基于種子填充的指針式儀表自動識別算法

朱玉欣+孫立輝

摘 要

針對指針式儀表自動識別中的指針提取，提出了一種基于種子填充的指針式儀表自動識別方法。算法主要由基于種子填充的指針提取算法和基于改進(jìn)Hough變換的指針識別算法組成。算法首先運用差影法獲取種子點，然后采用行掃描法提取指針，最后通過改進(jìn)的Hough變換對指針式儀表進(jìn)行讀數(shù)識別。實驗表明，種子填充法有效提取了指針特征，為后續(xù)獲取較好的識別效果奠定了基礎(chǔ)，整個算法高效快速，獲得了較好的識別效果。

【關(guān)鍵詞】指針式儀表 種子填充 Hough變換

指針式儀表由于其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用和維護(hù)方便等特點，在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。目前，工業(yè)生產(chǎn)中指針式儀表大多是由人工進(jìn)行讀數(shù)，但當(dāng)工作環(huán)境惡劣時（如強(qiáng)輻射、野外、高溫、低溫），工作人員將無法長時間停留。因此，實現(xiàn)指針式儀表自動識別具有重要意義。

目前許多學(xué)者對指針式儀表讀數(shù)問題進(jìn)行研究，指針式儀表識別包括指針提取和儀表讀數(shù)識別兩部分。常見的指針提取算法主要有基于閾值法、基于邊緣法、基于差影法、基于顏色提取法。

薛建榮等[2]提出了基于閾值法的指針提取算法，算法通過設(shè)置一個或多個合適的閾值將指針和背景區(qū)分開，但該方法適用于單一類型的指針儀表。陳杰來等[3]采用小波變換算法對圖像邊緣進(jìn)行檢測，通過邊緣確定指針位置，此方法計算量較大，易受噪聲干擾，可能會檢測出大量無用邊緣，進(jìn)而影響后續(xù)讀數(shù)識別的準(zhǔn)確性。LI[5]提出了一種基于最大灰度相減法的識別方法，算法通過實際圖像與模板圖像相減得到指針位置，該方法簡單快速但適用于背景變化不大且指針修長的儀表。冀辰宇等[6]提出了基于顏色的儀表指針提取方法，算法通過使用彩色提取和形態(tài)學(xué)圖像處理技術(shù)，成功提取了攜帶彩色信息的指針，此方法算法簡單，提取效果良好，但適用于彩色指針式儀表。孫鳳杰等[7]提出了主色提取法，此方法對較差光照條件下的彩色指針區(qū)域具有良好的提取效果，但不適用于非彩色指針儀表。

指針式儀表識別已經(jīng)有很多方法，并取得了一定的成果，但是還存在一些問題，如上述的指針提取算法往往適用于某類特定指針式儀表。因此，本文依據(jù)指針式儀表的指針均經(jīng)過軸心這一特點，將軸心作為種子點，規(guī)定種子的生長規(guī)則，運用行掃描法實現(xiàn)了指針的提取?；诜N子填充的指針提取算法具有一定的通用性，對于大多數(shù)儀表而言，只需要確定種子點位置，就可用該算法提取指針。

1 基于種子填充的指針提取

本文指針提取算法流程圖如圖1所示，主要由以下幾個步驟組成：選取種子的、種子生長、提取感興趣區(qū)域等。

1.1 種子填充算法原理

種子填充算法又稱為邊界填充算法，其基本思想是：從多邊形區(qū)域的一個或一組點開始，由內(nèi)向外將與種子特點相似（如顏色范圍、灰度級）的鄰域像素點附加到種子上，不斷重復(fù)生長，直到滿足特定的條件為止。種子填充算法常用四連通域和八連通域進(jìn)行填充。圖2為種子填充的過程。

1.2 種子點的選取

本文采用差影法獲取種子點，首先使用模板圖像與實際圖像相減得到指針位置，通過Hough變換檢測出兩條直線，兩條直線的交點即為種子點。如圖3所示的差影法種子點選取。

1.3 種子填充

填充過程中，搜索填充區(qū)域需要一定的時間和空間開銷，為了減少這些開銷，本文采用行掃描法進(jìn)行搜索填充，即在填充過程中，將每一行中所有滿足生長規(guī)則（該點在特定像素值區(qū)間即可）的像素進(jìn)行填充，行掃描法的過程如下。

（1）選取種子點，獲取其像素特點，并將此種子點壓入堆棧；

（2）從堆棧中取出一個像素，將該像素的左右鄰域像素與其進(jìn)行比較，若滿足生長規(guī)則，則填充像素，并在填充過程中判斷每個填充位置的上、下兩行中鄰域像素是否滿足規(guī)則，將需要填充的鄰域像素壓入堆棧；

（3）檢查堆棧中的像素，并將已填充的像素去除；

（4）重復(fù)執(zhí)行（2）（3）過程，直至堆?？諡橹埂?/p>

基于行掃描填充算法的指針提取結(jié)果如圖4所示。

1.4 提取感興趣區(qū)域

種子填充算法只在指針區(qū)域進(jìn)行填充，但是指針在整幅圖像中占據(jù)較小的空間，為減少后續(xù)識別算法運算量，將指針區(qū)域作為感興趣區(qū)域（ROI）提取出來。如圖5所示為ROI提取結(jié)果。

2 基于改進(jìn)Hough變換的指針識別算法

2.1 Hough變換的原理

Hough變化的思想是利用圖像和參數(shù)空間中點與線的對偶關(guān)系，將原始圖像空間中的給定曲線通過曲線表達(dá)形式變?yōu)閰?shù)空間中的一個點。這樣就把原始圖像中給定曲線的檢測問題轉(zhuǎn)化為尋找參數(shù)空間中的峰值問題。

如圖6中，圖6（a）為圖像空間，存在一條直線y=px+q，其中（xi，yi），（xj，yj）是直線上的兩個連。圖6（b）是參數(shù)空間，在圖像空間中，點（xi，yi）必定滿足直線方程y1=px1+q，而在參數(shù)空間QOP中表示直線q=-pxi+yi。同理，對于點（xj，yj）也可以寫成上述形式。

如圖7所示，在實際運用中，如果圖像空間中直線接近豎直方向，則會由于p的值接近無窮而不方便計算，因此通常使用極坐標(biāo)來表示，其方程式如（1）所示。

λ=x cosθ+y sinθ （1）

2.1 改進(jìn)的Hough變換算法

Hough變換在檢測已知形狀時具有受曲線間斷影響小、不受圖形旋轉(zhuǎn)的影響等優(yōu)點，但Hough變換也存在檢測精度不夠高，期望的信息檢測不到或檢測到大量冗余數(shù)據(jù)等缺點。Hough變換是一種一對多的映射，計算量較大，而且對Hough變換的精度要求越高，局限性越明顯。

針對上述問題，本文采用了如下改進(jìn)的Hough變換算法進(jìn)行識別：

（1）一般指針式儀表的角度量程在一定的范圍內(nèi)，因此，在檢測指針?biāo)谥本€時，只需對該范圍內(nèi)的直線進(jìn)行Hough變換即可，這樣就可以減少計算時間。因此在處理圖像前先確定指針旋轉(zhuǎn)的起始和終止角度，并以此確定參數(shù)空間中θ的范圍。這將在參數(shù)空間中分出一塊區(qū)域，這塊區(qū)域包含指針旋轉(zhuǎn)時對應(yīng)的所有直線。endprint

在對應(yīng)參數(shù)區(qū)域，設(shè)置累加器B（λ，θ），對圖像中每個目標(biāo)特征點根據(jù)式（1）找到對應(yīng)曲線，在角度范圍內(nèi)按量化步長依次取θ，計算λ，并且累加器對應(yīng)位置加1。掃描累加器，其中的最大值對應(yīng)的直線即為所求。

（2）指針式儀表的另一特點即無論指針如何轉(zhuǎn)動，它都經(jīng)過表盤軸心（x'，y'），此軸心即指針提取時選取的種子點。將其變換到參數(shù)空間中，得到曲線λ=x' cosθ+y' sinθ。在參數(shù)空間限定的范圍內(nèi)，根據(jù)θ的值，計算相應(yīng)的λ值。在初始置零的累加器B（λ，θ）中的相應(yīng)單元加1，將此時得到的累加器作為指針圖像處理的初始累加器。這樣圖像處理時就不必要每次都對圓心進(jìn)行計算，減少了計算時間。

3 實驗結(jié)果與分析

本文在Visual Studio2010+OpenCV2.4.9環(huán)境下，以圖3（a）的指針式儀表為實驗對象進(jìn)行仿真實驗，并與傳統(tǒng)Hough變換算法在同一實驗環(huán)境下的實驗結(jié)果進(jìn)行比較。因采用的儀角度范圍為（0°，360°），為了驗證改進(jìn)Hough變換算法中的設(shè)定角度閾值方法是否有效，本文選取量程20-80（逆時針）范圍進(jìn)行實驗仿真。分別對20和80刻度時的指針式儀表進(jìn)行Hough變換，得到的指針角度為18°，162°，據(jù)此確定Hough變換的搜索范圍即θ的范圍為（18，162）。

本文利用隨機(jī)采集的52幅指針式儀表圖像進(jìn)行實驗，識別結(jié)果對比如表1所示。

由表1可知，本文方法與傳統(tǒng)識別方法相比，識別時間更短，識別效果更好。此方法是本文指針式儀表識別方法中的關(guān)鍵算法。通過上表的結(jié)果分析可知，種子填充算法提取指針效果良好，提高了后續(xù)指針式儀表的識別率。

4 結(jié)語

提出了基于種子填充的指針提取方法，其能有效的提取指針特征，為后續(xù)指針識別算法奠定了重要基礎(chǔ)。而基于改進(jìn)Hough變換的指針識別算法通過設(shè)定閾值減小搜索范圍從而減少了識別時間。兩種算法相結(jié)合，共同實現(xiàn)了指針式儀表的自動識別。在相同實驗環(huán)境下與傳統(tǒng)Hough變換識別方法的實驗結(jié)果相比較本文識別方法取得了更好的實驗效果，具有一定的實用價值。

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作者簡介

朱玉欣（1988-），女，河北省石家莊市人。碩士學(xué)位。研究方向為數(shù)字圖像處理。

孫立輝（1971-），男，河北省東光縣人。博士學(xué)歷。教授。研究方向為計算機(jī)圖像處理方向。

作者單位

河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院 河北省石家莊市 050061endprint