基于圖像的旋翼式水表指針讀數自動識別研究

余　坤, 劉明娟, 王凡彬， 何　濤

(1.湖北工業大學現代制造質量工程重點實驗室， 湖北 武漢 430068; 2 武漢市水務集團武漢漢水計量科技有限公司，湖北 武漢 430071; 3 湖北省宜昌市知識產權局， 湖北 宜昌 443000)

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基于圖像的旋翼式水表指針讀數自動識別研究

余坤1, 劉明娟2, 王凡彬3， 何濤1

(1.湖北工業大學現代制造質量工程重點實驗室， 湖北 武漢 430068; 2 武漢市水務集團武漢漢水計量科技有限公司，湖北 武漢 430071; 3 湖北省宜昌市知識產權局， 湖北 宜昌 443000)

水表指針的讀數自動識別，對于水表校準、智能抄表等有重要作用。普通方法識別三角形特點的旋翼式水表指針讀數有一定困難。旋翼式水表指針角度的識別方法——雙圓心相對測量法，能夠準確確定回轉圓心位置，通過相對測量點、基準點以及搜索得到的中心點之間的角度關系，最終識別指針讀數。實驗結果表明：雙圓心相對測量方法識別旋翼式水表指針讀數，具有很好的準確性、穩定性和實時性。

旋翼式水表； 讀數識別； 雙圓心相對測量法； 圖像處理

普遍家用的旋翼式水表如圖1所示，其工作原理是，水流從水表進水口進入表殼沖擊葉輪使葉輪開始轉動，葉輪轉動后，帶動葉輪盒內的傳動齒輪轉動，從而帶動刻度盤上的三角指針轉動。三角形指針之間以十進位的傳遞方式相關聯，按順時針的方向進行轉動計量。

光電直讀技術在檢測干燥環境中的儀表讀數有成功先例，但是檢測潮濕環境中的旋翼式水表讀數存在技術缺陷。電壓表、氣壓表、千分表等在干燥環境中的線性單指針儀表，指針目標突出。但是旋翼式水表表盤具有多個三角形指針，且占圖像面積小，這些特點使得圖像處理過程變得復雜，給識別帶來難度。

Alegria[1]對于儀表設備提出利用差影法得到兩個不同位置的指針圖像，再利用Hough變換得到指針角度。但是針對旋翼式水表的三角形指針而言，利用差影法相減得到的結果圖像不同于線性圖像，不適合用Hough變換搜索直接得到圓心坐標。

孫鳳杰[2]在研究表盤指針角度識別時，提出了基于圖像處理技術的電力系統設備指針角度識別方法——同心圓環搜索法，該方法根據表盤指針旋轉區域是一個圓形或者圓形一部分的特點，選取該區域的圓心和半徑，然后按照一定大小的步長在同心圓環中尋找指針與同心圓環的交點，根據交點之間形成的線段的斜率來識別判斷指針相對于零度基準線的角度，這種方法對于刻盤圓心固定的儀表具有一定的可行性。但是旋翼式水表指針旋轉時的回轉圓心位置并不一定和指針圓盤圓心位置完全一致，此時利用同心圓環搜索法得到的讀數結果存在誤差。

本文在同心圓搜索法的基礎上，結合旋翼式水表指針特點，提出了確定三角形指針回轉圓心和計算角度的方法——雙圓心相對測量法。該方法通過測量水表刻度盤相對點、基準零點以及利用雙圓心相對測量法確定的中心點之間角度關系，計算得出識別角度，能夠消除因水表位置微小變化帶來的斜率測量誤差。該方法進一步提高了對旋翼式水表三角形指針角度的識別精度。

1　水表表盤讀數模型

一般旋翼式水表表盤如圖2所示。其讀數是由一個整數數值N0和四個指針讀數數值N1、N2、N3、N4構成，其中N0可以根據字符識別[4]得到，水表讀數

N=N0+0.1N1+0.01N2+0.001N3+0.0001N4

圖 2　旋翼式水表表盤讀數模型

圖 3　圖3水表指針角度數學模型

假設表盤1～4刻度盤的指針與其各自基準點之間角度分別是θ1、θ2、θ3、θ4，4個指針刻度盤其數量級分別是×0.1、×0.01、×0.001、×0.0001，相鄰刻度盤之間滿足十進位關系。對于單個刻度盤而言，刻度值0～9將360°刻度圓均分10等份，即每個相鄰刻度值之間相差36°。刻盤度讀數Ni與角度值θi之間滿足數學關系式

Ni=θi/36°

(0≤θi<360°，0≤Ni<10,i=1,2,…)

并且，計算得到Ni值時應該采用去尾法保留整數度數。特別地，當指針出現在臨界角0°、36°、72°、108°、144°、180°、216°、252°、288°和324°附近時，為了避免出現較大的讀數誤差，可以采用文獻[3]提出的讀數校正方法進行修正，這種臨界值讀數修正方法可以很好地避免臨界值讀數誤差。

2　雙圓心相對測量法模型及算法

2.1雙圓心法確定圓心

在研究儀表指針角度識別時，同心圓環搜索法[2]和其他方法默認的前提均是儀表指針圍繞固定的回轉圓心轉動360°或者轉動部分圓周角度。但通過大量實驗觀察，旋翼式水表在工作時其尾圓圓心不是定點。

圖 4　雙圓心法確定圓心模型

本文提出的雙圓心法確定回轉圓心的模型如圖4所示。該方法是在坐標系中，根據預先設定的ROI感興趣區域，利用Hough算法確定表盤一中指針尾圓圓心O11坐標 、半徑r1大小及刻度擬合圓圓心O12坐標、半徑r2大小，則在坐標系中由雙圓心O11，O12確定的回轉圓心O1坐標為

以O1點為圓心，以一定步長R為半徑作圓，其中R需要滿足

回轉圓O1與三角形指針交點記作點A、點B，則由兩交點A、B確定的中心點C坐標值為

(1)

則由圓心O1和回轉圓與三角形指針交點中點C構成的有向線段O1C代表表盤1的指針位置，進行角度識別。

2.2基于圖像的相對點測量算法識別角度算法

旋翼式水表在實際運行中是不允許將指針調整到基準位置進行校準的，因此本文提出一種相對不變點進行測量方法。根據雙圓心法可以確定圖像中4個表盤的回轉圓心在像素坐標下的坐標值，以基準零點、表盤2回轉圓心O2、表盤1回轉圓心O1和表盤1的三角形指針交點中點C1為例測量表盤1中指針角度數學模型(圖5)。

(a)θ=α-β　　　　　　　　　　(b)θ=α+β圖 5　相對點測量法測量指針角度

在相機拍攝環境下，旋翼式水表各個表盤回轉圓點與基準零點之間的相對位置是不變的，定點與基準零點之間的基準夾角角度α，再通過測量出兩定點與指針交點中點C1之間的角度值β。

當角度β與角度α有重合部分時，指針角度

θ=α-β

當角度β與角度α沒有重合部分時，指針角度

θ=α+β

(1)

特別地，當點C1在三定點線段上時，指針角度θ可以由式(1)計算得到。

3　圖像預處理及結果

旋翼式水表指針角度識別前，需要先對水表圖像進行前期處理，其流程如圖6所示。

圖 6　水表圖像前期圖像處理流程

在閾值T下將獲得的水表圖像f(x,y)進行圖像二值化和中值濾波之后，得到圖像g(x,y)。形態學腐蝕處理可以提取圖像骨干信息，去掉毛刺孤立噪聲。腐蝕運算由結構元素確定的鄰域塊中選取圖像值與結構元素值的差的最小值。其計算公式是

單像素寬度邊界圖像對于搜索找到兩指針交點A、點B很重要。由于Canny算子提取的邊緣質量很高，所以采用Canny算子進行邊緣檢測。圖7為一組水表表盤圖像處理前后比對圖。

(a)水表表盤圖像　　　　　　(b)水表表盤處理后圖像圖 7　一組水表表盤圖像處理前后對比圖

選用Basler工業級黑白相機連續采集若干張旋翼式水表工作圖像，利用LabVIEW軟件編寫檢測算法前面面板(圖8)。

圖 8　水表指針角度識別檢測LabVIEW軟件界面

4　實驗結果以及誤差分析

表1中，利用雙圓心法對20組不同角度情況下的水表指針圖像進行識別讀數，通過與人工讀數比較，發現利用雙圓心相對測量法識別20組水表圖像指針角度最大誤差為2.923°，最大相對誤差在4%以內，滿足工程指標要求。

表1　雙圓心法與人工讀數結果 　(°)

圖 9　雙圓心法識別讀數人工讀數結果

圖 10　利用雙圓心相對測量法識別不變指針角度結果

為了驗證雙圓心相對測量法識別水表指針角度的穩定性，對不同時間拍攝的人工讀數為209.0°的12張水表圖像進行識別，角度識別結果如圖9所示。結果表明雙圓心相對測量法具有很好的識別穩定性能，識別時間在300 ms以下。

實驗中出現的誤差與實驗環境光強度大小、選取閾值有一定關系。

5　結論

1)雙圓心相對測量方法能夠識別旋翼式水表指針角度，具有很好的準確性、穩定性和實時性。

2)雙圓心相對測量方法對于旋翼式水表指針具有很好的角度識別效果，在儀表設備自動讀數研究上具有一定工程應用價值。

[1]Alegria F C, Cruz Serra A. Automatic calibration of analog and digital measuring instruments using computer vision[J]. IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement, 2000, 49(1):94-99.

[2]孫鳳杰, 郭鳳順, 范杰清,等. 基于圖像處理技術的表盤指針角度識別研究[J]. 中國電機工程學報, 2005, 25(16):73-78.

[3]戴亞文, 王三武, 吳小蘭. 基于圖像的復雜儀表讀數識別[J]. 儀表技術, 2003(2):11-12.

[4]盧艷. 基于機器視覺技術的模擬指針式儀表自動檢定系統[D]. 重慶：重慶大學, 2004.

[5]王瑞, 李琦, 方彥軍. 一種基于改進角度法的指針式儀表圖像自動讀數方法[J]. 電測與儀表, 2013(11):115-118.

[6]李雄, 裴承鳴, 鄭華. 幾何特征形態學車牌識別系統研究[J]. 計算機仿真, 2012(4):353-356.

[7]龔雄文. 指針式儀表自動讀數的研究及應用[D]. 廣州：廣東工業大學, 2007.

[責任編校： 張眾]

Research on Automatic Identification of Rotor Type Watermeter’s Pointer Based on the Image

YU Kun1, LIU Mingjuan2, WANG Fanbing3, HE Tao1

(1HubeiKeyLabofModernManufactureQualityEngineering,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068，China; 2HanRiverMeasurementTechnologyCo.Ltd.ofWuhanWaterGroup,Wuhan430071,China; 3IntellectualPropertyofYichang,Yichang443000,China)

Rotor watermeter pointer is composed of triangular tip and nearly circular disc, which is different from ordinary instrumentation pointer with linear characteristics. The rotor type watermeter with ordinary methods encounters certain difficulties in recognizing triangle features. Based on double ring search method, a recognition method of meeting rotor watermeter pointer angle is proposed —— double circle relative measuring method. The method can accurately determine rotation center position, which gets the identification angle through calculating the center that is obtained by searching the relative measurement and the angle relationship between datum. Experimental results show that the double circle relative measurement method is able to identify rotor watermeter pointer angle, which has very good accuracy, stability and real-time performance.

rotor type watermeter；reading recognition; double circle relative measuring method; image processing

2016-05-16

余坤(1992-)， 男， 安徽池州人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為圖像處理技術

1003-4684(2016)04-0034-04

TM932

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