基于連通域檢測(cè)的指針式儀表讀數(shù)識(shí)別

徐亞超 錢廣秀

摘要：本文研究的是基于機(jī)器視覺、模式識(shí)別對(duì)指針式溫濕度計(jì)讀數(shù)的識(shí)別方法。為了提升識(shí)別精度，本文提出了一種旋轉(zhuǎn)檢測(cè)連通域的方法，并將其應(yīng)用在指針儀式表檢測(cè)中，可以把識(shí)別精度控制在一個(gè)刻度之內(nèi)。該算法具有較好的魯棒性、準(zhǔn)確率，實(shí)用性也很強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：指針式溫濕度計(jì)；讀數(shù)識(shí)別；機(jī)器視覺；模式識(shí)別；旋轉(zhuǎn)檢測(cè)連通域。

0 引言

得益于機(jī)器視覺在效率和自動(dòng)化方面的優(yōu)勢(shì)，一些學(xué)者在指針式儀表機(jī)器視覺檢測(cè)方法方面做了許多建設(shè)性的研究和應(yīng)用，其中利用指針偏轉(zhuǎn)的角度計(jì)算讀數(shù)的方案占大多數(shù)，這種方案一旦儀表位置發(fā)生偏轉(zhuǎn)，或指針圓心存在誤差等，都會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)誤差增大。陳樹等在利用K-Means聚類算法提取刻度輪廓基礎(chǔ)上，用刻度輪廓質(zhì)心擬合圓，將刻度圓環(huán)全景展開，細(xì)化指針并檢測(cè)出直線方程，最后通過(guò)直線和圓環(huán)交點(diǎn)識(shí)別讀數(shù)，這種方法一定程度上提高了儀表檢測(cè)系統(tǒng)的魯棒性[1]，但是其過(guò)程中，運(yùn)用K-Means聚類算法會(huì)增大計(jì)算量；將刻度全景展開會(huì)造成圖像扭曲現(xiàn)象[2]；細(xì)化指針、Hough變換都會(huì)因采集圖像的質(zhì)量、光源等因素受到不同程度的影響。本文利用表盤空間位置直接截取儀表刻度，并且提出一種新的連通域檢測(cè)方法用于對(duì)每個(gè)刻度按照順序標(biāo)號(hào)，通過(guò)指針指向與刻度標(biāo)號(hào)之間的距離數(shù)值直接判斷讀數(shù)，將誤差限制在一個(gè)刻度以內(nèi)。

找到表盤圓心是各類檢測(cè)方法的關(guān)鍵，然而本文提出的方案對(duì)圓心位置的準(zhǔn)確度沒有特別精細(xì)的要求，故對(duì)圓心的確定問(wèn)題不在贅述。

1 一種新的連通域檢測(cè)方法——旋轉(zhuǎn)檢測(cè)連通域

本文為了對(duì)環(huán)繞在表盤邊緣的刻度進(jìn)行排序，提出了旋轉(zhuǎn)檢測(cè)連通域的方法。如圖1，首先將圓盤以O(shè)為圓心均分成若干角度為α的扇形，α要足夠小，滿足最寬處（p到p'的距離）不超過(guò)一個(gè)像素。然后步驟如下：

（1）按照順時(shí)針（如圖1箭頭方向）從①開始逐個(gè)扇形掃描圖像，把每一扇形區(qū)域中連續(xù)的白色像素組成一個(gè)集合，并記下它的起點(diǎn)、它的終點(diǎn)以及所在行數(shù)。然后從1號(hào)開始按照數(shù)字順序標(biāo)注每個(gè)集合。

（2）對(duì)于除了第一個(gè)扇形外的所有行里的集合，如果它與前一扇形中的所有集合都沒有重合區(qū)域，則給它一個(gè)新的標(biāo)號(hào)；如果它僅與上一扇形中一個(gè)集合有重合區(qū)域，則將上一扇形的那個(gè)集合的標(biāo)號(hào)賦給它；如果它與上一扇形的2個(gè)以上的集合有重疊區(qū)域，則給當(dāng)前集合賦一個(gè)相連集合的最小標(biāo)號(hào)，并將上一扇形的這幾個(gè)集合的標(biāo)記寫入等價(jià)對(duì)，說(shuō)明它們屬于一類。

（3）以上述方法遍歷整個(gè)區(qū)域，將各個(gè)集合的標(biāo)號(hào)賦值給該集合每個(gè)像素。

2 圖像截取、去燥，二值化

采集原圖經(jīng)過(guò)截取，圖像去燥、二值化。設(shè)左為x軸方向，上為y軸方向。在圖中找到指針不動(dòng)點(diǎn)，即所謂圓心O，指針末尾端點(diǎn)P。

3 截取刻度盤

截取圖像需要檢測(cè)的區(qū)域，并取反。根據(jù)圖像先驗(yàn)知識(shí)，設(shè)置一個(gè)起始點(diǎn)S，一個(gè)終止點(diǎn)F，則起始點(diǎn)角度為θ1，終止點(diǎn)角度為θ2。

因?yàn)榭潭缺P區(qū)域是以O(shè)為圓心的帶狀圓弧，則選擇適當(dāng)長(zhǎng)度的半徑R1，R2，使選定區(qū)域限定在該區(qū)域內(nèi)。令截取范圍內(nèi)像素點(diǎn)的值不改變，其他像素點(diǎn)的值置為0。

4 表盤刻度標(biāo)號(hào)

在第三步中，已經(jīng)對(duì)刻度盤進(jìn)行了截取，且每個(gè)刻度是一個(gè)單獨(dú)的實(shí)心連通域，故這里可以對(duì)前文提出的旋轉(zhuǎn)連通域檢測(cè)方法進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖1，將圓盤以O(shè)為圓心均分成若干角度為α的扇形①②④。為了減少計(jì)算量，α只需滿足小于兩個(gè)距離最小的相鄰刻度之間角度之差的二分之一。③是要檢測(cè)的刻度，實(shí)際情況是像素值為1的白色區(qū)域。設(shè)kn是刻度的標(biāo)號(hào)，初始k0=0。簡(jiǎn)化后的步驟如下：

（1）按圖中箭頭方向從①開始逐個(gè)扇形掃描圖像，①中沒有像素值為1的點(diǎn)，k=0不變；

（2）掃描扇形區(qū)域②，③的一部分像素在區(qū)域②中，即②中值為1的像素個(gè)數(shù)大于0，且上一個(gè)扇形①中值為1的像素個(gè)數(shù)等于0，則k1=k0+1，將k1賦值給扇形區(qū)域②中值為1的像素點(diǎn)；

（3）掃描扇形區(qū)域④，③的一部分像素在區(qū)域④中，即④中值為1的像素個(gè)數(shù)大于0，且上一個(gè)扇形②中值為1的像素個(gè)數(shù)大于0，則刻度的標(biāo)號(hào)保持k1不變，將k1賦值給扇形區(qū)域④中值為1的像素點(diǎn)；

（4）繼續(xù)掃描下一個(gè)扇形區(qū)域，當(dāng)正在掃描的扇形區(qū)域的白色像素點(diǎn)個(gè)數(shù)為0時(shí)，繼續(xù)掃描下一個(gè)，不執(zhí)行其他操作；而當(dāng)正在掃描的扇形區(qū)域的白色像素點(diǎn)個(gè)數(shù)大于0，該刻度的標(biāo)號(hào)為前一個(gè)標(biāo)號(hào)加1，即kn=kn-1+1，同時(shí)將kn賦值給該區(qū)域中值為1的像素點(diǎn)。以上述方法遍歷整個(gè)區(qū)域。

5 讀數(shù)

根據(jù)先前已經(jīng)確定的指針末尾端點(diǎn)P與最相近兩個(gè)刻度的位置關(guān)系，確定最后的讀數(shù)。首先確定表盤的刻度數(shù)目n，由上述方法檢測(cè)得出的連通域個(gè)數(shù)k。求出除指針端點(diǎn)所在連通域外其他連通域的質(zhì)心，這就要求在截取表盤刻度的操作時(shí)將所有刻度切成統(tǒng)一長(zhǎng)度，以免質(zhì)心坐標(biāo)過(guò)度偏離圓弧造成讀數(shù)誤差。然后找出與指針端點(diǎn)P所在連通域相鄰的兩個(gè)連通域的質(zhì)心，分別記為A和B，A是位置靠前的點(diǎn)，所在連通域標(biāo)號(hào)為kA，P到A、B的距離記為L(zhǎng)A、LB，當(dāng)k=n時(shí)，圖像中指針與刻度發(fā)生重合；當(dāng) k=n+1時(shí)，指針在刻度之間；當(dāng)k=n-i時(shí)，i為大于0的正整數(shù)，則指針與刻度發(fā)生黏連。故

其中Degree為讀數(shù)，μ是起始刻度對(duì)應(yīng)的讀數(shù)。若以本文的實(shí)驗(yàn)對(duì)象μ=-10為例，經(jīng)檢測(cè)k=55，n=56，即k=n-1。P所在連通域標(biāo)號(hào)為33，將值為33的像素點(diǎn)畫出來(lái)，如圖8所示，可知指針圖像將兩個(gè)相鄰刻度連接了起來(lái)，起始讀數(shù)，kA=22，計(jì)算得 ，則讀數(shù) 。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出的通過(guò)旋轉(zhuǎn)檢測(cè)連通域的方法進(jìn)行對(duì)指針式儀表的檢測(cè)，相對(duì)以往的檢測(cè)的方法有效地減小了誤差。在實(shí)際的溫濕度儀表檢測(cè)中，該檢測(cè)算法可以穩(wěn)定的將誤差縮小在一個(gè)刻度之內(nèi)，系統(tǒng)魯棒性優(yōu)秀，實(shí)用性強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳樹，王磊.基于機(jī)器視覺的指針式儀表檢測(cè)方法[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2016，44（9）：1821-1826.

[2]龔小林，田向陽(yáng).全景視覺還原算法分析與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2014，24（6）：233-235.

作者簡(jiǎn)介：徐亞超，出生年1992，漢，山東泰安，研究生，山東科技大學(xué)，研究方向：機(jī)器視覺與模式識(shí)別

錢廣秀，出生年1992，漢，山東菏澤，研究生，山東科技大學(xué)，研究方向：對(duì)抗性網(wǎng)絡(luò)