CN104298994B - 一种指针式仪表读数识别方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种指针式仪表读数识别方法及装置，本发明的识别方法首先对仪表位置进行定位，然后识别刻度环，接着识别中压区域，最后对刻度环和中央区域之间的部分二值化，以寻找指针方向。本发明的方法首先非常适合于如图4类型的表盘；其次，虽然待检测表盘比背景技术中介绍的表盘保护的信息更为复杂，但由于，直接将中压区域滤除，只对刻度环和中央区域之间进行二值化处理，大大降低了处理的数据量，提高了识别速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种指针式仪表读数识别方法。
背景技术
指针式仪表在各种工矿产业应用广泛，能够实时指示运行状态。在传统工作中，可以由工作人员进行读数抄表。但在某些领域，由于仪表安装位置处于不适于人工读数的环境中，难以进行读数抄表工作。
例如在电力系统中，通常由检查员人工巡检电表状态，但由于电力设备往往处于强电环境中，人工巡检需要承担极大的风险，并且费时费力。所以，可以采用机器人拍照并自动进行识别，从而保证人身安全。
如申请号为200810115840.7的中国专利文件披露了一种指针式仪表读数自动识别的方法及系统。能够对指针式仪表读数进行自动识别。这种方法适合于如其附图所示的表盘，这种表盘仅由刻度环和指针构成。方法流程如图1所示。
工业环境中使用的表盘并非完全相同，如图4所述的表盘，除了外围的刻度环和指针，还包括中心的用于装饰或者观察的窗体，使得待识别图像更为复杂，不适于使用以上专利的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种指针式仪表读数识别方法，用以解决现有识别方法不适于如图4类型表盘的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
一种指针式仪表读数识别方法，包括步骤如下：
1）在图片中定位表盘图像的位置；
2）在表盘图像中，识别刻度环；
3）在表盘图像中，剔除中央区域，对中央区域和刻度环之间的部分二值化处理；
4）在二值化图像中确定指针方向；
5）根据指针方向确定仪表读数。
对于有颜色区分的刻度环，通过检测颜色提取刻度环区域，然后拟合为圆形或椭圆形的刻度曲线。
在所述拟合之后，根据仪表设计标准中刻度环与中央区域的比例，确定中央区域尺寸。
遍历所述刻度曲线的径向方向的灰度值，灰度值最大的径向确定为指针方向。
通过DPM对表盘图像进行定位。
一种指针式仪表读数识别装置，包括模块如下：
1）在图片中定位表盘图像的位置；
2）在表盘图像中，识别刻度环；
3）在表盘图像中，剔除中央区域，对中央区域和刻度环之间的部分二值化处理；
4）在二值化图像中确定指针方向；
5）根据指针方向确定仪表读数。
对于有颜色区分的刻度环，通过检测颜色提取刻度环区域，然后拟合为圆形或椭圆形的刻度曲线。
在所述拟合之后，根据仪表设计标准中刻度环与中央区域的比例，确定中央区域尺寸。
遍历所述刻度曲线的径向方向的灰度值，灰度值最大的径向确定为指针方向。
通过DPM对表盘图像进行定位。
本发明的识别方法，首先对仪表位置进行定位，然后识别刻度环，接着识别中压区域，最后对刻度环和中央区域之间的部分二值化，以寻找指针方向。本发明的方法首先非常适合于如图4类型的表盘；其次，虽然待检测表盘比背景技术中介绍的表盘保护的信息更为复杂，但由于，直接将中压区域滤除，只对刻度环和中央区域之间进行二值化处理，大大降低了处理的数据量，提高了识别速度。
进一步的，本发明在识别指针方向时，与背景技术指出的对比文件不同，是在二值化图像中遍历各个角度（即刻度环径向）来寻找指针并确定指针方向的。这种方式更加快速、便捷。
进一步的，通过颜色特征确定刻度环，适用于刻度环有颜色的仪表，能够大大简化识别过程。
进一步的，本发明采用变形部件模型（Deformable Part Model，简称DPM）对表盘进行定位，该定位方式对图像形变、光照变化不敏感，对部分反光也有很强的适应能力，是一种能够适用于变电站机器人巡检的指针识别方案。
附图说明
图1是开关状态检测流程；
图2是实施例的表盘图像定位流程示意图；
图3是实施例的指针状态识别流程图；
图4是本发明的相关表盘图像。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
一种指针式仪表读数识别方法，包括步骤如下：1）在图片中定位表盘图像的位置；2）在表盘图像中，识别刻度环；3）在表盘图像中，剔除中央区域，对中央区域和刻度环之间的部分二值化处理；4）在二值化图像中确定指针方向；5）根据指针方向确定仪表读数。
具体来说：
一，本发明采用变形部件模型（Deformable Part Model，简称DPM）对表盘进行定位，该定位方式对图像形变、光照变化不敏感，对部分反光也有很强的适应能力，是一种能够适用于变电站机器人巡检的指针识别方案。
用DPM对表盘进行定位，流程图如图2所示：
离线训练：首先，在大量样本中对表盘进行标注；然后，利用隐藏支持向量机（简称Latent-SVM）对表盘图像的方向梯度直方图(Histogram of Oriented Gradient,简称HOG)特征进行离线训练，得到表盘模型。由于表盘图像为一个统一整体，因此本实施例采用一个部件。
在线识别：用训练模型对待检图像进行在线识别，寻找最佳匹配位置，即为表盘位置。
关于DPM方法、隐藏支持向量机、方向梯度直方图等等，均属于机器学习领域的经典算法和技术，相关内容在此不再详细叙述。
二，如图4所示，拍照的图像为RGB3色图像，图像中，刻度环从-0.1到0.5为红色，0.5到0.6之间有一部分为黄色，其余部分为绿色。
在坐标（x,y）处的值为(Bx,y,Gx,y,Rx,y)。Bx,y,Gx,y,Rx,y分别表示该点的兰色、绿色、红色分量。图像中红色区域，有Rx,y＞＞Bx,y且Rx,y＞＞Gx,y。在实际应用中我们用下式来检测图像中红色区域：
Rx,y＞Bx,y+T
Rx,y＞Gx,y+T
同理，图像中的绿色区域，有Rx,y＜＜Bx,y且Rx,y＜＜Gx,y。在实际应用中我们用下式来检测图像中绿色区域：
Rx,y＜Bx,y+T
Rx,y＜Gx,y+T
T一般取10～40，根据实际情况而定。
对提取出来的线条进行细化，然后拟合椭圆，作为外椭圆。本实施例中，外椭圆是指拟合的刻度曲线。作为其他实施方式，如其他类型仪表，也可以根据情况拟合为圆形。另外，本实施例中，刻度环是有颜色的，所以可以应用颜色提取的方法方便的识别刻度环；作为其他实施方式，如对于单色调的刻度环、仅有刻度线的刻度环，可以采用相应的现有技术的方式来识别刻度环。
对提取出来的红绿区域，进行图像细化。所谓的细化就是经过一层层的剥离，从原来的图中去掉一些点，但仍要保持原来的形状，直到得到图像的骨架。骨架，可以理解为图象的中轴。细化后用最小二乘法拟合椭圆，拟合出来的椭圆为指针的最外侧边缘。
三，根据比例，求出来表盘中心黑色区域的椭圆，作为内椭圆。
由于表盘制作标准一致，因此表盘中心黑色区域的直径和颜色刻度所形成的的圆的直径比例是一致的。当角度变化时，两者变为椭圆，但对应长短轴比例保持不变。根据这个比例以及以上步骤拟合的外椭圆，求出来表盘中心黑色区域的椭圆，作为内椭圆。表针就出现在内椭圆和外椭圆之间。
然后在内外椭圆之间进行自适应二值化。
对内外椭圆中间的每个点P，首先以其为中心，在一个指定大小的矩形邻域R内求出平均值，如下式所示：
M,N分别代表矩形的宽和高，f(x,y)为图像(x,y)处的灰度值。
当P点灰度值小于时，在二值图中该值为0，否则为1。
作为其他实施方式，也可以利用图像处理的方法来剔除中央区域来找到中央区域与刻度环之间的部分。
四，以椭圆中心为中心，从-240°到60°旋转，求取内外椭圆中间黑色比例最大的径向，即为指针方向。角度的定义以向右水平轴为0°，顺时针为正，逆时针为负。由于本实施例中，表针指向有一定的范围，限定在[-240°，60°]。
在二值化图像中，以拟合出来的椭圆中心为起点，依次按着旋转角度，统计每个径向的黑色像素个数以及总像素个数，黑色像素占比最高的径向就是指针方向。
五，根据表针方向即可确定表针读数。
以上给出一种具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本方案如具体实施方式第一段所述，在此基础上，是否使用DPM进行定位，是否采用颜色提取方式来识别刻度环，是否采用遍历角度的方式来获得指针刻度等技术手段，都是可以根据需要进行选择是或者否。
所以本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种指针式仪表读数识别方法，其特征在于，包括步骤如下：
1)在图片中定位表盘图像的位置；
2)在表盘图像中，识别刻度环；
3)在表盘图像中，剔除中央区域，对中央区域和刻度环之间的部分二值化处理；
4)在二值化图像中确定指针方向；
5)根据指针方向确定仪表读数；
其中，对于有颜色区分的刻度环，通过检测颜色提取刻度环区域，使用图像细化的方法得到图像的中轴，然后拟合为圆形或椭圆形的刻度曲线。
2.根据权利要求1所述的一种指针式仪表读数识别方法，其特征在于，在所述拟合之后，根据仪表设计标准中刻度环与中央区域的比例，确定中央区域尺寸。
3.根据权利要求1所述的一种指针式仪表读数识别方法，其特征在于，遍历所述刻度曲线的径向方向的灰度值，灰度值最大的径向确定为指针方向。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种指针式仪表读数识别方法，其特征在于，通过DPM对表盘图像进行定位。
5.一种指针式仪表读数识别装置，其特征在于，包括步骤如下：
1)在图片中定位表盘图像的位置；
2)在表盘图像中，识别刻度环；
3)在表盘图像中，剔除中央区域，对中央区域和刻度环之间的部分二值化处理；
4)在二值化图像中确定指针方向；
5)根据指针方向确定仪表读数；
其中，对于有颜色区分的刻度环，通过检测颜色提取刻度环区域，使用图像细化的方法得到图像的中轴，然后拟合为圆形或椭圆形的刻度曲线。
6.根据权利要求5所述的一种指针式仪表读数识别装置，其特征在于，在所述拟合之后，根据仪表设计标准中刻度环与中央区域的比例，确定中央区域尺寸。
7.根据权利要求5所述的一种指针式仪表读数识别装置，其特征在于，遍历所述刻度曲线的径向方向的灰度值，灰度值最大的径向确定为指针方向。
8.根据权利要求5或6或7所述的一种指针式仪表读数识别装置，其特征在于，通过DPM对表盘图像进行定位。
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