CN106643965A - 一种利用模板匹配精确识别液位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用模板匹配精确识别液位的方法，它包括：步骤1、拍摄标准液位计图像并建立液位计标准模板；步骤2、拍摄一张含有液位计的图像，采用主成分分析的方法，得出液位计最佳投影灰度图；步骤3、将液位计标准模板与液位计最佳投影灰度图匹配；步骤4、提取匹配后的液位计图像；步骤5、识别出匹配后的液位计图像的刻度位置，同时读出液位计刻度的最高点和最低点，并利用比例关系确定刻度读数；解决了在变电站内的液位检测上，传统测量方法不能满足精度和速度等技术问题。

Description

一种利用模板匹配精确识别液位的方法

技术领域

本发明属于液位识别技术，尤其涉及一种利用模板匹配精确识别液位的方法。

背景技术

液位检测涉及到科研，生活，工业生产等各个领域。根据使用环境和性能要求不同各种液位测量装置具有不同的特性，有些应用场合对液位测量方法和装置的测量精度有很高的要求，有些场合则要求具有一定的恶劣环境下持续工作的能力。

现有技术在液位监测方面采用的技术和产品有很多，按其采用的测量技术及使用方法分类传统的液位传感器已多达十余种。近年来国内外有很多科研单位还在研发更新的液位监测技术。归纳起来主要有以下几种：差压式液位测量、浮体式液位测量、声波液位测量、电容式液位测量、核辐射式液位测量、直流电极式液位测量、光纤液位测量、感应式数字水位测量。以上的几种液位测量方法各有其优缺点和特定的应用范围。在有些特殊的应用场合如变电站内，要求测量精度高，测量速度快等，而传统的液位检测方法均不能达到要求。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是：提供一种利用模板匹配精确识别液位的方法，以解决在变电站内的液位检测上，传统测量方法不能满足精度和速度等技术问题。

本发明技术方案：

一种利用模板匹配精确识别液位的方法，它包括：

步骤1、拍摄标准液位计图像并建立液位计标准模板；

步骤2、拍摄一张含有液位计的图像，采用主成分分析的方法，得出液位计最佳投影灰度图；

步骤3、将液位计标准模板与液位计最佳投影灰度图匹配；

步骤4、提取匹配后的液位计图像；

步骤5、识别出匹配后的液位计图像的刻度位置，同时读出液位计刻度的最高点和最低点，并利用比例关系确定刻度读数。

步骤1所述建立液位计标准模板的方法为：将标准液位计图像经过灰度处理得到液位计标准模板。

步骤2所述主成分分析的方法包括：

建立原始数据n*p维矩阵X_ij

对其进行标准化处理，根据如下关系式求解相关系数r_ij

求其相关系数矩阵R＝(r_ij)_p*p；

再求得R的特征根λ_i及特征向量e_i；

计算出累计贡献率

选取累计贡献率达85％‐95％的特征值λ₁,λ₂...λ_m所对应的第1，第2...第m(m≤p)个主成分构成矩阵a投影作为液位计最佳投影灰度图

步骤3所述的将液位计标准模板与液位计最佳投影灰度图匹配的方法为：建立一个模板匹配函数f，将液位计标准模板与液位计最佳投影灰度图进行一一匹配，当模板匹配函数f最小时，则该时的匹配结果即为匹配后的液位计图像，具体为：

在标准模板图像中，以标准模板的左上角为原点，向右为X轴，

向下为Y轴，建立一个坐标系，模标准板图像的大小为m*n(宽*

高):

原始图像的灰度图大小为W*H(宽*高)：

标准模板中的某一点的坐标为(x,y)，该点的灰度为U(x,y)，与之重

合的图象中的点坐标为(X,Y)，该点的灰度为V(X,Y)；

模板匹配函数f如下：

在模板匹配函数f最小的时候，分割出与模板图像相同大小的图像，即为匹配后的液位计图像。

步骤5所述识别出匹配后的液位计图像的刻度位置，同时读出液位计刻度的最高点和最低点，并利用比例关系确定刻度读数的方法包括：利用边缘检测的方法检测出匹配后的液位计图像的边缘刻度、最大刻度和最小刻度，并读取数字；在读取数字时，采用模板匹配的方法，将读取的数字与模板一一匹配。

本发明的有益效果：

本发明采用了模板匹配的方法来进行液位计刻度，能够有效的利用已有的标准模板来快速识别液位计刻度，提供了一种精确度高，速度快的液位刻度检测方法。能够广泛的应用于变电站机器人自动巡检中，解决了在变电站内的液位检测上，传统测量方法不能满足精度和速度等技术问题。

附图说明

图1为本发明流程示意图。

具体实施方式：

一种利用模板匹配精确识别液位的方法，它包括：

步骤1、拍摄标准液位计图像并建立液位计标准模板；

步骤1所述建立液位计标准模板的方法为：将标准液位计图像经过灰度处理得到液位计标准模板。

拍摄一张典型的液位计图像，标准模板图像要求含有液位计图像，图像清晰度高，液位计各项特征明显，标准模板图像的大小合适，不宜过大或过小。

步骤2、拍摄变电站中一张含有液位计的图像，采用主成分分析的方法，得出液位计最佳投影灰度图；

要求拍摄的图像清晰度高，液位计各项特征明显。

步骤2所述主成分分析的方法包括：

建立液位计图像原始数据n*p维矩阵X_ij

对其进行标准化处理，根据如下关系式求解相关系数r_ij

求其相关系数矩阵R＝(r_ij)_p*p；

再求得R的特征根λ_i及特征向量e_i；

计算出累计贡献率

选取累计贡献率达85％‐95％的特征值λ₁,λ₂...λ_m所对应的第1，第2...第m(m≤p)个主成分构成矩阵a投影作为液位计最佳投影灰度图

步骤3、将液位计标准模板与液位计最佳投影灰度图匹配；

步骤3所述的将液位计标准模板与液位计最佳投影灰度图匹配的方法为：建立一个模板匹配函数f，将液位计标准模板与液位计最佳投影灰度图进行一一匹配，当模板匹配函数f最小时，则该时的匹配结果即为匹配后的液位计图像，具体为：

在标准模板图像中，以标准模板的左上角为原点，向右为X轴，向下为Y轴，建立一个坐标系，模标准板图像的大小为m*n(宽*高):

原始图像的灰度图大小为W*H(宽*高)：

标准模板中的某一点的坐标为(x,y)，该点的灰度为U(x,y)，与之重合的图象中的点坐标为(X,Y)，该点的灰度为V(X,Y)；

模板匹配函数f如下：

在模板匹配函数f最小的时候，分割出与模板图像相同大小的图像，即为匹配后的液位计图像。

步骤5所述识别出匹配后的液位计图像的刻度位置，同时读出液位计刻度的最高点和最低点，并利用比例关系确定刻度读数的方法包括：利用边缘检测的方法检测出匹配后的液位计图像的边缘刻度、最大刻度和最小刻度，并读取数字；在读取数字时，采用模板匹配的方法，将读取的数字与模板一一匹配，并读取结果。

利用边缘检测的方法检测出液位平面的位置。由于刻度值是均匀的，所以根据液位平面与刻度最大最小值的比例关系，确定液位刻度值。

Claims (5)

1.一种利用模板匹配精确识别液位的方法，它包括：

步骤1、拍摄标准液位计图像并建立液位计标准模板；

步骤2、拍摄一张含有液位计的图像，采用主成分分析的方法，得出液位计最佳投影灰度图；

步骤3、将液位计标准模板与液位计最佳投影灰度图匹配；

步骤4、提取匹配后的液位计图像；

步骤5、识别出匹配后的液位计图像的刻度位置，同时读出液位计刻度的最高点和最低点，并利用比例关系确定刻度读数。

2.根据权利要求1所述的一种利用模板匹配精确识别液位的方法，其特征在于：步骤1所述建立液位计标准模板的方法为：将标准液位计图像经过灰度处理得到液位计标准模板。

3.根据权利要求1所述的一种利用模板匹配精确识别液位的方法，其特征在于：步骤2所述主成分分析的方法包括：

建立原始数据n*p维矩阵X_ij

$X=\begin{array}{cccc}{x}_{11}& x_{12}& \mathrm{...}& x_{1p}\\ x_{21}& x_{22}& \mathrm{...}& x_{2p}\\ \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}\\ x_{n1}& x_{n2}& \mathrm{...}& x_{np}\end{array}$

对其进行标准化处理，根据如下关系式求解相关系数r_ij

$r_{ij}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}(x_{ki}-{\stackrel{\‾}{x}}_i)(x_{kj}-{\stackrel{\‾}{x}}_j)}{\sqrt{\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{(x_{ki}-{\stackrel{\‾}{x}}_i)}^2\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{(x_{kj}-{\stackrel{\‾}{x}}_j)}^2}}$

求其相关系数矩阵

再求得R的特征根λ_i及特征向量e_i；

计算出累计贡献率

选取累计贡献率达85％‐95％的特征值λ₁,λ₂...λ_m所对应的第1，第2...第m(m≤p)个主成分构成矩阵a投影作为液位计最佳投影灰度图

$a=\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& \mathrm{...}& a_{1m}\\ a_{21}& a_{22}& \mathrm{...}& a_{2m}\\ \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}\\ a_{n1}& a_{n2}& \mathrm{...}& a_{nm}\end{array}.$

4.根据权利要求1所述的一种利用模板匹配精确识别液位的方法，其特征在于：步骤3所述的将液位计标准模板与液位计最佳投影灰度图匹配的方法为：建立一个模板匹配函数f，将液位计标准模板与液位计最佳投影灰度图进行一一匹配，当模板匹配函数f最小时，则该时的匹配结果即为匹配后的液位计图像，具体为：

在标准模板图像中，以标准模板的左上角为原点，向右为X轴，向下为Y轴，建立一个坐标系，模标准板图像的大小为m*n(宽*高):

$U(x,y)=\begin{array}{cccc}{u}_{11}& u_{12}& \mathrm{...}& u_{1n}\\ u_{21}& u_{22}& \mathrm{...}& u_{2n}\\ \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}\\ u_{m1}& u_{m2}& \mathrm{...}& u_{mn}\end{array}$

原始图像的灰度图大小为W*H(宽*高)：

$V(X,Y)=\begin{array}{cccc}{v}_{11}& v_{12}& \mathrm{...}& v_{1h}\\ v_{21}& v_{22}& \mathrm{...}& v_{2h}\\ \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}\\ v_{w1}& v_{w2}& \mathrm{...}& v_{wh}\end{array}$

标准模板中的某一点的坐标为(x,y)，该点的灰度为U(x,y)，与之重合的图象中的点坐标为(X,Y)，该点的灰度为V(X,Y)；

模板匹配函数f如下：

$f=\underset{x=1}{\overset{m}{\Σ}}\underset{y=1}{\overset{n}{\Σ}}{\[U(x,y)-V(X,Y)\]}^2$

在模板匹配函数f最小的时候，分割出与模板图像相同大小的图像，即为匹配后的液位计图像。

5.根据权利要求1所述的一种利用模板匹配精确识别液位的方法，其特征在于：步骤5所述识别出匹配后的液位计图像的刻度位置，同时读出液位计刻度的最高点和最低点，并利用比例关系确定刻度读数的方法包括：利用边缘检测的方法检测出匹配后的液位计图像的边缘刻度、最大刻度和最小刻度，并读取数字；在读取数字时，采用模板匹配的方法，将读取的数字与模板一一匹配。