CN101055619A - 一种机械仪表窗口显示数字的图像识别方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械仪表窗口显示数字的图像识别方法和装置，适用于各种机械仪表的窗口数字识别。其识别方法借鉴了工业传感器领域中绝对编码器的工作原理，将机械位置识别方法应用到了图像识别领域中，实现了对图像位置识别以达到对图像内容识别的效果，效率高、识别准确、通用性强，尤其适合于以单片机为处理器的应用。以此识别方法为核心的实施装置采用单片机为处理器，集图像采集、处理、识别和传输于一体，其特征是由图像采集模块、单片机处理和识别模块，通讯接口、电源模块及透明的密封结构组成，成本低、效率高、体积小，与其它结构配合可安装在各种仪表的窗口上方，可实现仪表窗口显示数字的识别和数据及图像的同时传输。

Description

一种机械仪表窗口显示数字的图像识别方法和装置

技术领域

本发明涉及一种机械仪表窗口显示数字的图像识别方法，针对各种机械仪表显示窗口通过图像位置识别技术来实现对窗口中数字的识别，适合于采用单片机来作为图像采集、处理和识别全过程的处理器的应用。

本发明还涉及一种机械仪表窗口显示数字的图像识别装置，该装置包括CMOS图像传感器、镜头、辅助光源、单片机、图像位置识别软件模块、通讯接口、电源模块及透明密封装置，可广泛应用于普通的水表、燃气表及其他以字轮式计数器为数据记录装置的工业仪表的窗口显示数字的识别。

背景技术

从九十年代就出现了一些关于通过图像识别技术来实现仪表读数的研究报道，如《采用图像测量技术实现指针仪表示值的智能判断》发表于《计量技术》1995.9；《用图像识别概念来判断仪表读数盘的研究》发表于《仪器仪表学报》1996.17.3；《非电子仪表的一种计算机判读和处理系统》发表于《中国科技大学学报》1999.6；《CCD电子抄表系统及图像的采集》发表于《武汉汽车工业大学学报》2000年12月第22卷第6期。到了2002年出现了有关的专利，ZL02265251.5，ZL02289485.3，03113051.8，03128170.2，ZL200320115309.2，ZL200420032402.1，ZL200420070598.3ZL200520030552.3、200610041425.2等。

以上报道和相关专利，除03113051.8和200610041425.2外，无论其描述的是一种系统还是一种产品或者一种产品结构，其共同特点是通过摄像头来采集仪表的表盘图像，然后通过视频电缆直接传输或者将图像数据压缩后通过其他通讯方式传输给上位机或中继设备，再由这类设备将图像数据集中传输到计算机，由计算机来完成图像处理、识别以得到仪表读数。其实质是一种图像采集与图像处理、识别分离的方法，基于这种方法的设备或系统在应用中无法解决实际问题。

1、图像数据传输问题

无论传输视频信号还是压缩后的图象数字信号，其数据量均很大，对于目前所应用的行业均无法推广使用。以一个10万像素的摄像头为例，其成像后的数据量大约200KB，采用视频传输方式，传输速度可以保障，但对于视频中继设备而言，其技术复杂度和可实际应用的困难度是巨大的。一般视频中继设备可以接人不超过30个摄像单元，这就需要从每一个摄像单元铺设视频电缆和电源电缆到中继设备，其材料和工程成本已经远远超过摄像采集单元本身的成本，再加线路和中继设备使用维护成本，已经使该方案的成本大大超出所属行业的实际承受能力。另一类产品虽然采用了RS485等总线方式通讯，但也因图像数据过大，总线传输速率低，传输时间过长，这对于单个或少量设备使用时还可以接受，但大量使用时通讯成了瓶颈，而且，大量的图像采用集中处理的方法也造成上位机的成本增加，因此，无法满足实际应用要求。

2、图像数据接口问题

所属行业颁布了CJ/T 188-2004《户用计量仪表数据传输技术条件》的标准，对户用仪表的数据传输规定了基本原则、接口形式及物理性能、数据链路、数据标识及数据安全性和数据表达格式的要求。这也是该行业为推广此类产品而制定的行业标准。而只传输图像信息的产品则无法满足其要求。

3、图像数据存储问题

行业标准中规定了此类仪表需要保存历史数据，以每月采集一次数据，则需要保存至少12个数据。如果保存图像数据，其存储空间的需量使设备成本大大增加。而且当需要传输历史数据时，又造成数据传输量太大，给通讯带来堵塞问题。

此方法没有实现图像采集、处理和识别集成于一体，因此，从95年至今还没有该类产品实际使用的报道。

对于发明专利03113051.8和200610041425.2，虽然实现了图像采集、处理和识别集成于一体，具体方法不同，效果不同。

发明专利03113051.8是另一种识别二维码的方法，即在计数器字轮上对应的数字旁边印刷二维码，通过图像传感器对二维码进行采集、识别，从而得到对应数字。这种方法虽然简单但并不实用，其一是因为仪表的字轮印刷有行业规范，这种印刷会造成显示过于混乱，影响仪表的正常抄读，其二是，印有二维码的特殊字轮给仪表的制造生产带来麻烦，表厂需为其定制特殊的仪表，其三是这种二维码的识别过程中，不能解决仪表窗口常出现的“过渡”和“进位”状态。因此，较难推广。

而发明专利200610041425.2也是一种将图像采集、处理和识别集成于一体的系统，其主要思路是真正的图像识别技术，以牺牲效率来换取降低成本的方法，“是将水表表盘的数据显示窗口分割若干识别区域，分别逐个对每个区域进行图像摄取、处理和识别”。逐个图像采集、处理和识别的方法是一种创新，但就每一个图像采集和识别过程来言，采用的是传统的图像识别方法，即图像采集→图像校正→滤波→灰度化→二值化→分割→特征提取→模板匹配→结果。这种传统的方法适合于以计算机或DSP作为处理器的图像处理和识别应用，但对于资源较少的普通CPU来言，如单片机，运算量大，效率低。因此，该发明的办法是减少每次的处理量，以达到普通CPU的处理效能，多次完成。这种方法在对于识别速度、运行时间和低功耗要求的应用场合明显不能胜任。

因此，设计一种图像识别方法及装置，以满足采用低速CPU也能达到高效、高速、低成本的机械仪表窗口数字的识别应用是非常必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种机械仪表窗口显示数字的图像识别方法，其特征是借鉴了工业传感器领域中绝对编码器的工作原理，将机械位置识别方法应用到了图像识别领域中，实现了对图像位置识别以达到对图像内容识别的效果，效率高、识别准确、通用性强，尤其适合于以单片机为处理器的应用。

本发明另一个要解决的技术问题是提供一种以图像位置识别技术为实现方法，以单片机为处理器，集图像采集、处理、识别和传输于一体的装置，其特征是由图像采集模块、单片机处理和识别模块，通讯接口、电源模块及透明的密封结构组成，成本低、效率高、体积小，与其它结构配合可安装在各种仪表的窗口上方。

对于本发明的一种机械仪表窗口显示数字的图像识别方法来说，上述技术问题是这样解决的：

1.采集仪表窗口的显示数字从“0→9→0”的连续图像，传输到计算机进行处理、拼接为从“0→9”的首尾相连且循环的图像模板，并创建“0→9”的数字在图像模板中的位置对应表，然后将此图象模板及位置对应表转化成单片机的代码下载到单片机，并保存在FLASH中。

2.处理器(可以采用单片机)采集仪表窗口显示数字的图像，并保存到扩展的RAM中，进行二值化、分割处理后，得到固定窗口大小的每一位窗口的二值化图像。

3.将每一位窗口二值化图像直接与图像模板比对、查找，找到该图像在图像模板中的位置，再通过查表就可得到图像对应的具体内容。

4.由于仪表窗口显示的数字存在“过渡”和“进位”状态，所以再通过各位组合判断以得到真正的仪表显示数字。

这种方法是针对机械仪表窗口显示数字的特点而设计的。仪表窗口显示的特点有：

第一：仪表窗口位置固定，各位数字窗口大小一样，只是窗口中的内容不同。

第二：各位数字窗口中显示数字印刷相同，所以取任意一位数字来生成图像模板即可以适应其他各位。

第三：各位数字窗口内的数字会出现非完整数字的状态，即上半字、下半字的中间状态。业内称之为“过渡”状态。业内要求，在过渡状态时只能识别为上一个数字或下一个数字，即窗口显示在0和1之间时只能判别为0或1，不能判别为其他数字。

第四：仪表计数器在进位时出现各位数字不同步进位的现象，即看上去有些错位，业内称之为“进位”状态。业内要求，在进位状态时不能识别错误。即窗口显示在999999进位到000000时只能识别为999999或000000，不能是其他数字，如999990、999900、999000、990000、900000，反转时不能识别为000009、000099、000999、009999、099999。

根据以上特点和要求，采用传统的图像识别方法，即对各个数字图像进行特征提取，为了解决“过渡”问题，就必须考虑到除了10个完整数字图像的特征向量外，还要提取所有过渡状态下的特征向量，这样就造成处理量和复杂度的成倍增加。同时为获取每一窗口图像更多的特征，势必要提高图像的分辨率和图像质量，这对于摄像模块也提出了较高的要求。另外，由于仪表各数字还存在进位”状态，仅仅得到了每一位数字的识别结果并不能准确反映仪表的实际显示数据，因此，采用传统的图像识别方法会造成识别率不高的情况，尤其是在过渡”和“进位”状态时。

而本发明的方法，是一种位置识别的概念，每次采集的窗口图像分割后图像块必然是图像模板的一个子集，通过简单的对比运算，就可以找到该子集在图像模板中的位置，根据位置与数字的对应表，就可以间接的得到图像块中的准确内容。这种方法的优点是识别过程与图像的内容无关，不存在特征量的提取和匹配过程，并且可以识别出计数器字轮转动到任意位置时对应的数字。

本方法对获取图像的质量和处理器的性能要求不高，这样就可以选择使用低分辨率的图像传感器和单片机来实现。这对于实施装置而言，大大放宽了器件选型的范围，可以实现很好的性能价格比。

对于本发明的一种机械仪表窗口显示数字的图像识别装置来说，上述技术问题是这样解决的：

1.该装置由五部分组成，包括图像采集模块、处理和识别模块、通讯接口、电源模块和透明的密封结构组成。集图像采集、处理识别和数据传输功能于一体。

2.其中图像采集模块由CMOS图像传感器，镜头，辅助光源及窗口装置组成，图像传感器可选择低分辨率的器件，优选机器视觉领域的图像传感器，镜头根据仪表情况配置，辅助光源采用多个发光二极管组成。窗口装置是一个下部开有长方孔的黑色装置，长方孔大小根据仪表显示窗口大小设计，其作用是减少无用图像摄人保留窗口部分，内壁粗糙对光线形成乱反射，使照到仪表窗口上的光线柔和均匀。

3.其中单片机处理和识别模块是由单片机和扩展RAM组成，嵌入以图像位置识别技术为核心的识别软件，实现快速、准确、可靠的识别。

4.其中通讯接口为单片机提供的串口，增加隔离器件组成通讯单元，可以与其他通讯模块接口通讯。

5.其中电源模块由电源芯片及阻容电路组成，可以将外部提供的直流电源变换成装置中各个部分需要不同电源，分别提供。

6.其中透明密封结构是将以上部分安装在内并密封防水，该结构透明、体积小，可以与其他结构配合安装在各种仪表的窗口上方，可实现不完全阻挡窗口，保留一定的视角。

本实施装置是专门为机械仪表的窗口数字识别而设计的通用的、小型化识别装置，很容易集成在其他装置中，实现特定行业的具体应用。如，与无线通讯模块相结合，形成水表、煤气表的无线自动抄表装置，其透明密封结构既可以实现本装置的密封防水，又能确保一定视角满足人工核查的需求。

本实施装置的透明密封结构上设有与外界信号和电源连接的防水接插件，可以满足不同使用场合的环境要求，如潮湿、水淋、水淹环境。

本实施装置的识别软件采用了图像位置识别技术，实现了各位数字识别速度快、准确率高，多位数字组合分析判断，使识别的结果与显示数据完全一致。

本实施装置具备同时传送数据和图像的功能。对于某些特殊情况下造成的无法识别时，则将所摄取的图像压缩打包，传送到上位计算机分析、处理，可以有效的监视安装效果和运行状况。

本实施装置采用低功耗设计，间歇式工作模式，可满足低功耗要求的应用场合，如采用电池供电的应用，特别是对处理器的硬件要求大大降低(比如使用廉价的单片机既可满足处理、存储和计算要求)，极大的降低了产品成本。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是本发明方法的图像位置识别原理示意图。

图3是机械仪表的“过渡”和“进位”状态示意图。

图4是本发明装置的组成模块示意图。

图5是本发明装置的结构示意图。

图示中：101.连续采集图像，102.图像拼接，103.图像处理，104.生成图像模板和建立对应表，105.下载到处理器并保存在FLASH中，106.采集图像，107.图像预处理，108.图像分割，109.图像位置识别，110.各位组合判断，111.输出结果，201.“0→9”首位相连并循环的图像模板，202.窗口图像块，203.图像位置对应表，301.“过渡”状态，302.“进位”状态，401.图像采集模块，402.单片机处理和识别模块，403.通讯接口，404.电源模块，405.透明密封结构，501.CMOS图像传感器，502.镜头，503.辅助光源，504.窗口装置，505.1#电路板506.单片机和扩展RAM，507.透明外壳，508.通讯单元，509.电源芯片，510.2#电路板，511.板间接插件，512.防水接插件。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的方法和装置的具体实施方法。

图1所示的方法实施分为标定过程和识别过程，标定过程可在工厂里进行，通过标定工装和计算机完成，识别过程则是安装在现场的装置实际运行过程。标定工装为一台实际仪表，将需要标定的装置安放在上面，使仪表走动，然后对仪表显示窗口的个位进行从“0→9→0”的连续采集图像101，图像信息传送到标定计算机中，由计算机进行图像拼接102，拼接后的完整图像再进行图像处理103，图像处理103可以得到二值化阀值、曝光时间、窗口位置和大小等重要参数，并生成图像模板和建立对应表104，其中图像模板为“0→9”首位相连并循环的图像模板201，对应表为图像位置对应表203。标定计算机完成以上参数标定后，将图像模板和对应表及其他参数转化成单片机的代码，下载到单片机并保存在FLASH中105。

在识别过程中，装置完成一次采集图像106后，把图像保存到RAM中，然后进行图像预处理107，利用FLASH中的参数实现图像二值化，然后根据窗口参数进行图像分割108，得到每一位窗口的图像块，从个位起进行图像位置识别109，通过查表得到该图像块的内容；直到完成所有位的窗口图像识别。然后再进行各位组合判断110，消除“过渡”状态301和“进位”状态302的影响，以得到与仪表窗口显示一致的数据，最后将结果输出111。

图4所示的实施装置由图像采集模块401、单片机处理和识别模块402、通讯接口403、电源模块404和透明密封结构405组成的集图像采集、处理识别和传输与一体的装置。其中图像采集模块401是由CMOS图像传感器501、镜头502、辅助光源503和窗口装置504组成。CMOS图像传感器501、镜头502、辅助光源503和窗口装置504一起安装在1#电路板505上。单片机处理和识别模块402是由单片机和扩展RAM 506组成，也安装在1#电路板505上。通讯接口403的通讯单元508和电源模块404的电源芯片509安装在2#电路板510上，1#电路板505与2#电路板510通过板间接插件511连接。将图像采集模块401、单片机处理和识别模块402、通讯接口403和电源模块404一起固定安装在透明外壳507中，并通过透明外壳507上的防水接插件512与其它通过模块和外部电源连接。

Claims (10)

1、一种机械仪表窗口显示数字的图像识别方法，其特征在于包括以下步骤：

在标定过程时连续采集图像(101)并传送给计算机进行图像拼接(102)、图像处理(103)，生成图像模板和位置对应表(104)，然后下载到处理器并保存在FLASH中(105)；

在识别过程时采集图像(106)并进行图像预处理(107)和图像分割(108)，然后进行图像位置识别(109)，得到每一位的窗口数据后再进行各位组合判断(110)，最后得到与仪表窗口显示一致的数据。

2、根据权利要求1所述的图像识别方法，其特征在于连续采集图像(101)包括以下步骤：

对标定窗口进行从“0→9→0”连续采集图像(101)，传送给计算机拼接为从“0→9”的首尾相连且循环的图像模板(201)，并创建“0→9”的数字在图像模板中的图像位置对应表(203)。

3、根据权利要求1所述的图像识别方法，其特征在于图像位置识别(109)过程为：

将窗口图像块(202)与“0→9”的首尾相连且循环的图像模板(201)比对、查找，找到该窗口图像块(202)在图像模板中的位置，再通过查图像位置对应表(203)得到对应的数字；比对、查找过程与窗口图像块(202)内容无关。

4、根据权利要求1所述的图像识别方法，其特征在于包括余下步骤：

进行各位组合判断(110)以消除“过渡”状态(301)和“进位”状态(302)的影响，得到与仪表显示一致的数据。

5、一种实施权利要求1-4所述方法的机械仪表窗口显示数字的图像识别装置，其特征在于由图像采集模块(401)、处理和识别模块(402)，通讯接口(403)和电源模块(404)以及透明密封结构(405)组成且前述模块依次相连并被透明密封结构(405)封装后接出通讯和外部电源接口。

6、根据权利要求5所述的图像识别装置，其特征在于：所述处理和识别模块(402)由单片机和扩展RAM(506)组成，并嵌入以图像位置识别技术为核心的识别软件。

7、根据权利要求5和6所述的图像识别装置，其特征在于具有封装在窗口装置(504)内的图像传感器(501)和镜头(502)并和1#电路板(505)连接固定；在1#电路板(505)上还固定有单片机和扩展RAM(506)；1#电路板(505)通过板间插接件(511)与2#电路板(510)连接，在2#电路板(510)上固定连接有电源芯片(509)和通讯单元(508)；并将所有组件封装在一个透明外壳(507)内。

8、根据权利要求7所述的图像识别装置，其特征在于：所述透明外壳(507)上设置防水接插件(512)。

9、根据权利要求7所述的图像识别装置，其特征在于：在窗口装置(504)内位于镜头周围安装有辅助光源(503)。

10、根据权利要求7所述的图像识别装置，其特征在于图像传感器(501)为CMOS图像传感器。

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