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圓弧標(biāo)尺線指針式儀表刻度的圖像檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于圖像的指針式儀表圓弧標(biāo)尺刻度的自動檢測方法。用單臺數(shù)碼照相機(jī)構(gòu)建圖像采集系統(tǒng)并進(jìn)行標(biāo)定；在對應(yīng)于20％和80％滿量程的激勵(lì)信號下拍攝兩幅表頭圖像；經(jīng)閾值化和形態(tài)學(xué)處理獲得標(biāo)尺線與刻度線區(qū)域；提取骨架并經(jīng)骨架分段法向投影確定候選標(biāo)尺盤心；用霍夫變換圓檢測確定粗略標(biāo)尺盤心與標(biāo)尺線半徑；利用雙點(diǎn)移除截?cái)嘧钚《藬M合確定標(biāo)尺線精確圓心與半徑；用徑向投影法確定標(biāo)尺線上刻度線朝向角，獲得候選刻度基點(diǎn)；用共域性確定檢測所得刻度基點(diǎn)；合并兩幅圖像的結(jié)果為最終的刻度基點(diǎn)集。本發(fā)明能完成圓弧標(biāo)尺線指針式儀表刻度位置的自動檢測，可應(yīng)用于儀表的自動校準(zhǔn)和自動讀數(shù)中，提高讀數(shù)準(zhǔn)確度，減輕勞動強(qiáng)度。
【專利說明】圓弧標(biāo)尺線指針式儀表刻度的圖像檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及儀表自動校準(zhǔn)和儀表自動讀數(shù)等領(lǐng)域，具體是一種基于圖像的指針式儀表圓弧標(biāo)尺上刻度的自動檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]指針式儀表具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。在數(shù)字式儀表的應(yīng)用日益廣泛的今天，指針式儀表也仍然具有很大的年產(chǎn)量，而正在使用中的各類系統(tǒng)中更是存在著極為大量的指針式儀表。如果依靠人工來完成新產(chǎn)和使用中的指針式儀表的檢定與校準(zhǔn)工作，則其勞動量極大，且容易受到檢驗(yàn)人員自身主觀因素的影響。一種針對指針式儀表檢定和校準(zhǔn)問題的低成本解決途徑，便是基于圖像處理和機(jī)器視覺的儀表自動檢定校準(zhǔn)方法。此外，對現(xiàn)有系統(tǒng)提出的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制與管理方面的要求，也需要能夠自動獲取包括指針式儀表讀數(shù)在內(nèi)的各個(gè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，而基于圖像處理的指針式儀表自動讀數(shù)方法同樣是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的最直接、對現(xiàn)有系統(tǒng)影響和改造最小的途徑。在基于圖像的指針式儀表自動校準(zhǔn)與自動讀數(shù)中，儀表刻度的自動識別是不可或缺的重要步驟。
[0003]現(xiàn)有的儀表自動讀數(shù)方法多通過人為設(shè)置刻度在圖像中的角度范圍來實(shí)現(xiàn)儀表指針方向到讀數(shù)的轉(zhuǎn)換；也有一些方法首先識別出表頭的刻度值文字，確定出刻度位置與大小后，再將指針位置轉(zhuǎn)換為儀表讀數(shù)。這些方法或者失之過簡，無法適用于刻度間距存在不均勻性的場合，從而造成自動讀數(shù)中較大的系統(tǒng)誤差；或者方法較為繁瑣，且可靠性也有所下降。
[0004]因此，有必要找到一種相對簡單、適用性好的方法，能夠針對同型號儀表批量的校準(zhǔn)或自動讀數(shù)，方便可靠地利用圖像處理和識別技術(shù)自動確定儀表刻度線或其代表點(diǎn)在圖像中的位置，進(jìn)而將圖像中檢測所得的指針位置轉(zhuǎn)換為儀表讀數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)儀表讀數(shù)自動化，減輕工作者的勞動強(qiáng)度，消除儀表讀數(shù)不確定度中人為因素的分量，提高儀表讀數(shù)的準(zhǔn)確度，最終幫助實(shí)現(xiàn)儀表校準(zhǔn)及信息管理和應(yīng)用中數(shù)據(jù)采集的自動化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，是針對具有圓弧標(biāo)尺線的指針式儀表表頭提供一種刻度自動檢測的方法。所述的指針式儀表，其表頭上具有一條或多條同心的圓弧標(biāo)尺線，每條圓弧標(biāo)尺線上以均勻或不均勻間距分布著短直線段刻度，這些刻度直線與圓弧標(biāo)尺線正交，且一端落在圓弧標(biāo)尺線上；稱所述的同心圓弧標(biāo)尺線的圓心為標(biāo)尺盤心；稱所述的刻度直線段與圓弧標(biāo)尺線的交點(diǎn)為刻度基點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所提出的方法具體包括以下步驟:
[0007]1.確定一個(gè)放置待檢測刻度的指針式儀表的固定平面；安裝一臺數(shù)碼照相機(jī)或數(shù)碼攝像機(jī)(為簡潔起見，以下行文中僅以數(shù)碼照相機(jī)為例加以敘述)，使其成像光軸垂直朝向于儀表表頭平面；調(diào)整數(shù)碼照相機(jī)的位置和焦距，使得照相機(jī)恰好聚焦于表頭平面，并使得圓弧標(biāo)尺線、刻度線以及標(biāo)尺盤心所在的范圍能夠占據(jù)圖像中90% (按長寬尺寸計(jì)算)的部分；利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的照相機(jī)標(biāo)定方法(可參考“C.Steger，M.Ulrich，C.Wiedemann,著，楊少榮，吳迪靖，段德山，譯.機(jī)器視覺算法與應(yīng)用(雙語版).北京:清華大學(xué)出版社，2008”第3.9.4節(jié))，確定如上構(gòu)成的視覺系統(tǒng)的徑向畸變因子K和比例因子s，以像素/mm為單位，該比例因子描述了被拍攝對象的實(shí)際物理尺寸(以mm計(jì))和它在圖像中的尺寸(以像素計(jì))之間的比例關(guān)系；在下述的整個(gè)檢測過程中，如上構(gòu)成的視覺系統(tǒng)不得再進(jìn)行調(diào)整；
[0008]i1.將待檢測刻度的指針式儀表放置在上述平面上，接入適用于該表的激勵(lì)信號源，調(diào)整輸入大小為滿量程的20%左右；利用數(shù)碼照相機(jī)拍攝得到表頭的灰度圖像；利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的徑向畸變校正方法，根據(jù)徑向畸變因子K進(jìn)行圖像校正后得到灰度圖像Ia;
[0009]ii1.利用固定閾值進(jìn)行二值化，得到二值圖像B ;當(dāng)對同一型號的多個(gè)儀表進(jìn)行檢測且環(huán)境光照條件穩(wěn)定時(shí)，可通過實(shí)驗(yàn)方式獲得合適的閾值t，并用于這一整批待檢測儀表；當(dāng)表頭為淺色背景、深色刻度時(shí)，二值化操作為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于圖像的、針對具有圓弧標(biāo)尺線的指針式儀表自動校準(zhǔn)或自動讀數(shù)的刻度檢測方法；所述的指針式儀表，其表頭上具有一條或多條同心的圓弧標(biāo)尺線，每條圓弧標(biāo)尺線上以均勻或不均勻間距分布著短直線段刻度，這些刻度直線與圓弧標(biāo)尺線正交，且一端落在圓弧標(biāo)尺線上；稱所述的同心圓弧標(biāo)尺線的圓心為標(biāo)尺盤心；稱所述的刻度直線段與圓弧標(biāo)尺線的交點(diǎn)為刻度基點(diǎn)；所述的此類圓形標(biāo)尺線指針式儀表的刻度自動檢測方法包括以下步驟: 1.確定一個(gè)放置待檢測刻度的指針式儀表的固定平面；安裝一臺數(shù)碼照相機(jī)或數(shù)碼攝像機(jī)(為簡潔起見，以下行文中僅以數(shù)碼照相機(jī)為例加以敘述)，使其成像光軸垂直朝向于儀表表頭平面；調(diào)整數(shù)碼照相機(jī)的位置和焦距，使得照相機(jī)恰好聚焦于表頭平面，并使得圓弧標(biāo)尺線、刻度線以及標(biāo)尺盤心所在的范圍能夠占據(jù)圖像中90% (按長寬尺寸計(jì)算)的部分；利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的照相機(jī)標(biāo)定方法，確定如上構(gòu)成的視覺系統(tǒng)的徑向畸變因子K和比例因子s，以像素/mm為單位，該比例因子描述了被拍攝對象的實(shí)際物理尺寸(以mm計(jì))和它在圖像中的尺寸(以像素計(jì))之間的比例關(guān)系；在下述的整個(gè)檢測過程中，如上構(gòu)成的視覺系統(tǒng)不得再進(jìn)行調(diào)整； ?.將待檢測刻度的指針式儀表放置在上述平面上，接入適用于該表的激勵(lì)信號源，調(diào)整輸入大小為滿量程的20%左右；利用數(shù)碼照相機(jī)拍攝得到表頭的灰度圖像；利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的徑向畸變校正方法，根據(jù)徑向畸變因子K進(jìn)行圖像校正后得到灰度圖像Ia; ii1.利用固定閾值進(jìn)行二值化，得到二值圖像B，其中，包含刻度線和圓弧標(biāo)尺線區(qū)域的前景區(qū)域中的點(diǎn)為特征點(diǎn)(即二值圖像中像素值為I的點(diǎn))；當(dāng)對同一型號的多個(gè)儀表進(jìn)行檢測且環(huán)境光照條件穩(wěn)定時(shí)，可通過實(shí)驗(yàn)方式獲得合適的閾值，并用于這一整批待檢測儀表； IV.根據(jù)用戶給定的刻度線及圓弧標(biāo)尺線最大寬度wliM—_(單位為mm)計(jì)算提取刻度線與圓弧標(biāo)尺線區(qū)域的結(jié)構(gòu)元素半徑liM:
rdetect_line = Wline_max ^ S (像素) Wline max的典型值為0.1~1.0 ;利用半徑為rde;te;c;t—line;的圓盤形結(jié)構(gòu)元素對B進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)開運(yùn)算，得到二值圖像B—;利用B—和B進(jìn)行二值圖像的異或操作，得到刻度線與圓弧標(biāo)尺線候選區(qū)域二值圖像Blim ； V.利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域骨架化方法，提取Blim的骨架K； v1.對K利用骨架分段法向投影確定包含標(biāo)尺盤心的候選圖像區(qū)域，得到候選標(biāo)尺盤心點(diǎn)集Crand( 表示候選標(biāo)尺盤心的X坐標(biāo)表示候選標(biāo)尺盤心的I坐標(biāo)，Nc；cand表示候選標(biāo)尺盤心的數(shù)量)； vi1.根據(jù)骨架K和候選標(biāo)尺盤心點(diǎn)集Ccand,利用霍夫變換圓檢測算法確定像素級的標(biāo)尺盤;L.、粗略位直Ye, coarse) (Xc, coarse為標(biāo)尺盤心的粗略X坐標(biāo)，yCjCOarse為標(biāo)尺盤心的粗略y坐標(biāo))及各條圓弧標(biāo)尺線的粗略半徑(Nlim表示用戶給定的圓弧標(biāo)尺線的數(shù)量，最常見的值為I); vii1.對每條圓弧標(biāo)尺線j，根據(jù)(x。，。。^^，yc；coarse)和~確定出K中的圓弧標(biāo)尺線候選點(diǎn)，然后利用雙點(diǎn)移除截?cái)嘧钚《藞A擬合方法確定各條圓弧標(biāo)尺線的亞像素級圓參數(shù){(x；Jine,>VJm%One)Ni^Mme} ( Xf"為第j條圓弧標(biāo)尺線圓心的X坐標(biāo)，l/為第j條圓弧標(biāo)尺線圓心的I坐標(biāo)，^lke為第j條圓弧標(biāo)尺線圓心的半徑)； ix.根據(jù)Viii中獲得的每條圓弧標(biāo)尺線j的圓參數(shù)(^lmsVvfnVfe)，在Bline中確定該條圓弧標(biāo)尺線區(qū)域候選點(diǎn)，并利用徑向投影法確定該條圓弧標(biāo)尺線上各候選刻度線的朝向角PfdIlS MiVlilieM( iV —d為第j條圓弧標(biāo)尺線上的候選刻度線數(shù)量)，進(jìn)而確定該條圓弧標(biāo)尺線上的各候選刻度基點(diǎn) ^ >;tic^cand ) |l < ； < Νχ^ ^\< s <J ( , ^ ld 為候選刻度基點(diǎn)的 X 坐標(biāo)，為候選刻度基點(diǎn)的y坐標(biāo))； χ.利用共域性對每條圓弧標(biāo)尺線j上的候選刻度基點(diǎn)進(jìn)行篩選，獲得每條圓弧標(biāo)尺線j上檢測得到的刻度基點(diǎn){{xT ,V；fA )|1<7<^,1<5<^} (.T；fA為檢測得到的刻度基點(diǎn)的X坐標(biāo)，3^'a為檢測得到的刻度基點(diǎn)的I坐標(biāo) <為檢測得到的刻度線數(shù)量); X1.調(diào)整激勵(lì)信號源輸入大小至滿量程的80%左右；拍攝并矯正得到儀表盤面的灰度圖像Ib ;重復(fù)步驟IV~X，得到另一組刻度基點(diǎn){(d)|l<y<iVlme,l<r<iV；} (為根據(jù)Ib檢測得到的刻度基點(diǎn)的X坐標(biāo)，Mf3為根據(jù)Ib檢測得到的刻度基點(diǎn)的I坐標(biāo)，NJ為檢測得到的刻度線數(shù)量)； xi1.對每條圓弧標(biāo)尺線j，將上述所得的兩組刻度基點(diǎn)合并為一個(gè)刻度基點(diǎn)集合，并按各個(gè)刻度基點(diǎn)至該條圓弧標(biāo)尺線圓心連線的朝向角由小到大對刻度基點(diǎn)進(jìn)行排序；依次考察排序后位置相鄰的刻度基點(diǎn)對之間的距離，如果某兩個(gè)相鄰刻度基點(diǎn)之間的距離不大于一個(gè)給定的閾值，則以這兩個(gè)刻度基點(diǎn)連線的中點(diǎn)坐標(biāo)代替它們作為相應(yīng)刻度的刻度基點(diǎn)，ε repeat的典型取值可設(shè)為0.1Xs ;以由此得到的刻度基點(diǎn)集{(^^^)|?<7<^ιηε,1<^<^} ( ^為最終確定的刻度基點(diǎn)的χ坐標(biāo)，.V-為最終確定的刻度基點(diǎn)的y坐標(biāo)，％為最終確定的刻度線數(shù)量)以及它們各自所對應(yīng)的量值^ k作為刻度檢測的結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第vi步中利用骨架分段法向投影的標(biāo)尺盤心候選區(qū)域確定方法，其特征在于如下步驟: a.遍歷K中所有的像素點(diǎn)，確定K中每個(gè)特征點(diǎn)的8-鄰域中其他特征點(diǎn)(以下稱為該特征點(diǎn)的8-鄰點(diǎn))的數(shù)量； b.將K中所有8-鄰點(diǎn)數(shù)量大于2的特征點(diǎn)去除，得到簡化骨架Kdismrai； c.遍歷Kdisirai并確定其中每個(gè)特征點(diǎn)的8-鄰點(diǎn)數(shù)量； d.依次考察Kdismeail中的每個(gè)特征點(diǎn)，當(dāng)找到一個(gè)8-鄰點(diǎn)數(shù)量為I的特征點(diǎn)時(shí),便由該點(diǎn)開始依次搜索并記錄與之為8-連通的特征點(diǎn)(包括該點(diǎn)在內(nèi))坐標(biāo)，獲得當(dāng)前骨架線條中各特征點(diǎn)的坐標(biāo)序列，并將這些點(diǎn)由Kdisirai中去除； e.由步驟d獲得的當(dāng)前骨架線條特征點(diǎn)坐標(biāo)序列，從序列起點(diǎn)開始，將序列分為首尾相連的若干片段，每個(gè)片段包括Iseg個(gè)特征點(diǎn)；記錄下每個(gè)片段的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)；如果序列最后僅包含不足Iseg個(gè)特征點(diǎn)，則將這部分特征點(diǎn)舍棄；lseg的典型取值為(0.05~.0.2) Xs ； f.重復(fù)步驟d、e直至Kdismrai中所有特征點(diǎn)都被考察完畢； g.再次依次考察Kdisirai中的每個(gè)特征點(diǎn)，當(dāng)找到一個(gè)8-鄰點(diǎn)數(shù)量為2的特征點(diǎn)時(shí)，便由該點(diǎn)開始依次搜索并記錄與之為8-連通的特征點(diǎn)(包括該點(diǎn)在內(nèi))坐標(biāo)，獲得當(dāng)前骨架線條中各特征點(diǎn)的坐標(biāo)序列，并將這些點(diǎn)由Kdisirai中去除； h.由步驟g獲得的當(dāng)前骨架線條特征點(diǎn)坐標(biāo)序列，從序列起點(diǎn)開始，將序列分為首尾相連的若干片段，每個(gè)片段包括Iseg個(gè)特征點(diǎn)；記錄下每個(gè)片段的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)；如果序列最后僅包含不足Iseg個(gè)特征點(diǎn)，則將這部分特征點(diǎn)舍棄；. 1.重復(fù)步驟g、h直至Kdismrai中所有特征點(diǎn)都被考察完畢；j.將Ia的整個(gè)圖像區(qū)域劃分成邊長為b個(gè)像素的正方形構(gòu)成的網(wǎng)格，b的典型取值為(1 ~5) Xs ;為每一個(gè)正方形網(wǎng)格
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第vii步中像素級的標(biāo)尺盤心粗略位置的霍夫變換圓檢測方法，其特征在于如下步驟: a.根據(jù)候選標(biāo)尺盤心點(diǎn)集Cmd和用戶給定的圓弧標(biāo)尺線的最大半徑rmax和最小半徑rmin，初始化一個(gè)圓霍夫變換的累加器矩陣
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第Viii步中的圓弧標(biāo)尺線亞像素級圓參數(shù)確定方法，其特征在于: a.按用戶給定的圓弧標(biāo)尺線排列順序(例如根據(jù)半徑由小到大或由大到小)，對圓弧標(biāo)尺線的粗略半徑進(jìn)行排序，排序后的粗略半徑記為|1<J≤ Nlme}；b.用戶按給定的圓弧標(biāo)尺線排列順序，為每條圓弧標(biāo)尺線j確定一個(gè)該圓弧標(biāo)尺線及其上刻度線所在的半徑偏移范圍遠(yuǎn)離標(biāo)尺盤心方向的半徑偏移值符號定義為正ojmini 和ojmini 的典型取值范圍為(0.5~5) Xs ;在K中確定所有的特征點(diǎn)(x，y)，它們滿足
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第ix步中候選刻度基點(diǎn)的徑向投影確定方法，其特征在于: a.對每條圓弧標(biāo)尺線j(1≤j≤Nline)，根據(jù)半徑偏移范圍[ο；1'#331]，在Bline中確定所有的特征點(diǎn)U，y)，它們滿足
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第X步中利用共域性的刻度基點(diǎn)篩選方法，其特征在于: a.利用一個(gè)半徑為rflaws的圓盤形結(jié)構(gòu)元素對Blim進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的閉運(yùn)算，得到處理后的二值圖像Bline^d ；rflaw為標(biāo)尺線區(qū)域中可能造成分割后標(biāo)尺線區(qū)域斷裂的瑕疵的尺寸，典型值為0.05~0.1 ;b.利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的連通域標(biāo)記方法對Blim，d進(jìn)行連通域標(biāo)記，為其中每個(gè)連通區(qū)域賦予一個(gè)取值為I~Nms的特有的整數(shù)標(biāo)號，其中Nms為Blim^d中的連通區(qū)域的數(shù)量； c.對每條圓弧標(biāo)尺線
【文檔編號】G01D7/00GK103994786SQ201410244156
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年6月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月4日
【發(fā)明者】郭斯羽, 周樂前, 魏旭一, 王耀南, 溫和, 滕召勝, 孟志強(qiáng) 申請人:湖南大學(xué)