CN110245597A - 一种指针式仪表通用性识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及图像处理,为一种指针式仪表通用性识别方法。包括利用模板匹配定位仪表;设计指针形状的掩膜;定位实际仪表图像的旋转中心,利用掩膜与灰度化后的仪表图像正对相乘,以旋转中心旋转掩膜一周,绘制响应图,响应图峰值对应角度即为指针所指方向;对刻度呈规律分布的仪表建立角度‑读数的函数映射,对无规律仪表建立角度‑读数的表格。本方法解决了由于指针形状不一,特殊仪表的识别问题,最大限度采取指针长度、宽度信息可通用性识别各形状指针;其实现过程简单;对光照、阴影遮挡等因素具有较强鲁棒性,提高了识别精度。

Description

一种指针式仪表通用性识别方法
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域,可通用性识别各类指针式仪表。
背景技术
在变电站复杂环境中,存在成千上万个指针式仪表,有着广泛应用。变电站必须对仪表读数进行实时监控,而目前所用的智能机器人在仪表识别方面无法满足实际复杂环境下仪表读数需求,且现有技术识别率不高,识别速度不够。因此需要一种可以通用性识别指针,且能够快速高效获得识别结果的方法。
现有技术中指针式仪表识别方法,主要是基于边缘提取的线性检测方法,通过找直线的方式进而转化到指针方向,此类方法均极易受到仪表刻度、雨露遮挡等因素影响而导致鲁棒性低,识别效果差。
宋人杰等人在《Hough变换的改进及其在电厂指针式仪表自动识别中的应用》中提出了一种改进方法,通过减小Hough变换的搜索范围来减小变换所需的存储空间量,并将提前确定好的圆心直接加入到累加器中来减小计算量,从而减少了一定的计算时间。但在使用过程中,仍未能解决对于刻度、数字等短小的直线造成的干扰问题。
中国专利201710183209X中提出一种通过滤波器,对提取出的表盘区域图像进行360°的Gabor滤波。此方法滤波核参数不能很好利用指针全部信息,在刻度与指针共存的情况下,指针滤波后响应值减弱,导致存在两个峰值或多个峰值造成错误。该方法识别效果显著,但鲁棒性不高,未能最大限度利用指针信息。
现有技术中大多数方法都不能很好的利用指针信息,或是在考虑指针信息后,又增大仪表其他信息的影响;导致最后的识别效果不佳或识别过程复杂。
发明内容
基于现有技术存在的问题,本专利提出一种针对性设计指针形状,针对位置性扫描,最大限度利用指针信息的方法,很好利用了指针信息,可通用性识别各类指针,又在最小影响的情况下得到指针位置,步骤简单,具备高效性,很好的满足了实际需求。
本发明的一种指针式仪表通用性识别方法,包括准备阶段和正式识别阶段;其特征在于,
所述准备阶段包括:
步骤一:从模板仪表图中确定出其仪表的旋转中心;
步骤二:获取模板仪表图的指针图,并确定出指针图的最小矩形即为掩膜,并记录指针头部、指针尾部分别到旋转中心的距离;
步骤三:获取模板仪表图的指针度数对应的读数数据集,建立度数与读数之间的映射规则;
步骤一:将实际仪表图与模板仪表图模板匹配定位,并将实际仪表图灰度化;
步骤二:将准备阶段获取的掩膜,以对应指针头部、指针尾部位置,按旋转中心旋转一周,并与实际仪表图对应区域正对相乘;
步骤三:统计响应值,绘制响应图,找到响应图峰值对应角度;
步骤四:根据准备阶段的度数与读数之间的映射规则获取实际仪表图的读数。
进一步的,所述最小矩形即为掩膜具体为:
人工设计矩形使得矩形能尽量最小包含指针,并记录指针头部到旋转中心距离,指针尾部到旋转中心距离。并令矩形区域内像素值为1。
进一步的,所述度数-读数映射规则具体为:
对于刻度均匀仪表,根据度数可直接得到读数,即:
均匀增量读数=(θ21)/θ3*(α21)
θ1表示初始值角度值,θ2表示指针角度值,θ3表示最大角度值,α1表示初始值读数,α2表示最大角度值读数;
对于刻度不均匀仪表,需建立读数与度数的表格,则可通过查表直接得到读数;
进一步的,对于精度要求较高的仪表,则可将读数-度数数据通过线性拟合得到函数f(θ),也可通过角度值直接得到对应读数。
进一步的,正式阶段模板匹配具体为:
将实际图片灰度化后与模板图模板匹配对齐,以[N,M]大小的图片中点为中心,对包含图像2/3区域进行搜索,计算每个位置误差度:Xi,j表示测试样本在(i,j)的像素值;X’i,j表示模板图在(i,j)的像素值;i表示横坐标,j表示纵坐标;找到误差度最小位置对齐。
进一步的,正式阶段步骤二、步骤三具体为:
将掩膜放至离旋转中心对应指针头部、指针尾部距离,以以0.5°~10°为增量旋转,在此可以根据仪表的精度要求,确定增量。每旋转一个增量,将掩膜与灰度化后的实际仪表对应区域正对相乘,累加响应值,绘制响应图;找到响应图对应的角度即为指针所指角度。
本发明的有益效果:
1、本发明通过直接设计指针形状,能够最大化限度利用指针信息,且最小化程度受到其他因素影响,可通用性识别其他各类指针式仪表。
2、本发明所采用的方法易于实现,识别率高,且识别速度非常快。
3、本发明由于是在指针对应区域旋转扫描,因此对光照、阴影、雨露等因素鲁棒性高。
附图说明
图1为本发明采用的方法流程图;
图2为本发明采用模板图标注旋转中心;
图3为本发明采用模板图标注最小矩形(掩膜);
图4为本发明采用的响应值统计图;
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,以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。
本发明提出了一种指针式仪表通用性识别方法,包括准备阶段和仪表正式识别阶段;如图1所示,具体包括以下步骤:
所述准备阶段包括:
(1)人工定点模板图仪表旋转中心(图2);
(2)根据模板图指针,设计最小矩形即为掩膜(图3),包住指针,并记录指针头部、尾部到旋转中心距离;
(3)根据历史数据集,建立度数-读数的映射规则;
(4)将实际仪表图与模板图模板匹配定位,并将实际仪表图灰度化;
(5)将准备阶段中的掩膜,以对应指针头部、指针尾部位置,按旋转中心旋转一周,并与实际仪表图对应区域正对相乘。
(6)统计响应值,绘制响应图(图4),找到响应图峰值对应角度;
(7)根据准备阶段的度数-读数映射规则得到读数;
进一步的,所述最小矩形即为掩膜具体为:
人工设计矩形使得矩形能尽量最小包含指针,并记录指针头部到旋转中心距离,指针尾部到旋转中心距离。并令矩形区域内像素值为1。
进一步的,所述度数-读数映射规则具体为:
对于刻度均匀仪表,根据度数可直接得到读数,即:
均匀增量读数=(θ21)/θ3*(α21);
θ1表示初始值角度值,θ2表示指针角度值,θ3表示最大角度值,α1表示初始值读数,α2表示最大角度值读数;
对于刻度不均匀仪表,需建立读数与度数的表格,则可通过查表直接得到读数;
进一步的,对于精度要求较高的仪表,则可将读数-度数数据通过线性拟合得到函数f(θ),也可通过角度值直接得到对应读数。
例如:
度数 3 7 15 23 24 30 41 56 66 80 110
读数 1 2.4 4.0 4.5 4.6 4.8 5.4 5.8 6.0 6.3 6.8
则根据最小二乘法拟合得到度数-读数函数曲线Y=log(2,θ-1)
其中,Y表示读数,θ表示度数。
进一步的,正式阶段模板匹配具体为:
将实际图片灰度化后与模板图模板匹配对齐,以[N,M]大小的图片中点为中心,对包含图像2/3区域进行搜索,计算每个位置误差度:Xi,j表示测试样本在(i,j)的像素值;X’i,j表示模板图在(i,j)的像素值;i表示横坐标,j表示纵坐标;找到误差度最小位置对齐。
进一步的,正式阶段步骤二、步骤三具体为:
将掩膜放至离旋转中心对应指针头部、指针尾部距离,以1°为增量旋转,在此可以根据仪表的精度要求,确定增量。每旋转一个增量,将掩膜与灰度化后的实际仪表对应区域正对相乘,累加响应值,绘制响应图;找到响应图对应的角度即为指针所指角度。
作为一种可实现方式,设掩膜大小为M×N,对应实际仪表范围M'×N'的位置,则统计值为:
SUM表示累积后的响应值;M'表示掩膜对应的横坐标点,N'表示掩膜对应的纵坐标点,Xij表示对应坐标(i,j)实际仪表处的像素值;
当掩膜旋转一个增量θ,本实施例以顺时针为例(逆时针可类似处理),则有
M”=M'*cos(θ)+N'*sin(θ)
N”=N'*cos(θ)+M'*sin(θ)
其中,M”表示旋转后对应下界;N”表示旋转后对应右界;
根据上述计算出的响应值参数,即可绘制响应图,如图4所示,找到响应图对应的角度即为指针所指角度。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成,该程序可以存储于一计算机可读存储介质中,存储介质可以包括:ROM、RAM、磁盘或光盘等。
以上所举实施例,对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明,所应理解的是,以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种指针式仪表通用性识别方法,包括准备阶段和正式识别阶段;其特征在于,
所述准备阶段包括:
步骤一:从模板仪表图中确定出其仪表的旋转中心;
步骤二:获取模板仪表图的指针图,并确定出指针图的最小矩形即为掩膜,并记录指针头部、指针尾部分别到旋转中心的距离;
步骤三:获取模板仪表图的指针度数对应的读数数据集,建立度数与读数之间的映射规则;
所述正式识别阶段包括:
步骤一:将实际仪表图与模板仪表图模板匹配定位,并将实际仪表图灰度化;
步骤二:将准备阶段获取的掩膜,以对应指针头部、指针尾部位置,按旋转中心旋转一周,并与实际仪表图对应区域正对相乘;
步骤三:统计响应值,绘制响应图,找到响应图峰值对应角度;
步骤四:根据准备阶段的度数与读数之间的映射规则获取实际仪表图的读数。
2.根据权利要求1所述的一种指针式仪表通用性识别方法,其特征在于,所述最小矩形即为掩膜具体为:
所述最小矩形刚好包含指针,最小矩形区域内像素值为1。
3.根据权利要求1所述的一种指针式仪表通用性识别方法,其特征在于,所述度数与读数之间的映射规则具体为:
对于刻度均匀仪表,根据其度数则直接得到读数,即:
均匀增量读数=(θ21)/θ3*(α21);
θ1表示初始值角度值,θ2表示指针角度值,θ3表示最大角度值,α1表示初始值读数,α2表示最大角度值读数;
对于刻度不均匀仪表,需建立读数与度数的表格,通过查表直接得到读数。
4.根据权利要求3所述的一种指针式仪表通用性识别方法,其特征在于,将刻度增量均匀增加的仪表读数与度数的数据通过线性拟合得到函数f(θ),按照拟合函数获得仪表读数。
5.根据权利要求1所述的一种指针式仪表通用性识别方法,其特征在于,正式阶段模板匹配具体为:
将实际图片灰度化后与模板图模板匹配对齐,以[N,M]大小的图片中点为中心,对包含图像2/3区域进行搜索,计算每个位置误差度:Xi,j表示测试样本在(i,j)的像素值;X’i,j表示模板仪表图在(i,j)的像素值;i表示横坐标,j表示纵坐标;找到误差度最小位置对齐。
6.根据权利要求1所述的一种指针式仪表通用性识别方法,其特征在于,正式阶段步骤二、步骤三具体为:
将掩膜放至离旋转中心对应指针头部、指针尾部距离,以0.5°~10°为增量旋转,每旋转一个增量,将掩膜与灰度化后的实际仪表对应区域正对相乘,累加响应值,绘制响应图。
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