指針式儀表指針的擬合

吳曉偉　郝金鳳　楊鐵梅

摘? 要：隨著煤礦智能化、信息化的建設，指針儀表的數據監測功能起到了非常重要的作用，對煤礦安全高效的生產具有重大意義。在指針式儀表的識別過程中，儀表指針的提取與定位占據重要的地位，對后面儀表示數的讀取與識別起到了十分關鍵的作用。為了保證指針式儀表讀數準確的識別，文章利用圖像處理技術對儀表指針的擬合進行了仿真實驗。通過對比分析，最終實現了準確可靠地提取指針式儀表的指針。

關鍵詞：信息化;指針儀表;圖像處理;仿真實驗

中圖分類號：TP391.4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）21-0070-02

Abstract： With the construction of coal mine intelligence and informatization， the data monitoring function of the pointer instrument has played a very important role， which is of great significance to the safe and efficient production of coal mines. In the identification process of pointer instruments， the extraction and positioning of the pointers of the instruments occupy an important position， which plays a very important role in the reading and recognition of the number of the instrument behind. In order to ensure the accurate recognition of the pointer meter reading， this paper uses image processing technology to simulate the meter pointer fitting. Through comparative analysis， the accurate and reliable extraction pointer is finally achieved.

Keywords： informatization; pointer instrument; image processing; simulation experiment

引言

在指針式儀表的表盤中指針通常占據著較少的像素點，但指針的定位與識別在整個指針式儀表的識別系統的框架中處于核心地位，對后面儀表示數的讀取與識別起到了十分關鍵的作用。通過分析儀表圖像中的指針特征，我們發現實際情況下的指針常常擁有較為顯著的直線特征。尤其指針的輪廓可以被認為是一條直線，為指針的檢測與識別提供了幫助。由于直線特征的檢測在圖像領域中有著非常重要的位置，在研究學者們多年的努力下，許多性能優異的直線檢測算法被提出。同時，通過對指針式儀表中指針位置像素分布特征的分析，根據像素集也可以擬合出指針直線，從而可以準確地對指針位置進行定位與擬合。

1 傳統儀表指針的擬合

1.1 Hough直線檢測

研究發現Hough變換檢測直線[1]是根據被檢測目標圖像的局部特征，從而將整個目標圖像的全都參數計算出來。因此對于被噪聲干擾或采集到的圖像信息缺失的目標圖像有較好的檢測效果。然而，Hough變換只能求得直線的參數，無法求得這條線的長度。所以，必須在Hough變換完的下一步，將檢測到的直線配對到圖像空間中像素點的線條上，導致對長度較短的直線檢測效果差。此外，由于在邊緣檢測中的一些缺陷及誤差，在累加器空間中通常會存在誤差，這會影響最終檢測的結果。

1.2 LSD直線檢測算法

LSD直線檢測算法[2]與傳統的直線檢測算法相比，準確度高、速度快、操作簡單。但是，對于直線相交的情況，因為需要設置每個點的坐標位置，即每個點只能屬于一條直線。因此，出現多條直線相交時，則必有至少一條以上的直線被分割成多條直線。并且，基于梯度運算時直線交點的梯度值通常較小。因此，兩條直線在交點處有可能將相交的這兩條直線分割成四條線段。

2 徑向灰度算法

徑向灰度法[3]進行指針的擬合，不同于傳統的指針檢測算法需要檢測指針的直線，徑向灰度法直接計算表盤的灰度分布特征。采用徑向灰度算法獲得指針的過程，將采集到的表盤灰度值按一定的角度來擬合指針直線，在圖像的二維空間中以確定的表盤圓心為原點建立笛卡爾坐標系，建立基于距離約束的指針篩選機制，最終準確地對指針進行定位與識別。本文以礦井中常用的各種指針式儀表為基礎，觀察分析了指針式儀表的特點，并結合具體相關儀表盤面的信息，采用徑向灰度法對儀表指針進行擬合，檢測指針的流程如圖1所示。

采集到的目標圖像中，還有較多沒用的冗余信息，對儀表指針的定位和擬合產生了干擾。為了得到清晰的儀表信息，對儀表圖像進行了圖像二值化處理[4]。該算法是一種基礎的圖像處理方法，在目標圖像中每個像素點的灰度值取值范圍在0-255之間，圖像二值化就是在這256個亮度等級中選取一個合適的閾值。將其中大于閾值的像素點規定為255，小于閾值的像素點規定為0，這樣目標圖像就只有0和255兩個數值的二值化圖像，即只有黑色和白色兩種顏色的黑白圖像。用二值化得到黑白圖像進行計算，這樣可以減少圖像中無用的信息，減少圖像處理的時間，卻依然能夠體現出目標圖像整體或局部的特征，能夠凸顯出目標的輪廓。

在全局閾值法中最經典的算法是Otsu法（最大類間方差法也稱之為大津法），由于其計算簡單、速度快、效率高，從而被廣泛應用于圖像的二值化處理。Otsu算法[5]不需要人為的設定其他參數，不但可用于單閾值的圖像處理，同時也可用于多閾值的圖像處理，因此被認為是自動選取閾值的最佳方法，本文采用Otsu算法對儀表圖像進行二值化處理。實驗結果表明，經過二值化處理后的指針式儀表表盤清晰，便于后續的指針式儀表示數的識別與讀取。由于表盤中噪音像素與指針像素的比例過大，本文設計將采樣的區域變為單像素寬，即一條直線。在圖像的二維空間中以確定的表盤圓心為原點建立笛卡爾坐標系，半徑為確定的表盤半徑，在圓形區域內，假定角度集合為？茲，如下式：

3 結論

實驗結果表明，針對儀表指針為直線型、過圓心和長度較長的特點。徑向灰度法得到的灰度值分布圖中出現了明顯的峰值，而其余區域受到噪音以及表盤其他信息的影響，灰度值在一定范圍之內浮動，但沒有較大起伏。通過將峰值坐標映射為指針的偏轉角度，擬合得到的指針準確表達了指針的位置。徑向灰度法克服了傳統Hough變換中參數選取的困難，避免了LSD直線檢測中對于相交直線，存在檢測為斷線的情況。

參考文獻：

[1]王佳穎，柳貴東，謝曉亮，等.基于改進Hough變換的指針儀表表盤識讀系統研究[J].電子世界，2018，23：110-112.

[2]R. G. V. Gioi， J. Jakubowicz， J. M. Morel， et al. LSD： A fast line segment detector with a false detection control[J]. IEEE Transactions on Software Engineering， 2010，32（4）：722-732.

[3]吳杰.變電站巡檢機器人的指針式儀表智能讀數系統研究[D].武漢：武漢科技大學，2019.

[4]郭家偉.拋光石材表面顏色識別系統研究[D].沈陽：沈陽建筑大學，2017.

[5]張引.基于空間分布的最大類間方差牌照圖像二值化算法[J].浙江大學學報，2001（5）：272-275.