TWI669512B - Method for reading the display value of arrow type and needle type meter by computer vision - Google Patents

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Abstract

一種電腦視覺讀取箭頭型及針型指針儀錶顯示值之方法，包含一預處理流程、一讀取三用電錶之流程，其中預處理流程包含：(1)取得儀錶RGB影像；(2)建立灰階影像；(3)建立儀錶區及選擇鈕箭頭之樣板；(4)抽取儀錶區之影像；(5)在儀錶區之刻度線區域建立樣板；(6)建立選擇鈕項目對應選擇鈕箭頭角度之查詢錶； (7)建立電阻對應指針角度查詢表；讀取三用電錶之流程包含：(1)灰階影像以及計算影像平均亮度；(2)偵測儀錶旋轉角度並調整至水平位置；(3)定位及抽取指針儀錶區；(4)定位選擇鈕箭頭以辨識選擇鈕的選項；(5)定位指針儀錶區兩端刻度線的ROI；(6)計算指針旋轉中心的座標及指針在兩端刻度的角度；(7)創建掃描線搜尋指針位置；(8)從GSSPI計算指針角度；(9)從指針角度及辨識的選擇鈕計算三用電錶值。依據本發明可以讀取線性及非線性刻度的指針式儀錶，可偵測三用電錶選擇檔的位置而自動賦予三用電錶線性刻度範圍以計算儀錶值，或自動查詢事先建立之非線性刻度電阻值與指針角度對照查詢表而輸出儀錶值的方法。

Description

電腦視覺讀取箭頭型及針型指針儀錶顯示值之方法
本發明係有關於一種可監測讀取類比式指針三用電錶值及其它類型指針式儀錶值的方法，特別是指其為一種電腦視覺讀取箭頭型及針型指針儀錶顯示值之方法。
科技文明的進步，隨處可見類比式指針儀錶普遍使用於家庭、工廠、實驗室中，雖然數位儀錶已使用數十年，然而類比式指針儀錶並未因此而消失，由於價格便宜且耐用，仍然大量被廣泛的使用在各種機具儀器的顯示應用中。
本電腦視覺方法適當修改可通用於各式類比式指針儀錶之讀取，某些已使用類比式指針儀錶之既有儀具，由於加裝數位感測器成本高 (例如使用中的液態氮儲槽，內部液態氮極低溫之特性) 或加裝困難，故仍使用類比式指針儀錶，這種傳統式類比指針儀錶缺點是沒有數位通訊介面，需要仰賴人眼的判讀，以非侵入式之電腦視覺影像處理方法實時監測儀錶具有其實用性，提供方便監測儀錶之解決方案，以人眼長時間監測讀取儀錶，存在疲累及效率差的問題，開發電腦視覺及影像處理技術協助人眼讀取儀錶值，除可提高效率、解決人員疲累及視覺主觀的誤差問題，更適合於需要長期監測某些已安裝於潛在危險環境的儀錶的需求。
以電腦視覺實時讀取儀錶數值，長期監控讀取儀錶值，在超出安全範圍時自動發出警示即時傳送警訊，或做為自動控制之回授訊息，主動預防災害的發生，或是安裝於機器人視覺系統進入危險場所或災變之現場做災損管控，可作為後續監控警報或進一步自動處理的回授訊息。
一般於指針式儀錶，通常係偵測其指針角度，由刻度與指針角度關係將偵測到的指針角度轉換為儀錶值。先前的研究中存在以下之缺點：
1、使用二值化方法，易受雜訊干擾而失效。
2、偵測指針採用方式採用影像相減方式，易受攝影鏡頭或儀錶移動或光線變化影響而失效，存在穩健性不佳的問題，甚至取像時要求攝影機與儀錶需要水平校準，對使用者較為不便。
3、採用霍夫轉換偵測指針位置角度，以投票方式運算，較耗電腦資源而偵測速度慢，易於影像模糊或光照不佳時產生誤失，無法正確偵測到指針位置角度及讀取儀錶值。
4、對指針式三用電錶之讀取僅偵測指針儀錶區，缺少搭配選擇鈕位置之自動偵測，而未能全面自動讀取三用電錶。
5、缺少三用電錶完整的讀取方法，包括自動識別選擇鈕之項目而讀取線性與非線性刻度之儀錶值。
有鑑於此，開發設計一種電腦視覺影像處理技術以讀取室內及戶外指針型儀錶值，增進實用性，以及提高其讀取率確實有必要性。
爰是，本發明人乃本著多年從事產品設計、開發的實務經驗，以及積極潛心研發思考，經由無數次之實際測試、實驗，致有本發明之產生。
實務上儀錶影像可能處於變化之光照及傾斜/旋轉的情況，本發明之目的，係在提供一種可於不同之光照及傾斜/旋轉的情況下偵測指針式三用電錶及其它類型之指針式儀錶的方法，增進實用性，以及提高讀取率之電腦視覺讀取箭頭型及針型指針儀錶顯示值之方法。
為達上述之目的，本發明以讀取指針式三用電錶為例，包含一預處理流程、一讀取三用電錶之流程，其中，該預處理流程包含：(1)取得三用電錶RGB影像；(2)建立灰階影像；(3)建立儀錶區及選擇鈕箭頭之樣板；(4)抽取儀錶區之影像；(5)在儀錶區之刻度線區域建立樣板；(6)建立選擇鈕項目對應選擇鈕箭頭角度之查詢錶； (7)建立電阻對應指針角度查詢表；該讀取三用電錶之流程包含：(1)灰階影像以及計算影像平均亮度；(2)偵測儀錶旋轉角度並調整至水平位置；(3)定位及抽取指針儀錶區；(4)定位選擇鈕箭頭以辨識選擇鈕的選項；(5)定位指針儀錶區兩端刻度線的ROI；如影片所示http://yschen.ee.yzu.edu.tw:8001/ReadAmeter/AmeterLocationEndsRead.mp4 (6)計算指針旋轉中心的座標及指針在兩端刻度的角度；(7)創建掃描線搜尋指針位置；如影片所示http://yschen.ee.yzu.edu.tw:8001/ReadAmeter/AmeterScanelineRead.mp4 (8)從GSSPI計算指針角度；(9)從指針角度及辨識的選擇鈕計算三用電錶值。
依據本發明可以讀取線性及非線性刻度的指針式儀錶，可偵測三用電錶選擇檔的位置而自動賦予三用電錶線性刻度範圍以計算儀錶值，或自動查詢事先建立之非線性刻度值與指針角度對照查詢表而輸出儀錶值的方法。
以下僅藉由具體實施例，且佐以圖式作詳細之說明，俾使 貴審查委員能對於本發明之各項功能、特點，有更進一步之了解與認識。
請參閱第1圖，本發明包含一預處理流程、一讀取三用電錶之流程，其中該預處理流程包含：(1)取得三用電錶RGB影像；(2)建立灰階影像；(3)建立儀錶區及選擇鈕箭頭之樣板；(4)抽取儀錶區之影像；(5)在儀錶區之刻度線區域建立樣板；(6)建立選擇鈕項目對應選擇鈕箭頭角度之查詢錶；(7)建立電阻對應指針角度查詢表。
本發明採用混和的基於邊緣的幾何匹配演算法及梯度金字塔之樣型匹配演算法，定位三用電錶ROI影像於三用電錶水平位置及不同照明時建立多重ROI樣板，以加強ROI之定位以獲得必要之資料以計算指針式三用電錶值或其它類型指針式儀錶。
請參閱第2圖至第7圖，在預處理流程中以梯度金字塔樣型匹配及基於邊緣之幾何匹配演算法建立及學習三用電錶之樣板感興趣之區域(ROI)樣板。
其中第2圖為三用電錶於水平位置擷取之影像。
其中第3圖、第4圖之樣板為三用電錶之儀錶部位，分別以幾何匹配及樣型匹配方法建立定位三用電錶儀錶部位之樣板。
其中第5圖、第6圖之樣板為儀錶左右刻度線之區域以樣型匹配於不同照明亮度情形下所建立之樣板。
其中第7圖之樣板為選擇鈕箭頭以樣型匹配所建立之樣板。
請參閱第8圖，關於三用電錶值計算，對於DCV，ACV，及 DCmA等線性刻度之量測項目三用電錶值可由指針角度與刻度值關係之線性內插法計算。
對於電阻之非線性刻度量測項目需事先於三用電錶的水平位置使用標準電阻箱建立指針角度與電阻值關係之查詢資料表，以利於量測階段偵測出指針角度後可對應查詢出電阻值。吾人只要建立Ω x 1電阻項目之查詢資料表即可，其餘Ω x 10、Ω x 1k、及Ω x 10k項目的電阻值可由辨識出的選擇鈕電阻項目對Ω x 1之指針角度與電阻值查詢結果之電阻值乘上10(辨識出Ω x 10項目)、1000 (辨識出Ω x 1k項目)、10000 (辨識出Ω x 10k項目) 。第8圖即是三用電錶於水平位置時Ω x 1的指針角度與對應電阻值的查詢資料表。
請參閱第9圖，係關於指針角度介於第8圖查詢表之電阻值由線性內插法計算並且在三用電錶於水平位置時以樣型匹配於0°~360° 範圍建立選擇鈕箭頭角度與辨識的選擇鈕項目關係。
定位的選擇鈕箭頭角度用以辨識選擇鈕項目，並給予量測範圍或電阻查詢表配合偵測到之指針角度計算輸出量測值。
請參閱第10圖，本發明其中讀取三用電錶之流程包含：(1)灰階影像以及計算影像平均亮度；(2)偵測儀錶旋轉角度並調整至水平位置；(3)定位及抽取指針儀錶區；(4)定位選擇鈕箭頭以辨識選擇鈕的選項；(5)定位指針儀錶區兩端刻度線的ROI；(6)計算指針旋轉中心的座標及指針在兩端刻度的角度；(7)創建掃描線搜尋指針位置；(8)從GSSPI計算指針角度；(9)從指針角度及辨識的選擇鈕計算三用電錶值。
請參閱第11圖至第14圖，將三用電錶影像調整為水平的方法，係以每次5個像素寬的灰度總和在虛線範圍內向下方向搜尋直線邊緣，偵測到之直線邊緣，並計算三用電錶旋轉角度：
旋轉角(弧度) , 旋轉角度
自動調整至水平之旋轉角
將原始之RGB影像轉換為灰階影像並計算影像平均亮度(即階段1，請參閱第12圖)，在上下線範圍內偵測到影像YF-370A下方最長之橫向直線邊緣計算出其傾斜角度然後自動調整至水平影像。在灰暗情況下影像平均亮度為22.7時偵測到三用電錶直線邊緣角度為右斜16° 然後將影像向左旋轉16°調整為水平影像(階段2)，並定位儀錶區及選擇鈕箭頭，抽取出儀錶區定位刻度兩端之區域(階段3~5)。
調整至水平的三用電錶影像用以辨識選擇鈕位置及萃取出儀錶區以進一步偵測指針角度計算三用電錶值。選擇鈕箭頭可於水平的三用電錶影像直接定位。
請參閱第15圖，定義儀錶區兩端刻度線定位區域8個角落點的座標為( x l 1, y l 1), ( x l 2, y l 2), ( x l 3, y l 3), ( x l 4, y l 4), ( x r1, y r1), ( x r2, y r2), ( x r3, y r3), ( x r4, y r4)。由式(1)及式(2)計算指針角度在右端刻度 θ r及左端刻度 θ l ，由式(3)計算指針旋轉中心座標(階段6)。指針角度範圍 θ等於 θ l - θ r。掃描角度範圍從 θ r-5°至 θ l + 5°，稍大於指針角度範圍 θ。由式(4)計算弧點座標，式(5)計算掃描長度，掃描線在指針移動路徑掃描以尋找指針位置，為不錯失指針並不浪費不必要之時間搜尋指針位置，計算適當之掃描線移動之角度增量如式(6)。
即第16圖
掃描角從 -5° 至 + 5° ， 所以掃描角範圍 等於 - +10°。 (1) (2) (3) (4) (5) (6)
請參閱第16圖、第17圖，從定位之兩端刻度區域獲得8個角落點座標，創建掃描線搜尋指針位置並計算指針角度(階段7)。
掃描過程中每條掃描線的像素亮度總和(SSPI)如式(7)所示，被記錄至陣列。 (7).
p i 是掃描線上每個灰階像素亮度， r是掃描線的長度。
在每次掃描一個循環後即產生SSPI及掃描角的陣列。掃描儀錶區指針的角度範圍稍大於刻度的角度範圍。指針位置通常認為應該是SSPI曲線最小的波谷值，然而我們不能僅使用此規則找出指針位置，因為有時SSPI曲線的最小波谷值並非指針位置，如第18圖所示。我們對SSPI執行一階導數可獲得掃描線像素亮度總和的梯度(gradient of sum of scanline pixel intensity (GSSPI) )如式 (8) 。 (8)
指針位置可由分析GSSPI曲線的零交越而偵測如第19圖所示。以具有最大距離之波谷及波峰對GSSPI曲線之零交越作為掃描角度陣列的索引計算指針角度。 三用電錶值可由偵測到的指針角度及選擇鈕箭頭角度依兩端刻度數值與角度線性關係計算儀錶值如第20圖，非線性關係之電阻則依Ω x 1查詢表由角度查詢出電阻值配合定位之選擇紐箭頭角度決定乘積倍數而獲得電阻。
請參閱第21圖，本發明另一實施例，係應用位於三用電錶中間部位新建的幾何匹配模板，其效率佳，無論在明亮或黑暗的環境都可做水平的校正，因此除了原先的直線邊緣偵測的方法外，利用三用電錶中間部位建立樣型及幾何匹配模板來做定位水平的校正，若樣型匹配未定位時則切換至幾何匹配定位，以確保可靠度。
請參閱第22圖至第29圖，係本發明另一實施例使用新建的幾何匹配模板演示讀取非線性刻度(電阻)的流程。
請參閱第30圖，係於不同亮度情況下建立之樣型匹配及幾何匹配之ROI樣板的實際影像。
本發明可於鏡頭偏斜及旋轉角度時，及不同照明情況下讀取針型三用電錶與一般置於室內及戶外之指針型儀錶，本發明經適當修改，已成功應用於以一個鏡頭同時監測置於戶外液態氮儲槽上之類比式指針液位錶及壓力錶， 於日夜不同時段及下雨不同天候情況均可監測讀取儀錶值。對於液態氮儲槽，基於使用及安全管理上之考量，為使液態氮不致因不知液位存量突然耗盡造成試驗中斷，或壓力超出正常範圍未發出警示而及時卸壓處理，造成設備電磁閥損壞或其它危險狀況，因此需要長期監測其指針儀錶值，以便能安全的使用液態氮。
請參閱第31、32圖，是於下雨的夜晚讀取液態氮儲槽液位錶及壓力錶的情形。正常情況下此兩種儀錶指針並不會快速移動，以下網址是下雨時監視液態氮儲槽儀錶的影片 http://yschen.ee.yzu.edu.tw:8001/ReadAmeter/LN2-meters-normal.mp4，為了展示本發明可即時偵測到指針角度讀取儀錶值的能力，以下網址影片我們故意用手動方式快速移動指針，驗證本發明即時監測讀取儀錶值的能力，http://yschen.ee.yzu.edu.tw:8001/ReadAmeter/LN2-meters-manual.mp4。
以上為本案所舉之實施例，僅為便於說明而設，當不能以此限制本案之意義，即大凡依所列申請專利範圍所為之各種變換設計，均應包含在本案之專利範圍中。
第1圖係本發明預處理流程之方塊圖。 第2圖至第9圖係本發明預處理流程之使用實施例示意圖。 第10圖係本發明讀取三用電錶之流程之方塊圖。 第11圖至第20圖係本發明讀取三用電錶之流程之使用實施例示意圖。 第21圖係本發明另一實施例其所應用之位於三用電錶中間部位的幾何匹配模板。 第22圖至第29圖係本發明另一實施例使用新建的幾何匹配模板演示讀取非線性刻度(電阻)的流程。 第30圖係於不同亮度情況下建立之樣型匹配及幾何匹配之ROI樣板的實際影像。 第31、32圖係於下雨的夜晚讀取液態氮儲槽液位錶及壓力錶的情形。

Claims (7)

  1. 一種電腦視覺讀取箭頭型及針型指針儀錶顯示值之方法，包含： A. 一預處理流程，包含： (1)取得三用電錶RGB影像； (2)建立灰階影像； (3)建立儀錶區及選擇鈕箭頭之樣板； (4)抽取儀錶區之影像； (5)在儀錶區之刻度線區域建立樣板； (6)建立選擇鈕項目對應選擇鈕箭頭角度之查詢表； (7)建立電阻對應指針角度查詢表； B.讀取三用電錶之流程，包含： (1)灰階影像以及計算影像平均亮度； (2)偵測儀錶旋轉角度並調整至水平位置； (3)定位及抽取指針儀錶區； (4)定位選擇鈕箭頭以辨識選擇鈕的選項； (5)定位指針儀錶區兩端刻度線的ROI； (6)計算指針旋轉中心的座標及指針在兩端刻度的角度； (7)創建掃描線搜尋指針位置； (8)從GSSPI計算指針角度； (9)從指針角度及辨識的選擇鈕計算三用電錶值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電腦視覺讀取箭頭型及針型指針儀錶顯示值之方法，其中，在預處理流程中以梯度金字塔樣型匹配及基於邊緣之幾何匹配演算法建立及學習三用電錶感興趣之區域(ROI)樣板。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電腦視覺讀取箭頭型及針型指針儀錶顯示值之方法，其中，對於DCV，ACV，及 DCmA等線性刻度之量測項目三用電錶值可由指針角度與刻度值關係之線性內插法計算；對於非線性刻度之電阻量測，三用電錶值可由Ω X 1所建立之指針角度與電阻關係表所得出之數值，配合偵測到之旋鈕箭頭角度而決定Ω X 1查詢表所得出之數值的乘積倍數而得出電阻值。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電腦視覺讀取箭頭型及針型指針儀錶顯示值之方法，其中，將三用電錶影像調整為水平的方法，係以每次5個像素寬及核大小為5在虛線範圍內向下方向搜尋直線邊緣，偵測到最佳之直線邊緣，計算三用電錶旋轉角度做水平的校正。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電腦視覺讀取箭頭型及針型指針儀錶顯示值之方法，其中，係應用位於三用電錶中間部位的樣型匹配與幾何匹配模板來做定位，計算三用電錶旋轉角度做水平的校正。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電腦視覺讀取箭頭型及針型指針儀錶顯示值之方法，其中，水平校正後的影像係應用樣型匹配模板來定位選擇鈕箭頭而得出其角度，由選擇鈕箭頭角度與選擇鈕項目查詢表而辨識出選擇鈕的功能選項。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電腦視覺讀取箭頭型及針型指針儀錶顯示值之方法，其中，水平校正後的影像係應用幾何匹配與樣型匹配模板定位三用電錶指針錶區之兩端刻度的ROI計算兩端刻度之角度及指針旋轉中心座標，並創建掃描線以指針旋轉中心為固定端掃描指針位置，以掃描線亮度總和之梯度計算出指針角度，再配合辨識出的選擇鈕功能選項換算成儀錶值。
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