CN109657667A - 一种基于图像处理的数字卷尺 - Google Patents

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孟超
马少辉
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Abstract

本发明提供了一种基于图像处理的数字卷尺技术方案。数字卷尺系统的功能模块主要包括图像采集模块、图像处理模块和数据显示模块。摄像头负责数据的读取，把图像数据传输到单片机系统上，单片机系统需要对图像进行算法识别，从而正确识别出测量的数据。本发明提供的一种基于图像处理的数字卷尺，可以通过字符匹配和长短线识别对卷尺测量长度进行自动读数，其测量长度误差较小。

Description

一种基于图像处理的数字卷尺
技术领域
本发明涉及一种基于图像处理的数字卷尺，涉及数字图像处理技术。
背景技术
目前市场上普通卷尺的价格在5-20元左右。数字卷尺已经在市场上出现多年了，目前的产品其原理主要是通过尺带上的均匀孔计算行程，或者有一个尺带卷同轴的码盘，旋转码盘大致知道尺带放出的长度，近期我们还能看到，在码盘的基础上增加一个贴近尺带上的光敏传感器，通过读取尺带上的黑白条码，可以矫正码盘旋转精度不够带来的误差。上述方法都在一定的误差。
精度较高的数字卷尺基本上由国外厂家垄断，且价格比较高。国内还没有生产同类产品的企业。为了填补国内空白，我们致力于基于图像处理技术的数字卷尺项目的研发与设计。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于图像处理的数字卷尺，在单片机上利用数字图像处理技术，来实现自动测量卷尺测量长度的功能；测量长度由粗读数和精读数两部分组成，粗读通过字符匹配技术实现，精读数通过长短线识别算法实现。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于图像处理的数字卷尺，包括壳体、摄像头、单片机和尺带；所述尺带采用短刻度线标识毫米，采用长刻度线标识厘米，并在长刻度线对应位置标记长度数值；所述摄像头设置在壳体内，摄像头与待读取区域的尺带垂直；所述摄像头采集待读取区域的尺带图片并发送给单片机，单片机对图片中的数字和长刻度线、短刻度线进行识别，计算该数字卷尺的测量长度。
由于摄像头安装在壳体内，因此需要照明设备对待读取区域的尺带进行照明，方便摄像头能够准确采集待读取区域的尺带图片；优选的，还包括LED光源，LED光源设置在壳体内，对待读取区域的尺带进行照明。
具体的，所述单片机对图片的识别包括如下步骤：
(1)通过摄像头采集待读取区域的尺带图片并发送给单片机；
(2)单片机将尺带图片转化为黑白bmp图像；
(3)采用阈值法对黑白bmp图像进行二值化处理；
(4)将二值化处理后的图像分为数字部分和刻度线部分；
(5)对数字部分进行如下处理：根据模糊匹配法读取尺带上的数值，并记录中心线左侧距离中心线最近的一个数值，将该数值换算成毫米长度x，并记录该数值对应的长刻度线；
(6)对刻度线部分进行如下处理：首先对刻度线部分进行水平投影，根据步骤(5)记录的长刻度线，计算中心线与该长刻度线之间的短刻度线个数，换算成中心线与该长刻度线之间的毫米长度n；接着计算中心线左侧距离中心线最近的一条短刻度线与中心线之间的像数值，换算成毫米长度m；最后综合上述信息得到中心线位置的尺度y＝x+n+m。
默认测量时，尺身在右侧，尺带上的刻度由左至右增大。中线线为待测图像待测位置的中心线。
具体的，所述摄像头采集的待读取区域的尺带图片为彩色16位bmp图像，采用经典灰度公式将彩色16位bmp图像转换为黑白bmp图像，具体算式为Ip＝0.2989×R+0.5870×G+0.1140×B，其中R、G、B、为彩色16位bmp图像中某像素点的三元色值，Ip为转换后黑白bmp图像对应像素点的灰度值。
优选的，所述摄像头采集的待读取区域的尺带图片为彩色16位bmp图像，为了提高运算速度，最少化的应用浮点运算，采用算式Ip＝(77×R+150×G+29×B+128)/256将彩色16位bmp图像转换为黑白bmp图像，其中R、G、B、为彩色16位bmp图像中某像素点的三元色值，Ip为转换后黑白bmp图像对应像素点的灰度值。
优选的，所述步骤(3)中，采用阈值法对黑白bmp图像进行二值化处理，采用的阈值为0x60，即：当黑白bmp图像某像素点的值大于阈值时，则该像素点表现为黑色；否则，该像素点表现为白色。由于数字卷尺所在环境光照均匀、与摄像头距离固定，故所采集图像的变形可以忽略，因此采用阈值法即可取得质量较高的二值图像，通过多次试验，采用阈值0x60即可获取满意的结果。
所述步骤(4)中，将二值化处理后的图像分为数字部分和刻度线部分；基于对尺带刻度线和数字的习惯标记方式，尺带上的数字和刻度线有明确的位置区分，故能够根据位置将图像分为数字部分和刻度线部分。
具体的，所述步骤(5)中，所述模板匹配法为，制作0～9的数字模板，尺带上的数字采用该数字模板进行印制；对数字模板进行网格划分，将数字印记占网格面积80％以上的网格记为1，其余网格记为0；对待读取数字进行同样的网格划分，计算待读取数字与数字模板的相似性，取最相似的数字模板表征待读取数字。
具体的，所述步骤(6)中的从分割的数字中选出距图像中心线左侧最近的三位数。由于图像中三位数字两两之间的间隔小于图像的大小，据此可从分割出的数字中选出完整的一个数值。挑选过程如下，在中心线左侧，寻找距中心线左侧字符最近的数字。
有益效果：本发明提供的一种基于图像处理的数字卷尺，可以通过字符匹配和长短线识别对卷尺测量长度进行自动读数，其测量长度误差较小。
附图说明
图1为该发明的数字卷尺的算法流程图。
图2为该发明的数字卷尺的测量效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种基于图像处理的数字卷尺，该卷尺利用字符匹配和长短线识别技术，可以对卷尺测量的物体长度进行自动读数。本实施例的基于图像处理的数字卷尺具体包括以下步骤：
1)获取16位RGB bmp图像。
2)将彩色16位bmp图像转化为黑白bmp图像。
根据经典公式灰度值＝0.2989×R+0.5870×G+0.1140×B，为提高运算速度，最少化的应用浮点运算，可简化为灰度值＝(77×R+150×G+29×B+128)/256。
3)对黑白图像进行二值化处理，处理方式阀值法。
由于卷尺所在环境光照均匀，与摄像头距离固定、故所摄图像不存变形，采用阀值法即可取得对质量非常高的二值图像，通过多次试验，阀值取0x60即可获取满意的结果。
4)图像初步分割为数字部分和竖线部分。
由于图像具有明显的上下两部分，上部为尺带上的竖条，下部为尺带上的数字。故垂直投影后投影明显有两个集中的分布，据此可将图像分为数字部分和竖线部分。
5)数字图像分割。
由于数字具有明显的分割点，故水平投影后每个数字部分有明显的投影间隔，据此可将图像的数字分部分分割出来。
6)从分割的数字中选出距图像中心线外侧最近的三位数。
由于图像中三位数字两两之间的间隔远大于字符间的间隔，据此可从分割出的数字中选出完整的一个数值。挑选过程如下，在中心线左侧，寻找距中心线左侧最近的字符。
7)根据模板匹配法获取最近三位数的数值，换成毫米数x。
提取特征，将每个字符按面积平均分成6*6的方格，计算每个方格中黑点占得面积，其中面积大于80％的该区域为1，小于80％的为0。
匹配，计算提取的特征与既有模板的相似性，取相似度最匹配的做为识别的数字。
8)将竖线部分进行水平投影，将水平投影进行细化获取每个竖格的精确像素点的位置。
竖线在水平投影上明显体现出各个峰值点，由于成像质量二值化的过程的影响，投影的中心不一定是竖线的中心，此处取竖线最大值*0.875以上所有竖线的中心做为竖线的确切位置。
9)根据三位数大体位置和水平投影的结果获取距离中心线左侧最近的三位数对应的具体长竖线，换算成毫米数x。
10)计算中心线左侧长竖线距图像中心线的竖线个数，即毫米数n。
11)获取图像中心线左侧短竖线距离中心线的像素，并根据像素大小换算成毫米数m。
12)合成读数y＝x+n+m。
基于上述过程，给出如下的算法过程：
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于图像处理的数字卷尺，其特征在于：包括壳体、摄像头、单片机和尺带；所述尺带采用短刻度线标识毫米，采用长刻度线标识厘米，并在长刻度线对应位置标记长度数值；所述摄像头设置在壳体内，摄像头与待读取区域的尺带垂直；所述摄像头采集待读取区域的尺带图片并发送给单片机，单片机对图片中的数字和长刻度线、短刻度线进行识别，计算该数字卷尺的测量长度。
2.根据权利要求1所述的基于图像处理的数字卷尺，其特征在于：还包括LED光源，LED光源设置在壳体内，对待读取区域的尺带进行照明。
3.根据权利要求1所述的基于图像处理的数字卷尺，其特征在于：所述单片机对图片的识别包括如下步骤：
(1)通过摄像头采集待读取区域的尺带图片并发送给单片机；
(2)单片机将尺带图片转化为黑白bmp图像；
(3)采用阈值法对黑白bmp图像进行二值化处理；
(4)将二值化处理后的图像分为数字部分和刻度线部分；
(5)对数字部分进行如下处理：根据模糊匹配法读取尺带上的数值，并记录中心线左侧距离中心线最近的一个数值，将该数值换算成毫米长度x，并记录该数值对应的长刻度线；
(6)对刻度线部分进行如下处理：首先对刻度线部分进行水平投影，根据步骤(5)记录的长刻度线，计算中心线与该长刻度线之间的短刻度线个数，换算成中心线与该长刻度线之间的毫米长度n；接着计算中心线左侧距离中心线最近的一条短刻度线与中心线之间的像数值，换算成毫米长度m；最后综合上述信息得到中心线位置的尺度y＝x+n+m。
4.根据权利要求3所述的基于图像处理的数字卷尺，其特征在于：所述摄像头采集的待读取区域的尺带图片为彩色16位bmp图像，将彩色16位bmp图像转换为黑白bmp图像的算式为Ip＝(77×R+150×G+29×B+128)/256，其中R、G、B、为彩色16位bmp图像中某像素点的三元色值，Ip为转换后黑白bmp图像对应像素点的灰度值。
5.根据权利要求3所述的基于图像处理的数字卷尺，其特征在于：所述步骤(3)中，采用阈值法对黑白bmp图像进行二值化处理，采用的阈值为0x60，即：当黑白bmp图像某像素点的值大于阈值时，则该像素点表现为黑色；否则，该像素点表现为白色。
6.根据权利要求3所述的基于图像处理的数字卷尺，其特征在于：所述步骤(5)中，所述模板匹配法为，制作0～9的数字模板，尺带上的数字采用该数字模板进行印制；对数字模板进行网格划分，将数字印记占网格面积80％以上的网格记为1，其余网格记为0；对待读取数字进行同样的网格划分，计算待读取数字与数字模板的相似性，取最相似的数字模板表征待读取数字。
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