基于數字圖像處理技術的雙指針機械儀表讀數自動識別方法

李祖勝，孫玉秋，胡維 (長江大學信息與數學學院，湖北 荊州 434023)

黎雄 (北京師范大學數學學院，北京 100875)

基于數字圖像處理技術的雙指針機械儀表讀數自動識別方法

李祖勝，孫玉秋，胡維 (長江大學信息與數學學院，湖北 荊州 434023)

黎雄 (北京師范大學數學學院，北京 100875)

針對工程應用中大批量雙指針儀表的讀數識別問題，提出了一種基于數字圖像處理技術的自動識別算法：首先對圖像進行預處理，包括圖像分割、濾波及膨脹腐蝕等步驟；然后設計了一種限定閾值的Hough變換，確定不同指針的位置關系,并根據指針與旋轉中心的距離關系標定不同指針的矢量信息；最后利用表盤刻度與指針夾角的線性關系計算指針讀數，并對指針與正刻度線重合、不同指針反向等情況進行校正處理。試驗結果表明，該算法對于均勻刻度的雙指針儀表有出色的測試精度和識別效率。

Hough變換；雙指針儀表； 自動識別

雙指針式儀表在礦井作業、石油勘探、自來水運輸等領域有廣泛應用，基于數字圖像處理技術的儀表自動識別技術能提高儀表檢測效率，減少人為誤差[1]。常見的指針式儀表檢測方法[2]有3種：步長法、圓周灰度檢測法和Hough變換法。目前有很多單一指針識別算法[3～6]研究成果：基于視覺顯著性區域檢測的指針式儀表讀數方法[7,8]可以有效解決因光照因素導致對儀表指針識別精度問題；喬麗娟等[9,10]研究的多指針型水表自動識讀系統為雙指針儀表研究提供借鑒基礎；王瑞等[11]提出的改進角度法能確定不同指針位置，但雙指針對稱位置刻度無法識別；王永會等[12]提出的圓弧快速檢測算法能有效檢測圓弧，而針對具有刻度的“毛刺”圓弧的識別效率差。因此，確定指針數量、檢測并標定出不同指針的位置，確定指針在儀表盤的有效旋轉弧度，是解決雙指針自動讀數識別問題的關鍵。為此，筆者提出了一種基于數字圖像處理技術的自動識別算法。

1 圖像預處理

圖1 圖像處理主要過程示意圖

工程應用中機械式儀表盤的有效量程范圍可以分為2大類：一類是有效量程弧度為(0,π)，如電流表和電壓表等；一類是有效量程弧度為(0,2π)，如壓力表和鐘表等。筆者以常見的雙指針壓力表作為研究對象，對采集到的圖片運用數字圖像處理技術進行處理。圖像處理主要過程示意圖如圖1所示，包括目標區域分割和濾波處理、圖像二值化、形態學處理、Hough變換確定指針的位置、不同指針位置的標定和坐標提取以及計算指針刻度。

1.1 圖像分割

采集到的圖像，往往含有儀表盤以及儀表盤邊框等干擾信息，對指針檢測造成干擾，因而提取僅含指針區域的步驟是重要的過程。采用人機交互式提取感興趣區域是常用的方法。但在大批量的圖像信息處理中，采用限定閾值的方式(見圖2(a))提取出僅含指針區域是較好的選擇。

1.2 濾波處理

濾波的目的在于消除在圖像采集、傳輸、接收等過程中不可避免的噪聲干擾，例如光電轉換過程、傳輸過程和人為因素等造成的噪聲干擾。濾波的方式分為線性濾波和非線性濾波兩大類。線性濾波常見的是均值濾波方法，能夠平滑突變因子但一定程度上模糊了圖像；非線性濾波常見的是中值濾波方法，能較好的抑制孤立噪聲且較好的保存圖像邊緣信息。依據中值濾波的基本原理，結合均值濾波的特性，筆者采用文獻[13]提出的自適應中值濾波方法，在濾除噪聲的同時也保存了圖像的邊緣信息(見圖2(b))。

1.3 二值化處理

圖像二值化處理常見的方法有：最大類間方差法、迭代法、動態閾值分割法和類間最大距離法等。考慮到表盤圖像中指針與背景的明顯區分的特性，采用最大類間方差法，根據指針與背景之間的類間方差大小自動選取閾值。如圖2(c)所示，2幅圖像受到不同程度環境干擾，均可得到較好的二值化處理圖。

1.4 膨脹和腐蝕處理

圖像形態學處理是指針檢測處理過程中最重要的步驟之一。形態學處理可以解決特征提取、形狀識別等問題，基本運算包含膨脹、腐蝕、開運算和閉運算等。由于二值化處理后的圖像指針信息不連續，筆者運用膨脹運算將間斷點連接起來使得指針區域連續。但此時指針變得粗大，不利于讀數識別，運用腐蝕運算對粗大的形體進行縮小，直至指針形體不再變化。最后進行細化操作，使得指針圖像成為直線段，以便于清晰的觀察。圖2(d)顯示了細化處理后得到的結果圖。

圖2 圖像預處理

2 Hough變換直線檢測原理與指針讀數識別

2.1 Hough變換直線檢測原理

Hough變換是圖像處理中常見的識別幾何形狀的方法。它根據曲線形狀獨特的規律性(如直線的斜率是恒定的，圓的半徑是恒定的)，將數字圖像中給定曲線形狀的所有點都映射到Hough空間的某個點(稱之為峰點)。采用文獻[9]的原理，依據二維空間上點共線性對應于參數空間線共點性的對偶性原理，來擬合直線的相關參數。

對于給定的二維空間中的直線：

ρ=xcosθ+ysinθ ρ>0 0≤θ<2π

(1)

式中，ρ為直線到原點的距離； θ為直線與x軸的夾角。

Hough變換檢測直線的實現方法如下：

1)設計參量空間Pm×n，并為參量空間設置累加器矩陣Rm×n(m,n分別為ρ，θ的等份數)。

2)為參量空間每一個P(i,j)分配一個累加器R(i,j)。

3)取二維空間的點(x0,y0)代入式(1)，計算得到ρ與θ的一組值，并在參數空間內將ρ與θ所對應的累加器加1，即：

R(i,j)=R(i,j)+1

(2)

4)遍歷直線上所有點(xi,yi)，參數空間每一個R(i,j)都得到統計。所對應的值在空間Pm×n中形成一簇僅相交于一點的曲線(交點稱為峰點)。參量空間P(i,j)累加數越大，使該簇曲線都相交于一點的表現型越明顯。提取峰點P(ρi,θj)，參數ρi,θj就是二維空間中方程(1)的參數值，如圖3所示。

圖3 Hough變換直線檢測示意圖

2.2 指針位置標定與坐標提取

2.2.1 限定閾值標定指針位置

Hough變換檢測直線是一個一對多的映射，然而原圖像上的刻度線、表盤量程圓弧以及表盤邊框等仍然可能形成直線，這對指針提取的工作相當不利。筆者采用文獻[14]的方法，根據視覺顯著性原理采取如下3步方法對Hough變換進行閾值限定，從而減少冗余計算，提高了程序性能，提升了指針識別的準確率。

第1步：減少參數空間累積數的提取。在式(2)中，由于累積函數R(i,j)是獨立分布的，而筆者關心的是直線所對應的最大累積值。據此限定參數空間峰點的統計數量NR≤3，從而降低計算復雜度。

第2步：采用增大步長法減少計算的次數，由于式(2)中步長取值較短，每個像素位點都被計算，加重運算負荷。因此，在不損失結果的精確性的前提下，適當提高步長，可以提高程序的運算速度。

第3步：限定角度θ的取值，依據表盤固有量程范圍，設計針對指針可能出現的范圍約束θ，使θ的取值變小，從而減少冗余數據的計算。

2.2.2 坐標提取

指針在表盤中是有限長度的線段，通過對已檢測出的不同的線段進行初始位置和截止位置的坐標提取，計算不同指針的斜率，圖4(b)給出了不同指針的標定和坐標示意圖。分別提取不同標記線段的初始位置坐標xi(1,j)和截止位置坐標yi(2,j)(其中,j=1表示橫坐標;j=2表示縱坐標),依據斜率公式計算出不同指針的斜率ki：

(3)

2.3 雙指針讀數識別

2.3.1 有效量程的識別

有效量程的范圍可以由簡單方法完成：分別提取指針位置在初始刻度時和在滿刻度時圖像，計算初始位置指針斜率為k1；滿刻度位置指針斜率k2，則表盤有效量程θ(單位：度)的計算方式為：

(4)

2.3.2 不同指針位置的判定

規定指向刻度端為針頭，另一端為針尾。Hough變換能夠準確的檢測出圖像空間中的直線，但是不能確定直線所在的矢量位置信息。如圖4(b)所示，當有效量程范圍在(0.2π)時，檢測的同一根直線代表著針頭和針尾2個位置的刻度值。因此，對針頭位置的標定對于指針的刻度的識別具有至關重要的作用。考慮到儀表指針設計的特性(針頭到旋轉中心的距離明顯大于針尾到旋轉中心的距離)，比較初始位置橫坐標xi(1，1)和截止位置橫坐標yi(2，1)與整幅數字圖像行寬(記圖像行寬：N)的大小來判別針頭的位置，判別方式如下：

若xi(1，1)+yi(2,1)

若xi(1,1)+yi(2,1)>N，表示指針的位置在第Ⅰ、第Ⅳ象限。

這就導致了，在有限游戲中個別人的幸福必定是建立在多數人的痛苦之上的，“己之不欲，勿施于人”之類的倫理準則是根本不可能真正落地的。這就是人類社會經常陷入“囚徒困境”與“零和博弈”的現實邏輯。

2.3.3 讀數識別

結合實際儀表盤的有效量程范圍和儀表盤量程選擇不同的參數值，設儀表盤量程最小值為Imin，最大值為Imax，讀數為Ri。式(4)提供了有效量程θ的計算方法，指針在表盤上偏轉的角度與初始位置角度的差值?(單位：度)可以由式(5)具體給出：

(5)

(6)

由于不同指針的量程大小不一定全部相同，因此儀表盤量程最小值Imin、最大值Imax必須依據不同指針的實際的量程選取準確的參數。

2.4 讀數的誤差處理

2.4.1 整刻度線讀數的誤差處理

由于參數的選取和計算關系(如正切函數減法運算和常數π的選取)導致指針指向表盤整刻度時，輸出讀數Ri是一個非整數的情況。為避免該類誤差，在Hough變換檢測指針直線的過程中，根據累加器中峰點個數判別指針是否與刻度重合，當指針峰點重合時，自動對讀數Ri取整，從而減小了整刻度線讀數的誤差，達到了較好的判別效果。

2.4.2 雙指針重合或反向時誤差處理

由于雙指針測量時指針位置是任意性的。從而有可能出現雙指針的針頭重合在一起，或者針頭反向在同一條直線上的情況，如圖5(g)和圖5(h)所示。為解決該類誤差，求出不同指針的線段長度Li：

(7)

標記最長的指針為參考指針L0。然后依據實時檢測指針長度L1與參考指針L0進行比較：

若L1=L0，表明雙指針針頭重合在一起。此時，雙指針的斜率統一確定為L1的斜率ki。

2.4.3 指針垂直時誤差處理

3 試驗

根據算法原理，在Matlab-R2014b的運行環境下，以常見的雙指針壓力表為例，檢驗該算法對儀表盤有效量程范圍是(0,2π)的強適應性。圖5為一組常見的精度等級為0.1的雙指針壓力表示數，其中圖5(a)～圖5(f)為一組壓力表不同刻度的分類標定的結果； (g)為壓力表2根指針重合時標定的結果； (h)為壓力表2根指針反向時標定的結果。

圖5 雙指針讀數標定

表1為圖5所示不同指針讀數的自動識別結果，其中C表示黑色指針實測讀數，R表示紅色指針讀數，EC表示黑色指針測試誤差，ER表示紅色指針測試誤差。

表1 雙指針壓力表不同測試數據

表1數據表明， (a)和(e)自動識別黑色指針數據跟人工讀取數據相同，符合指針與刻度線重合的誤差分析； (g)自動識別數據相同，是由指針重合在一起導致的；(h)數據與圖5(h)指針并行所示讀數識別的結果相同，與誤差分析處理一致。此外，自動識別誤差最大值比儀表盤固有精度小，表明此方法自動識別數據的實用性、可靠性都很好。

4 結語

采用Hough變換進行指針直線的檢測，并對雙指針的不同位置進行標定，使得檢測的指針位置即為實際指針的位置。對不同指針進行分類處理以避免指針錯誤檢驗，并對整刻度讀數誤差和雙指針并行或者重合的情況做了后期的誤差矯正處理。數據表明，筆者設計的雙指針讀數自動識別的算法原理簡單，計算速度快，適用于各種類型的具有均勻刻度的儀表盤的指針的自動讀數，如指針式壓力表、四分之一圓弧表盤等。由于表盤量程是人工測量，因此下一步工作重點將放在具有刻度齒的圓弧檢測。

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[編輯] 張濤

2016-06-00

國家自然科學基金項目(11571041); 湖北省自然科學基金重點項目(2013CFA053)。

李祖勝(1992-)，男，碩士生，現主要從事數字圖像處理方面的研究工作。

孫玉秋(1968-)，女，博士，教授，博士生導師，現主要從事數字圖像處理、模式識別等方面的教學與研究工作；E-mail:yqsun@yangtzeu.edu.cn。

TP391

A

1673-1409(2016)31-0031-06

[引著格式]李祖勝，孫玉秋，胡維，等.基于數字圖像處理技術的雙指針機械儀表讀數自動識別方法[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(31)：31～36.