專利名稱：一種指針式儀表讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像處理領(lǐng)域，特別涉及一種指針式儀表的讀數(shù)自動(dòng) 識(shí)別的方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
指針式儀表在日常生活中有著廣泛的應(yīng)用。在電力部門(mén)、礦廠、 石油開(kāi)采區(qū)等特殊行業(yè)中，需要對(duì)儀表進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以防止一些參 數(shù)超標(biāo)而引發(fā)意外。在儀表較多的情況下，依靠人工對(duì)儀表進(jìn)行監(jiān)控 是一項(xiàng)枯燥而繁瑣的工作，并且監(jiān)控人員極易受到一些主客觀因素的 影響，導(dǎo)致人為監(jiān)控存在極大的隱患。隨著數(shù)字圖像處理和模式識(shí)別 技術(shù)的發(fā)展，由計(jì)算機(jī)代替人工對(duì)儀表進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控成為可能，而其 中最重要的一個(gè)步驟就是儀表讀數(shù)的自動(dòng)識(shí)別。已有的儀表讀數(shù)識(shí)別方法主要有 一般的數(shù)字圖像處理方法、中 心投影法。一般數(shù)字圖像處理的方法主要是采用 一些數(shù)字圖像處理的簡(jiǎn)單 方法將指針從儀表圖像中分割出來(lái)，這種方法一般需要很多已知信息 如指針的大致位置、顏色及長(zhǎng)度等等，對(duì)上述已知信息具有依賴性， 在這些信息未知情況下無(wú)法完成讀數(shù)識(shí)別。另外，采用這種處理方法來(lái)識(shí)別儀表讀數(shù)，還存在只能識(shí)別特定儀表的缺陷，通用性能差，很 難大范圍推廣。中心投影法是采用條件霍夫變換結(jié)合連通體分析的方法提取刻 度線，通過(guò)幀差法和中心投影法確定指針，然后根據(jù)指針和臨近刻度 線的距離計(jì)算出讀數(shù)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是指針和刻度線的提取精確，其 缺點(diǎn)是讀數(shù)的計(jì)算依賴于指針臨近刻度線，刻度線必須完備，不能存 在丟失，而實(shí)際情況中由于表盤(pán)的磨損、環(huán)境污染等因素的影響，刻 度線極易丟失，這種方法很難得到推廣。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種指針式儀表讀數(shù)自動(dòng)識(shí) 別的方法及系統(tǒng)，以解決在現(xiàn)有技術(shù)條件下儀表讀數(shù)識(shí)別需要較多已 知信息，在刻度線存在部分丟失、儀表傾斜等情況下讀數(shù)難以識(shí)別的 問(wèn)題。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，根據(jù)本發(fā)明提供的具體實(shí)施例，本發(fā)明公開(kāi)了以下技術(shù)方案一種指針式儀表讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別方法，包括建立刻度查詢表數(shù)據(jù)庫(kù)，在表盤(pán)垂直無(wú)偏轉(zhuǎn)的情況下，計(jì)算各刻 度線的偏轉(zhuǎn)角，構(gòu)建各刻度線的偏轉(zhuǎn)角與其相應(yīng)刻度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系， 建立刻度查詢表，匯集不同儀表的刻度查詢表形成刻度查詢表數(shù)據(jù) 庫(kù)；釆集儀表圖像，輸入儀表圖像并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)提取得到儀表表盤(pán)的有效識(shí)別區(qū)域；從儀表表盤(pán)的有效識(shí)別區(qū)域中，利用指針和刻度線的筆畫(huà)特征，提取儀表的指針和刻度線；根據(jù)提取的指針和刻度線，將提取的刻度線與刻度查詢表數(shù)據(jù)庫(kù) 中對(duì)應(yīng)儀表的刻度查詢表進(jìn)行匹配，從而進(jìn)行讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別。優(yōu)選的，所述對(duì)輸入的儀表圖像進(jìn)行預(yù)處理的步-銀，進(jìn)一步包括 對(duì)圖像進(jìn)行顏色空間轉(zhuǎn)換，將圖像由RGB顏色空間轉(zhuǎn)換為灰度圖像；進(jìn)行表盤(pán)背景與刻度顏色估計(jì)，估計(jì)表盤(pán)的背景及指針、刻度線 的顏色；提取表盤(pán)的有效區(qū)域。 優(yōu)選的，所述進(jìn)行表盤(pán)背景與刻度顏色估計(jì)的步驟進(jìn)一步包括 從采集得到的圖像中心截取固定面積的圖像，對(duì)該圖像進(jìn)行二值化，統(tǒng)計(jì)得到的二值圖中的黑、白像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，如果黑點(diǎn)數(shù)大于白點(diǎn)數(shù)，則表盤(pán)為暗色，指針與刻度為亮色；反之則表盤(pán)為亮色，指針與刻度為暗色。優(yōu)選的，所述提取表盤(pán)有效區(qū)域的步驟進(jìn)一步包括對(duì)采集圖像的灰度圖作二值化；對(duì)二值圖作形態(tài)學(xué)膨脹，連接存在斷裂的區(qū)域；通過(guò)連通體分析的方法提取出儀表的有效區(qū)域。優(yōu)選的，在通過(guò)連通體分析方法提取表盤(pán)有效區(qū)域過(guò)程中，其中有效表盤(pán)區(qū)域所在的連通體滿足如下條件該連通區(qū)域較大且該連通區(qū)域包含圖像的中心點(diǎn)。優(yōu)選的，所述從儀表表盤(pán)的有效識(shí)別區(qū)域中提取儀表的指針和刻度線的步驟進(jìn)一步包括根據(jù)表盤(pán)的有效區(qū)域及已知信息中表盤(pán)指針及刻度與表盤(pán)尺寸大小的關(guān)系，估計(jì)指針及刻度線的尺度；根據(jù)估計(jì)得到的尺度量，利用指針和刻度線的筆畫(huà)特征，提取表 盤(pán)圖像的筆畫(huà)特征圖；將所述筆畫(huà)特征圖二值化；對(duì)上一步得到的二值圖進(jìn)行連通體分析，并對(duì)得到的連通體作直 線擬和；對(duì)直線擬合過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行濾除；由擬合得到的直線，估計(jì)表盤(pán)原點(diǎn)的位置；計(jì)算每個(gè)連通體的長(zhǎng)度，連通體與原點(diǎn)的距離，連通體所在直線 與原點(diǎn)的距離j是^4旨針；統(tǒng)計(jì)每個(gè)連通體與原點(diǎn)距離的距離直方圖，提取刻度線。優(yōu)選的，所述根據(jù)提取的指針和刻度線自動(dòng)進(jìn)行讀數(shù)識(shí)別的步驟 進(jìn)一步包括選擇與儀表對(duì)應(yīng)的刻度查詢表；根據(jù)提取的刻度線進(jìn)行刻度線匹配，即計(jì)算4是取的刻度線的偏轉(zhuǎn) 角，將其與刻度查詢表中的標(biāo)準(zhǔn)角度序列進(jìn)行匹配；計(jì)算讀數(shù)，根據(jù)匹配結(jié)果，尋找與指針偏轉(zhuǎn)角鄰近的刻度線，根 據(jù)這兩個(gè)刻度線的刻度值，采用線性插值的方法，計(jì)算得到指針的指 示值。優(yōu)選的，所述選擇儀表對(duì)應(yīng)的刻度查詢表，包括下面步驟 建立刻度查詢表，即在表盤(pán)垂直無(wú)偏轉(zhuǎn)的情況下，計(jì)算各刻度線 的偏轉(zhuǎn)角，建立各刻度線的偏轉(zhuǎn)角與其相應(yīng)刻度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系表；建立刻度查詢表數(shù)據(jù)庫(kù)，所述刻度查詢表數(shù)據(jù)庫(kù)包含不同種類、型號(hào)儀表的刻度查詢表；從所述刻度查詢表數(shù)據(jù)庫(kù)中選取待識(shí)別儀表對(duì)應(yīng)的刻度查詢表。優(yōu)選的，進(jìn)行刻度線匹配時(shí)，其匹配準(zhǔn)則為，待匹配刻度線各刻 度間距與刻度查詢表中匹配得到的刻度線間距成比例。針對(duì)上述指針式儀表讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，本發(fā)明還公開(kāi)了 一種指 針式儀表讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，包括刻度查詢表數(shù)據(jù)庫(kù)建立單元，用于建立不同類型型號(hào)儀表的刻度 查詢表庫(kù)，某一型號(hào)^l表的刻度查詢表建立方法如下儀表在表盤(pán)垂 直無(wú)偏轉(zhuǎn)的情況下，計(jì)算各刻度線的偏轉(zhuǎn)角，建立各刻度線的偏轉(zhuǎn)角與其相應(yīng)刻度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，即刻度查詢表；圖像采集單元，用于采集儀表圖像，并輸入儀表圖像； 儀表圖像預(yù)處理單元，用于對(duì)輸入的儀表圖像進(jìn)行預(yù)處理，以提取儀表表盤(pán)的有效識(shí)別區(qū)域；指針與刻度線提取單元，用于從儀表表盤(pán)的有效識(shí)別區(qū)域中，提取儀表的指針和刻度線；儀表讀數(shù)識(shí)別單元，用于將提取的刻度線與刻度查詢表進(jìn)行匹配，/人而進(jìn)行讀凄t自動(dòng)識(shí)別。優(yōu)選的，所述的系統(tǒng)，還包括刻度查詢表更新單元，可以更新刻度查詢庫(kù)中刻度查詢表。優(yōu)選的，所述儀表圖像預(yù)處理單元，進(jìn)一步包括 顏色空間轉(zhuǎn)換子單元，用于對(duì)圖像進(jìn)行顏色空間轉(zhuǎn)換，將圖像由RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到灰度圖；刻度線顏色估計(jì)子單元，用于進(jìn)行表盤(pán)背景與刻度顏色估計(jì)，估計(jì)表盤(pán)的背景及指針、刻度線的顏色；表盤(pán)有效區(qū)域提取子單元，用于提取表盤(pán)的有效區(qū)域。 優(yōu)選的，所述指針與刻度線提取單元進(jìn)一步包括 尺度估計(jì)子單元，用于根據(jù)表盤(pán)的有效區(qū)域及已知信息中表盤(pán)指針及刻度與表盤(pán)尺寸大小的關(guān)系，估計(jì)指針及刻度線的尺度；筆畫(huà)特征圖提取子單元，用于根據(jù)估計(jì)得到的尺度量，利用指針和刻度線的筆畫(huà)特征，提取表盤(pán)圖像的筆畫(huà)特征圖； 將所述筆畫(huà)特征圖二值化；直線擬合子單元，用于對(duì)在二值化子單元得到的二值圖進(jìn)行連通 體分析，并對(duì)得到的連通體作直線擬和；噪聲濾除子單元，用于對(duì)直線擬合過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行濾除； 原點(diǎn)估計(jì)子單元，用于通過(guò)擬合得到的直線，估計(jì)表盤(pán)原點(diǎn)的位置；指針提取子單元，用于計(jì)算每個(gè)連通體的長(zhǎng)度，連通體與原點(diǎn)的 距離，連通體所在直線與原點(diǎn)的距離，提取指針；刻度線提取子單元，用于統(tǒng)計(jì)每個(gè)連通體與原點(diǎn)距離的距離直方 圖，提取刻度線。優(yōu)選的，所述儀表讀數(shù)識(shí)別單元進(jìn)一步包括刻度查詢表選擇單元，選擇與儀表對(duì)應(yīng)的刻度查詢表；根據(jù)提取的刻度線進(jìn)行刻度線匹配，即計(jì)算提取的刻度線的偏轉(zhuǎn)角，將其與刻度查詢表中的標(biāo)準(zhǔn)角度序列進(jìn)行匹配；計(jì)算讀數(shù)，根據(jù)匹配結(jié)果，尋找與指針偏轉(zhuǎn)角鄰近的刻度線，根 據(jù)這兩個(gè)刻度線的刻度值，采用線性插值的方法，計(jì)算得到指針的指 示值。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)首先，本發(fā)明通過(guò)采集儀表圖像，輸入儀表圖像并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處 理，以提取儀表表盤(pán)的有效識(shí)別區(qū)域；從儀表表盤(pán)的有效識(shí)別區(qū)域中， 提取儀表的指針和刻度線。這種方法能夠自動(dòng)提取表盤(pán)的有效識(shí)別區(qū) 域，并根據(jù)有效區(qū)域的大小估計(jì)儀表的尺度，克服了以往儀表識(shí)別方 法中過(guò)于依賴于已知信息的缺點(diǎn)。其次，本發(fā)明采用了筆畫(huà)提取和直線擬合的方法提取指針和刻度 線，克服了以往的方法中往往需要事先知道指針與刻度線的位置關(guān) 系、長(zhǎng)短大小等已知信息的缺點(diǎn)。本發(fā)明提出的方法需要較少的已知 信息，且提取得到的指針和刻度線精確，在圖像存在一定平移、旋轉(zhuǎn)、 噪聲干擾的情況下，仍能比較準(zhǔn)確的將指針及刻度線提取出來(lái)。再者，本發(fā)明采用刻度線匹配的方法進(jìn)行指針讀數(shù)的識(shí)別，魯棒 性好，抗干擾能力強(qiáng)，即使在刻度線存在部分丟失的情況下，該方法 仍然可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算得到指針的讀數(shù)。最后，本發(fā)明通過(guò)建立刻度線查詢表，來(lái)進(jìn)行刻度線匹配，并可 輸入不同儀表的信息以建立相應(yīng)的刻度查詢表數(shù)據(jù)庫(kù)，可滿足用戶對(duì) 不同儀表進(jìn)行監(jiān)控識(shí)別的需要。


圖1是指針式儀表讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別方法的總體流程圖；圖2是表盤(pán)圖像預(yù)處理子步驟流程圖；圖3是指針及刻度線提取子步驟流程圖；圖4是指針讀數(shù)識(shí)別子步驟流程圖；圖5a是輸入的儀表原始圖像圖；圖5b是經(jīng)過(guò)預(yù)處理的表盤(pán)有效區(qū)域圖；圖6a是指針及刻度線經(jīng)筆畫(huà)提取后的筆畫(huà)特征圖；圖6b是筆畫(huà)特征圖的二值化圖；圖6c是經(jīng)噪聲濾除后的直線擬合圖；圖6d是指針及刻度線提取圖；圖7是刻度線匹配示意圖；圖8是指針式儀表讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的流程圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下 面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。本發(fā)明提供了一種指針式儀表讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別的方法及系統(tǒng)，本發(fā) 明采用了筆畫(huà)提取和直線擬合的方法提取指針及刻度線，克服了在現(xiàn) 有技術(shù)條件下儀表讀數(shù)識(shí)別需要較多已知信息的缺點(diǎn)，且魯棒性強(qiáng)， 對(duì)儀表的平移、旋轉(zhuǎn)、噪聲干擾等情況均有較強(qiáng)的自適應(yīng)性。其次，發(fā)明采用了刻度線匹配和線性插值的方法計(jì)算指針的讀數(shù)，克服了 在刻度線存在部分丟失、儀表傾斜等情況下讀凄t難以識(shí)別的困難，可 以比較準(zhǔn)確的計(jì)算得到指針的讀數(shù)。本發(fā)明可以準(zhǔn)確的得到儀表讀數(shù)，可應(yīng)用于儀表實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)方案，這種方案利用上述指針式儀表的指針與刻度線的自動(dòng)提取 技術(shù)及讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，將識(shí)別出的讀數(shù)存入工控機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行 實(shí)時(shí)監(jiān)控。參考圖1,顯示了本發(fā)明的一種指針式儀表讀數(shù)識(shí)別方法實(shí)施例的流程圖，具體可以包括以下步驟步驟S101建立刻度查詢表數(shù)據(jù)庫(kù)，在表盤(pán)垂直無(wú)偏轉(zhuǎn)的情況下， 計(jì)算各刻度線的偏轉(zhuǎn)角，構(gòu)建各刻度線的偏轉(zhuǎn)角與其相應(yīng)刻度值的對(duì) 應(yīng)關(guān)系，建立刻度查詢表，匯集不同儀表的刻度查詢表成刻度查詢表 數(shù)據(jù)庫(kù)；步驟S102,采集儀表圖像，輸入儀表圖像并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理， 以提取儀表表盤(pán)的有效識(shí)別區(qū)域，其子步驟流程圖見(jiàn)圖2所示步驟S103，從儀表表盤(pán)的有效識(shí)別區(qū)域中，提取儀表的指針和 刻度線，其子步驟流程圖見(jiàn)圖3所示；步驟S104,根據(jù)提取的指針和刻度線，將提取的刻度線與刻度 查詢表數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的刻度查詢表進(jìn)行匹配，/人而進(jìn)行讀凄t自動(dòng)識(shí) 別，其子步驟流程圖見(jiàn)圖4所示。如圖2所示，優(yōu)選的，所述對(duì)所輸入的儀表圖像進(jìn)行預(yù)處理的步 驟，可以包括以下子步驟子步驟Al,對(duì)圖像進(jìn)行顏色空間轉(zhuǎn)換，將圖像由RGB顏色空間 轉(zhuǎn)換到灰度圖；子步驟A2，進(jìn)行表盤(pán)背景與刻度顏色估計(jì)，估計(jì)表盤(pán)的背景及 指針、刻度線的顏色；子步驟A3，提取表盤(pán)的有效區(qū)域。其中，更為優(yōu)選的，子步驟A1將RGB顏色空間轉(zhuǎn)換至灰度圖，本發(fā)明采用YUV顏色空間(即亮度、色調(diào)、飽和度顏色空間)亮度信息Y,將RGB圖轉(zhuǎn)換為灰度圖相應(yīng)的計(jì)算公式為N0.3xW + 0.59xG + 0.11x5 (工)以得到原始圖像的亮度(即灰度)圖像。更為優(yōu)選的，所述子步驟A2進(jìn)行表盤(pán)背景與刻度顏色估計(jì)的步 驟進(jìn)一步包括子步驟A21,在采集得到的圖像中心截取wx/2大小的圖像，其 中w,/z分別代表截取圖像的的高度和寬度。本發(fā)明實(shí)施例w,/z取采 集得到圖像寬、高的1/5;子步驟A22，對(duì)該圖像進(jìn)行二值化，統(tǒng)計(jì)得到的二值圖中的黑、 白像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，如果黑點(diǎn)數(shù)大于白點(diǎn)數(shù)，則表盤(pán)為暗色，指針與刻 度為亮色；反之則表盤(pán)為亮色，指針與刻度為暗色。更為優(yōu)選的，子步驟A 3表盤(pán)有效區(qū)域提取采用的是形態(tài)學(xué)膨脹 和種子填充的方法，本發(fā)明不限定提取表盤(pán)有效區(qū)域的方法。子步驟A3進(jìn)一步包括子步驟A31，對(duì)采集圖像的灰度圖作二值化；子步驟A32,對(duì)二值圖作形態(tài)學(xué)膨脹，連接存在斷裂的區(qū)域； 子步驟A33,通過(guò)連通體分析的方法提取出儀表的有效區(qū)域，有 效表盤(pán)區(qū)域所在的連通體應(yīng)該滿足如下條件1) 該連通區(qū)i或4支大；2) 該連通區(qū)域包含圖像的中心點(diǎn)。本發(fā)明實(shí)施例中對(duì)連通體所在連通區(qū)域占原圖面積3/5以上的 才提取。圖5a為本實(shí)施例中系統(tǒng)采集到的表盤(pán)原始圖像，經(jīng)過(guò)顏色空間 轉(zhuǎn)換，指針和刻度線估計(jì)后，提取的表盤(pán)有效識(shí)別區(qū)域見(jiàn)圖5b。優(yōu)選的，本發(fā)明采用了筆畫(huà)提取和直線擬合的方法提取指針和刻 度線。其中，筆畫(huà)算子可以用來(lái)提取存在一定寬度的筆畫(huà)信息，最先 用于文字的筆畫(huà)^是取研究。指針與刻度也存在一些筆畫(huà)信息，故可用 筆畫(huà)算子來(lái)對(duì)其進(jìn)行提取。如圖3所示，優(yōu)選的，所述從儀表表盤(pán)的有效識(shí)別區(qū)域中提取儀 表的指針和刻度線的包括如下步驟子步驟B 1，根據(jù)表盤(pán)的有效區(qū)域及已知信息中表盤(pán)指針及刻度 與表盤(pán)尺寸大小的關(guān)系，估計(jì)指針及刻度線的尺度；子步驟B2，根據(jù)估計(jì)得到的尺度量，提取表盤(pán)圖像的筆畫(huà)特征圖；子步驟B3，對(duì)筆畫(huà)特征圖進(jìn)行二值化處理； 子步驟B4，對(duì)上一步得到的二值圖進(jìn)行連通體分析，并對(duì)得到 的連通體作直線擬和；子步驟B5，對(duì)直線擬合過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行濾除； 子步驟B6，由擬合得到的直線，估計(jì)表盤(pán)原點(diǎn)的位置； 子步驟B7，計(jì)算每個(gè)連通體的長(zhǎng)度Li，連通體與原點(diǎn)的距離di, 連通體所在直線與原點(diǎn)的距離Di，提取指針；子步驟B8，統(tǒng)計(jì)每個(gè)連通體距原點(diǎn)距離《的距離直方圖，提取刻度線。更為優(yōu)選的，在進(jìn)行子步驟B1指針和刻度的尺度估計(jì)時(shí)，本發(fā) 明釆用的方法是待估計(jì)量為指針的長(zhǎng)D!、寬Dw,刻度線的寬度Sw, 其中，<formula>formula see original document page 16</formula>
-50 (3) 其中，W和H分別為有效表盤(pán)區(qū)域的寬和高。需要注意的是，這個(gè)估計(jì)是一個(gè)粗略的估計(jì)，得到一個(gè)大概的尺度即可，不需要很精確。更為優(yōu)選的，子步驟B2進(jìn)行筆畫(huà)特征提取時(shí)，方向筆畫(huà)強(qiáng)度的計(jì)算公式為Z^(/^max^(min仏(p —0'力(P + r-i)"-/(P); ( 4 )[0, C/zerM^e; ( 5 )式中，"0，l,"分別代表筆畫(huà)最常見(jiàn)的0,;r",;rO"四個(gè)方向，『為筆畫(huà)寬度上限；力(P")表示"方向上與點(diǎn)^距離為z的點(diǎn)像素灰度值。筆畫(huà)特征圖定義為四個(gè)方向筆畫(huà)特征的最大值，如圖2(c)所示， 用公式表示為Z)五w (/0 = M<0{Z)￡d (p)}; ( 6 )在本實(shí)施例中，對(duì)圖5b所示的表盤(pán)有效區(qū)域^:筆畫(huà)特征提取，得到的結(jié)果如圖6a所示的筆畫(huà)特征圖。更為優(yōu)選的，本實(shí)施例采用基于Ostu閾值選取的全局閾值法對(duì)上述筆畫(huà)特征圖象進(jìn)行二值化。Ostu-最大類間方差是由日本學(xué)者大 津(0stu)于1979年提出，是一種自適應(yīng)的閾值確定的方法，又叫大津 法，筒稱Ostu。 Ostu算法可以說(shuō)是自適應(yīng)計(jì)算單閾值(用來(lái)轉(zhuǎn)換灰 度圖像為二值圖像)的簡(jiǎn)單高效方法。該算法對(duì)輸入的灰度圖像的直 方圖進(jìn)行分析，將直方圖分成兩個(gè)部分，使得兩部分之間的距離最大， 劃分點(diǎn)就是求得的闊值。圖6b是本實(shí)施例采用Ostu方法對(duì)筆畫(huà)特征圖進(jìn)行處理后得到的 二值化圖；更為優(yōu)選的，本發(fā)明采用最小二乘法對(duì)連通體進(jìn)行直線擬合， 其具體方法為輸入連通體內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)P,其中尸M"，力),",A),L ,化，凡)}。 通過(guò)計(jì)算，得到該連通體所在直線方程""+ "^ + e二o中的參數(shù)a 6 c 。具體實(shí)施方法五=min Z ++ c)2對(duì)上述最小化問(wèn)題變形可得到(7)(8)x2 x W / 少「2a),0 ,(9)式中，符號(hào)""表示取平均，求解該矩陣，從而得到待擬合 直線方程的參數(shù)分別為 c = 一ax — —x —xx x_y — jc_y「"、(10)(11)式(11)為一個(gè)二維特征值求解問(wèn)題，可以獲得兩個(gè)知道比例關(guān)系的封閉解，這個(gè)比例可以通過(guò)"2 + 62 = 1限制得到。這個(gè)問(wèn)題的 兩個(gè)解是兩條相互垂直的直線，其中一個(gè)使誤差最小，即為擬合得到 的直線。更為優(yōu)選的，子步驟B 5進(jìn)行噪聲濾除的目的是濾除點(diǎn)過(guò)于分散、 不構(gòu)成直線的連通體。其以最小二乘平均擬合誤差為濾除標(biāo)準(zhǔn)，即在 步驟B4直線擬和過(guò)程中，若擬和誤差大于某個(gè)閾值，則該連通體內(nèi) 的點(diǎn)不構(gòu)成直線，即，不是指針和刻度線。其計(jì)算方法以最小二乘平均擬合誤差為濾除標(biāo)準(zhǔn)，假設(shè)對(duì)連通 體P^(;乂),(斗乃),L ，(x ,_y )}擬合得到的直線方程為"*x + ";; + C = 0，則其相應(yīng)的平均擬合誤差為wtr (i2)若擬合誤差大于某一閾值5>riy,則說(shuō)明該連通體內(nèi)的點(diǎn)不構(gòu) 成直線，濾除該連通體。本發(fā)明實(shí)施例中過(guò)濾閾值TH取1. 5f。本發(fā)明不限定過(guò)濾閾值的 選取。圖6c是經(jīng)噪聲濾除后的直線擬合圖；更為優(yōu)選的，子步驟B6進(jìn)行原點(diǎn)估計(jì)，原點(diǎn)是表盤(pán)刻度線所構(gòu) 成圓周的圓心。步驟為由擬合得到的直線，估計(jì)表盤(pán)原點(diǎn)的位置。估 計(jì)方法為，尋找距離經(jīng)擬合得到的有效直線的距離平方和最小的點(diǎn)。輸入經(jīng)最小二乘擬合得到的直線序列"他A，q),(a2,^，C2),L ( 13 )本方法的原理為原點(diǎn)是刻度線和指針線的理論交點(diǎn)，實(shí)際中為 距刻度線和指針線所在直線最近的點(diǎn) 估計(jì)方程= min S + 6,_y + c; )2'=i (14)估計(jì)方法在預(yù)定的搜索區(qū)間內(nèi)，搜索使上式D^最小的坐標(biāo)點(diǎn)"，力，該點(diǎn)即為原點(diǎn)。為減少搜索時(shí)間，本文所取搜索區(qū)間的左上坐互 ^ 3ff標(biāo)與右下坐標(biāo)分別為7'7), 其中，w, H分別為有效表盤(pán)區(qū)域的寬和高。更為優(yōu)選的，子步驟B7指針提取方法為，計(jì)算每個(gè)連通體的長(zhǎng)度￡',連通體與原點(diǎn)的距離"'，連通體所在直線與原點(diǎn)的距離"'，指針區(qū)域的提取條件為， ，2 ， 分別為指針的長(zhǎng)度下限閾值，指針與原點(diǎn)的距離上限閾值，指針?biāo)谥本€與原點(diǎn)的上限閾值。本實(shí)施中，7巧-8其中，W， Y分別為有效表盤(pán)區(qū)域的寬和高；77f2、 7^3都取,，其中， ^為估計(jì)得到的指針大致寬度。更為優(yōu)選的，所述子步驟B8提取刻度線的方法為，統(tǒng)計(jì)每個(gè)連 通體距原點(diǎn)距離di的距離直方圖Hist，由于刻度線距原點(diǎn)的距離近 似相等且刻度線區(qū)域占極大部分，Hist的峰值對(duì)應(yīng)的距離dmax即為 原點(diǎn)與刻度線的近似距離。刻度線的提取條件為《>"籠一7^4且《<"隨+7^4 (16)由于表盤(pán)中的刻度線較多且它們與原點(diǎn)的距離大致相等(或存在 較小的偏差)，所以統(tǒng)計(jì)刻度線與原點(diǎn)的距離直方圖時(shí)，直方圖的某 個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)會(huì)聚集較多的統(tǒng)計(jì)點(diǎn)，這個(gè)區(qū)域所對(duì)應(yīng)的距離即為刻度 線與原點(diǎn)的距離，本發(fā)明中用d咖x表示。TH4為預(yù)設(shè)閾值，本發(fā)明中 T&取為0. 05*dmax。如圖6d所示，是本實(shí)施例中經(jīng)提取后的指針和刻度線圖；如圖4所示，優(yōu)選的，所述根據(jù)提取的指針和刻度線自動(dòng)進(jìn)行讀 數(shù)識(shí)別包括如下步驟子步驟Cl,選擇與儀表對(duì)應(yīng)的刻度查詢表；子步驟C2，根據(jù)提取的刻度線進(jìn)行刻度線匹配，即計(jì)算提取的 刻度線的偏轉(zhuǎn)角，將其與刻度查詢表中的標(biāo)準(zhǔn)角度序列進(jìn)行匹配；子步驟C3，計(jì)算讀數(shù)，根據(jù)匹配結(jié)果，尋找與指針偏轉(zhuǎn)角鄰近 的刻度線，根據(jù)這兩個(gè)刻度線的刻度值，采用線性插值的方法，計(jì)算 得到指針的指示值。更為優(yōu)選的，子步驟C2刻度線匹配方法為，將計(jì)算得到的刻度 線的偏轉(zhuǎn)角，與刻度查詢表中的標(biāo)準(zhǔn)角度序列進(jìn)行匹配，匹配準(zhǔn)則為， 待匹配刻度線各刻度間距與刻度查詢表中匹配得到的刻度線間距成比例?？潭染€匹配的示意圖如圖7所示。 其中，計(jì)算刻度線偏轉(zhuǎn)角的方法為 設(shè)刻度線所在直線的方程為""+ "y + c = 0 (經(jīng)最小二乘擬 合得到)，則該刻度線的偏轉(zhuǎn)角^為0 二 arctan仝 (3(17)6 =6>+ 7T，a < 06>，其他(18)刻度線匹配準(zhǔn)則為一 A 二 一 X,:l 二 C;-;z廣^0一,(19)式中，C為比例常數(shù)，X、 ^+i為計(jì)算得到的刻度線角度,w刻度查詢表中與《-1,JV; X，W相匹配的刻度線的角度c更為優(yōu)選的，子步驟C3計(jì)算讀數(shù)的方法為根據(jù)匹配結(jié)果，尋找與指針偏轉(zhuǎn)角鄰近的刻度線，根據(jù)這兩個(gè)刻度線的刻度值，采用線性插值的方法，計(jì)算得到指針的指示值。
其中，線性插值的實(shí)線步驟為輸入指針的偏轉(zhuǎn)角I'，與指針 鄰近的左刻度線的偏轉(zhuǎn)角X'及其刻度值《，與指針鄰近的右刻度線 的偏轉(zhuǎn)角X7及其刻度值^ 。
計(jì)算公式為 r, 一K
廣 '. (20) 本發(fā)明公開(kāi)了 一種指針式儀表讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別的方法和系統(tǒng)，通過(guò) 采集儀表圖像，輸入儀表圖像并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，以提取儀表表盤(pán)的 有效識(shí)別區(qū)域；從儀表表盤(pán)的有效識(shí)別區(qū)域中，提取儀表的指針和刻 度線。這種方法能夠自動(dòng)提取表盤(pán)的有效識(shí)別區(qū)域，并根據(jù)有效區(qū)域 的大小估計(jì)儀表的尺度，克服了以往儀表識(shí)別方法中過(guò)于依賴于已知 信息的缺點(diǎn)；在圖像存在一定平移、旋轉(zhuǎn)、噪聲干擾的情況下，仍能 比較準(zhǔn)確的將指針及刻度線提取出來(lái)；同時(shí)本發(fā)明采用刻度線匹配的 方法進(jìn)行指針讀數(shù)的識(shí)別，即使在刻度線存在部分丟失的情況下，仍 然可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算得到指針的讀數(shù)。
權(quán)利要求
1、一種指針式儀表讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別方法，其特征在于，包括如下步驟建立不同儀表的刻度查詢表，形成數(shù)據(jù)庫(kù)；采集儀表圖像，輸入儀表圖像并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，獲得儀表表盤(pán)的有效識(shí)別區(qū)域；從所述儀表表盤(pán)的有效識(shí)別區(qū)域中，根據(jù)儀表有效識(shí)別區(qū)域的筆畫(huà)特征，提取儀表的指針和刻度線；根據(jù)所述提取的指針和刻度線，通過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)刻度查詢表之間的刻度匹配，進(jìn)行讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述建立刻度查詢 表數(shù)據(jù)庫(kù)包括在表盤(pán)垂直無(wú)偏轉(zhuǎn)情況下，計(jì)算各刻度線偏轉(zhuǎn)角，構(gòu) 建偏轉(zhuǎn)角與刻度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立刻度查詢表，匯集不同儀表的查詢表形成數(shù)據(jù)庫(kù)，所述數(shù)據(jù)庫(kù)還包括刻度查詢表信息的更新。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述對(duì)輸入的儀 表圖像進(jìn)行預(yù)處理的步驟，包括 對(duì)圖像進(jìn)行顏色空間轉(zhuǎn)換，將圖像由RGB顏色空間轉(zhuǎn)換為灰度圖像；表盤(pán)背景與刻度顏色估計(jì)，估計(jì)表盤(pán)的背景及指針、刻度線顏色； 提取表盤(pán)的有效區(qū)域。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述進(jìn)行表盤(pán)背 景與刻度顏色估計(jì)的步驟包括在釆集得到的圖像中心截取固定面積的圖像，對(duì)該圖像進(jìn)行二值 化，統(tǒng)計(jì)得到的二值圖中的黑、白像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，如果黑點(diǎn)的數(shù)量大于白點(diǎn)數(shù)，則表盤(pán)為暗色，指針與刻度為亮色；反之則表盤(pán)為亮色，指針與刻度為暗色。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所迷的方法，其特征在于，所述提取表盤(pán)有 效區(qū)域的步驟包括對(duì)采集圖像的灰度圖作二值化處理； 對(duì)二值圖作形態(tài)學(xué)膨脹，連接存在斷裂的區(qū)域； 通過(guò)連通體分析的方法提取出儀表的有效區(qū)域。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所迷的方法，其特征在于，所述連通體分析 方法中，連通區(qū)域占原圖面積比例較大，且連通區(qū)域包含圖像的中心 點(diǎn)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所迷的方法，其特征在于，所述從儀表表盤(pán) 的有效識(shí)別區(qū)域中提取儀表的指針和刻度線的步驟包括根據(jù)表盤(pán)的有效區(qū)域及已知信息中表盤(pán)指針及刻度與表盤(pán)尺寸 大小的關(guān)系，估計(jì)指針及刻度線的尺度；才艮據(jù)估計(jì)得到的尺度量，利用指針和刻度線的筆畫(huà)特征，提取表 盤(pán)圖像的筆畫(huà)特征圖；將所述筆畫(huà)特征圖二值化；對(duì)二值筆畫(huà)特征圖進(jìn)行連通體分析，對(duì)所得連通體作直線擬和； 對(duì)直線擬合過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行濾除； 由擬合得到的直線，估計(jì)表盤(pán)原點(diǎn)的位置；計(jì)算每個(gè)連通體的長(zhǎng)度，連通體與原點(diǎn)的距離，連通體所在直線 與原點(diǎn)的距離j是取指針；統(tǒng)計(jì)每個(gè)連通體與原點(diǎn)距離的距離直方圖，提取刻度線。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)提取的 指針和刻度線自動(dòng)進(jìn)行讀數(shù)識(shí)別的步驟包括選擇與儀表對(duì)應(yīng)的刻度查詢表；計(jì)算提取刻度線的偏轉(zhuǎn)角，將其與刻度查詢表中的標(biāo)準(zhǔn)角度序列 進(jìn)行匹配；根據(jù)匹配結(jié)果，尋找與指針偏轉(zhuǎn)角鄰近的刻度線，根據(jù)這兩個(gè)刻 度線的刻度值，采用線性插值的方法，計(jì)算得到指針的指示值。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，進(jìn)行刻度線匹配 時(shí)，待匹配刻度線各刻度間距與刻度查詢表中匹配得到的刻度線間距 成比例。
10、 一種指針式儀表讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于，包括刻度查詢表數(shù)據(jù)庫(kù)建立單元，包含不同種類不同型號(hào)儀表的刻度 查詢表；儀表圖像采集單元，用于采集儀表圖像，并輸入儀表圖像；儀表圖像預(yù)處理單元，用于對(duì)輸入的儀表圖像進(jìn)行預(yù)處理，獲得 儀表表盤(pán)的有效識(shí)別區(qū)域；指針與刻度線提取單元，用于從儀表表盤(pán)的有效識(shí)別區(qū)域中，提 取儀表的指針和刻度線；儀表讀數(shù)識(shí)別單元，用于將提取的刻度線與刻度查詢表數(shù)據(jù)庫(kù)中 對(duì)應(yīng)的刻度查詢表進(jìn)行匹配，從而進(jìn)行讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種指針式儀表讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別的方法及系統(tǒng)，以解決目前儀表讀數(shù)識(shí)別方法需要較多已知信息，在刻度線存在部分丟失、儀表傾斜等情況下讀數(shù)難以識(shí)別的問(wèn)題。所述方法包括建立不同儀表的刻度查詢表，形成數(shù)據(jù)庫(kù)；采集儀表圖像，輸入儀表圖像并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，以提取儀表表盤(pán)的有效識(shí)別區(qū)域；從儀表表盤(pán)的有效識(shí)別區(qū)域中，利用指針和刻度線筆畫(huà)特征，提取儀表的指針和刻度線；根據(jù)提取的指針和刻度線，將提取的刻度線與刻度查詢表數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的刻度查詢表進(jìn)行匹配，進(jìn)行讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別。本發(fā)明對(duì)儀表已知信息依賴少，通用性好，魯棒性強(qiáng)；對(duì)儀表的平移、旋轉(zhuǎn)、噪聲干擾等情況均有較強(qiáng)的自適應(yīng)性，可以比較準(zhǔn)確得到指針的讀數(shù)。
文檔編號(hào)G06K9/62GK101620682SQ200810115840
公開(kāi)日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2008年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月30日
發(fā)明者劉昌平, 王修飛, 磊 黃 申請(qǐng)人:漢王科技股份有限公司