CN111914623B - 一种圆弧刻度表盘图像的刻度线识别方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于视觉图像处理技术领域，尤其涉及一种圆弧刻度表盘图像的刻度线识别方法，步骤如下：一、将圆弧刻度表盘进行图像预处理，得到圆弧刻度二值化图像。二、圆弧刻度二值化图像通过圆拟合方法得到圆弧信息和圆心信息。三、从圆弧起始角度到结束角度遍历半径方向直线，并计数各直线上有值像素点数量；四、根据半径方向直线上有值像素点数量的不同判断该半径方向直线是否在刻度处；五、一个刻度条内包含多条半径方向直线，取该部分直线里居中的直线为该刻度条的拟合刻度线。本申请通过遍历半径方向直线上的像素点数量的不同来确定是否为刻度线。直接对采集图像处理，不会出现映射偏差，得到的刻度线与实际图像高度相符，精度高。

Description

一种圆弧刻度表盘图像的刻度线识别方法
技术领域
本申请属于视觉图像处理技术领域，尤其涉及一种圆弧刻度表盘图像的刻度线识别方法。
背景技术
圆弧刻度指针式仪表广泛运用于工业生产、居民生活中，如压力表、温湿度表、位移表等。此类仪表普遍应用的读数方式大部分仍然是人工读数，受经验、环境、人员等因素的影响，往往存在一些人为误差和随机误差。并且在部分指针式仪表存在安装位置人眼不易到达、仪表太小人眼不易读取等情况。虽然部分问题可以通过将原指针式仪表更换为数字式仪表解决问题，但有的情况仪表由于各种原因不便更换。因此通过机器视觉图像处理来读取指针示值的方法能有效消除人工读数的影响，解决部分指针式仪表人眼不易读数的问题，并且在原仪表不便更换时是实现工业智能化、数字化的一种有效方式。而从圆弧刻度图像中读取识别刻度线常是机器视觉图像处理中不可缺少的环节。
现有相关改进的专利如专利申请号为201911107808.9，名称为《一种指针式仪表自动读数方法及装置》的发明专利，其公开了一种指针式仪表自动读数方法及装置，本申请基于通过刻度弧线模板图像与采集的指针式仪表的刻度图像融合得到的融合图像，以融合图像中的刻度弧线为读数的参考标准，建立刻度弧线中每一个刻度点对应的扫描区域，并根据该扫描区域的像素累积和最值判断仪表指针所指的刻度点，根据所述目标刻度点在所述刻度弧线中的序号以及所述指针式仪表的量程和所述刻度弧线的刻度点总量的比值，得到所述指针式仪表的读数。对比文件得到刻度线的方式为通过单应矩阵映射方式将刻度弧线模板与采集的图像进行映射对应。首先其对于单应矩阵映射的方式没有具体说明，并且实际效果可能因指针高于刻度盘平面、图像匹配误差等原因出现映射偏差，从而产生较大误差甚至错误读数。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述不足，本申请提出一种能够准确的从圆弧刻度图像中读取识别刻度线的识别方法。
为实现上述技术效果，本申请采用的技术方案如下：
一种圆弧刻度表盘图像的刻度线识别方法，包括如下步骤：
步骤一、将圆弧刻度表盘进行图像预处理，得到圆弧刻度二值化图像。
步骤二、圆弧刻度二值化图像通过圆拟合方法得到圆弧信息和圆心信息：
圆的标准方程(x-a)2+(y-b)2＝R2
圆的极坐标方程x＝a+R cos θ,y＝b+R sin θ
其中a、b表示圆心横纵坐标位置；R表示圆半径；x、y为任意点的横、纵坐标，θ为任意点的极角；
步骤三、从圆弧起始角度θ1到结束角度θ2遍历半径方向直线，并计数各直线上有值像素点数量ni，ni即灰度值不为0的像素点的数量；
步骤四、根据半径方向直线上有值像素点数量的不同判断该半径方向直线是否在刻度处，得到mi示意图，mi为半径方向直线是否在刻度处示意，其值为0代表不在，值为1代表在；
步骤五、一个刻度条内包含多条半径方向直线，取该部分直线里居中的直线为该刻度条的拟合刻度线。
进一步地，步骤一中，圆弧刻度二值化图像中圆弧刻度处灰度值为255，其他空白区域灰度值为0。
进一步地，步骤二中，圆拟合方法包括但不限于霍夫变换、最小二乘法和加权平均法；
进一步地，步骤三中，遍历方法具体为：
从圆弧起始角度θ1的半径方向直线开始，设置遍历步长Δθ，逐步累加Δθ遍历不同角度的半径方向直线直至圆弧终角度θ2；
圆弧上的点(x0＝a+R cos(θ1+Δθ*i),y0＝b+R sin(θ1+Δθ*i))和圆心(a,b)确定直线：
y＝(x-a)tan(θ1+Δθ*i)+b，(i依次取
Figure BDA0002542621700000021
)。
进一步地，步骤三中，计数各直线上有值像素点数量的方法为：
从圆心(a,b)向圆和直线上交点(x0,y0)方向，在直线y＝(x-a)tan(θ1+Δθ*i)+b上逐点判断是否有值，即灰度值不为0，有值则开始计数到ni,无值则停止逐点判断；
最终得到的各直线上有值像素点数量ni。
进一步地，步骤四中，具体步骤为：
分析ni(i依次取
Figure BDA0002542621700000022
),根据有无刻度的有值像素点数量差别设置阈值N，
若ni>.，则直线y＝(x-a)tan(θ1+Δθ*i)+b在刻度处，在mi计值1；
若ni<N，则直线y＝(x-a)tan(θ1+Δθ*i)+b不在刻度处，在mi计值0；得到的mi示意图。
进一步地，步骤五中，具体步骤为：
将mi从
Figure BDA0002542621700000023
次序遍历，
当mi开始从0变为1时记下角度
Figure BDA0002542621700000031
当mi从1变为0时记下角度
Figure BDA0002542621700000032
则居中取
Figure BDA0002542621700000033
为第1条刻度线角度位置，计为K1；
当mi再次从0变为1时记下角度
Figure BDA0002542621700000034
当mi再次从1变为0时记下角度
Figure BDA0002542621700000035
则居中取
Figure BDA0002542621700000036
为第2条刻度线角度位置，计为K2；
依次得到各个刻度线角度位置K3，K4…Kj…，j含义为圆弧上第几条刻度线，Kj为第j条刻度线的角度位置，取值范围上限为圆弧中刻度线数量，进而得到各刻度线直线方程为
Figure BDA0002542621700000037
从而完成了刻度线识别。
本申请的优点在于：
1、本申请通过遍历半径方向直线上的像素点数量的不同来确定是否为刻度线。直接对采集图像进行处理，不会出现映射偏差，得到的刻度线与实际图像高度相符，精度高。
2、本申请能通过设置多个阈值识别刻度线中大小刻度的差别。
3、本申请能得到所有刻度线的信息，可以分析刻度线均匀性，对仪表刻线印制质量进评价。
附图说明
图1为表盘圆弧刻度图像的刻度线读取方法示意图。
图2为具体实施例的步骤一中圆弧刻度图像预处理得到的圆弧刻度二值化图像。
图3为具体实施例的步骤二中通过霍夫变换等方法得到的圆信息图像。
图4为具体实施例的步骤三中遍历起始角度和步长设置示意图。
图5为具体实施例的步骤三中遍历后得到的半径方向直线上有值像素点数量图。
图6为具体实施例的步骤四中设置阈值后确定各半径方向直线是否在刻度处的示意图。
图7为具体实施例的步骤五中最终得到的拟合刻度线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明专利并不限于本实例。
实施例1
一种圆弧刻度表盘图像的刻度线识别方法，包括如下步骤：
步骤一、将圆弧刻度表盘进行图像预处理，得到圆弧刻度二值化图像。如图2所示。圆弧刻度二值化图像中圆弧刻度处灰度值为255，其他空白区域灰度值为0。
步骤二、圆弧刻度二值化图像通过圆拟合方法得到圆弧信息和圆心信息，如图3所示：
圆的标准方程(x-a)2+(y-b)2＝R2
圆的极坐标方程x＝a+R cos θ,y＝b+R sin θ
其中a、b表示圆心横纵坐标位置；R表示圆半径；x、y为任意点的横、纵坐标，θ为任意点的极角；
圆拟合方法包括但不限于霍夫变换、最小二乘法和加权平均法；
步骤三、从圆弧起始角度θ1到结束角度θ2遍历半径方向直线，并计数各直线上有值像素点数量ni，ni即灰度值不为0的像素点的数量；
遍历方法具体为：
从圆弧起始角度θ1的半径方向直线开始，设置遍历步长Δθ，逐步累加Δθ遍历不同角度的半径方向直线直至圆弧终角度θ2；(遍历示意图如图4所示)。
圆弧上的点(x0＝a+R cos(θ1+Δθ*i),y0＝b+R sin(θ1+Δθ*i))和圆心(a,b)确定直线：
y＝(x-a)tan(θ1+Δθ*i)+b，(i依次取
Figure BDA0002542621700000041
)。
计数各直线上有值像素点数量的方法为：
从圆心(a,b)向圆和直线上交点(x0,y0)方向，在直线y＝(x-a)tan(θ1+Δθ*i)+b上逐点判断是否有值，即灰度值不为0，有值则开始计数到ni,无值则停止逐点判断；
最终得到的各直线上有值像素点数量ni，如图5所示。
步骤四、根据半径方向直线上有值像素点数量的不同判断该半径方向直线是否在刻度处，得到mi示意图，mi为半径方向直线是否在刻度处示意，其值为0代表不在，值为1代表在；
具体步骤为：
分析ni(i依次取
Figure BDA0002542621700000042
),根据有无刻度的有值像素点数量差别设置阈值N，
若ni>.，则直线y＝(x-a)tan(θ1+Δθ*i)+b在刻度处，在mi计值1；
若ni<N，则直线y＝(x-a)tan(θ1+Δθ*i)+b不在刻度处，在mi计值0；得到的mi示意图如图6所示。
步骤五、一个刻度条内包含多条半径方向直线，取该部分直线里居中的直线为该刻度条的拟合刻度线。具体步骤为：
将mi从
Figure BDA0002542621700000043
次序遍历，
当mi开始从0变为1时记下角度
Figure BDA0002542621700000044
当mi从1变为0时记下角度
Figure BDA0002542621700000045
则居中取
Figure BDA0002542621700000046
为第1条刻度线角度位置，计为K1；
当mi再次从0变为1时记下角度
Figure BDA0002542621700000047
当mi再次从1变为0时记下角度
Figure BDA0002542621700000048
则居中取
Figure BDA0002542621700000049
为第2条刻度线角度位置，计为K2；
依次得到各个刻度线角度位置K3，K4…Kj…，j含义为圆弧上第几条刻度线，Kj为第j条刻度线的角度位置，取值范围上限为圆弧中刻度线数量，进而得到各刻度线直线方程为
Figure BDA0002542621700000051
从而完成了刻度线识别，画在图像中如图7所示。
实施例2
步骤一、圆弧刻度图像经过预处理得到如图2所示圆弧刻度二值化图像。
步骤二、圆弧刻度二值化图像通过霍夫变换(Hough Transform)等方法得到圆弧信息和圆心信息：
圆标准方程(x-a)2+(y-b)2＝R2
极坐标方程x＝a+R cos θ,y＝b+R sin θ
其中a＝527,b＝659,R＝610。
步骤三、遍历半径方向直线,遍历方法:
如图4所示，圆弧刻度开始角度约40°，结束角度约140°，设置θ1＝35°＝0.6109(rad)，θ2＝145°＝2.5307(rad)；设置步长Δθ＝0.5°＝0.0087(rad)。
从圆弧θ1的半径方向直线开始，逐步累加Δθ遍历不同角度的半径方向直线直至θ2。
圆上点(x0＝a+R cos(θ1+Δθ*i),y0＝b+B sin(θ1+Δθ*i))，和圆心(a,b)确定直线极坐标方程
x＝527+r cos(0.6109+0.0087i)
y＝659+r sin(0.6109+0.0087i)
(i依次取0,1,2,3……220)
计数各直线上有值像素点数量：
从圆和直线上交点(x0,y0)向圆心(a,b)方向，在直线上逐点判断是否有值(不为0)，有值则开始计数到ni,无值则停止逐点判断。得到如图5所示ni值。
步骤四、根据半径方向直线上有值像素点数量的不同判断该半径方向直线是否在刻度处：
分析ni(如图5所示),根据有无刻度的有值像素点数量差别设置阈值N＝35，
若ni>.，则直线(x＝527+r cos(0.6109+0.0087i)，y＝659+r sin(0.6109+0.0087i)在刻度处，在mi计值1；
若ni<N，则直线(x＝527+r cos(0.6109+0.0087i)，y＝659+r sin(0.6109+0.0087i))不在刻度处，在mi计值0。
得到如图6所示mi值。
步骤五、一个刻度条内包含多条半径方向直线，取该部分直线里居中的直线为该刻度条的拟合刻度线：
将mi依
Figure BDA0002542621700000061
次序遍历。
当mi开始从0变为1时记下角度
Figure BDA0002542621700000062
当mi从1变为0时记下角度
Figure BDA0002542621700000063
则居中取
Figure BDA0002542621700000064
为第1条刻度线角度位置，计为K1；
当mi再次从0变为1时记下角度
Figure BDA0002542621700000065
当mi再次从1变为0时记下角度
Figure BDA0002542621700000066
则居中取
Figure BDA0002542621700000067
为第2条刻度线角度位置，计为K2；
依次得到各个刻度线角度位置K3，K4…Kj…，进而得到各刻度线直线方程为
Figure BDA0002542621700000068
Figure BDA0002542621700000069
画在图像中如图7所示。

Claims (3)

1.一种圆弧刻度表盘图像的刻度线识别方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、将圆弧刻度表盘进行图像预处理，得到圆弧刻度二值化图像；
步骤二、圆弧刻度二值化图像通过圆拟合方法得到圆弧信息和圆心信息：
圆的标准方程(x-a)2+(y-b)2＝R2
圆的极坐标方程x＝a+R cosθ，y＝b+R sinθ
其中a、b表示圆心横纵坐标位置；R表示圆半径；x、y为任意点的横、纵坐标，θ为任意点的极角；
步骤三、从圆弧起始角度θ1到结束角度θ2遍历半径方向直线，并计数各直线上有值像素点数量ni，ni即灰度值不为0的像素点的数量；
步骤四、根据半径方向直线上有值像素点数量的不同判断该半径方向直线是否在刻度处，得到mi示意图，mi为半径方向直线是否在刻度处示意，其值为0代表不在，值为1代表在；
步骤五、一个刻度条内包含多条半径方向直线，取该部分直线里居中的直线为该刻度条的拟合刻度线；
步骤三中，遍历方法具体为：
从圆弧起始角度θ1的半径方向直线开始，设置遍历步长Δθ，逐步累加Δθ遍历不同角度的半径方向直线直至圆弧终角度θ2；
圆弧上的点(x0＝a+R cos(θ1+Δθ*i)，y0＝b+R sin(θ1+Δθ*i))和圆心(a，b)确定直线：
y＝(x-a)tan(θ1+Δθ*i)+b，i依次取
Figure FDA0003127144120000011
步骤三中，计数各直线上有值像素点数量的方法为：
从圆心(a，b)向圆和直线上交点(x0，y0)方向，在直线y＝(x-a)tan(θ1+Δθ*i)+b上逐点判断是否有值，即灰度值不为0，有值则开始计数到ni，无值则停止逐点判断；
最终得到的各直线上有值像素点数量ni；
步骤四中，具体步骤为：
分析ni，i依次取
Figure FDA0003127144120000012
根据有无刻度的有值像素点数量差别设置阈值N，
若ni＞N，则直线y＝(x-a)tan(θ1+Δθ*i)+b在刻度处，在mi计值1；
若ni＜N，则直线y＝(x-a)tan(θ1+Δθ*i)+b不在刻度处，在mi计值0；得到的mi示意图；
步骤五中，具体步骤为：
将mi从
Figure FDA0003127144120000021
次序遍历，
当mi开始从0变为1时记下角度
Figure FDA0003127144120000022
当mi从1变为0时记下角度
Figure FDA0003127144120000023
则居中取
Figure FDA0003127144120000024
为第1条刻度线角度位置，计为K1；
当mi再次从0变为1时记下角度
Figure FDA0003127144120000025
当mi再次从1变为0时记下角度
Figure FDA0003127144120000026
则居中取
Figure FDA0003127144120000027
为第2条刻度线角度位置，计为K2；
依次得到各个刻度线角度位置K3，K4...Kj....，j含义为圆弧上第几条刻度线，Kj为第j条刻度线的角度位置，取值范围上限为圆弧中刻度线数量，进而得到各刻度线直线方程为
Figure FDA0003127144120000028
从而完成了刻度线识别。
2.根据权利要求1所述的一种圆弧刻度表盘图像的刻度线识别方法，其特征在于：步骤一中，圆弧刻度二值化图像中圆弧刻度处灰度值为255，其他空白区域灰度值为0。
3.根据权利要求1所述的一种圆弧刻度表盘图像的刻度线识别方法，其特征在于：步骤二中，圆拟合方法包括但不限于霍夫变换、最小二乘法和加权平均法。
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