本發(fā)明屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種LED字符自動(dòng)定位識(shí)別方法。

背景技術(shù)：

LED數(shù)碼管將若干發(fā)光二極管按一定規(guī)則排列并封裝在一起實(shí)現(xiàn)字符顯示功能，具有顯示清晰、響應(yīng)速度快、低功耗、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在電網(wǎng)變電站和配電站中有廣泛應(yīng)用。為了保障電站內(nèi)設(shè)備的正常運(yùn)行，提高站所運(yùn)維效率和水平，需要依托智能巡檢機(jī)器人對(duì)站所內(nèi)LED數(shù)碼管設(shè)備進(jìn)行圖像采集，并自動(dòng)識(shí)別設(shè)備讀數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)站所內(nèi)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的智能識(shí)別和實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。

現(xiàn)有的LED數(shù)碼管字符識(shí)別方法主要依賴字符的二值化處理來實(shí)現(xiàn)字符區(qū)域定位和識(shí)別，其流程一般包括：(1)、圖像預(yù)處理，如去噪、直方圖均衡化等；(2)、圖像二值化，即基于局部或全局閾值分割出字符區(qū)域；(3)、區(qū)域定位，利用水平和垂直方向的投影確定每個(gè)字符的位置；(4)、字符識(shí)別，利用穿線法或者機(jī)器學(xué)習(xí)的方法(如Tesseract)實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)字符的識(shí)別。該方法存在的主要問題是圖像二值化的效果難以得到保證，受站所內(nèi)環(huán)境光線以及遮擋等因素的影響，二值化后的數(shù)碼管字符可能存在粘連、缺失等情況，直接影響到單個(gè)字符的定位和識(shí)別。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種LED字符自動(dòng)定位識(shí)別方法，通過提取邊緣并分析邊緣之間的相對(duì)布局關(guān)系實(shí)現(xiàn)邊緣篩選和字符定位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的字符識(shí)別。

本發(fā)明提供的LED字符自動(dòng)定位識(shí)別方法，包括以下步驟：(1)獲取LED字符圖像，對(duì)該LED字符圖像提取單像素邊緣，并對(duì)單像素邊緣進(jìn)行截?cái)嗵幚恚?2)對(duì)截?cái)嗟膯蜗袼剡吘夁M(jìn)行配對(duì)得到配對(duì)單像素邊緣，該配對(duì)單像素邊緣對(duì)應(yīng)于用于顯示LED字符的七段數(shù)碼管中的一段；(3)根據(jù)每對(duì)單像素邊緣之間最近像素點(diǎn)的距離對(duì)配對(duì)單像素邊緣進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)字符區(qū)域定位；(4)根據(jù)每個(gè)字符所含有的配對(duì)單像素邊緣及各配對(duì)單像素邊緣之間的亮度情況得到每段數(shù)碼管的亮滅，進(jìn)而識(shí)別其所代表的字符。

為了抑制噪聲干擾，提取單像素邊緣之前，先對(duì)LED字符圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理，去除噪聲。圖像預(yù)處理具體包括，對(duì)LED字符圖像進(jìn)行鄰域大小為5×5的中值濾波去噪；將去燥后的圖像由RGB空間轉(zhuǎn)換到HSV空間，并提取V通道供提取單像素邊緣。

所述步驟(1)中，提取單像素邊緣具體包括，用3×3的Sobel算子計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)的邊緣方向和幅值，然后進(jìn)行非極大值抑制，即，將每個(gè)像素點(diǎn)與沿該像素梯度方向的前后兩個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行比較，僅當(dāng)該像素點(diǎn)的梯度幅值不小于鄰域點(diǎn)時(shí)保留該像素點(diǎn)，否則剔除，最終得到粗邊緣圖；在粗邊緣圖上通過閾值法濾除微邊緣，然后進(jìn)行邊緣跟蹤，以八鄰域?yàn)榛A(chǔ)進(jìn)行最短路徑遍歷，得到所有的單像素邊緣。

所述步驟(1)中，對(duì)單像素邊緣進(jìn)行截?cái)嗵幚硎侵?，在每個(gè)單像素邊緣的最短路徑上，計(jì)算每個(gè)單像素邊緣點(diǎn)與前后三個(gè)單像素邊緣點(diǎn)之間的夾角，如果出現(xiàn)大的方向變化，表明單像素邊緣存在彎折，則截?cái)酁閱为?dú)的線段。

所述步驟(2)中，對(duì)單像素邊緣進(jìn)行配對(duì)遵照如下約束：(a)單像素邊緣在水平或垂直方向需要有較強(qiáng)的直線性，即單像素邊緣上所有像素點(diǎn)沿x軸或y軸的坐標(biāo)方差小于設(shè)定閾值6；(b)單像素邊緣長度Length滿足10≤Length≤30；(c)配對(duì)的單像素邊緣近似平行，角度誤差不超過5°；(d)配對(duì)單像素邊緣之間的距離Distance滿足4≤Distance≤8；(e)配對(duì)單像素邊緣的重疊度Overlap滿足0.7≤Overlap，重疊度的定義為沿邊緣梯度方向進(jìn)行投影后兩條單像素邊緣的重疊部分與投影總長度的比值。

本發(fā)明利用圖像的邊緣信息對(duì)環(huán)境光線變化具有很強(qiáng)的魯棒性，而LED七段數(shù)碼管的顯示具有規(guī)則的幾何布局，即通過不同段之間的亮滅組合實(shí)現(xiàn)特定字符的顯示，并且每段均具有兩條平行的直線段，通過提取邊緣并分析邊緣之間的相對(duì)布局關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)邊緣篩選和字符定位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的字符識(shí)別。本發(fā)明)基于七段數(shù)碼管類儀表圖像的邊緣布局信息可以有效定位并識(shí)別LED字符，經(jīng)測試，識(shí)別率達(dá)到99.5％。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了電站智能巡檢機(jī)器人基于采集的LED數(shù)碼管儀表圖片自動(dòng)定位字符區(qū)域并識(shí)別，具有較高的準(zhǔn)確率和較強(qiáng)的抗環(huán)境光線干擾能力，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、高效的電站智能巡檢。

附圖說明

圖1為本發(fā)明流程圖；

圖2為圖像預(yù)處理效果圖；

圖3為Sobel邊緣強(qiáng)度效果圖；

圖4為非極大值抑制效果圖；

圖5為單像素邊緣效果圖；

圖6為截?cái)嗟膯蜗袼剡吘壭Ч麍D；

圖7為邊緣配對(duì)效果圖；

圖8為字符定位效果圖；

圖9為識(shí)別結(jié)果效果圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明提供的LED字符自動(dòng)定位識(shí)別方法，主要步驟包括：

1、圖像預(yù)處理：

為了抑制噪聲干擾，首先對(duì)輸入LED數(shù)碼字符圖像進(jìn)行鄰域大小為5×5的中值濾波去噪。由于HSV空間更符合人眼的顏色感知，因此將圖像由RGB空間轉(zhuǎn)換到HSV空間，并提取V通道進(jìn)行后續(xù)的處理和識(shí)別。圖2給出了預(yù)處理后的效果圖。

2、單像素邊緣提取：

為了實(shí)現(xiàn)基于邊緣布局分析的字符定位和識(shí)別，首先需要提取單像素邊緣。如圖3所示，首先用3×3的Sobel算子計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)的邊緣方向和幅值，然后進(jìn)行非極大值抑制，即將每個(gè)像素點(diǎn)與沿該像素梯度方向的前后兩個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行比較，僅當(dāng)該像素點(diǎn)的梯度幅值不小于鄰域點(diǎn)時(shí)保留該像素點(diǎn)，否則剔除，最終得到如圖4所示的粗邊緣圖。

在粗邊緣圖上通過閾值法濾除微邊緣，然后進(jìn)行邊緣跟蹤，以八鄰域?yàn)榛A(chǔ)進(jìn)行最短路徑遍歷，得到所有的單像素邊緣，如圖5所示，路徑遍歷中每個(gè)點(diǎn)與上、下、左、右四個(gè)點(diǎn)之間的邊權(quán)重設(shè)置為2，而與四個(gè)頂點(diǎn)之間的邊權(quán)重設(shè)置為3(權(quán)重設(shè)置為經(jīng)驗(yàn)值)。為了進(jìn)行邊緣配對(duì)，需要對(duì)單像素邊緣進(jìn)行截?cái)嗵幚恚诿總€(gè)單像素邊緣的最短路徑上，計(jì)算每個(gè)單像素邊緣點(diǎn)與前后三個(gè)單像素邊緣點(diǎn)之間的夾角，如果出現(xiàn)大的方向變化，如該夾角超過45度，表明單像素邊緣存在彎折，需要截?cái)酁閱为?dú)的線段，例如一豎和一橫截?cái)酁楠?dú)立的線段得到和如圖6所示。

3、邊緣配對(duì)

為了定位七段數(shù)碼管的每個(gè)段，需要對(duì)截?cái)嗟膯蜗袼剡吘夁M(jìn)行配對(duì)，如圖7所示。單像素邊緣按照如下約束進(jìn)行配對(duì)：

(a)單像素邊緣在水平或垂直方向需要有較強(qiáng)的直線性，即單像素邊緣上所有像素點(diǎn)沿x軸或y軸的坐標(biāo)方差小于設(shè)定閾值6；

(b)單像素邊緣長度滿足10≤Length≤30；

(c)配對(duì)的單像素邊緣近似平行，角度誤差不超過5°；

(d)配對(duì)單像素邊緣之間的距離滿足4≤Distance≤8；

(e)配對(duì)單像素邊緣的重疊度滿足0.7≤Overlap，重疊度的定義為沿邊緣梯度方向進(jìn)行投影后兩條單像素邊緣的重疊部分與投影總長度的比值。

4、字符區(qū)域定位

在配對(duì)邊緣的基礎(chǔ)上，根據(jù)每對(duì)單像素邊緣之間最近像素點(diǎn)的距離對(duì)配對(duì)邊緣進(jìn)行組合，例如圖8第一個(gè)字符3，由中間三個(gè)橫杠以及右側(cè)兩個(gè)豎杠構(gòu)成，每個(gè)橫杠或者豎杠都由兩個(gè)單像素邊緣構(gòu)成(見圖7)，根據(jù)橫杠或豎杠之間的邊緣像素間的最近距離(不超過6，經(jīng)驗(yàn)值)，將橫杠和豎杠組合，得到3，并與旁邊的字符4和下面的字符2區(qū)分開，實(shí)現(xiàn)單個(gè)字符的定位。如圖8所示，每個(gè)字符被篩選出來，各字符被區(qū)分開。

5、字符識(shí)別

由于每個(gè)配對(duì)單像素邊緣均對(duì)應(yīng)七段數(shù)碼管中的一段，因此每個(gè)字符所含有的配對(duì)單像素邊緣，及各配對(duì)單像素邊緣之間的布局關(guān)系可以識(shí)別每個(gè)字符。字符定位之后，還需要根據(jù)七段數(shù)碼管的每一段是亮還是滅確定其對(duì)應(yīng)字符是什么，即，步驟4(字符區(qū)域定位)根據(jù)橫杠和豎杠之間的距離進(jìn)行組合，從而確定每個(gè)字符含有哪些橫杠和豎杠，本步驟根據(jù)橫杠和豎杠的位置布局關(guān)系確定該字符對(duì)應(yīng)哪個(gè)數(shù)字。如圖9所示，以左上角的數(shù)字3為例，通過字符定位確定包括中間的3個(gè)橫杠、右邊的2個(gè)豎杠，根據(jù)3個(gè)橫杠和2個(gè)豎杠的位置關(guān)系確定該數(shù)字為字符3。