CN108921153A - 基于机器视觉的指针温湿度仪表检测 - Google Patents
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Abstract
本发明针对不同类型的指针温湿度仪表检测存在刻度线与指针分割不准确、示值判读错误等问题，提出了一种全新的仪表检测方法，包括：1)采用多级边缘检测算法对仪表灰度图进行边缘提取，根据刻度线分布特征定位刻度线分布圆弧并分割出刻度线；2)在圆弧半径内采用同心圆的方法拟合出指针；3)OCR识别表盘刻度值，通过映射关系确定刻度线示值并计算出仪表分度值。以三种不同类型温湿度仪表为例进行读数识别，实验结果表明，本方法可以完成多种类型表盘的指针与刻度线准确分割，并实现仪表示值的准确判读。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于机器视觉的指针温湿度仪表检测方法，在灵敏度、特异性以及准确性方面比现有技术较优，具有很好的检测性能，应用于医药、农业、仪器校准等领域中。
背景技术
指针型温湿度仪表因其结构简单、使用方便、价格低、精度高，广泛应用于医药、农业、仪器校准等领域中。目前，对于温湿度仪表的校验主要通过人工读数并手动记录来完成，易受到检测人员熟练程度，精神状态的影响。运用机器视觉与图像处理技术以提高仪表校验的自动化程度，减少重复简单的人工操作，可以有效降低仪表校验的成本与时间并提高校验效率。
目前，在基于机器视觉的指针仪表检测系统中，主要分为指针分割和仪表示值判读两部分，但由于存在指针与刻度值重合、表盘信息复杂等情况，使得指针分割偏离中心线，同时不同类型仪表分度值存在差异，也使仪表示值的正确判读难度大大增加。
对于指针的分割主要有减影法、Hough变换和最小二乘法。指针是仪表图像序列中唯一反生位置变化的元素这一特征提出了带有阈值的图像减影技术。此方法需要事先获取背景图像，且对图像采集环境要求严格，适应性与实时性较差。根据指针与表盘圆心的关系，利用双阈值限定和表盘圆心标定法改进了Hough变换算法，减少了算法运算时间。但算法执行前需对图像做细化处理，当细化产生畸变、像素冗余情况时指针提取偏差较大。通过RANSAC最小二乘算法能够在复杂仪表信息中定位出指针，但算法参数选择较为严格，不同仪表指针的提取会用到不同参数。采用RGB三通道灰度值变化与改进的概率变换来定位汽车仪表指针。不同颜色的指针三通道灰度值变化差异较大，同样存在通用性差的问题。仪表示值的判读主要分为距离法和角度法，例如，采用极坐标变化的方式将在圆环上分布的仪表刻度线转化为水平方向再根据相对距离读数。依据指针与附近刻度线的相对角度差来计算仪表示值。以上两种方法都需要事先确定仪表的分度值，但在实际检测中不同仪表的分度值是不确定的，无法达到实时检测的要求。而采用OCR技术可以获得表盘刻度值，结合分割获得的刻度线求得不同仪表的分度值，提高了仪表示值判读的灵活性。
发明内容
本发明提出了一种基于机器视觉的指针温湿度仪表检测方法。通过计算沿垂直于圆弧方向的灰度投影提取刻度线圆弧；采用OCR技术读取表盘刻度值，构造映射关系获得刻度线示值；在刻度线圆弧半径内生成等距同心圆的方法拟合出指针，根据指针到临近刻度线距离计算仪表示值完成仪表检测。
本发明的技术方案，包括下列步骤：
步骤1：采用多级边缘检测算法对仪表灰度图进行边缘提取，根据刻度线分布特征定位刻度线分布圆弧并分割出刻度线；
步骤2：在圆弧半径内采用同心圆的方法拟合出指针；
步骤3：使用OCR识别表盘刻度值；
步骤4：仪表示值判读。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在相同光照条件下对三种仪表分别检测15.00℃、25.00℃、35.00℃三个温度点时的示值，本文算法可以实现对指针温湿度仪表的准确判读，测量值与实际值的平均误差为0.14％，达到了温湿度仪表检测的要求。
另外，本方法优于根据角度模型计算仪表示值的方法，更多地利用了仪表的有效信息，具有更好的鲁棒性，受成像质量影响小，同时对多种类型的温湿度仪表检测具有通用。
附图说明
图1总体框架示意图，即摘要附图；
图2提取刻度线圆弧；
图2(a)灰度图；
图2(b)Canny边缘检测；
图2(c)边缘搜索集合；
图2(d)刻度线圆弧；
图3分割刻度线；
图4提取指针；
图5不同指针覆盖情况下的分割结果；
图6仪表示值判读；
图6(a)大刻度值对应大刻度线；
图6(b)圆弧与刻度线；
图6(c)仪表示值计算；
图7原图与分割结果图；
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
本发明的总体框架示意图如图1所示，针对不同类型的指针温湿度仪表检测存在刻度线与指针分割不准确、示值判读错误等问题，提出了一种全新的仪表检测方法。采用多级边缘检测算法对仪表灰度图进行边缘提取，根据刻度线分布特征定位刻度线分布圆弧并分割出刻度线，同时在圆弧半径内采用同心圆的方法拟合出指针。OCR识别表盘刻度值，通过映射关系确定刻度线示值并计算仪表分度值。以三种不同类型温湿度仪表为例进行读数识别，实验结果表明，本方法可以完成多种类型表盘的指针与刻度线准确分割，并实现仪表示值的准确判读。
下面结合附图，对本发明技术方案的具体实施过程加以说明。
1.实验对象
本发明是一种基于刻度线圆弧和OCR的温湿度仪表检测方法。通过计算沿垂直于圆弧方向的灰度投影提取刻度线圆弧；采用OCR技术读取表盘刻度值，构造映射关系获得刻度线示值；在刻度线圆弧半径内生成等距同心圆的方法拟合出指针，根据指针到临近刻度线距离计算仪表示值完成仪表检测。
2.分割仪表刻度线
针对不同类型仪表的刻度线颜色和分布方向不同，以刻度线所在圆弧为依据，判断圆弧内外两侧边缘情况进而确定刻度线在圆内还是圆外。通过设定适当阈值距离，以同心圆相减的方法分割出刻度线圆环，采用Canny边缘检测算子对仪表灰度图进行边缘提取，根据刻度线分布特征定位刻度线分布圆弧并分割出刻度线。具体流程如图2所示。
3.提取指针
温湿度仪表指针的准确提取对于仪表读数的准确性来说是至关重要的。常见的指针提取方法有颜色特征法和减影法。颜色特征法适用于指针颜色固定且与背景辨别度大的情况，对于具有不同颜色指针且表盘复杂的温湿度仪表来说无法完成统一的指针提取。减影法需要事先获得背景图像，当背景中存在与指针颜色相同的元素并与指针重叠，重叠部分会被当作背景滤除掉，导致指针无法准确提取出来。为达到对不同温湿度仪表指针的准确提取，首先使用灰度阈值分割的方法，在指针ROI内初步获得指针区域，然后根据同心圆与指针区域相交部分的长度与差值准确定位出指针区域。提取过程如图4所示。
4.识别表盘刻度值
表盘刻度值的识别主要包括字符分割和字符识别两部分。通过遍历所有零连通域的方式分割出数字区域进而通过事先训练好的OCR字符库进行识别。光学字符识别的基本原理为通过相机、扫描仪等光学设备获得图像文件，然后通过光学字符识别引擎将图像中的字符转换为可编辑文本格式，来进行文本信息处理。通过对表盘上出现的0-9数字进行训练获得OCR字符库，将获得的数字区域送入OCR完成对表盘数字的识别。
5.仪表示值判读
5.1刻度值映射到刻度线
为确定刻度线的示值，需要将OCR获得的读数映射到其对应的刻度线上。通过对大批量仪表进行统计发现标有刻度值的刻度线都要比周边刻度线面积要大，将这种刻度线统一命名为大刻度线，其他没有标有刻度值的则为小刻度线。已知刻度值数字区域靠近于大刻度线分布，为保证刻度值准确映射到大刻度线上具体实现方法如下，对应效果图如图6(a)所示。
(1)遍历所有刻度线，保存每条刻度线到刻度值数字区域的距离。
(2)选择距离最小的三个刻度线。
(3)计算所选的三个刻度线的面积。
(4)选择面积最大的刻度线为所找的大刻度线。
5.2仪表示值计算
根据指针所在直线与圆环交点P到最近大刻度线质心Q之间的刻度线条数m确定当前仪表示值的整数部分。点P、点Q分别连接圆环圆心O，计算OP、OQ的弧度值λ1、λ2。示意图如图6(c)所示。
发明的是一种基于机器视觉的指针温湿度仪表检测方法，本方法可以完成多种类型表盘的指针与刻度线准确分割，并实现仪表示值的准确判读。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，应当理解，本发明并不限于这里所描述的实现方案，这些实现方案描述的目的在于帮助本领域中的技术人员实践本发明。任何本领域中的技术人员很容易在不脱离本发明精神和范围的情况下进行进一步的改进和完善，因此本发明只受到本发明权利要求的内容和范围的限制，其意图涵盖所有包括在由所附权利要求所限定的本发明精神和范围内的备选方案和等同方案。
Claims (5)
1.一种基于机器视觉的指针温湿度仪表检测方法，包括下列步骤：
步骤1：采用多级边缘检测算法对仪表灰度图进行边缘提取，根据刻度线分布特征定位刻度线分布圆弧并分割出刻度线；
步骤2：在圆弧半径内采用同心圆的方法拟合出指针；
步骤3：使用OCR识别表盘刻度值；
步骤4：仪表示值判读。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的指针温湿度仪表检测方法，其特征在于，步骤1中，针对不同类型仪表的刻度线颜色和分布方向不同，以刻度线所在圆弧为依据，判断圆弧内外两侧边缘情况进而确定刻度线在圆内还是圆外，通过设定适当阈值距离，以同心圆相减的方法分割出刻度线圆环，统计判断圆环内灰度值情况求出灰度阈值来分割出刻度线，使用多级边缘检测算法提取轮廓边缘，最后通过判断边缘分布情况准确获得刻度线圆弧。
3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的指针温湿度仪表检测方法，其特征在于，步骤2中，使用灰度阈值分割的方法，在指针ROI内初步获得指针区域，然后根据同心圆与指针区域相交部分的长度与差值准确定位出指针区域。
4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的指针温湿度仪表检测方法，其特征在于，步骤3中，通过遍历所有零连通域的方式分割出数字区域进而通过事先训练好的OCR字符库进行识别。
5.根据权利要求1所述的基于机器视觉的指针温湿度仪表检测方法，其特征在于，步骤4中，应出一种全新的仪表示值判读方法，依据人工判读的经验，先确定仪表的分度值，再根据指针到最近整十刻度线之间的刻度线数确定此时读数的整数部分，然后根据指针到最近刻度线的距离确定示值的小数部分。
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