CN101059364A - 字符条码计量指示字轮的图像直读方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了字符条码计量指示字轮的图像直读方法。包括接收摄像头的读数图像和输出读数数据，首先分析读数画面的方向角度，用图像分割方法得到每个数位的字符区域和条码区域，采用纵向方式对条码区域进行扫描，读取垂直于方向角度并穿过条码区域的扫描线，分析得到该数位图像的特征编码，将其与标准码本对比，得到该数位读数值，分别对每个数位对应的条码区域进行识别，最后按照一定次序组合识别结果。利用条形码和相邻条形码间的间隔参与编码，能够对码轮在不同位置显示的字符准确识别，解决了过渡状态字符识别难点，该方案既适合于在以固定安装的读表器或读表系统的形式实现，也适合于以手持读表机或其它非固定安装的形式实现。

Description

字符条码计量指示字轮的图像直读方法

技术领域  本发明涉及仪表数据远程自动采集技术领域，特别是涉及一种可用于远程自动抄表系统的字符条码计量指示字轮的图像直读方法。

背景技术  经历了脉冲远传和卡表技术之后，目前的水、电、气等计量表的数据远程自动采集技术已经发展到“直读”阶段。顾名思义，直读式远传就是对计量表的示值直接读取、存储并将数据远传。现有的直读技术主要有编码直读式或称码盘直读式和摄像直读式两类。

编码直读技术的本质是一种机械位置的识别技术，通过在计量表具的计数器上开孔或附加电子元件或印刷标识，利用内建的或安装在外围的传感器进行位置检测，形成不同的编码组合来判定计数器的当前位置。具体的实现方法有许多种，如光电收发式、电阻逻辑式、接触开关式、光电透射式等。这类技术目前已有了大量的应用和实践，主要缺点是：需对表具本身进行各种改造，此外还存在因读数盲点、进位不准、老化或磨损等各种问题造成的计量不准或者读数与显示值不符等问题，引起纠纷时常常无法取证。这些技术中有些还有应用领域限制，例如不能用于湿式水表，而在气表中加装电子装置会造成火灾隐患。因而，发展出摄像直读技术。

摄像直读技术利用安装于计量表具码盘上或外持的小型摄像头，拍摄下表具示值的画面，再通过图像识别技术来获得读数。现在还没有在表端直接执行图像判读的实际系统，目前的各种实现方案都是将图像传送至集中处理端执行判读。摄像直读技术有很多优点：寿命长，平时不用通电，一般不需对表具内做任何改动，各种干式湿式水表及电表、气表都可以用；在图像上加上用户信息、表具代号及读表时间后保存下来，还可具有法律效力。摄像直读式远传技术已被列入建设部行业标准。但目前这类技术还存在一些缺点，最主要的还是图像识别正确率问题以及实现成本问题。

ZL 03113051.8提出了一种轮式计数器计数的远程采集、传输的方法及装置，在计数轮上设有区别不同数字的条状或格状图形码，通过图像传感器和信号处理技术识别数字，并给出了识别一维条形码读数的方法。这种识别算法的优点是简单容易实现，不足之处是：1、如图像有倾斜会读出错误数据。2、仅用图形码区别数字，普通人难以识别，专业人员也容易误读，虽然其公开文件中也指出可在计数轮上另行标出颜色较淡的阿拉伯数字，但实际效果不仅将增加图像识读的噪声，而且人工识读也不清晰。3、当数字即字符过渡时横向扫描就存在什么也没读到的情况，如果取多行数据判读又可能会出现不同读数，否则算法将变复杂；或如二维格状码在数字过渡时会产生严重歧义(例如其2-3和5-6过渡都与0的符号相同、3-4和9-0过渡都与2的符号相同)。

发明内容  针对现有计量表图像直读技术存在的不足，本发明目的是：提出一种字符条码计量指示字轮的图像直读方法，该方法在不改变现有计量表结构和计量读数方法的基础上，通过识别条形码获得正确读数，解决自动抄表时图/数转换识别率问题，同时解决字符过渡时不完整字符等识读难题。另外该方法根据条形码起始或结束处在图像中的位置，不仅可以判断该数位应读出的正确数字，还可以计算出比最低数位更高一个或两个数量级精度的计量数据。

本发明的技术方案是：一种字符条码计量指示字轮的图像直读方法，包括接收摄像头的读数图像和输出读数数据，特别是：与字符条码字轮相配合的图像识别流程为：

接通电源，由摄像头获取表具的读数图像送入图像处理单元；

分析图像灰度分布，得出并记录读数画面的方向角度θ；

图像分割得到读数每个数位的字符区域和条码区域，其中字符区域包括字符，条码区域包括条形码及前一条形码的结束位置与后一条形码的起始位置之间的间隔，将字符区域和条码区域作为兴趣区域并记录其特征位置；

对每个数位的条码区域进行图像识别，采用纵向方式对条码区域进行扫描，读取垂直于方向角度θ并穿过条码区域的扫描线，分析扫描线上的灰度波动值或二值化后的值并得到该数位图像的特征编码，将其与标准码本对比，得到该数位的完整字符或过渡字符的读数值；

所说标准码本是连续的形式即一个长的编码串，由从0到9再到0字符所对应的二值条形码加上作为第三值的分隔符号组成；所说标准码本或采用离散的形式即每个字符对应多个编码，包含完整字符及过渡字符状态所有的编码表现形式；

按照一定次序，组合各个数位的识别结果，对形成的读数进行逻辑判断，对不符合逻辑的结果进行纠正给出符合逻辑的读数，输出数据。

作为对现有技术的进一步改进：作为三值的分隔符号采用“2”或其它任意区别于条形码的所用值或符号，分隔符号“2”为条码区域中两相邻条形码间的间隔所对应的值；字符区域包括的字符是数字或标记；按照一定次序，组合各个数位的识别结果，其中一定次序是从高位到低位或从低位到高位；采用纵向方式对条码区域进行扫描，其中纵向是与观察窗口中码轮转动方向相平行的方向；图像直读方法为手持式读表或固定式读表，手持式读表是读表者直接拿在手上进行读表的流程，固定式读表是读表者在读表的流程前进行安装时的标定流程，然后进行读表的流程；输出数据或是读数，或包括读数图像、图像或加注附加信息包括用户、表具标识、时间。

图像直读方法或能够获得计量精度的读数，当出现字符过渡时，取读数为前一码字，字符字距为L₁，标准位置减去相对位置得L₂，计算读数分量的公式为：

val＝(L₂/L₁)+0.5；该数位的完整字符或过渡字符的特征编码采用定长编码或非定长编码。

有益效果：现有技术ZL 03113051.8的一种轮式计数器计数的远程采集、传输的方法及装置的不足之处是：图像有倾斜可能会读出错误数据，仅用图形码区别数字，不易人工识读。字符过渡时横向扫描就存在读不到数据的情况，如果取多行数据判读又可能会出现不同读数，否则算法将变复杂；如二维格状码在数字过渡时会产生严重歧义。相对于现有技术的的不足之处，本发明的有益效果是：

其一，字符条码计量指示字轮的图像直读方法首先对每个数位的条码区域进行图像识别，采用纵向方式对条码区域进行扫描，读取垂直于方向角度θ并穿过条码区域的扫描线，分析扫描线上的灰度波动值或二值化后的值并得到该数位图像的特征编码，将其与标准码本对比，得到该数位的完整字符或过渡字符的读数值。因此该方法不受到图像显示画面的方向的限制，不论画面是水平的或者倾斜的甚至是与正常的情况相垂直或颠倒都会得到唯一的特征编码，将特征编码与其标准码本对比，将得到该数位正确的读数。该方案能实现图/数转换的100％正确识别率，该方案既适合于以固定安装的读表器或读表系统的形式实现，也适合于以手持读表机或其它非固定安装的形式实现。

其二，本发明首先用图像分割方法得到每个数位的字符区域和条码区域，然后分别对每个数位对应的条码区域进行识别，最后按照一定次序组合识别结果。对条码区域进行识别时，采用纵向方式对条码区域进行扫描，得到特征编码。由于该种纵向扫描方式扫描得到的特征编码包括条码区域中条形码对应的二值和相邻条码间的间隔对应的第三值，因此码轮处在不同位置进行扫描读数时将得到不同的特征编码。

标准码本是连续的形式为一个长的编码串，由从0到9再到0字符所对应“0”、“1”的二值条形码加上作为第三值的分隔符号“2”组成，分隔符号为条形码区域中两相邻条形码间的间隔所对应的值。在采用离散形式的标准码本中，每个字符对应多个编码，这多个编码包括了该字符完整显示时对应的编码和处在不同位置的过渡状态时对应的编码。

本识别方法中，利用条形码和相邻条形码间的间隔参与编码，对码轮在不同位置显示的字符都能准确识别，很好地解决了过渡状态字符识别难点，解决了现有技术中字符过渡时横向扫描存在读不到数据的情况、多行数据判读可能出现不同读数、二维格状码在数字过渡时产生严重歧义的情况。

其三，字符条码计量指示字轮的图像直读方法不仅可以判断每个数位应读出的正确数字，还可以计算出比最低数位更高一个数量级精度的计量数据。具体方法是：字符字距为L₁，标准位置减去相对位置得L₂，则计算更高读数分量的公式为：val＝(L₂/L₁)+0.5。该分量读数取一位有效数字或取两位有效数字都符合数值有效性和准确性。

附图说明

图1是字符条码计量指示字轮的旋转结构示意图。

图2是字符条码计量指示字轮的字符字距示意图。

图3是字符区域和条码区域说明图a和b。

图4是字符条码计量指示字轮的码轮展开图。

图5是字符条码计量指示字轮的读数图像和观察窗口一。

图6是字符条码计量指示字轮的读数图像和观察窗口二。

图7是本发明的完整字符编码和过渡字符编码示意图

图8是本发明的手持式读表流程图。

图9是本发明的固定式读表安装时的标定流程图。

图10是本发明的固定式读表流程图。

图11是本发明的更高精度计算流程图。

图12是本发明图像识别流程展开说明图。

具体实施方式下面结合附图对本发明的实施例作进一步解释：

图1是字符条码计量指示字轮的旋转结构示意图。在图1中，字符条码计量指示字轮的圆周表面印刷有两种并行排列的计量指示字符0～9的字符1和条形码2。其中条形码2的条纹方向为水平，即平行于字轮的转动轴、垂直于字轮边缘圆周。字符1保留了原计量表的人工易读性，条形码2则用来保证图像直读时图/数转换的简单性和正确性。字符条码计量指示字轮的旋转方向是按顺时针方向旋转。

图2是字符条码计量指示字轮的字符字距示意图。在图2中，在字符条码计量指示字轮所印刷的字符1上，0～9十个数字在字轮圆周表面等间距印刷，L₁表示字符1的字距。

图3是字符区域和条码区域说明图a和b。其中，在图3a中，3为字符区域，4为条码区域，5为扫描线，扫描线5包括的条码区域4的纵向中分线，同时包括任意一条经过条码区域4的扫描线5。在图3b中，6为相对位置，7为标准位置，8为前一条形码2的结束位置，9为后一条形码2的起始位置，θ为读数画面的方向角度，字符条码计量指示字轮的图像直读方法首先分析读数画面的方向角度θ，然后再读取垂直于方向角度θ并穿过条码区域4的扫描线5，分析得到该数位图像的特征编码。

图4是字符条码计量指示字轮的码轮展开图。在图4中，字符1用不同的二值条形码2表示字符0～9，并且不需要起始符和终止符，其对应条形码2分别是：00110、10001、01001、11000、00101、10100、01100、00011、10010、01010。

图5是字符条码计量指示字轮的读数图像和观察窗口一。在图5中，外框表示整个读数图像，内框表示其中读数的观察窗口。字符条码计量指示字轮的观察窗口中有字符1、条形码2和条码区域4，其特征位置分别为P₁、P₂、P₃、P₄、P₅，图中P₅为该数位图像条码区域4的扫描线5所在的位置，P₁、P₂、P₃、P₄和P₅表述类似。

图6是字符条码计量指示字轮的读数图像和观察窗口二。在图6中，字符条码计量指示字轮的观察窗口与图像水平方向的夹角为θ。

图7是本发明的完整字符编码和过渡字符编码示意图。在图7中，长数字串表示标准码本连续形式的一部分，10a为完整字符的特征编码，10b₁，10b₂为过渡字符的特征编码，完整字符10a或过渡字符10b₁，10b₂的特征编码采用定长编码或非定长编码。

图8是本发明的手持式读表流程图。在图8中，接通电源，打开自带的光源和摄像头后开始工作(步骤100)，首先由摄像头获取表具的读数图像(步骤101)并送入图像处理单元；由于拍摄的图像可能会出现倾斜的情况，所以先分析求出表具读数画面方向角度θ，然后在图像处理单元中运用适当的图像分割方法分割读数的每个数位的数字区域3和条码区域4，以此作为兴趣区域并记录其特征位置(步骤103)，接下来按照一定次序即从高位向低位或从低位到高位对每一兴趣区域进行图像识别(步骤104)；上述步骤完成后，组合各数位识别结果获得读数(步骤105)，并对所获得的读数进行逻辑判断(步骤106)，如果所获得读数不符合逻辑将按逻辑给出正确读数(步骤107)；读数识别完成后，将发送识别结果，可以对图像加注附加信息(用户、表具标识、时间)后压缩(步骤108)，将数据信息保存在存储单元中(步骤109)，这些结果也可以在表端打印出来；数据发送完毕后，光源和摄像头关闭，断电(步骤110)。

图9是本发明的固定式读表安装时的标定流程图。在图9中，接通电源，打开自带的光源和摄像头后开始工作(步骤111)，首先由摄像头获取表具的读数图像(步骤112)并送入图像处理单元；由于拍摄的图像可能会出现倾斜的情况，所以先分析求出表具读数画面方向角度θ(步骤113)，然后在图像处理单元中运用适当的图像分割方法得到各个兴趣区域及其特征位置(步骤114)；计算分割后的各兴趣区域中包含的条码区域4的特征位置P₁，P₂…P_n(步骤115)，将特征数据(θ，P₁，P₂…P_n)保存至存储单元(步骤116)；光源和摄像头关闭，断电(步骤117)。

图10是本发明的固定式读表流程图。在图10中，接通电源，打开自带的光源和摄像头后开始工作(步骤118)，由摄像头获取表具的读数图像(步骤119)，然后从存储单元读出该图像的特征数据(θ，P₁，P₂…P_n)(步骤120)，接下来识别单元按一定次序即从高位向低位或从低位到高位对每一兴趣区域进行图像识别(步骤121)；上述步骤完成后，组合各数位识别结果获得读数(步骤122)，并对所获得的读数进行逻辑判断(步骤123)，如果所获得读数不符合逻辑将按逻辑给出正确读数(步骤124)；读数识别完成后，将发送识别结果，可以对图像加注附加信息(用户、表具标识、时间)后压缩(步骤125)，再通过网络或其它方式传送图像与读数(步骤126)至控制中心或数据库；数据发送完毕后，光源和摄像头关闭，断电(步骤127)。

图11是本发明的更高精度计算流程图。在图11中，过渡数字的图像识别还可以计算更高计量精度的读数(步骤128)；将字符1的字距记为L₁(步骤129)，标准位置7减去相对位置6得L₂(步骤130)，按照公式val＝(L₂/L₁)+0.5计算更高精度读数分量(步骤131)，记录读数分量(步骤132)。

图12是本发明图像识别流程展开说明图，即是图8中步骤104和图10中步骤121中图像识别流程的展开说明图。在图12中，图像识别流程开始(步骤133)，读取垂直于方向角度θ并穿过条码区域4的扫描线5(步骤134)，分析扫描线5上的灰度波动值或二值化后的值并得到该数位图像的特征编码(步骤135)，将特征编码与标准码本对比得到本位读数(步骤136)；记录本位读数(步骤137)。

实施例一：水表上使用。字轮采用前述实施方式的字符条码计量指示字轮。摄像机以及单片机图像处理系统固定安装于水表上。使用图9和图10实施。

实施例二：气表上使用。字轮采用前述实施方式的字符条码计量指示字轮。摄像机以及单片机图像处理系统是一个独立于气表的手持式读表机。使用图8实施。

实施例三：电表上使用。字轮采用前述实施方式的字符条码计量指示字轮。摄像机以及单片机图像处理系统是一个独立于气表的手持式读表机。使用图8实施。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的字符条码计量指示字轮的图像直读方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1、字符条码计量指示字轮的图像直读方法，包括接收摄像头的读数图像和输出读数数据，其特征在于：与字符条码字轮相配合的图像识别流程为：

接通电源，由摄像头获取表具的读数图像送入图像处理单元；

分析图像灰度分布，得出并记录读数画面的方向角度θ；

图像分割得到读数每个数位的字符区域(3)和条码区域(4)，其中字符区域(3)包括字符(1)，条码区域(4)包括条形码(2)及前一条形码(2)的结束位置(8)与后一条形码(2)的起始位置(9)之间的间隔，将字符区域(3)和条码区域(4)作为兴趣区域并记录其特征位置；

对每个数位的条码区域(4)进行图像识别，采用纵向方式对条码区域(4)进行扫描，读取垂直于方向角度θ并穿过条码区域(4)的扫描线(5)，分析扫描线(5)上的灰度波动值或二值化后的值并得到该数位图像的特征编码，将其与标准码本对比，得到该数位的完整字符(10a)或过渡字符(10b₁，10b₂)的读数值；

所述标准码本是连续的形式即一个长的编码串，由从0到9再到0字符所对应的二值条形码(2)加上作为第三值的分隔符号组成；所述标准码本或采用离散的形式即每个字符对应多个编码，包含完整字符(10a)及过渡字符(10b₁，10b₂经)状态所有的编码表现形式；

按照一定次序，组合各个数位的识别结果，对形成的读数进行逻辑判断，对不符合逻辑的结果进行纠正给出符合逻辑的读数，输出数据。

2、根据权利要求1所述的字符条码计量指示字轮的图像直读方法，其特征是：所说由从0到9再到0字符所对应的二值条形码，其中二值为“0”、“1”。

3、根据权利要求1所述的字符条码计量指示字轮的图像直读方法，其特征是：所说作为第三值的分隔符号采用“2”或其它任意区别于条形码(2)的所用值或符号，分隔符号“2”为条码区域(4)中两相邻条形码(2)间的间隔所对应的值。

4、根据权利要求1所述的字符条码计量指示字轮的图像直读方法，其特征是：所说图像直读方法或能够获得计量精度的读数，当出现字符过渡时，取读数整量为前一码字，字符字距为L₁，标准位置(7)减去相对位置(6)得L₂，计算读数分量的公式为：

val＝(L₂/L₁)+0.5。

5、根据权利要求1所述的字符条码计量指示字轮的图像直读方法，其特征是：所说字符区域(3)包括的字符(1)是数字或标记。

6、根据权利要求1所述的字符条码计量指示字轮的图像直读方法，其特征是：所说该数位的完整字符(10a)或过渡字符(10b₁，10b₂)的特征编码采用定长编码或非定长编码。

7、根据权利要求1所述的字符条码计量指示字轮的图像直读方法，其特征是：所说按照一定次序，组合各个数位的识别结果，其中一定次序是从高位到低位或从低位到高位。

8、根据权利要求1所述的字符条码计量指示字轮的图像直读方法，其特征是：采用纵向方式对条码区域(4)进行扫描，其中纵向是与观察窗口中码轮转动方向相平行的方向。

9、根据权利要求1所述的字符条码计量指示字轮的图像直读方法，其特征是：所说图像直读方法为手持式读表或固定式读表，手持式读表是读表者直接拿在手上进行读表的流程，固定式读表是读表者在读表的流程前进行安装时的标定流程，然后进行读表的流程。

10、根据权利要求1所述的字符条码计量指示字轮的图像直读方法，其特征是：所说输出数据或是读数，或包括读数图像、图像或加注附加信息包括用户、表具标识、时间。

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