CN108458733A - 基于指针检测的指针式仪表自动读数装置系统及识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于指针检测的指针式仪表自动读数装置系统及识别方法，涉及图像监测处理系统领域。本发明中：仪表装置的一侧固定装设有第一调节机构；第一动力装置的输出轴上装设有第一驱动机构；终端调控装置与第一支撑机构的一端固定连接；摄像机装置与第一支撑机构的另一端固定连接；终端调控装置通过数据信息传输方式与远程中央处理器实时相联。本发明通过第一动力装置驱动调节仪表装置，使仪表盘能够与摄像机装置的图像采集角度相互配合，降低了复杂光照环境对仪表盘的图像影响；通过AD转换器和无线传输/接收模块，将相应的仪表盘图像信息传输至远程中央处理器；从而在复杂条件状态条件下进行高效精准的仪表盘图像采集操作。
Description
技术领域
本发明涉及图像监测处理系统领域，尤其涉及基于指针检测的指针式仪表自动读数装置系统及识别方法。
背景技术
在电力系统变电站中，许多设备配置了各类仪表，如气压表、温度表以及油温表等等，当中有很大部分仍为指针式仪表。目前记录仪表数据主要靠工作人员的人眼观测，检测效率低且精确度不高，特别是长时间持续判读，容易引起视觉疲劳，从而导致误差的产生。另外还存在着一些无法采用人工判读的场合。而变电站所处的外部光照条件复杂多变，仪表盘在固定安装时倾斜，导致采集摄像头无法较好的对仪表盘进行便捷精准的图像采集，如何在复杂光照条件以及仪表倾斜等状态条件下进行高效精准的仪表盘图像采集操作成为保障电力系统安全稳定运行的前提。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供基于指针检测的指针式仪表自动读数装置系统及识别方法，从而在复杂光照条件以及仪表倾斜等状态条件下进行高效精准的仪表盘图像采集操作。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供基于指针检测的指针式仪表自动读数装置系统，包括仪表装置，仪表装置上设有仪表盘结构，仪表装置的一侧固定装设有第一调节机构；包括第一动力装置，第一动力装置的输出轴上装设有第一驱动机构；包括终端调控装置和第一支撑机构，终端调控装置与第一支撑机构的一端固定连接；包括摄像机装置，摄像机装置与第一支撑机构的另一端固定连接。
第一支撑机构上固定装设有伸缩动力装置；伸缩动力装置上包括伸缩连杆机构；包括推进连板机构，伸缩连杆机构的端侧与推进连板机构的一侧垂直固定连接；推进连板机构的另一侧固定装设有第一补光装置和第二补光装置；第一补光装置内设有第一补光灯管；第一补光装置上设有第一漫散射透镜；第二补光装置内设有第二补光灯管；第二补光装置上设有第二漫散射透镜。
包括远程中央处理器，终端调控装置通过数据信息传输方式与远程中央处理器实时相联。
其中，仪表盘的正对位置设有观察窗结构，观察窗上设置密封透明玻璃结构；仪表盘上的第一调节机构与第一动力装置上的第一驱动机构接触相连；第一驱动机构和第一调节机构上都设置有齿轮结构；仪表装置的活动角度与摄像机装置的位置角度相配合。
其中，第一补光装置内装设有第一补光内镜环板和第一补光内镜挡板；第一补光内镜环板和第一补光内镜挡板都为光滑反光镜面板；第二补光装置内装设有第二补光内镜环板和第一补光内镜挡板；第二补光内镜环板和第二补光内镜挡板都为光滑反光镜面板
其中，终端调控装置内包括AD转换器、GPS模块和无线传输/接收模块；摄像机装置与AD转换器连接，AD转换器通过数据信息传输线路与无线传输/接收模块连接，GPS模块通过数据信息传输线路与无线传输/接收模块连接。
其中，远程中央处理器内设有无线接收/传输模块；远程中央处理器内包括仪表图像采集单元、仪表图像预处理单元、指针/刻度线提取单元以及仪表读数识别单元；仪表图像采集单元通过数据信息转换及传输线路与仪表图像预处理单元相连；仪表图像预处理单元通过数据信息传输线路与指针/刻度线提取单元相连；指针/刻度线提取单元通过信息/信号传输线路与仪表读数识别单元相连。
基于指针检测的指针式仪表自动读数识别方法，包括以下步骤：
采集仪表图像，输入仪表图像并对其进行预处理，提取获得仪表盘的有效识别区域。
其中，对输入的图像进行预处理具体为：对仪表盘图像的背景颜色进行估计，利用仪表盘的颜色直方图分布特征定位出仪表盘区域作为有效识别区域；对仪表表盘的有效识别区域进行光照均衡；对图像进行颜色空间的转换，将图像由RGB颜色空间转换为灰度图像；从仪表盘的有效识别区域中，根据仪表盘有效识别区域的笔画特征，使用多尺度方法提取仪表盘的指针和刻度线；从仪表盘的有效识别区域中，提取仪表盘的数字信息进行录入，根据提取的指针和刻度线，通过公式进行读数自动识别。
其中，仪表盘图像的背景颜色进行估计，包括进行仪表盘背景与刻度颜色估计：在采集得到的图像中心截取固定面积的图像，对该图像进行二值化，统计得到的二值图中的黑、白像素点的个数，如果黑点的数量大于白点数，则仪表盘为暗色，指针与刻度为亮色 ；反之则仪表盘为亮色，指针与刻度为暗色。
其中，提取获得仪表盘的有效识别区域的步骤包括：
对采集图像的灰度图作二值化处理；对二值图作形态学膨胀，连接存在断裂的区域；通过连通体分析方法提取出仪表的有效区域；其中，连通体分析方法中，连通区域占采集的仪表盘原始图像面积的五分之三以上，且连通区域包含图像的中心点。
其中，从仪表盘的有效识别区域中提取仪表盘的指针和刻度线的步骤包括：进行仪表盘图像的灰度化、二值化；二值化后，按照连通标准进行连通域提取，把二值图像的每一块互相分离的物体检测出来；连通域包含刻度，根据连通域的矩形特征去识别刻度，矩形特征的内容与计算方法如下：
（1）体积连通域包含的点的数目；
（2）拟合直线对连通域的所有点用最小二乘法拟合出直线，在计算拟合直线的同时也得到连通域的中点，连通域所有点坐标的加权平均值，权值为灰度值；
（3）长度投影在拟合直线上，连通域内离中点最远的距离的两倍；
（4）宽度连通域内的点离拟合直线最远的距离的两倍；
（5）长宽比：长度除以宽度；
在获得的仪表盘图像区域内使用基于Hough变换的直线提取算法提取指针。
其中，根据提取的仪表盘数字、指针和刻度线自动进行读数识别的步骤包括：
提取表盘的数字信息，录入所建立的数据库系统；参考表盘圆心，进而分析得到指针角度；根据公式得到所的角度对应的示数。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过第一动力装置驱动调节仪表装置，使得仪表盘能够与摄像机装置的图像采集角度相互配合，大大降低了复杂光照环境对仪表盘的图像影响；并通过AD转换器和无线传输/接收模块，将相应的仪表盘图像信息传输至远程中央处理器，同时通过GPS模块进行当前仪表盘的远程位置；从而在复杂光照条件以及仪表倾斜等状态条件下进行高效精准的仪表盘图像采集操作；
2、本发明中通过可调节控制的第一补光装置和第二补光装置对当前仪表内进行补光操作，可根据相应的时间/环境对仪表盘进行高效的漫散射补光操作，防止仪表盘面的高强度反光，便于摄像机装置采集到清晰的仪表显示/读数；
3、本发明对仪表盘已知信息依赖少，通用性较好，鲁棒性强；对仪表盘的倾斜、噪声干扰、表盘上的阴影等情况均有较强的自适应性，可以比较准确的获取指针的读数；
4、本发明通过采集仪表图像，输入仪表图像并对其进行预处理，以提取仪表表盘的有效识别区域 ；从仪表表盘的有效识别区域中，提取仪表的指针和刻度线；从而能够提取表盘的有效识别区域，并根据有效区域的大小估计仪表的尺度，克服了以往仪表识别方法中过于依赖于已知信息的缺点；
5、本发明采用神经网络识别数字的方法，能够对不同表盘的刻度信息进行识别并自动录入，具有普及型；
6、本发明采用Hough变换法进行指针识别，容错性较好，抗干扰能力强，即使在刻度线存在部分丢失的情况下，该方法仍然可以较为准确地计算得到指针的读数。
附图说明
图1为本发明的整体装置系统结构示意图；
图2为本发明的图1中的A处局部放大的结构示意图；
其中：1-仪表装置；2-仪表盘；3-第一动力装置；4-第一驱动机构；5-第一调节机构；6-观察窗；7-摄像机装置；8-第一支撑机构；9-终端调控装置；10-AD转换器；11-GPS模块；12-无线传输/接收模块；13-远程中央处理器；14-伸缩动力装置；15-伸缩连杆机构；16-推进连板机构；17-第一补光装置；18-第一补光灯管；19-第一补光内镜环板；20-第一补光内镜挡板；21-第一漫散射透镜；22-第二补光装置；23-第二补光灯管；24-第二补光内镜环板；25-第二补光内镜挡板；26-第二漫散射透镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
具体实施例一：
本发明为基于指针检测的指针式仪表自动读数装置系统，包括仪表装置1，仪表装置1上设有仪表盘2结构，仪表装置1的一侧固定装设有第一调节机构5；包括第一动力装置3，第一动力装置3的输出轴上装设有第一驱动机构4；包括终端调控装置9和第一支撑机构8，终端调控装置9与第一支撑机构8的一端固定连接；包括摄像机装置7，摄像机装置7与第一支撑机构8的另一端固定连接。
第一支撑机构8上固定装设有伸缩动力装置14；伸缩动力装置14上包括伸缩连杆机构15；包括推进连板机构16，伸缩连杆机构15的端侧与推进连板机构16的一侧垂直固定连接；推进连板机构16的另一侧固定装设有第一补光装置17和第二补光装置22；第一补光装置17内设有第一补光灯管18；第一补光装置17上设有第一漫散射透镜21；第二补光装置22内设有第二补光灯管23；第二补光装置22上设有第二漫散射透镜26。
包括远程中央处理器13，终端调控装置9通过数据信息传输方式与远程中央处理器13实时相联。
进一步的，仪表盘2的正对位置设有观察窗6结构，观察窗6上设置密封透明玻璃结构；仪表盘2上的第一调节机构5与第一动力装置3上的第一驱动机构4接触相连；第一驱动机构4和第一调节机构5上都设置有齿轮结构；仪表装置1的活动角度与摄像机装置7的位置角度相配合。
进一步的，第一补光装置17内装设有第一补光内镜环板19和第一补光内镜挡板20；第一补光内镜环板19和第一补光内镜挡板20都为光滑反光镜面板；第二补光装置22内装设有第二补光内镜环板24和第一补光内镜挡板25；第二补光内镜环板24和第二补光内镜挡板25都为光滑反光镜面板。
进一步的，终端调控装置9内包括AD转换器10、GPS模块11和无线传输/接收模块12；摄像机装置7与AD转换器10连接，AD转换器10通过数据信息传输线路与无线传输/接收模块12连接，GPS模块11通过数据信息传输线路与无线传输/接收模块12连接。
进一步的，远程中央处理器13内设有无线接收/传输模块；远程中央处理器13内包括仪表图像采集单元、仪表图像预处理单元、指针/刻度线提取单元以及仪表读数识别单元；仪表图像采集单元通过数据信息转换及传输线路与仪表图像预处理单元相连；仪表图像预处理单元通过数据信息传输线路与指针/刻度线提取单元相连；指针/刻度线提取单元通过信息/信号传输线路与仪表读数识别单元相连。
具体实施例二：
GPS模块11：用于定位当前仪表盘2所处的远程位置。
无线传输/接收模块12：通过无线传输方式将数据信息传输至远程中央处理器13，以及从远程中央处理器13获取用于调控第一动力装置3的驱动信号。
仪表图像采集单元：用于采集仪表图像，并输入仪表图像。
仪表图像预处理单元：用于对仪表盘图像的背景颜色进行估计，利用仪表盘的颜色直方图分布特征定位出仪表盘区域作为有效识别区域；对仪表盘的有效识别区域进行光照均衡；对图像进行颜色空间的转换，将图像由RGB颜色空间转换为灰度图像。
指针/刻度线提取单元：用于从仪表盘的有效识别区域中，提取仪表盘的指针和刻度线。
仪表读数识别单元：用于根据提取的仪表盘数字和指针的角度自动进行读数识别显示所检测到的示数。
具体实施例三：
基于指针检测的指针式仪表自动读数识别方法，包括以下步骤：
采集仪表图像，输入仪表图像并对其进行预处理，提取获得仪表盘的有效识别区域。
其中，对输入的图像进行预处理具体为：对仪表盘图像的背景颜色进行估计，利用仪表盘的颜色直方图分布特征定位出仪表盘区域作为有效识别区域；对仪表表盘的有效识别区域进行光照均衡；对图像进行颜色空间的转换，将图像由RGB颜色空间转换为灰度图像；从仪表盘的有效识别区域中，根据仪表盘有效识别区域的笔画特征，使用多尺度方法提取仪表盘的指针和刻度线；从仪表盘的有效识别区域中，提取仪表盘的数字信息进行录入，根据提取的指针和刻度线，通过公式进行读数自动识别。
进一步的，仪表盘图像的背景颜色进行估计，包括进行仪表盘背景与刻度颜色估计：在采集得到的图像中心截取固定面积的图像，对该图像进行二值化，统计得到的二值图中的黑、白像素点的个数，如果黑点的数量大于白点数，则仪表盘为暗色，指针与刻度为亮色 ；反之则仪表盘为亮色，指针与刻度为暗色。
进一步的，提取获得仪表盘的有效识别区域的步骤包括：
对采集图像的灰度图作二值化处理；对二值图作形态学膨胀，连接存在断裂的区域；通过连通体分析方法提取出仪表的有效区域；其中，连通体分析方法中，连通区域占采集的仪表盘原始图像面积的五分之三以上，且连通区域包含图像的中心点。
进一步的，从仪表盘的有效识别区域中提取仪表盘的指针和刻度线的步骤包括：进行仪表盘图像的灰度化、二值化；二值化后，按照连通标准进行连通域提取，把二值图像的每一块互相分离的物体检测出来；连通域包含刻度，根据连通域的矩形特征去识别刻度，矩形特征的内容与计算方法如下：
（1）体积连通域包含的点的数目；
（2）拟合直线对连通域的所有点用最小二乘法拟合出直线，在计算拟合直线的同时也得到连通域的中点，连通域所有点坐标的加权平均值，权值为灰度值；
（3）长度投影在拟合直线上，连通域内离中点最远的距离的两倍；
（4）宽度连通域内的点离拟合直线最远的距离的两倍；
（5）长宽比：长度除以宽度；
在获得的仪表盘图像区域内使用基于Hough变换的直线提取算法提取指针。
进一步的，根据提取的仪表盘数字、指针和刻度线自动进行读数识别的步骤包括：
提取表盘的数字信息，录入所建立的数据库系统；参考表盘圆心，进而分析得到指针角度；根据公式得到所的角度对应的示数。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于指针检测的指针式仪表自动读数装置系统，包括仪表装置（1），所述仪表装置（1）上设有仪表盘（2）结构，其特征在于：
所述仪表装置（1）的一侧固定装设有第一调节机构（5）；
包括第一动力装置（3），所述第一动力装置（3）的输出轴上装设有第一驱动机构（4）；
包括终端调控装置（9）和第一支撑机构（8），所述终端调控装置（9）与第一支撑机构（8）的一端固定连接；
包括摄像机装置（7），所述摄像机装置（7）与第一支撑机构（8）的另一端固定连接；
所述第一支撑机构（8）上固定装设有伸缩动力装置（14）；
所述伸缩动力装置（14）上包括伸缩连杆机构（15）；
包括推进连板机构（16），所述伸缩连杆机构（15）的端侧与推进连板机构（16）的一侧垂直固定连接；
所述推进连板机构（16）的另一侧固定装设有第一补光装置（17）和第二补光装置（22）；
所述第一补光装置（17）内设有第一补光灯管（18）；
所述第一补光装置（17）上设有第一漫散射透镜（21）；
所述第二补光装置（22）内设有第二补光灯管（23）；
所述第二补光装置（22）上设有第二漫散射透镜（26）；
包括远程中央处理器（13），所述终端调控装置（9）通过数据信息传输方式与远程中央处理器（13）实时相联。
2.根据权利要求1所述的基于指针检测的指针式仪表自动读数装置系统，其特征在于：
所述仪表盘（2）的正对位置设有观察窗（6）结构，所述观察窗（6）上设置密封透明玻璃结构；
所述仪表盘（2）上的第一调节机构（5）与第一动力装置（3）上的第一驱动机构（4）接触相连；
所述第一驱动机构（4）和第一调节机构（5）上都设置有齿轮结构；
所述仪表装置（1）的活动角度与摄像机装置（7）的位置角度相配合。
3.根据权利要求1所述的基于指针检测的指针式仪表自动读数装置系统，其特征在于：
所述第一补光装置（17）内装设有第一补光内镜环板（19）和第一补光内镜挡板（20）；
所述第一补光内镜环板（19）和第一补光内镜挡板（20）都为光滑反光镜面板；
所述第二补光装置（22）内装设有第二补光内镜环板（24）和第一补光内镜挡板（25）；
所述第二补光内镜环板（24）和第二补光内镜挡板（25）都为光滑反光镜面板。
4.根据权利要求1所述的基于指针检测的指针式仪表自动读数装置系统，其特征在于：
所述终端调控装置（9）内包括AD转换器（10）、GPS模块（11）和无线传输/接收模块（12）；
所述摄像机装置（7）与AD转换器（10）连接，所述AD转换器（10）通过数据信息传输线路与无线传输/接收模块（12）连接，所述GPS模块（11）通过数据信息传输线路与无线传输/接收模块（12）连接。
5.根据权利要求1所述的基于指针检测的指针式仪表自动读数装置系统，其特征在于：
所述远程中央处理器（13）内设有无线接收/传输模块；
所述远程中央处理器（13）内包括仪表图像采集单元、仪表图像预处理单元、指针/刻度线提取单元以及仪表读数识别单元；
所述仪表图像采集单元通过数据信息转换及传输线路与仪表图像预处理单元相连；
所述仪表图像预处理单元通过数据信息传输线路与指针/刻度线提取单元相连；
所述指针/刻度线提取单元通过信息/信号传输线路与仪表读数识别单元相连。
6.基于指针检测的指针式仪表自动读数识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集仪表图像，输入仪表图像并对其进行预处理，提取获得仪表盘的有效识别区域；
其中，对输入的图像进行预处理具体为：对仪表盘图像的背景颜色进行估计，利用仪表盘的颜色直方图分布特征定位出仪表盘区域作为有效识别区域；对仪表表盘的有效识别区域进行光照均衡；对图像进行颜色空间的转换，将图像由RGB颜色空间转换为灰度图像；
从仪表盘的有效识别区域中，根据仪表盘有效识别区域的笔画特征，使用多尺度方法提取仪表盘的指针和刻度线；
从仪表盘的有效识别区域中，提取仪表盘的数字信息进行录入，根据提取的指针和刻度线，通过公式进行读数自动识别。
7.根据权利要求6所述的基于指针检测的指针式仪表自动读数识别方法，其特征在于：
仪表盘图像的背景颜色进行估计，包括进行仪表盘背景与刻度颜色估计：在采集得到的图像中心截取固定面积的图像，对该图像进行二值化，统计得到的二值图中的黑、白像素点的个数，如果黑点的数量大于白点数，则仪表盘为暗色，指针与刻度为亮色 ；反之则仪表盘为亮色，指针与刻度为暗色。
8.根据权利要求6所述的基于指针检测的指针式仪表自动读数识别方法，其特征在于，提取获得仪表盘的有效识别区域的步骤包括：
对采集图像的灰度图作二值化处理；对二值图作形态学膨胀，连接存在断裂的区域；通过连通体分析方法提取出仪表的有效区域；
其中，连通体分析方法中，连通区域占采集的仪表盘原始图像面积的五分之三以上，且连通区域包含图像的中心点。
9.根据权利要求6所述的基于指针检测的指针式仪表自动读数识别方法，其特征在于，从仪表盘的有效识别区域中提取仪表盘的指针和刻度线的步骤包括：
进行仪表盘图像的灰度化、二值化；
二值化后，按照连通标准进行连通域提取，把二值图像的每一块互相分离的物体检测出来；
连通域包含刻度，根据连通域的矩形特征去识别刻度，矩形特征的内容与计算方法如下:
（1）体积连通域包含的点的数目；
（2）拟合直线对连通域的所有点用最小二乘法拟合出直线，在计算拟合直线的同时也得到连通域的中点，连通域所有点坐标的加权平均值，权值为灰度值；
（3）长度投影在拟合直线上，连通域内离中点最远的距离的两倍；
（4）宽度连通域内的点离拟合直线最远的距离的两倍；
（5）长宽比：长度除以宽度；
在获得的仪表盘图像区域内使用基于Hough变换的直线提取算法提取指针。
10.根据权利要求6所述的基于指针检测的指针式仪表自动读数识别方法，其特征在于，根据提取的仪表盘数字、指针和刻度线自动进行读数识别的步骤包括：
提取表盘的数字信息，录入所建立的数据库系统；
参考表盘圆心，进而分析得到指针角度；
根据公式得到所的角度对应的示数。
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