CN103559484B - 测量仪器刻度线的快速识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量仪器刻度线的快速识别方法，可有效解决测量仪器的检定、校准、试验等过程中对刻度线的识别和监视问题，保证刻度线识别、监视和测量的快速准确的问题，其解决的技术方案是，包括利用数码摄像头获取刻度图像；将图像转换成灰度图像；计算出设定区域内各行之间灰度最大跳变值和计算左右边缘或任意两点间的距离，本发明可有效用于对棒式、条状式、直尺式的刻度进行识别，能够快速准确地识别出设定区域内的刻度线的中心位置，实时监测该刻度线中心是否对齐设定位置，识别速度快，准确度高，并具有优良的防抖、防误判性能，是测量仪器刻度线快速识别的创新。

Description

测量仪器刻度线的快速识别方法

技术领域

本发明涉及测量仪器，特别是一种测量仪器刻度线的快速识别方法。

背景技术

非数字显示的测量仪器大多需要借助刻度线指示测量仪器的测量结果(又简称示值)。因此，在测量仪器的检定、校准、试验过程中，需要准确识别刻度线位置，从而得到测量仪器的示值。

最直接的测量仪器刻度线识别方法是目测。由于人眼分辨力有限、长期观测容易造成视觉疲劳等原因，目测的方法存在视觉判断不确定度大、不适合大批量检测以及自动化程度较低等问题。

随着图像识别技术的发展，图像识别在数字读取、过程监控等方面的应用日益广泛。通过专利检索，发现图像识别方面的专利400余项，通常，这些技术的实现过程包括：图像获取、灰度变换、亮度调整、二值化处理、特征值提取等环节，运算过程复杂、运算量大，不能应用在对刻度线连续识别且识别速度不低于20次/秒的自动控制过程。另进行刻度线监控方面的专利检索，也未检索到刻度线识别的相关信息。因此，刻度线识别方法的研究具有创新的意义。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术不足，本发明的目的就是提供一种测量仪器刻度线的快速识别方法，可有效解决测量仪器的检定、校准、试验等过程中对刻度线的识别和监视问题，保证刻度线识别、监视和测量的快速准确。

本发明解决的技术方案是，包括利用数码摄像头获取刻度图像；将图像转换成灰度图像；计算出设定区域内各行之间灰度最大跳变值和计算左右边缘或任意两点间的距离，由以下步骤实现：

(1)利用数码摄像头获取刻度图像；(2)将图像转换成灰度图像；(3)根据需要识别的刻度线在图像中的位置设定识别区域，大幅降低识别过程中的运算处理；(4)计算出设定区域内各行之间灰度最大跳变值J_max；(5)计算识别区域内各行的行平均灰度值；计算设定区域各行间的行平均灰度的跳变；根据灰度跳变的绝对值是否大于0.5J_max进行边缘预判；(6)计算非刻度线区各行的平均灰度的平均值和这些行平均灰度之间的标准偏差s_H，并以标准偏差s_H的n_H倍作为行灰度偏离的阈值；计算各行的行平均灰度与平均灰度之间的偏离，当偏离从小于n_H s_H到大于n_H s_H时为一个初边缘，当偏离从大于n_H s_H到小于(n_H-1)s_H时为终边缘；计算初边缘和终边缘间各行行坐标的加权平均值作为刻度线的中心线行坐标；(7)通过设置对齐阈值和偏离阈值，构造滞留区间，达到防抖效果，判断刻度线中心线行坐标与设定的基准线坐标是否对齐，将对齐判断结果发给信号中转接受装置或由计算机申请中断；(8)分别以左右列平均的灰度标准偏差的倍数作为阈值，判断刻度尺左右边缘；(9)计算左右边缘或任意两点间的距离。

本发明可有效用于对棒式、条状式、直尺式的刻度进行识别，能够快速准确地识别出设定区域内的刻度线的中心位置，实时监测该刻度线中心是否对齐设定位置，识别速度快，准确度高，并具有优良的防抖、防误判性能，是测量仪器刻度线快速识别的创新。

附图说明

图1为本发明的操作流程图。

图2为本发明对棒式刻度尺识别的应用实例图。

图3为本发明对直尺式(条形)刻度识别的应用实例图。

具体实施方式

以下结合具体情况，对本发明的具体实施方式作详细说明。

由图1给出，本发明测量仪器刻度线的快速识别方法包括以下步骤：

1、利用数码摄像头获取刻度图像：由数码摄像的摄像头对刻度尺进行摄影，调节摄像头的焦距和景深，使图像清晰地呈现在计算机画面中，识别采取基于平均灰度的灰度适应技术，通常，对照明的要求并不高，处于自然光状态即可，必要时可设有辅助照明，如配置灯具，由灯具辅助照明，效果更好；

2、将图像转换成灰度图像：方法是，当图像为RGB格式(红绿蓝三色混色编码格式)，而非YUV格式(亮度或灰度色差编码格式)时，按下式将RGB格式转换为YUV格式：

Y＝0.299R+0.587G+0.114B

U＝-0.147R-0.289G+0.436B

V＝0.515R-0.515G-0.100B

其中：R、G、B分别为红、绿、蓝三基色的混合系数；

Y为明亮度(灰阶值)，U、V分别为色差：色调与饱和度，其中，U是RGB输入信号红色部分与RGB信号亮度值之间的差异；V是RGB输入信号蓝色部分与RGB信号亮度值之间的差异；

3、根据需要识别的刻度线在图像中的位置设定识别区域，大幅降低识别过程的运算处理：根据刻度区图像位置设定识别区，识别区左右边界宽于刻度区50～200个像素的距离，识别区上下高度不大于刻度线间距的80％，计算机只对识别区界定区域内的图像进行处理，由于识别区为设定的特定区域，其面积远小于整幅画面的面积，因此需要处理的像素数量大大减少，更易于处理；

4、计算出设定区域内各行之间灰度最大跳变值：当识别区域设定完毕，点击计算机“保存”的时候，计算机系统会计算出设定区域内各行之间灰度最大跳变值J_max，并自动保存；

5、根据灰度跳变的绝对值是否大于0.5J_max进行边缘预判，方法是：

计算识别区域内各行的行平均灰度值：

$\stackrel{\‾}{Y_j}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{Y}_{i,j/n}$

其中：为j行的平均灰度，Y_i,j为识别区域内j行i点像素的灰阶值；

计算设定区域各行间的行平均灰度的跳变：其中，J_j为第j行到第j+1行的灰度变化值；

根据灰度跳变的绝对值是否大于0.5J_max进行边缘预判：当灰度跳变的绝对值大于0.5J_max时，认定为有一个预判边缘，正跳变为刻度线预判开始边缘、负跳变为刻度线预判结束边缘；

6、以灰度标准偏差的倍数作为阈值、以加权平均坐标做为刻度线中心坐标，方法是：

a、刻度线预判开始边缘与预判刻度线结束边缘之间的为刻度线区，其余为非刻度线区；计算非刻度线区各行的平均灰度的平均值和这些行行平均灰度之间的标准偏差s_H，并以标准偏差s_H的n_H倍(一般n_H取3)，作为行灰度偏离的阈值，在识别区图像背景均匀性偏差时，n_H可适当取大一些，一般由用户根据识别效果在0～255间自行调整；

b、计算各行的行平均灰度与平均灰度之间的偏离，当偏离从小于n_H s_H到大于n_H s_H时为一个初边缘，当偏离从大于n_H s_H到小于(n_H-1)s_H时为终边缘；

c、计算初边缘和终边缘间各行行坐标的加权平均值作为刻度线的中心线行坐标

$Y_L=(\underset{j=nr}{\overset{nd}{\Σ}}{y}_j\×\stackrel{\‾}{Y_j})/\underset{j=nr}{\overset{nd}{\Σ}}\stackrel{\‾}{Y_j}$

其中：n_r为是始边缘的行序号、n_d为终边缘的行序号，y_j为j行的y坐标值，为j行的平均灰度；

7、通过设置对齐阈值和偏离阈值，构造滞留区间，达到防抖、防误判的效果，方法是：

计算出的刻度线中心线行坐标Y_L后，与对齐基准线行坐标Y_B相减，得到两线之间的距离G，G与设定参数对齐阈值b、偏离阈值B相比较，判断刻度线是否与基准线对齐：

a、当t_n时刻，|G_tn|>b，已判定刻度线未对齐，且输出低电平；t_n表示第n个时刻，|G_tn|为t_n时刻时，刻度线中心线与基准线之间的距离；

t_n+1时刻，若|G_tn+1|≤b，判定刻度线即将对齐，输出仍维持低电平；若|G_tn+1|>b，仍判定刻度线未对齐，输出维持低电平，等同t_n时刻；

tn+2时刻，若|G_tn+2|≤b，判定刻度线对齐，输出改为高电平；若|G_tn+2|>b，仍判定刻度线未对齐，输出维持低电平，等同t_n时刻；

b、当t_m时刻，|G_tm|≤B，已判定刻度线对齐，且输出高电平；t_m表示第m个时刻，|G_tm|为t_m时刻时，刻度线中心线与基准线之间的距离；

t_m+1时刻，若|G_tm1|>B，判定刻度线即将偏离，输出仍维持高电平；若|G_tm+1|≤B，仍判定刻度线对齐，输出维持高电平，等同t_m时刻；

t_m+2时刻，若|G_tm+2|>B，判定刻度线偏离，输出改为低电平；若|G_tm+2|≤B，仍判定刻度线对齐，输出维持高电平，等同t_m时刻；

c、将对齐判断结果以输出电平的形式发给信号中转接受装置，或直接由计算机内部设置为中断；

8、分别以左右方向列平均灰度标准偏差的倍数作为阈值，判断刻度尺左右边缘，方法是：

a、在设定的识别区域范围内，从识别区最左边(不是图像最左边)开始，计算20列图像的列平均灰度的平均值和这些列平均灰度的标准偏差s_L，取n_L倍的标准偏差s_L为刻度尺左边缘阈值，n_L为可设定参数，一般取3，在识别区图像背景均匀性偏差时，n_L可适当取大一些，一般由用户根据识别效果在0～255间自行调整；

b、在设定的识别区域范围内，从识别区最右边(不是图像最右边)开始，计算20列图像的列平均灰度的平均值和这些平均列灰度的标准偏差s_R，取n_R倍的标准偏差s_R为刻度尺右边缘阈值，n_R为可设定参数，一般取3，在识别区图像背景均匀性偏差时，n_R可适当取大一些，一般由用户根据识别效果在0～255间自行调整；

c、在设定的识别区域范围内，从识别区最左边(不是图像最左边)开始，计算各列平均灰度与平均灰度之间的跳变，当跳变绝对值(不论正负)第一次从小于n_L×s_L到大于n_L×s_L时，记取该列所在位置为刻度尺左边缘；

d、在设定的识别区域范围内，从识别区最右边(不是图像最右边)开始，计算各列平均灰度与平均灰度之间的跳变，当跳变绝对值(不论正负)第一次从小于n_R×s_R到大于n_R×s_R时，记取该列所在位置为右边缘。

9、计算左右边缘或任意两点间的距离：

a、图像中的尺寸单位是像素间距，被测目标实际单位是毫米，系统通过标定功能建立二者之间的比例关系，标定时，系统自动计算纵向方向和横向方向的特征线之间的像素数N_h、N_w，通过人工输入特征线之间的实际距离H、W，按照公式C_h＝H/N_h及C_w＝W/N_w计算图像像素与密度计实际尺寸之间的比例关系，C_h、C_w分别为纵向和横向上像素间距与实际长度单位的比例；

b、图像上刻度尺左右边缘之间的宽度以及任意两点间代表的实际尺寸根据下式得到：

$D=\sqrt{{C_L}^2{(X_1-X_2)}^2+{C_H}^2{(Y_1-Y_2)}^2}$

其中，X₁、X₂、Y₁、Y₂为两点的像素坐标,C_L、C_H为图像像素与实际尺寸转换的纵向比例与横向比例。

本发明通过设定识别区域、改进计算方法，能够快速识别出设定区域内的刻度线的中心位置，识别速度达到20次/秒以上；通过以灰度标准偏差的倍数作为阈值、以加权平均坐标做为刻度线中心坐标，能够准确判定刻度中心位置，识别误差小于0.1mm；通过设置对齐阈值和偏离阈值，构造滞留区间，判断是否和设定位置对齐，具有优良的防抖、防误判性能。有效地解决了测量仪器的检定、校准、试验等过程中对刻度线的识别和监视问题。经对棒式刻度尺的刻度线和直尺式(条形)刻度尺的刻度线进行多次反复的实际验证，如图2、图3所示，均取得了相同或相近似的实验结果，实际分辨率均达到0.02mm，优于人眼0.2mm的分辨率，表明本发明方法稳定可靠，测试精度高，有效保证了测量仪器刻度线的快速、准确识别，防止了由于人眼分辨力有限、长期观测容易造成视觉疲劳、存在视觉判断不确定度大、不适合大批量检测以及自动化程度较低等问题，有实际的应用价值和良好的经济与社会效益。

Claims (6)

1.一种测量仪器刻度线的快速识别方法，包括：利用数码摄像头获取刻度图像；将图像转换成灰度图像；计算出设定区域内各行之间灰度最大跳变值和计算左右边缘或任意两点间的距离，其特征在于，由以下步骤实现：

(1)利用数码摄像头获取刻度图像；(2)将图像转换成灰度图像；(3)根据需要识别的刻度线在图像中的位置设定识别区域，大幅降低识别过程中的运算处理；(4)计算出设定区域内各行之间灰度最大跳变值J_max；(5)计算识别区域内各行的行平均灰度值；计算设定区域各行间的行平均灰度的跳变；根据灰度跳变的绝对值是否大于0.5J_max进行边缘预判；(6)计算非刻度线区各行的平均灰度的平均值和这些行平均灰度之间的标准偏差s_H，并以标准偏差s_H的n_H倍作为行灰度偏离的阈值；计算各行的行平均灰度与平均灰度之间的偏离，当偏离从小于n_H s_H到大于n_H s_H时为一个初边缘，当偏离从大于n_H s_H到小于(n_H-1)s_H时为终边缘；计算初边缘和终边缘间各行行坐标的加权平均值作为刻度线的中心线行坐标；(7)通过设置对齐阈值和偏离阈值，构造滞留区间，达到防抖效果，判断刻度线中心线行坐标与设定的基准线坐标是否对齐，将对齐判断结果发给信号中转接受装置或由计算机申请中断；(8)分别以左右列平均的灰度标准偏差的倍数作为阈值，判断刻度尺左右边缘；(9)计算左右边缘或任意两点间的距离。

2.根据权利要求1所述的测量仪器刻度线的快速识别方法，其特征在于，所述步骤(3)根据需要识别的刻度线在图像中的位置设定识别区域，大幅降低识别过程的运算处理，方法是：

根据刻度区图像位置设定识别区，识别区左右边界宽于刻度区50～200个像素的距离，识别区上下高度不大于刻度线间距的80％，计算机只对识别区界定区域内的图像进行处理，由于识别区为设定的特定区域，其面积远小于整幅画面的面积，因此需要处理的像素数量大大减少，更易于处理。

3.根据权利要求1所述的测量仪器刻度线的快速识别方法，其特征在于，所述步骤(5)根据灰度跳变的绝对值是否大于0.5J_max进行边缘预判，方法是：

计算识别区域内各行的行平均灰度值，在进入检测状态后，每一个检测周期，按下述方法进行：

计算识别区域内各行的行平均灰度值：

其中：为j行的平均灰度，Y_i,j为识别区域内j行i点像素的灰阶值；

计算设定区域各行间的行平均灰度的跳变：其中，J_j为第j行到第j+1行的灰度变化值；

根据灰度跳变的绝对值是否大于0.5J_max进行边缘预判：当灰度跳变的绝对值大于0.5J_max时，认定为有一个预判边缘，正跳变为刻度线预判开始边缘、负跳变为预判刻度线结束边缘。

4.根据权利要求1所述的测量仪器刻度线的快速识别方法，其特征在于，所述步骤(6)以灰度标准偏差的倍数作为阈值、以加权平均坐标做为刻度线中心坐标，方法是：

当识别区域内同时存在预判开始边缘和预判结束边缘，按如下方法计算刻度线位置：

a、刻度线预判开始边缘与预判刻度线结束边缘之间的为刻度线区，其余为非刻度线区；计算非刻度线区各行的平均灰度的平均值和这些行行平均灰度之间的标准偏差s_H，并以标准偏差s_H的n_H倍，作为行灰度偏离的阈值，在识别区图像背景均匀性偏差时，n_H由用户根据识别效果在0～255间自行调整；

b、计算各行的行平均灰度与平均灰度之间的偏离，当偏离从小于n_H s_H到大于n_H s_H时为一个初边缘，当偏离从大于n_H s_H到小于(n_H-1)s_H时为终边缘；

d、计算初边缘和终边缘间各行行坐标的加权平均值作为刻度线的中心线行坐标：

其中：n_r为是始边缘的行序号、n_d为终边缘的行序号，y_j为j行的y坐标值，为j行的平均灰度。

5.根据权利要求1所述的测量仪器刻度线的快速识别方法，其特征在于，所述步骤(7)通过设置对齐阈值和偏离阈值，构造滞留区间，达到防抖、防误判效果，方法是：

计算出的刻度线中心线高度Y_L后，与对齐基准线Y_B相减，得到两线之间的距离G，G与设定参数对齐阈值b、偏离阈值B相比较，判断刻度线是否与基准线对齐：

a、当t_n时刻，|G_tn|>b，已判定刻度线未对齐，且输出低电平；t_n表示第n个时刻，|G_tn|为t_n时刻时，刻度线中心线与基准线之间的距离；

t_n+1时刻，若|G_tn+1|≤b，判定刻度线即将对齐，输出仍维持低电平；若|G_tn+1|>b，仍判定刻度线未对齐，输出维持低电平，等同t_n时刻；

tn+2时刻，若|G_tn+2|≤b，判定刻度线对齐，输出改为高电平；若|G_tn+2|>b，仍判定刻度线未对齐，输出维持低电平，等同t_n时刻；

b、当t_m时刻，|G_tm|≤B，已判定刻度线对齐，且输出高电平；t_m表示第m个时刻，|G_tm| 为t_m时刻时，刻度线中心线与基准线之间的距离；

t_m+1时刻，若|G_tm1|>B，判定刻度线即将偏离，输出仍维持高电平；若|G_tm+1|≤B，仍判定刻度线对齐，输出维持高电平，等同t_m时刻；

t_m+2时刻，若|G_tm+2|>B，判定刻度线偏离，输出改为低电平；若|G_tm+2|≤B，仍判定刻度线对齐，输出维持高电平，等同t_m时刻；

c、将对齐判断结果以输出电平的形式发给信号中转接受装置，或直接由计算机内部设置为中断。

6.根据权利要求1所述的测量仪器刻度线的快速识别方法，其特征在于，所述步骤(8)分别以左右方向列平均灰度标准偏差的倍数作为阈值，判断刻度尺左右边缘，方法是：

a、在设定的识别区域范围内，从识别区最左边开始，计算20列图像的列平均灰度的平均值和这些列平均灰度的标准偏差s_L，取n_L倍的标准偏差s_L为刻度尺左边缘阈值，n_L为可设定参数，当在识别区图像背景均匀性偏差时，n_L由用户根据识别效果在0～255间自行调整；

b、在设定的识别区域范围内，从识别区最右边开始，计算20列图像的列平均灰度的平均值和这些平均列灰度的标准偏差s_R，取n_R倍的标准偏差s_R为刻度尺右边缘阈值，n_R为可设定参数，在识别区图像背景均匀性偏差时，n_R由用户根据识别效果在0～255间自行调整；

c、在设定的识别区域范围内，从识别区最左边开始，计算各列平均灰度与平均灰度之间的跳变，当跳变绝对值第一次从小于n_L×s_L到大于n_L×s_L时，记取该列所在位置为刻度尺左边缘；

d、在设定的识别区域范围内，从识别区最右边开始，计算各列平均灰度与平均灰度之间的跳变，当跳变绝对值第一次从小于n_R×s_R到大于n_R×s_R时，记取该列所在位置为右边缘。