CN101000652A - 流量计费表数字远传图像自动识别方法及数字远传抄表系统 - Google Patents

Abstract

本发明属号码自动识别技术领域，尤其涉及流量计费表数字远传图像自动识别方法及数字远传抄表系统。数字远传图像识别方法，依如下步骤实施：1)图像预处理；2)字符定位；3)图像细化；4)特征提取；5)字符识别；数字远传抄表系统包括：图像采集与预处理部分、数字信号处理部分、数据存储模块、显示部分；所述图像采集与预处理部分采集表计字轮号码图像并对其进行预处理；所述数字信号处理部分接收来自图像采集与预处理部分的数据，进行运算处理后，再将相关结果保存于数据存储模块中；所述显示部分对表计号码图像识别信息加以显示。本发明将所采集的表计图像数据实时传送到管理中心进行集中处理并自动识别，从而实现了表计的远传自动抄表。

Description

流量计费表数字远传图像自动识别方法及数字远传抄表系统

技术领域

本发明属号码自动识别技术领域，尤其涉及一种流量计费表数字远传图像自动识别方法及与上述方法相配套的数字远传抄表系统。

背景技术

自改革开放以来，我国城市人口急剧增加。随着住宅建设规模的迅速扩大，水表和煤气表的安装量也大幅度增加。由此带来如下一些问题：

(1)近年来的住宅楼层普遍高于改革开放之前，抄表人员劳动强度明显加大；

(2)住户在家的时间明显少于改革开放之前，导致抄表时家中无人的情况经常发生，一些住户要往返多次才能够完成抄表工作；

(3)冒充抄表员私闯民宅作案事件时常发生，导致住户对于抄表人员的不信任，拒绝其进入；

(4)出于保护个人隐私，一些住户不愿意外人进入；

(5)抄表结果与住户读数不一致的情况也时常发生，由于没有依据可查，从而经常引起不必要的争端。

解决上述问题的最好方法之一就是实现表计的远传计费方式，即将备用户的表计计量数据通过远传方式传递到一个集中的计费终端，从而不需要抄表员进入用户住宅统计数据。

随着人们的生活水平不断提高，老百姓对生活环境提出了更高的要求；在政府政策的鼓舞下，家居智能化得到了高速的发展。同时，随着科技的发展，小区住宅除了满足人们最基本的居住要求，还要将方便、省时的物业管理带给住户。实现住宅的智能抄表系统，已成为新型智能小区的必备条件。

通过上述分析可知开发智能表计计量读数远传抄表系统具有十分明确、宽广、迫切的市场需求。因此，在分析国内外同类产品的基础上，研制工作可靠、成本较低的表计远传抄表系统是新型智能小区快速发展对科研人员提出的一个急需解决的新课题。通过对该课题的研究，可以使自来水公司、煤气公司及物业部门从根本上取消人工上门抄表的繁杂劳动，达到准确而便捷的收费，可节省人工又可减少供水部门与客户之间的纠纷。它不但能提高管理部门的工作效率，也适应现代用户对用水用气缴费的新需求。

目前绝大多数企业的抄表技术仍为脉冲计数式，但这种有源方式的抄表系统在实际应用中都会出现因断电、断线而使表计与远传数据产生误差。

目前国内已研制出的多种无源远传抄表系统，除摄像式远传抄表系统外，其他无源远传抄表系统基本上都将传感器或者读取元器件安装在表计内部。这些远传抄表系统可以在干式水表或者煤气表中工作，但无法在湿式水表中长期工作。同时，这几类远传抄表系统的数据获取单元都具有一定复杂性。

由于上述存在问题，所以目前在国内远传抄表系统的近期发展趋势基本是以“无源”、“直读”为方向。摄像式远传抄表系统属于一种真正的无源直读工作方式，已经开始得到研究人员的关注。无论干、湿环境，它都可以稳定工作，所以摄像式远传抄表系统必将成为今后远传抄表系统的发展方向。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种工作效率高，抄表收费成本低，能实现一定范围内表计图像数据的自动采集，并将相关数据实时传送到管理控制中心，在该管理控制中心服务器上进行集中处理并自动识别的流量计费表数字远传图像自动识别方法。另外，本发明还提供一种与上述图像识别方法相配套的数字远传抄表系统。

本发明的目的是这样实现的：流量计费表数字远传图像自动识别方法，可依如下步骤实施：

1)图像预处理；

2)字符定位；

3)图像细化；

4)特征提取；

5)字符识别。

作为一种优选方案，本发明所述步骤1)可包括对采集到的原始读数图像进行降噪、分割处理。

作为另一种优选方案，本发明可采用模板滤波法去除图像中的噪声，同时采用自适应阈值法对图像进行二值化处理。

作为第三种优选方案，本发明所述步骤2)可采用多次投影法定位每个数字在表计图像中的位置。

作为第四种优选方案，本发明所述步骤3)系采用细化算法得到单象素宽号码体。

作为第五种优选方案，本发明所述步骤4)可采取几何特征提取法对相应的特征进行提取。

本发明所述几何特征可包括穿线特征、航程特征及点特征。

作为第六种优选方案，本发明所述步骤5)可采用多特征融合法，结合所提取的相关不同几何特征进行字符识别。

一种实施上述流量计费表数字远传图像自动识别方法所采用的数字远传抄表系统，它包括：图像采集与预处理部分、数字信号处理部分、数据存储模块、显示部分；所述图像采集与预处理部分采集表计字轮号码图像并对其进行预处理；所述数字信号处理部分接收来自图像采集与预处理部分的数据，进行运算处理后，再将相关结果保存于数据存储模块中；所述显示部分对表计号码图像识别信息加以显示。

作为一种优选方案，本发明所述图像采集与预处理部分包括：面阵图像传感器、视频解码部分、可编程逻辑控制部分；所述可编程逻辑控制部分实现与面阵图像传感器、视频解码部分及数据存储模块的数据交换；所述视频解码部分将来自面阵图像传感器的图像信号转换成数字图像数据，同时分离出对应的同步信号；所述数字信号处理部分在同步信号的协调下将数字图像信号保存于数据存储模块中。

作为另一种优选方案，本发明还可配有数据传输部分；所述数据传输部分将抄表结果传送到终端设备(如PDA)中。

本发明包括嵌入式系统相关软硬件设计、针对表计表盘的数字图像处理算法研究、数据传输与存储等技术。本发明将嵌入式系统与数字图像处理以及模式识别技术相结合，可以满足社会需求，方便人们的社会生活。

基于图像识别的水表、煤气表远传抄表系统通过采用通讯技术、数字信号处理技术、控制技术等将一定范围内的表计图像数据采集并实时通过通讯网络传送到该楼宇的管理中心。在该管理中心的服务器上进行集中处理并自动识别各表计的计量读数，从而实现了表计的远传自动抄表，提高了抄表工作效率，降低了抄表收费的成本。

采用机器视觉技术取代人眼视觉读取表计计量数据，是现有表计计量数据远传方法无法比拟的，也是本发明的主要特色，主要表现在以下几个方面：

(1)现有表计远传系统传感器安装在表计内部，用户看不见，即使所检测到的结果与表计表盘盘数据一致，也容易引起用户的怀疑，当出现问题时难以核对。而本系统获取的数据实际上就是用户在表计表盘上看到的读数，并能够将抄表时的计量读数以图像的方式存储，便于事后查询。

(2)本系统不需要实时供电，只是在需要抄表时才临时提供电源。所获取的数据实际上就是用户在表计表盘上看到的读数，因此，不存在由于系统误差、累积误差等因素导致的抄表错误。

(3)本抄表系统利用DSP构建嵌入式系统操作，实现了计量数据的脱机处理和现场获取。

(4)在表计读数识别方面，由于表计轮盘的滚动，造成号码体常常分为上下两部分，如图1所示。对于表计中一个读数位上出现上下两个计数时，即上下两个数字均为不完整的情况，本抄表系统可以准确地识别出正确结果。

基于图像识别的水表、煤气表远传抄表系统平时不工作，不用电，无功耗；对工作环境无特殊要求(水温、工作压力等)。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。但本发明的保护范围将不仅局限于下列内容的表述。

图1为本发明基于多特征融合的表计图像中数字识别流程图；

图2为本发明对所采集到的图像进行降噪和二值化分割后的结果示意图；

图3为本发明对预处理后的图像进行各读数位上的读数进行定位后的结果示意图；

图4为本发明图像细化示意图；

图5为本发明数字体的航程示意图；

图6为本发明字符的穿线特征示意图；

图7为本发明点特征示意图；

图8为本发明表计读数自动识别的硬件总体结构框图；

图9为本发明表计读数自动识别的硬件电路原理图。

具体实施方式

流量计费表数字远传图像自动识别方法，可依如下步骤实施：

1)图像预处理；

2)字符定位；

3)图像细化；

4)特征提取；

5)字符识别。

其中，步骤1)包括对采集到的原始读数图像进行降噪、分割处理，可具体采用模板滤波法去除图像中的噪声，同时采用自适应阈值法对图像进行二值化处理；步骤2)可采用多次投影法定位每个数字在表计图像中的位置；步骤3)系采用细化算法得到单象素宽号码体；步骤4)采取几何特征提取法对相应的特征进行提取；所述几何特征包括穿线特征、航程特征及点特征；所述步骤5)采用多特征融合法，结合所提取的相关不同几何特征进行字符识别。

与上述流量计费表数字远传图像自动识别方法相配套的数字远传抄表系统，它包括：图像采集与预处理部分、数字信号处理部分、数据存储模块、显示部分；所述图像采集与预处理部分采集表计字轮号码图像并对其进行预处理；所述数字信号处理部分接收来自图像采集与预处理部分的数据，进行运算处理后，再将相关结果保存于数据存储模块中；所述显示部分对表计号码图像识别信息加以显示。其中，图像采集与预处理部分包括：面阵图像传感器、视频解码部分、可编程逻辑控制部分；所述可编程逻辑控制部分实现与面阵图像传感器、视频解码部分及数据存储模块的数据交换；所述视频解码部分将来自面阵图像传感器的图像信号转换成数字图像数据，同时分离出对应的同步信号；所述数字信号处理部分在同步信号的协调下将数字图像信号保存于数据存储模块中。

本发明以计算机视觉检测为重要技术手段，综合运用图像处理和模式识别的知识，实现了水表、煤气表等表计计量数据的自动识别技术。结合DSP电路，通过对表计号码图像的采集、图像处理、号码体的定位、号码识别等算法，在软件和硬件两个方面完成了一种基于图像识别的水表、煤气表远传抄表系统。

本发明包括识别方法和硬件实现两个方面。

一.识别方法

在识别方法上本发明由以下几个步骤：

步骤一：图像预处理

图像预处理包括：图像降噪、自适应阈值方法对图像进行二值化分割。

步骤二：字符定位

采用多次投影的方法确定每个数字在图像中的准确位置。

步骤三：图像细化

采用细化算法得到单象素宽的号码体。

步骤四：特征提取

包括穿线特征、航程特征、点特征等几何特征。

步骤五：字符识别

利用上述步骤得到的特征，采用特征融合技术，按照逐步细分的方法对每个号码进行识别。

二.基于DSP的硬件电路实现

本发明中基于DSP的硬件电路设计主要由图像采集与预处理电路、数字图像处理电路、数据存储电路、数据传输和识别结果显示电路等五部分组成。

图像采集与预处理电路利用光电转换来采集表计字轮号码图像，并进行必要的预处理，包括抗混叠滤波、放大和A/D转换等得到表计字轮号码的数字图像数据，并提供给数字信号处理器(DSP)。数字图像处理电路将采集到的数字图像数据进行进一步的运算和处理，如二值化等，得到与表计号码相对应的数据，并保存在数据存储电路中，最后通过显示电路对结果进行直观显示并建立与其它设备的通信来输出保存抄表数据。

利用上述电路本发明实现了基于DSP电路的的水表、煤气表远传抄表系统。

本发明提出的针对表计的数字识别方法流程如图1所示，具体实施步骤如下：

步骤一：图像预处理

第一，图像降噪

采用模板滤波的方法去除图像中的噪声。

第二，图像分割

本发明采用自适应阈值方法对图像进行二值化处理，从而将各读数位上的读数同表计图像相分离。

对表计的表盘进行图像采集，对采集到的原始读数图像进行降噪、分割处理，所得到的图像如图2所示。

步骤二：字符定位

本发明采用多次投影的方法精确定位各个读数位上每个数字(包括所出现的不完整数字)在表计图像中的位置。

第一，进行水平投影定位表计图像中各读数位上的读数在竖直方向上的总体位置。

第二，进行竖直投影定位表计图像中各读数位上每位数字在水平方向上的位置。

第三，进行水平投影定位每个读数位上的单个数字或者两个不完整数字在竖直方向上的位置。

图3所示是对表计图像中所有读数位上的读数的定位结果。

步骤三：图像细化

对提取出的数字进行细化处理，得到单象素宽的数字图像。细化后的图像如图4所示。

步骤四：特征提取

本发明的字符识别是基于几何特征的识别方法，其中包括穿线特征、航程特征以及端点特征等。

特征提取

(1)航程特征提取

上航程是指从号码的上边界开始垂直向下到达号码体所走过的象素距离。其计算方法为：定位号码体在图像中的位置，top，bottom，left，right分别为号码体在图像中的位置。用数组numbertop记录号码体上航程，数组大小为right-left+1。在号码体的定位框内，i表示号码体的纵轴坐标，j表示号码体的横轴坐标，0＜＝i＜bottom-top+1，0＜＝j＜right-left+1。第j个数元为numbertop[j]，当横轴坐标为j的时候，i从0开始逐渐增加，直到接触到号码体为结束。numbertop[j]记录了结束时i的值。存在数组numbertop[j]中的即为号码的上航程。

下航程是从号码体的下边界开始垂直向上到达号码体所走过的象素距离。

左航程是从号码体的左边界开始水平向右到达号码体所走过的象素距离。

右航程是从号码体的右边界开始水平向左到达号码体所走过的象素距离。

航程面积指的是航程数组中各元素的和，同样分为上、下、左、右航程面积。以上航程面积为例，就是上航程数组numbertop[j]中各个数值的和。图5为0到9所有数字的航程示意图。其中，a5为二值化后的图像，b5为定位后的图像，c5为左航程，d5为右航程，e5为上航程，f5为下航程。

(2)穿线特征提取

穿线特征是利用穿线法对字符进行处理所得到的一种几何特征。

穿线法是利用一组平行的直线对号码体进行穿越，计算直线和号码体交点的个数，从而分类号码。图6所示是利用一个字母S来表示穿线特征，其中a为分割后的原始字符图像，b为水平穿线过程，c为竖直穿线过程。

图6中，当用三条平行直线水平穿越英文字符“S”时，从上至下，第一条直线与号码的交点个数为2，第二条为1，第三条为1。当用三条平行直线竖直穿越英文字符“S”时，由左至右，第一条直线与号码的交点个数为2，第二条为3，第三条为2。其中，a6为字母图像，b6为水平穿线，c6为竖直穿线。

(3)点特征提取

因为光照不均匀、表计的表盘反射等原因存在，获取的表计图像上的数字会有不同程度的变形，或者出现粘连、断线等畸变。这时仅利用字符的穿线、航程等几何特征无法解决图像失真变形而影响识别结果的问题。

边缘细化后的图像，按照点特征来处理，其边缘上的特征点可以分为如下几类：四叉点、三叉点、线点和末端点，图7为这几类特征点的示意图。本识别方法中利用了四叉点、三叉点和末端点这三类点特征。其中，a7为四叉点，b7为三叉点，c7为线点，d7为末端点。

(4)其他几何特征提取

步骤五：数字识别

本发明提出了一种多特征融合方法，即融合数字体的穿线、航程、特征点等特征来进行数字体的识别。在识别过程中，采用从上到下，逐级细分的识别方法。

基于DSP的硬件实现

本装置硬件部分主要由图像采集与预处理电路、数字图像处理电路、数据存储电路、数据传输电路和识别结果显示电路等五部分组成，系统硬件总体结构如图8、图9所示。

图像采集与预处理电路利用光电转换来采集表计字轮号码图像，并进行必要的预处理，包括抗混叠滤波、放大和A/D转换等得到表计字轮号码的数字图像数据，并提供给数字信号处理器(DSP)。数字图像处理电路将采集到的数字图像数据进行进一步的运算和处理，如二值化等，得到与表计号码相对应的数据，并保存在数据存储电路中，最后通过显示电路对结果进行直观显示并建立与其它设备的通信来传输保存抄表数据。

电路系统的工作原理：由模拟摄像头采集的模拟图像信号经过图像预处理电路的放大和A/D转换等处理转换为能够满足系统要求的数字图像信号，同时分离出对应的同步信号；然后，数字信号处理器(DSP)在同步信号的协调下将数字图像信号保存到系统的图像数据存储空间中，为后续的号码图像二次预处理和识别准备好数据源；当存储完一幅完整的表计号码图像以后便对该图像进行分割和二值化等二次预处理，然后进行号码的识别处理；识别完一幅号码图像后通过LED显示电路将识别结果直观地显示出来(图9)。

Claims (11)

1、流量计费表数字远传图像自动识别方法，其特征在于，可依如下步骤实施：

1)图像预处理；

2)字符定位；

3)图像细化；

4)特征提取；

5)字符识别。

2、按照权利要求1所述的流量计费表数字远传图像自动识别方法，其特征在于：所述步骤1)包括对采集到的原始读数图像进行降噪、分割处理。

3、按照权利要求2所述的流量计费表数字远传图像自动识别方法，其特征在于：采用模板滤波法去除图像中的噪声，同时采用自适应阈值法对图像进行二值化处理。

4、按照权利要求1～3之任一所述的流量计费表数字远传图像自动识别方法，其特征在于：所述步骤2)采用多次投影法定位每个数字在表计图像中的位置。

5、按照权利要求4所述的流量计费表数字远传图像自动识别方法，其特征在于：所述步骤3)系采用细化算法得到单象素宽号码体。

6、按照权利要求5所述的流量计费表数字远传图像自动识别方法，其特征在于：所述步骤4)采取几何特征提取法对相应的特征进行提取。

7、按照权利要求6所述的流量计费表数字远传图像自动识别方法，其特征在于：所述几何特征包括穿线特征、航程特征及点特征。

8、按照权利要求7所述的流量计费表数字远传图像自动识别方法，其特征在于：所述步骤5)采用多特征融合法，结合所提取的相关不同几何特征进行字符识别。

9、一种实施如权利要求1所述流量计费表数字远传图像自动识别方法所采用的数字远传抄表系统，其特征在于，包括：图像采集与预处理部分、数字信号处理部分、数据存储模块、显示部分；所述图像采集与预处理部分采集表计字轮号码图像并对其进行预处理；所述数字信号处理部分接收来自图像采集与预处理部分的数据，进行运算处理后，再将相关结果保存于数据存储模块中；所述显示部分对表计号码图像识别信息加以显示。

10、按照权利要求9所述的数字远传抄表系统，其特征在于：所述图像采集与预处理部分包括：面阵图像传感器、视频解码部分、可编程逻辑控制部分；所述可编程逻辑控制部分实现与面阵图像传感器、视频解码部分及数据存储模块的数据交换；所述视频解码部分将来自面阵图像传感器的图像信号转换成数字图像数据，同时分离出对应的同步信号；所述数字信号处理部分在同步信号的协调下将数字图像信号保存于数据存储模块中。

11、按照权利要求9或10所述的数字远传抄表系统，其特征在于：还配有数据传输部分；所述数据传输部分将抄表结果传送到终端设备中。

Images