CN103743425A - 仪表指针动态响应能力的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述的仪表指针动态响应能力的检测方法，是基于计算机数据采集与图像处理手段，以设定的关键方位角为检测基准，通过记录汽车仪表指针从下限到上限的运动过程，以准确地计算出指针到达关键方位角At的时间，为精确地评价仪表动态特性提供最直接的参考依据。具体地，在识别仪表图像中的指针、并记录指针从下限位置到上限位置重心点W变化过程的基础上，计算出指针旋转的中心点O、指针在上、下限位置的方位角和关键方位角At，以指针到达关键方位角At的时间是否在允许的范围之内来综合地评价动态响应能力。

Description

仪表指针动态响应能力的检测方法

技术领域

本发明所述的仪表指针动态响应能力的检测方法，涉及诸如汽车仪表盘多种类型参数值的性能检测。

背景技术

车辆仪表的动态特性是反映实际运行状况下仪表指针的运转表现，其主要包括仪表的灵敏性、抗干扰能力、运转平稳性等方面。良好的动态特性要求仪表在及时、准确的反映汽车运行状况的同时，还要能满足驾驶员的观察习惯。动态响应能力着重体现仪表的灵敏性，主要通过仪表指针对输入信号的响应时间来判断。

目前，有关汽车摩托车用仪表的中华人民共和国汽车行业标准(QC/T727-2007)已经对部分仪表指针的响应时间做了量化规定，如燃油表指针应在3分钟内指示到标度尺全弧长的90％以上。国内的汽车仪表生产企业主要采用人工的方式检测汽车仪表指针动态响应能力，具体的步骤是通过信号模拟发生器发出从下限值到上限值的阶跃信号，并通过人工开始计时；经肉眼观察，当指针运动到指定的刻度位置时，计时结束；最后计算出指针运行的时间。人在判断指针是否经过指定的刻度位置时存在较大的主观性，观测角度、习惯、身体状态的不同都会影响到检测结果，因而会存在较大的检测误差。

又如以下在先申请专利ZL201210220880.4，名称为一种仪表指针指示误差测量方法及装置，其技术方案主要是运用计算机图像处理和识别装置，通过采用高清摄像装置采集汽车仪表指针实际指示位置的仪表实际图像，再通过计算机图像处理软件生成仪表指针的实际偏转角度，然后再根据该实际偏转角度数据计算出对应的实际速度值及实际误差值。

上述专利虽然利用计算机及图像识别技术来代替人工检测判断，但仅能就指针是否最终指示到检测合格范围内做出判断，至于指针是否能在规定时限内指示到合格的数值区域却无能为力，因此此类方法仅是静态指示合格率的检测方式。进一步地，上述方法未就实际偏转角度与参数值的测算过程做出详细地说明，使得本领域技术人员不能从中直接推导出或是得到有益的启示，在实施中缺少指导性。

有鉴于此，特提出本专利申请。

发明内容

本发明所述的仪表指针动态响应能力的检测方法，其目的在于解决上述现有技术存在的问题而基于计算机数据采集与图像处理手段，以设定的关键方位角为检测基准，通过记录汽车仪表指针从下限到上限的运动过程，通过判断指针到达关键方位角At的时间是否在允许的范围之内来综合地评价动态响应能力。

另一发明目的是，进一步地提高识别指针动态过程中的位置区域、到达多个检测点的时间计算能力。

发明目的还在于，所述检测方法的所有数据采集、图像处理与角度判断、时间计量均实现计算机控制，无需人工干预、计算与判断，检测报告可自动生成。

为实现上述发明目的，所述的仪表指针动态响应能力的检测方法如下：

通过计算机控制的信号模拟发生器向仪表输入同一参数指标的多个数值信号，在指针转动过程中采取摄像手段连续地获得反映指针实际转动位置的图像；

在识别仪表图像中的指针、并记录指针从下限位置到上限位置其重心点W变化过程的基础上，计算出指针旋转的中心点O、指针在上、下限位置的方位角和关键方位角At；

从而以指针到达关键方位角At的时间是否在允许的范围之内这一结果，来综合地评价动态响应能力。

较为完整与优化的实施过程包括有以下检测阶段：

S1，摄像获取的仪表盘彩色图像，由计算机处理并利用指针与其他表盘元素颜色的差异性，以识别出表盘中指针所在的区域；

S2，通过模拟信号发生器，输入仪表盘指针下限位置的信号，指针向下限位置运动；计算和记录每张图像中指针区域的重心点W，根据连续图像队列中最后3幅图像所确定指针重心之间的位置关系，判断指针是否已经静止；若已静止，则停止图像采集，记录指针的下限位置；再通过模拟信号发生器，输入指针上限位置的信号，使指针从下限位置向上限位置移动；计算和记录每张图像中指针区域的重心点W，运用上述方法判断指针静止后，记录指针上限位置；

S3，对S2阶段中所记录的指针从下限位置到上限位置的全部重心点W进行圆拟合，以得到指针旋转的中心点O，以中心点O与某一时刻重心点W的连线为指针即时指向的实际位置，以中心点O与重心点W的连线与水平方向的夹角为指针方位角；

S4，通过指针在上限、下限位置的方位角，确定检测指针动态响应能力的关键方位角At；

S5，分析S2阶段中所记录的指针从下限位置到上限位置的全部重心点W，找出最先到达关键方位角At的指针位置和时间，以生成相应的检测结论。

为提高识别、记录指针动态转动过程中某一时刻位置，从而准确地测算出与关键方位角At之间的位置关系，可在所述的S1阶段中运用HIS模型以识别出指针所在区域，具体地操作如下：

在获取到仪表盘图像以后，将用于表示仪表盘图像颜色的RGB模型转化为HSI模型，具体计算公式如下，

I＝(R+G+B)/3

S＝1-(3*min(R，G，B))/(R+G+B)

当B＜＝G时，H＝W

当B＞G时，H＝2π-W

W＝arccos((2*R-G-B)/(2*sqrt((R-G)*(R-G)+(R-B)*(G-B)))

设定好表针H(色度)、S(饱和度)、I(亮度)的取值范围，并依据该取值范围对表盘图像进行二值化处理，在该取值范围的像素点取值为255(代表白色)，否则为0(代表黑色)；

统计白色区域个数，如果取值为1，则该二值化图像中的白色区域为指针；

如果取值大于1，则该二值化图像中面积最大的白色区域为表针，其他为噪声，消除噪声的方法是将所有噪声区域像素点的灰度值设为0。

为能够比现有技术更为准确地测算出指针是否处于静止状态，可在所述S2阶段确定指针下限位置过程中，按设定的采样频率连续地获取仪表盘图像，将每张图像二值化，识别出其中的指针区域，以计算和记录该区域的重心点W(Xc，Yc)；

其中，用I(x，y)表示二值化图像中在(x，y)位置像素点的取值(0或255)，则有

(表示二值化图像中所有像素点的I(x，y)之和)，

(表示二值化图像中所有像素点的yI(x，y)之和)，

(表示二值化图像中所有像素点的xI(x，y)之和)，重心点W(Xc，Yc)坐标分别为：Xc＝M₁₀/M₀₀，Yc＝M₀₁/M₀₀；

然后，获取到连续3幅图像的重心点W坐标，计算第1张和第2张图像中指针重心的间距以及第2张和第3张图像中指针重心的间距，如果都不大于1个像素，则表示指针已经静止。

基于上述发明目的而在连续地多幅图像中识别、标记出指针实际的旋转原点，可在所述S3阶段中，运用最小二乘法对记录的所有重心点W进行圆拟合。

综上内容，所述仪表指针动态响应能力的检测方法具有以下优点与有益效果：

1、实现了一种动态检测仪表指针响应能力的测算与评价方法，即能够测算出指针到关键方位角At的时间，从而为判断仪表动态工作性能提供最直接地参考依据。

2、本发明所述的方法其理论误差为仪表盘图像采样的时间间隔，在很大程度上提高了指针响应时间的检测精度和判断指针动态响应能力的准确性。

3、本发明具备了识别指针动态过程中的位置区域、到达多个检测点的时间计算能力。

4、本发明全程实现计算机控制，无需人工干预、计算与判断，检测报告可自动生成。

附图说明

现结合以下附图来进一步地说明本发明。

附图1为实现本发明所述检测方法的硬件设备框图；

附图2为汽车燃油表图像；

附图3为二值化后的仪表图像；

附图4为计算出的指针重心；

附图5为指针上、下限位置所示；

附图6为指针旋转中心所示；

附图7为指针关键方位角位置所示；

具体实施方式

实施例1，如图1所示，实施本发明的硬件设备中包括计算机、摄像头、汽车仪表盘和信号模拟发生器。信号模拟发生器在接收到计算机指令后，会模拟相关传感器的信号输出，将模拟信号发送给仪表盘，促使仪表指针作相应的动作。摄像头通过连续拍摄，记录指针的运动过程，并将获得的图像传递给计算机。计算机利用一定的图像处理方法，识别出其中的指针，并通过分析指针在一定时间内位置的变化情况，判断指针的动态响应能力。

如图2至图7所示，现以燃油表为例，说明具体的实施步骤：

运用信号模拟发生器输出指针的下限位置信号，同时通过摄像头连续获取汽车仪表盘彩色图像，如图2所示。摄像头的拍摄方向应尽量与仪表盘盘面垂直。

将表示图像颜色的RGB模型转化为HSI模型。然后设置H、S、I的取值范围，H(色度)为[0.84，0.98]、S(饱和度)为[0.14，0.86]、I(亮度)为[128，243]。依据该取值范围，对彩色图像进行二值化处理：在该取值范围的像素点灰度值为255，否则为0。统计白色区域个数，如果取值为1，则该二值化图像中的白色区域为指针。如果取值大于1，则该二值化图像中面积最大的白色区域为表针，其他为噪声，将所有噪声区域像素点的灰度值设为0。处理结果如图3所示。

计算和记录每张图像中指针区域的重心W，如图4所示。计算最新三副连续图像的指针重心之间的距离，如果不大于1个像素，则认为指针已经静止。停止图像采集，将第三幅图像的指针位置作为指针下限位置，如图5(a)所示。

再运用信号模拟发生器输出指针的上限信号，计算机开始计时，通过摄像头连续获取仪表盘图像(每0.45秒采集一副图像)，记录每副图像所对应的采集时间，并计算和记录每副图像中指针重心Wi的位置。计算三副连续图像的指针重心之间的距离，如果不大于1个像素，则认为指针已经静止。停止图像采集，将第三幅图像的指针位置作为指针上限位置，如图5(b)所示。

运用最小二乘法，对指针从下限位置到上限位置的全部重心点W进行圆拟合，具体方法如下。设被拟合圆的方程为：

R²＝(x-A)²+(y-B)²，其中R为圆的半径，(A，B)为圆心位置。

方程可以转化为：

x²+y²+ax+by+c＝0，其中A＝-a/2，B＝-b/2，

将第i个重心点表示为(W_ix，W_iy)，令δ_i＝W_ix ²+W_iy ²+aW_ix+bW_iy+c，

依据最小二乘法的基本原理，满足Q(a，b，c)取值最小的条件方程为：

$\frac{\∂Q(a,b,c)}{\∂a}=\mathrm{\Σ}2({W_{\mathrm{ix}}}^2+{W_{\mathrm{iy}}}^2+a{W}_{\mathrm{ix}}+b{W}_{\mathrm{iy}}+c)W_{\mathrm{ix}}=0$

$\frac{\∂Q(a,b,c)}{\∂b}=\mathrm{\Σ}2({W_{\mathrm{ix}}}^2+{W_{\mathrm{iy}}}^2+a{W}_{\mathrm{ix}}+b{W}_{\mathrm{iy}}+c)W_{\mathrm{iy}}=0$

$\frac{\∂Q(a,b,c)}{\∂c}=\mathrm{\Σ}2({W_{\mathrm{ix}}}^2+{W_{\mathrm{iy}}}^2+a{W}_{\mathrm{ix}}+b{W}_{\mathrm{iy}}+c)=0$

将所有的重心点带入该方程组，求解出a、b、c，即可求得指针旋转的中心点O的坐标(A，B)，如图6所示的结果。点O与重心点W的连线即为指针所指向的方位。指针方位角为旋转中心O与重心W连线与水平正方向的夹角。计算并记录每个重心所对应的指针方位角。其中下限和上限位置与X轴正向夹角Al和Au分别为143.30度和49.24度。

依据指针在上、下位置的方位角，计算出用以检测表盘指针响应时间的关键方位角At。根据中华人民共和国汽车行业标准(QC/T727-2007)的要求，燃油表指针应在3分钟内指示到标度尺全弧长的90％以上。其关键方位角At＝Al-(Al-Au)*90％＝58.7度，如图7所示。

依据步骤S2中记录的指针位置信息，从指针下限位置开始，找出方位角最先小于或者等于关键方位角的指针位置。在所记录的指针从下限位置到上限位置运动所有的图像中，第73张图像的指针位置满足该条件。指针到达该位置的时间为0.45*(73-1)＝32.4秒。根据中华人民共和国汽车行业标准(QC/T727-2007)的要求，燃油表指针应在3分钟内指示到标度尺全弧长的90％以上。该燃油表到达标度尺全弧长的90％的时间为32.4秒，远小于3分钟的规定时间。因此，该燃油表指针的动态响应能力符合要求。

综上内容，结合附图中给出的实施例仅是实现本发明目的的优选方案。对于所属领域技术人员来说可以据此得到启示，而直接推导出符合本发明设计构思的其他替代结构。由此得到的其他结构特征，也应属于本发明所述的方案范围。

Claims (5)

1.一种仪表指针动态响应能力的检测方法，通过计算机控制的信号模拟发生器向仪表输入同一参数指标的多个数值信号，在指针转动过程中采取摄像手段连续地获取反映指针实际转动位置的图像，其特征在于：

在识别仪表图像中的指针、并记录指针从下限位置到上限位置其重心点W变化过程的基础上，计算出指针旋转的中心点O、指针在上、下限位置的方位角和关键方位角At；

从而以指针到达关键方位角At的时间是否在允许的范围之内这一结果，来综合地评价动态响应能力。

2.根据权利要求1所述的仪表指针动态响应能力的检测方法，其特征在于：包括有以下检测阶段，

S1，摄像获取的仪表盘彩色图像，由计算机处理并利用指针与其他表盘元素颜色的差异性，以识别出表盘中指针所在的区域；

S2，通过模拟信号发生器，输入仪表盘指针下限位置的信号，指针向下限位置运动；计算和记录每张图像中指针区域的重心点W，根据连续图像队列中最后3幅图像所确定指针重心之间的位置关系，判断指针是否已经静止；若已静止，则停止图像采集，记录指针的下限位置；再通过模拟信号发生器，输入指针上限位置的信号，使指针从下限位置向上限位置移动；计算和记录每张图像中指针区域的重心点W，运用上述方法判断指针静止后，记录指针上限位置；

S3，对S2阶段中所记录的指针从下限位置到上限位置的全部重心点W进行圆拟合，以得到指针旋转的中心点O，以中心点O与某一时刻重心点W的连线为指针即时指向的实际位置，以中心点O与重心点W的连线与水平方向的夹角为指针方位角；

S4，通过指针在上限、下限位置的方位角，确定检测指针动态响应能力的关键方位角At；

S5，分析S2阶段中所记录的指针从下限位置到上限位置的全部重心点W，找出最先到达关键方位角At的指针位置和时间，以生成相应的检测结论。

3.根据权利要求2所述的仪表指针动态响应能力的检测方法，其特征在于：在所述的S1阶段中运用HIS模型以识别出指针所在区域，具体地，

在获取到仪表盘图像以后，将用于表示仪表盘图像颜色的RGB模型转化为HSI模型，具体计算公式如下，

I＝(R+G+B)/3

S＝1-(3*min(R，G，B))/(R+G+B)

当B＜＝G时，H＝W

当B＞G时，H＝2π-W

W＝arccos((2*R-G-B)/(2*sqrt((R-G)*(R-G)+(R-B)*(G-B)))

设定好表针H(色度)、S(饱和度)、I(亮度)的取值范围，并依据该取值范围对表盘图像进行二值化处理，在该取值范围的像素点取值为255(代表白色)，否则为0(代表黑色)；

统计白色区域个数，如果取值为1，则该二值化图像中的白色区域为指针；

如果取值大于1，则该二值化图像中面积最大的白色区域为表针，其他为噪声，消除噪声的方法是将所有噪声区域像素点的灰度值设为0。

4.根据权利要求2或3所述的仪表指针动态响应能力的检测方法，其特征在于：在所述S2阶段确定指针下限位置过程中，按设定的采样频率连续地获取仪表盘图像，将每张图像二值化，识别出其中的指针区域，以计算和记录该区域的重心点W(Xc，Yc)；

其中，用I(x，y)表示二值化图像中在(x，y)位置像素点的取值(0或255)，则有

(表示二值化图像中所有像素点的I(x，y)之和)，

(表示二值化图像中所有像素点的yI(x，y)之和)，

(表示二值化图像中所有像素点的xI(x，y)之和)，重心点W(Xc，Yc)坐标分别为：Xc＝M₁₀/M₀₀，Yc＝M₀₁/M₀₀；

然后，获取到连续3幅图像的重心点W坐标，计算第1张和第2张图像中指针重心的间距以及第2张和第3张图像中指针重心的间距，如果都不大于1个像素，则表示指针已经静止。

5.根据权利要求4所述的仪表指针动态响应能力的检测方法，其特征在于：在所述S3阶段中，运用最小二乘法对记录的所有重心点W进行圆拟合。

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