线、直线聚类分析、筛选直线和读数等步骤。该方法解决了表盘粗指针识别精度不高，系统鲁棒性较低以及设备要求高的问题，可以应用于实际生产中。

Description

一种基于图像处理的粗指针表盘示数读取方法

技术领域

本发明涉及信息技术领域，特别涉及一种基于图像处理的粗指针表盘示数读取方法。

背景技术

指针式仪表由于结构简单、价格低廉、维护方便以及抗电磁干扰能力强等特点，在社会生产行业中广泛使用。但是在实际生产中，由于天气、生产环境以及表盘安装位置等因素的影响，导致了人工读数存在读数难、精度低、易疲劳等问题。

自动读取表盘示数方案的核心是如何确定表盘指针线继而确定表盘的读数。当前表盘指针类型主要分为细指针和粗指针两类。这两类指针的特点不同，细指针前后两端粗细一致，识别难度在于特征不明显，而粗指针特征明显，识别难度在于指针的精度问题。

现有技术中，处理粗指针表盘示数读取的方案有基于霍夫变换的自动读取、基于霍夫变换找线段、基于最小二乘法找线段和基于剪影法找线段等方法。然而现有技术存对粗指针的识别精度不高、方法使用的环境要求高、系统的鲁棒性不足、容易受外界影响产生误差、所需要的设备的条件较高、制作成本高等不足。

因此，亟需开发一种粗指针表盘示数读取方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于图像处理的粗指针表盘示数读取方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于图像处理的粗指针表盘示数读取方法，包括以下步骤：

1)对待读取正面表盘的图片进行滤波处理，得到图像P。

2)基于霍夫变换寻找图像P中所有的候选圆。

3)将候选圆进行圆心位置及半径的均值处理，得到圆心c与半径r。

4)进行色值处理，得到图像P_n。

5)基于Canny算子对图像P_n进行边缘识别，得到图像P_c。

6)基于霍夫变化寻找图像P_c中所有候选线段。

7)基于K-means算法，对所有候选线段进行聚类处理。

8)根据圆心c距离线段的距离筛选步骤7)聚类得到的线段，自适应保存一定数量的线段。

9)基于线段附近像素点色值对步骤8)得到的线段进行筛选，留下近似指针线族。

10)对步骤9)中得到的近似指针线进行均值处理，得到指针线l_p。

11)基于图像坐标与表盘指针的关系，依据步骤10)得到的指针线l_p,输出最终的表盘读数。

进一步，步骤1)中，对于正面表盘的图片依次进行直方图均衡化处理、中值滤波和双边滤波。

进一步，步骤2)中，表盘图像的长度为l。表盘图像的宽度为w。基于霍夫变换累加器峰值检测方式来找圆的的筛选条件为圆的直径小于min{l,w}且圆完整地出现在表盘图像中。

进一步，步骤6)中累加器的阈值选取为圆的半径r。

进一步，步骤7)进行K-means聚类，聚类数目设置为2。根据直线的斜率及截距对所有保留直线进行聚类。

进一步，步骤8)中，当发现圆心到线段的距离出现突增的情况时停止，保留之前的线段。

进一步，突增比例为3～5。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.能够有效地识别出表盘粗指针，能适应一定的环境因素干扰；

B.对设备要求低，能有效地应用于生产实际中。易实现，可大规模应用于生产实际；

C.解决了表盘粗指针识别精度低的问题，并且系统鲁棒性好。

附图说明

图1为表盘示数读取的流程图；

图2为表盘图像滤波处理结果示意图；

图3为表盘图像色值处理结果示意图；

图4为表盘粗指针定位结果示意图；

图5为表盘读数结果示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1，本实施例公开一种基于图像处理的粗指针表盘示数读取方法，包括以下步骤：

1)对待读取正面表盘的图片进行滤波处理，得到图像P。参见图2，对于正面表盘的图片依次进行直方图均衡化处理、中值滤波和双边滤波。图2中，2a为原始图像，2b为直方图均衡化后的图像，2c为中值滤波之后的图像，2d为双边滤波之后的图像。

2)基于霍夫变换累加器峰值检测方式寻找图像P中所有的候选圆。表盘图像的长度为l。表盘图像的宽度为w。基于霍夫变换累加器峰值检测方式来找圆的的筛选条件为圆的直径小于min{l,w}且圆完整地出现在表盘图像中。找到的符合条件的所有的圆及圆心如图3a所示。在本实例中l和w的值分别为220像素、230像素。

3)将候选圆进行圆心位置及半径的均值处理，得到圆心c与半径r。均值处理之后的圆心如图3a所示。

对所有候选圆的圆心和半径进行如下的均值处理：

式中，x_c和y_c为最终确定的圆心的横坐标和纵坐标；N为圆的数量；x_i和y_i分别为第i个圆的圆心的横坐标和纵坐标。

4)进行色值处理，得到图像P_n。计算每个像素点距离最终确定的圆心的距离，其中圆心的横纵坐标分别为x_c和y_c，计算公式为欧式距离的计算公式：

式中，d_P为像素点距离确定圆心的距离；x_c和y_c为最终确定的圆心的横坐标和纵坐标；x_p和y_p为当前像素点的横纵坐标值。

将距离大于圆半径像素点的RGB值调整为(255,255,255)，即白色。如图3b所示，距离圆心大于半径长度的点的RGB值全部被置为(255,255,255)，即白色。

5)参见图4a，基于Canny算子对图像P_n进行边缘识别，得到图像P_c。

6)基于霍夫变化寻找图像P_c中所有候选线段。基于霍夫变换寻找线段的筛选条件为：累加器的阈值为圆的半径的长度；当找到的线段达到认为设定的阈值之后即停止。阈值为10～20。参见图4b，霍夫变换找线段后的图像中，线段数量的阈值设置为10。

7)基于K-means算法，对所有候选线段进行聚类处理。由于只需要确定圆心附近的直线，因此聚类数目设置为2即可。根据直线的斜率及截距对所有保留直线进行聚类。

点到直线的距离公式如下：

式中，d_cl表示圆心到直线的距离；A、B、C分别是直线的相关参数；x_c和y_c表示最终确定的圆心的横坐标和纵坐标。

在保留直线的阶段，当发现圆心到直线的距离出现突增的情况时停止，保留之前的直线。突增比例为3～5。在本实施例中，突增比例设置为3。

9)参见图4c，基于线段附近像素点色值对步骤8)得到的线段进行筛选，留下近似指针线族。

10)对步骤9)中得到的近似指针线进行均值处理，得到指针线l_p。对于保留下来的直线，进行如下操作：

式中，k_p和b_p分别表示最终指针线所在直线的斜率和在y轴上的截距，N表示直线总数，k_i和b_i分别表示第i条直线的斜率和在y轴上的截距。

具体实施时，如图4d所示，在确定指针线的图像中的直线即为经过均值处理的指针线。

11)基于图像坐标与表盘指针的关系，依据步骤10)得到的指针线l_p,输出最终的表盘读数。指针线的初始角度θ基于图像坐标来进行计算，图像坐标和指针线最终角度θ′的关系如下：

a)当指针线指向图像坐标第一象限和第二象限时：θ′＝θ+90。

b)当指针线指向图像坐标第三象限时：θ′＝θ-90。

c)当指针线指向图像坐标第四象限时：θ′＝θ+270。

之后通过如下公式计算最终角的读数：

上式中，r表示的是表盘最终的读数。具体实施时，如图5所示，得到的指针线的最终角度θ′为167度，将指针线的角度代入上式中，计算得到最终的读数近似为27。

Claims

1.一种基于图像处理的粗指针表盘示数读取方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对待读取正面表盘的图片进行滤波处理，得到图像P；

2)基于霍夫变换寻找图像P中所有的候选圆；

3)将候选圆进行圆心位置及半径的均值处理，得到圆心c与半径r；

4)进行色值处理，得到图像P_n；计算每个像素点距离最终确定的圆心的距离；将距离大于圆半径的像素点的RGB值调整为(255,255,255)；

5)基于Canny算子对图像P_n进行边缘识别，得到图像P_c；

6)基于霍夫变化寻找图像P_c中所有候选线段；

7)基于K-means算法，根据直线的斜率及截距对所有候选线段进行聚类处理；

8)根据圆心c距离线段的距离筛选步骤7)聚类得到的线段，自适应保存一定数量的线段；当发现圆心到线段的距离出现突增的情况时停止，保留之前的线段；

9)基于线段附近像素点色值对步骤8)得到的线段进行筛选，留下近似指针线族；

10)对步骤9)中得到的近似指针线进行均值处理，得到指针线l_p；

2.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的粗指针表盘示数读取方法，其特征在于：步骤1)中，对于正面表盘的图片依次进行直方图均衡化处理、中值滤波和双边滤波。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于图像处理的粗指针表盘示数读取方法，其特征在于：步骤2)中，表盘图像的长度为l；表盘图像的宽度为w；基于霍夫变换累加器峰值检测方式来找圆的筛选条件为圆的直径小于min{l,w}且圆完整地出现在表盘图像中。

4.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的粗指针表盘示数读取方法，其特征在于，步骤6)中基于霍夫变换寻找线段的筛选条件为：累加器的阈值选取为圆的半径r。

5.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的粗指针表盘示数读取方法，其特征在于：步骤7)进行K-means聚类，聚类数目设置为2。

6.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的粗指针表盘示数读取方法，其特征在于：步骤8)中，突增比例为3～5。