CN113450384A - 基于编码标志信息的指针式表计物理信息读取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于编码标志信息的指针式表计物理信息读取方法，适用于机器视觉领域，通过在指针式表计的表面粘贴两个编码标志，再利用两个编码标志进行复杂背景的去除，采用二值化处理、黑色连通域的标记、寻找最长的黑色连通域等方法找到指针式表计的长指针的顶点，进而利用实际采集图像和预拍图像中编码标志之间的变换矩阵得到实际采集图像中所有刻度线的端点坐标，从而利用实际采集图像中长指针的顶点坐标与刻度线的端点坐标之间的计算关系计算得到指针的读数，具有对指针式表计的识别准确性高，能准确稳定地读取指针式表计的指针的读数的特点。

Description

基于编码标志信息的指针式表计物理信息读取方法

技术领域

本发明涉及机器视觉领域，具体为基于编码标志信息的指针式表计物理信息读取方法。

背景技术

随着图像处理技术的发展，指针式表计的自动识别在工业领域中就变得越来越重要，在对指针式表计的自动识别过程中，因为需要识别的区域是指针式表计的表盘，而采集到的图像基本上都是整个指针式表计，并且还可能包含一些复杂的背景以及采集到的指针式表计的图像有偏移或者光照条件的变化，这些都可能在图像处理的过程中对其造成干扰，所以如何排除这些对其产出干扰的信息、正确读取指针式表计的最终读数就变得特别关键。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提出了基于编码标志信息的指针式表计物理信息读取方法，与现有技术的其他方法相比，此方法对指针式表计的识别较准确以及算法稳定可靠的优势。

为实现上述效果，本发明采用的技术方案为：

一种基于编码标志信息的指针式表计物理信息读取方法，主要包括以下步骤：

步骤1、在指针式表计的表面适当位置分别粘贴两个编码标志；

步骤2、用相机对贴有两个编码标志且未实际测量状态的指针式表计进行预拍摄，提取获得指针式表计和周围信息的初始图像，记为图像2；

步骤3、对图像2上的两个编码标志进行提取以及解码；

步骤4、利用指针式表计上面的编码标志对得到的图像2进行复杂背景的去除，复杂背景去除后只保留了指针式表计的刻度线、指针式表计上的字母、指针式表计的长指针以及指针式表计上刻度线对应的数字；

步骤5、继续对步骤4得到的图像进行复杂背景的去除，复杂背景去除后只保留了指针式表计的刻度线；

步骤6、利用霍夫变换对只保留了指针式表计的刻度线的图像检测其中的直线，继而获取所有的刻度线的端点坐标并保存；

步骤7、用相机对贴有两个编码标志且处于实际测量状态的指针式表计进行拍摄，提取到指针式表计和周围信息的初始图像，记为图像1；

步骤8、对图像1上的两个编码标志进行提取以及解码；

步骤9、根据指针式表计的位置即ID号获取指针式表计必要的信息，获取的信息包括物理量辅助信息即每个指针式表计的量程、每个指针式表计的刻度线所代表的物理含义、读取指针数值的单位，根据提前给出的指针式表计的ID号知道当前拍摄的指针式表计是什么类型的指针式表计；

步骤10、对图像1进行灰度处理得到指针式表计灰度图像并保存，记为指针式表计灰度图像1-1；

步骤11、对得到的图像1-1进行复杂背景的去除，复杂背景去除后只保留了指针式表计的刻度线、指针式表计的长指针以及指针式表计上刻度线对应的数字，将去除复杂背景后的图像记为图像1-2；

步骤12、对得到的图像1-2进行二值化处理，得到的二值化图像状态为：指针式表计的刻度线、刻度线对应的数字和长指针均为黑色，背景为白色，将得到的二值化图像记为图像1-3；

步骤13、对图像1-3进行黑色连通域的标记，寻找最长的黑色连通域，最长的黑色连通域为指针式表计中长指针的黑色连通域标记过程中形成的最大的黑色连通域；遍历长指针形成的最大黑色连通域找到长指针的顶点，将指针的顶点坐标记为P；

步骤14、根据步骤6获取的图像2中所有刻度线的端点坐标，通过图像1和图像2中方格的单应性变换矩阵的计算，获取图像1中刻度线的端点坐标；

步骤15、通过长指针的顶点坐标与每个刻度线的端点坐标的计算关系计算出指针的数值，再根据步骤9中获取的指针式表计的信息，最后读取的指针读数是一个具有数值加物理单位的结果。

进一步的，所述图像1和图像2中均包括指针式表计的边框、两个编码标志、指针式表计的指针、指针式表计的刻度线、指针式表计的刻度线对应的数字、指针式表计的字母以及周围存在的复杂的背景图像信息。

进一步的，两个编码标志贴在指针式表计表面上，且两个编码标志不能遮挡住指针式表计上的主要信息，主要信息包括指针式表计的指针、指针式表计的刻度线、指针式表计的刻度线对应的数字、指针式表计的字母。

进一步的，步骤4和步骤11中，相应图像复杂背景的去除的方法为：以其中一个编码标志定义的0号方格的右下角点作为起始点，按照指针式表计的边框形状依次划线擦除，得到最后只包含指针式表计上的字母、指针式表计的刻度线、指针式表计的刻度线对应的数字以及指针式表计的长指针的图像。

进一步的，步骤13中，寻找最长的黑色连通域的方法为：遍历二值化图像，得到每个黑色连通域的起点坐标和终点坐标，通过计算得到每个黑色连通域的起点坐标和对应终点坐标之间的距离，通过比较每个黑色连通域的起点和对应终点之间的距离长短，得到距离最长的黑色连通区域即为最大连通域。

进一步的，步骤15中，指针数值的计算过程如下：

1)计算指针顶点到指针式表计每个刻度线端点的距离，找到指针的顶点到指针式表计刻度线端点的最短距离以及第二短的距离，将最短距离记为L1，第二短距离记为L2；

2)将指针的顶点到仪表盘的刻度线的端点形成最短距离对应的刻度线的顶点坐标记为Mi，将指针的顶点到指针式表计的刻度线的端点形成最短距离对应的刻度线的刻度值记为Ni，指针的顶点到指针式表计的刻度线的端点形成第二短的距离对应的刻度线的顶点坐标记为Mi+1，指针的顶点到指针式表计的刻度线的端点形成第二短的距离对应的刻度线的刻度值记为Ni+1，则指针读数的计算结果分为两种情况：

①当指针式表计的顶点的纵坐标即P.y小于指针的顶点到指针式表计的刻度线端点形成最短距离对应的刻度线的端点的纵坐标即Mi.y，利用公式(1)得到计算数值；

②当指针式表计的顶点的纵坐标即P.y大于指针的顶点到指针式表计的刻度线端点形成最短距离对应的刻度线的端点的纵坐标即Mi.y，利用公式(2)得到计算数值。

其中，

进一步的，步骤14中，计算图像1所有刻度线的端点坐标通过图像1中的两个编码标志的所有角点的坐标矩阵和图像2中的两个编码标志的所有角点的坐标矩阵之间的单应性变换矩阵计算得到。

进一步的，在步骤15之后，步骤9中获得的指针式表计的ID号和步骤15中获得的指针式表计的数值对应成组输出显示。

与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：

本发明通过在指针式表计的表面粘贴两个编码标志，再利用两个编码标志进行复杂背景的去除，采用二值化处理、黑色连通域的标记、寻找最长的黑色连通域等方法找到指针式表计的长指针的顶点，进而利用实际采集图像和预拍图像中编码标志之间的变换矩阵得到实际采集图像中所有刻度线的端点坐标，从而利用实际采集图像中长指针的顶点坐标与刻度线的端点坐标之间的计算关系计算得到指针的读数，具有对指针式表计的识别准确性高，能准确稳定地读取指针式表计的指针的读数的特点。

附图说明

图1为实施例中第一组实验相机测量之前预拍摄的图像；

图2为实施例中第一组实验实际测量拍摄的图像；

图3为实施例中第一组实验指针式表计的灰度图像；

图4为实施例中第一组实验灰度图像去除复杂背景后的图像；

图5为实施例中第一组实验二值化后的图像；

图6为实施例中第一组实验进行黑色连通域标记后的图像；

图7为实施例中第一组实验寻找指针顶点的图像；

图8为实施例中第一组实验指针式表计的指针读数示意图；

图9为实施例中第二组实验相机测量之前预拍摄的图像；

图10为实施例中第二组实验实际测量拍摄的图像；

图11为实施例中第二组实验指针式表计的灰度图像；

图12为实施例中第二组实验灰度图像去除复杂背景后的图像；

图13为实施例中第二组实验二值化后的图像；

图14为实施例中第二组实验进行黑色连通域标记后的图像；

图15为实施例中第二组实验寻找指针顶点的图像；

图16为实施例中第二组实验指针式表计的指针读数示意图；

图17为本发明指针式表计物理信息读取方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明的读取方法需要编制相应的代码程序，并生成可运行的计算机插件，在计算机上运行以显示处理结果。

请参阅图17，一种基于编码标志信息的指针式表计物理信息读取方法，主要包括以下步骤：

步骤1、在指针式表计的表面适当位置分别粘贴两个编码标志；

两个编码标志均为方格图形，每个编码标志中各有四个点，两个编码标志贴在指针式表计表面上，且两个编码标志不能遮挡住指针式表计上的主要信息，主要信息包括指针式表计的指针、指针式表计的刻度线、指针式表计的刻度线对应的数字、指针式表计的字母，如图1和图9所示。

第一个编码标志平整贴在指针式表计的左上角且靠近指针式表计中的字母的左上角的位置，将此编码标志方格记为0号方格，以这个位置作为起始位置，0号方格中的四个角点的右下角点作为起始点，以0号方格中的起始点向此方格的右边划线和向下划线均不会遮住仪表盘中的主要信息，这样粘贴的方格才是可用的，第二个编码标志平整贴在指针式表计的长指针的根部位置处。将第二个编码标志方格记为1号方格。

步骤2、用相机对贴有两个编码标志且未实际测量状态的指针式表计进行预拍摄，提取获得指针式表计和周围信息的初始图像，记为图像2，和图像2中包括指针式表计的边框、两个编码标志、指针式表计的指针、指针式表计的刻度线、指针式表计的刻度线对应的数字、指针式表计的字母以及周围存在的复杂的背景图像信息，如图1和图9所示；

步骤3、对图像2上的两个编码标志进行提取以及解码；

步骤4、利用指针式表计上面的编码标志对得到的图像2进行复杂背景的去除，复杂背景去除后只保留了指针式表计的刻度线、指针式表计上的字母、指针式表计的长指针以及指针式表计上刻度线对应的数字；

以定义的0号方格的右下角点作为起始点，按照指针式表计的边框形状依次划线擦除得到最后只包含指针式表计上的字母、指针式表计的刻度线、指针式表计的刻度线对应的数字以及指针式表计的长指针的图像，即完成指针式表计复杂背景的去除。

步骤5、继续对步骤4得到的图像进行复杂背景的去除，复杂背景去除后只保留了指针式表计的刻度线；

步骤6、利用霍夫变换对只保留了指针式表计的刻度线的图像检测其中的直线，继而获取所有的刻度线的端点坐标并保存；

以上所述编码标志的提取及解码、图像背景的擦除方法以及霍夫变换的检测方法，均采用现有技术，其相应的程序代码集成于本方法的程序代码内，此处不作赘述。

步骤7、用相机对贴有两个编码标志且处于实际测量状态的指针式表计(和步骤1用的是同一个贴有编码标志的指针式表计)进行拍摄，提取到指针式表计和周围信息的初始图像，记为图像1，图像1中同样包括指针式表计的边框、两个编码标志、指针式表计的指针、指针式表计的刻度线、指针式表计的刻度线对应的数字、指针式表计的字母以及周围存在的复杂的背景图像信息，如图2所示；

步骤8、对图像1上的两个编码标志进行提取以及解码；该步骤所采用方法与步骤3中相同。

步骤9、根据指针式表计的位置即ID号获取指针式表计必要的信息，获取的信息包括物理量辅助信息即每个指针式表计的量程、每个指针式表计的刻度线所代表的物理含义、读取指针数值的单位，根据提前给出的指针式表计的ID号知道当前拍摄的指针式表计是什么类型的指针式表计；

步骤10、对图像1进行灰度处理得到指针式表计灰度图像并保存，记为指针式表计灰度图像1-1，如图3所示；

步骤11、对得到的图像1-1进行复杂背景的去除，复杂背景去除后只保留了指针式表计的刻度线、指针式表计的长指针以及指针式表计上刻度线对应的数字，将去除复杂背景后的图像记为图像1-2，如图4所示；

步骤12、对得到的图像1-2进行二值化处理，得到的二值化图像状态为：指针式表计的刻度线、刻度线对应的数字和长指针均为黑色，背景为白色，将得到的二值化图像记为图像1-3，如图5所示；

步骤13、对图像1-3进行黑色连通域的标记，如图6所示，寻找最长的黑色连通域，最长的黑色连通域为指针式表计中长指针的黑色连通域标记过程中形成的最大的黑色连通域；遍历长指针形成的最大黑色连通域找到长指针的顶点，将指针的顶点坐标记为P，如图7所示；

在对指针式表计的二值化图像进行黑色连通域标记过程中，由于仪表盘的二值化图像会形成多个连通域，所以需要找出最大连通域，因此先遍历仪表盘的二值化图像，遍历二值化图像过程中，将每个黑色连通域的起点坐标和终点坐标得到，最后通过计算每个黑色连通域的起点坐标和每个黑色连通域的终点坐标之间的距离，再进行比较每个黑色连通域的起点和终点之间的距离长短，距离最长的即为最大连通域，也就是指针式表计的指针形成的最大连通域。

步骤14、根据步骤6获取的图像2中所有刻度线的端点坐标，通过图像1和图像2中方格的单应性变换矩阵的计算，获取图像1中刻度线的端点坐标；具体的，计算图像1所有刻度线的端点坐标通过图像1中的两个编码标志的所有角点的坐标矩阵和图像2中的两个编码标志的所有角点的坐标矩阵之间的单应性变换矩阵计算得到。

步骤15、通过长指针的顶点坐标与每个刻度线的端点坐标的计算关系计算出指针的数值。再根据步骤9中获取的指针式表计的信息，最后读取的指针读数是一个具有数值加物理单位的结果；

本步骤中，指针数值的计算过程如下：

1)计算指针顶点到指针式表计每个刻度线端点的距离，找到指针的顶点到指针式表计刻度线端点的最短距离以及第二短的距离，将最短距离记为L1，第二短距离记为L2；

2)将指针的顶点到仪表盘的刻度线的端点形成最短距离对应的刻度线的顶点坐标记为Mi，将指针的顶点到指针式表计的刻度线的端点形成最短距离对应的刻度线的刻度值记为Ni，指针的顶点到指针式表计的刻度线的端点形成第二短的距离对应的刻度线的顶点坐标记为Mi+1，指针的顶点到指针式表计的刻度线的端点形成第二短的距离对应的刻度线的刻度值记为Ni+1，则指针读数的计算结果分为两种情况：

①当指针式表计的顶点的纵坐标即P.y小于指针的顶点到指针式表计的刻度线端点形成最短距离对应的刻度线的端点的纵坐标即Mi.y，利用公式(1)得到计算数值；

②当指针式表计的顶点的纵坐标即P.y大于指针的顶点到指针式表计的刻度线端点形成最短距离对应的刻度线的端点的纵坐标即Mi.y，利用公式(2)得到计算数值。

其中，

在步骤15之后，步骤9中获得的指针式表计的ID号和步骤15中获得的指针式表计的数值对应成组输出，并在相应的程序界面显示，如图8所示。

图1至图8为本实施例第一组实验各步骤对应的处理结果，利用步骤9中知道测量中拍摄的仪表盘是“KA”表，所以拍摄到的仪表盘的最终读数单位是“KA”，以及再利用步骤15中的第一种情况得到的结果是0.527150，如图8所示。最终得出指针的读数带有单位数值，即此位置的仪表盘的指针读数是0.527150(KA)。

图9至图16为本实施例第二组实验各步骤对应的处理结果，同样的，利用步骤7中知道测量中拍摄的仪表盘是“KA”表，所以拍摄到的仪表盘的最终读数单位是“KA”，以及再利用步骤15中的第二种情况得到的结果是0.575256，如图16所示。最终得出指针的读数带有单位数值，即此位置的仪表盘的指针读数是0.575256(KA)。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于编码标志信息的指针式表计物理信息读取方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

步骤1、在指针式表计的表面适当位置分别粘贴两个编码标志；

步骤2、用相机对贴有两个编码标志且未实际测量状态的指针式表计进行预拍摄，提取获得指针式表计和周围信息的初始图像，记为图像2；

步骤3、对图像2上的两个编码标志进行提取以及解码；

步骤4、利用指针式表计上面的编码标志对得到的图像2进行复杂背景的去除，复杂背景去除后只保留了指针式表计的刻度线、指针式表计上的字母、指针式表计的长指针以及指针式表计上刻度线对应的数字；

步骤5、继续对步骤4得到的图像进行复杂背景的去除，复杂背景去除后只保留了指针式表计的刻度线；

步骤6、利用霍夫变换对只保留了指针式表计的刻度线的图像检测其中的直线，继而获取所有的刻度线的端点坐标并保存；

步骤7、用相机对贴有两个编码标志且处于实际测量状态的指针式表计进行拍摄，提取到指针式表计和周围信息的初始图像，记为图像1；

步骤8、对图像1上的两个编码标志进行提取以及解码；

步骤9、根据指针式表计的ID号获取指针式表计必要的信息，获取的信息包括物理量辅助信息即每个指针式表计的量程、每个指针式表计的刻度线所代表的物理含义、读取指针数值的单位，根据提前给出的指针式表计的ID号知道当前拍摄的指针式表计是什么类型的指针式表计；

步骤10、对图像1进行灰度处理得到指针式表计灰度图像并保存，记为指针式表计灰度图像1-1；

步骤11、对得到的图像1-1进行复杂背景的去除，复杂背景去除后只保留了指针式表计的刻度线、指针式表计的长指针以及指针式表计上刻度线对应的数字，将去除复杂背景后的图像记为图像1-2；

步骤12、对得到的图像1-2进行二值化处理，得到的二值化图像状态为：指针式表计的刻度线、刻度线对应的数字和长指针均为黑色，背景为白色，将得到的二值化图像记为图像1-3；

步骤13、对图像1-3进行黑色连通域的标记，寻找最长的黑色连通域，最长的黑色连通域为指针式表计中长指针的黑色连通域标记过程中形成的最大的黑色连通域；遍历长指针形成的最大黑色连通域找到长指针的顶点，将指针的顶点坐标记为P；

步骤14、根据步骤6获取的图像2中所有刻度线的端点坐标，通过图像1和图像2中方格的单应性变换矩阵的计算，获取图像1中刻度线的端点坐标；

步骤15、通过长指针的顶点坐标与每个刻度线的端点坐标的计算关系计算出指针的数值，再根据步骤9中获取的指针式表计的信息，最后读取的指针读数是一个具有数值加物理单位的结果。

2.根据权利要求1所述的基于编码标志信息的指针式表计物理信息读取方法，其特征在于：所述图像1和图像2中均包括指针式表计的边框、两个编码标志、指针式表计的指针、指针式表计的刻度线、指针式表计的刻度线对应的数字、指针式表计的字母以及周围存在的复杂的背景图像信息。

3.根据权利要求1所述的基于编码标志信息的指针式表计物理信息读取方法，其特征在于：两个编码标志贴在指针式表计表面上，且两个编码标志不能遮挡住指针式表计上的主要信息，主要信息包括指针式表计的指针、指针式表计的刻度线、指针式表计的刻度线对应的数字、指针式表计的字母。

4.根据权利要求3所述的基于编码标志信息的指针式表计物理信息读取方法，其特征在于：步骤4和步骤11中，相应图像复杂背景的去除的方法为：以其中一个编码标志定义的0号方格的右下角点作为起始点，按照指针式表计的边框形状依次划线擦除，得到最后只包含指针式表计上的字母、指针式表计的刻度线、指针式表计的刻度线对应的数字以及指针式表计的长指针的图像。

5.根据权利要求1所述的一种基于编码标志信息的指针式表计物理信息读取方法，其特征在于：步骤13中，寻找最长的黑色连通域的方法为：遍历二值化图像，得到每个黑色连通域的起点坐标和终点坐标，通过计算得到每个黑色连通域的起点坐标和对应终点坐标之间的距离，通过比较每个黑色连通域的起点和对应终点之间的距离长短，得到距离最长的黑色连通区域即为最大连通域。

6.根据权利要求1所述的基于编码标志信息的指针式表计物理信息读取方法，其特征在于：步骤15中，指针数值的计算过程如下：

1)计算指针顶点到指针式表计每个刻度线端点的距离，找到指针的顶点到指针式表计刻度线端点的最短距离以及第二短的距离，将最短距离记为L1，第二短距离记为L2；

2)将指针的顶点到仪表盘的刻度线的端点形成最短距离对应的刻度线的顶点坐标记为Mi，将指针的顶点到指针式表计的刻度线的端点形成最短距离对应的刻度线的刻度值记为Ni，指针的顶点到指针式表计的刻度线的端点形成第二短的距离对应的刻度线的顶点坐标记为Mi+1，指针的顶点到指针式表计的刻度线的端点形成第二短的距离对应的刻度线的刻度值记为Ni+1，则指针读数的计算结果分为两种情况：

①当指针式表计的顶点的纵坐标即P.y小于指针的顶点到指针式表计的刻度线端点形成最短距离对应的刻度线的端点的纵坐标即Mi.y，利用公式(1)得到计算数值；

②当指针式表计的顶点的纵坐标即P.y大于指针的顶点到指针式表计的刻度线端点形成最短距离对应的刻度线的端点的纵坐标即Mi.y，利用公式(2)得到计算数值。

其中，

7.根据权利要求1所述的基于编码标志信息的指针式表计物理信息读取方法，其特征在于：步骤14中，计算图像1所有刻度线的端点坐标通过图像1中的两个编码标志的所有角点的坐标矩阵和图像2中的两个编码标志的所有角点的坐标矩阵之间的单应性变换矩阵计算得到。

8.根据权利要求1所述的所述的基于编码标志信息的指针式表计物理信息读取方法，其特征在于：在步骤15之后，步骤9中获得的指针式表计的ID号和步骤15中获得的指针式表计的数值对应成组输出显示。

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