專利名稱：基于圖像處理的儀表指針轉(zhuǎn)角識別方法
技術領域：
本發(fā)明涉及基于圖像處理的儀表指針轉(zhuǎn)角識別方法，屬于圖像處理領域。
背景技術：
圖像處理在工業(yè)檢測領域的使用逐漸增多，基于圖像處理的儀表盤檢測可以在很大程度上替代用人來去對儀表進行檢測。儀表檢測主要指其指針轉(zhuǎn)向的檢測，檢測在給定輸入信號下，測試儀表輸出的指針指向是否準確?，F(xiàn)在儀表指針檢測的主要使用絕對角度的方法，主要采用幀差法，即采集指針不同轉(zhuǎn)角的兩幅圖像，然后進行相減，因為只有指針的位置發(fā)生變化，相減之后會剩下只含兩個指針的圖像，然后對其進行處理，算出指針指向的準確角度。
幀差法存在問題每個儀表進行檢測時，需要嚴格知道儀表的坐標信息，對儀表的裝卡提出很到要求；該方法不是人觀察儀表的原始方法，即人們所觀察的是指針是否嚴格指向了什么刻度，一些表盤的刻度在轉(zhuǎn)配時會有相對表盤中心的轉(zhuǎn)動，即使指針絕對角度準確，指針也不一定是嚴格指向指定刻度的；除了指針外的其他像素在兩幅圖像中會有變化，巾貞差法都會查出來，方法有時會不穩(wěn)定。使用直接指針刻度指向識別的方法可以避免幀差法帶來的弊端。但是面臨以下問題有的儀表盤圖像元素復雜，提取的灰度圖像會含有各種指示燈、數(shù)字、其他裝飾元素，刻度的識別難度大；采集的圖像會因為光線、相機參數(shù)的變化產(chǎn)生較大改變，指針的提取穩(wěn)定性不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決采用絕對角度方法檢測儀表指針的幀差法誤差大的問題，提供了一種基于圖像處理的儀表指針轉(zhuǎn)角識別方法。本發(fā)明所述基于圖像處理的儀表指針轉(zhuǎn)角識別方法，該方法包括以下步驟步驟一、利用工業(yè)相機采集儀表的一幅灰度圖像，作為儀表的原始圖像；步驟二、對步驟一所述原始圖像進行預處理，獲取二值化圖像，步驟三、在所述二值化圖像上初步提取儀表盤刻度，獲取初步提取儀表盤刻度圖像；步驟四、對所述初步提取儀表盤刻度圖像進行Hough圓變換，確定儀表盤的圓心；步驟五、根據(jù)所述儀表盤的圓心，對步驟一所述原始圖像進行極坐標變換，獲取原始圖像的極坐系圖像，極坐標系X軸為像素距圓心的半徑值，極坐標系I軸為儀表盤的角度值；步驟六、對極坐標系y軸表述的儀表盤的角度值刻度進行分析，建立刻度角度序列；步驟七、查找極坐標系中儀表盤的指針位置，獲取指針二值化圖像；步驟八、根據(jù)步驟六獲得的刻度角度序列獲取步驟七的指針二值化圖像在極坐標系下指向I軸的角度值，輸出儀表盤的指針指向的真實數(shù)據(jù)，完成對儀表指針轉(zhuǎn)角的識別。本發(fā)明的優(yōu)點I、較低的原始圖像要求，降低對系統(tǒng)環(huán)境、相機、裝卡等要求。預處理階段允許Hough圓變換含有偏差，允許類刻度連通域的出現(xiàn)，允許刻度的不清晰或者顏色不同，允許表盤存在偏心(不圓)，在使用以Hough變換為基準提取原始閾值化圖像的連通域時允許刻度區(qū)域不完全的提取。允許最終的提取的表盤圓心存在偏差。允許最終的刻度存在少數(shù)未能提取到。以上情況均在原始圖像像質(zhì)很差的情況下發(fā)生，應用本方法不會影響最終的指針指向識別精度。較直接刻度的模板匹配，基于顏色的方法等性能大幅提高。2、使用Hough變換提取的圓為基準，提取原始閾值化圖像的連通域，可以排除圓內(nèi)和圓外的類刻度區(qū)域的干擾，利用表盤的圓特性去除非刻度區(qū)域。在Hough變換未能夠 提取表盤粗略的刻度圓時采用降分辨率的方法，在較低分辨率下，就可以很好提取刻度圓?；谖矬w形態(tài)的識別會大大提升識別的性能。3、步驟七中利用圖像閾值化與Canny邊緣提取后圖像相減，可以斷開指針區(qū)域和非指針區(qū)域的連接，防止指針閾值化后與周圍的燈、數(shù)字等相連，影響指針擬合精度。使用指針擬合點的權(quán)值隨偏離圓心距離增加而加大，可以提高對得到指針擬合精度。4、算法不用每次都進行提取表盤圓心和刻度角度序列，在檢測同一塊表的不同指針指向時只需要提取一次表盤圓心和刻度角度序列，這樣可以省去大量前期圖像處理時間。5、整體流程均由穩(wěn)定性較高的圖像處理算法組成包括滑動閾值方法、Canny邊緣提取、Hough圓變換。6、基于刻度的指針指向識別，排除了在絕對角度檢測中由于儀表偏轉(zhuǎn)帶來的檢測偏差。圖像處理結(jié)果更加直觀。


圖I是本發(fā)明方法涉及的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明所述基于圖像處理的儀表指針轉(zhuǎn)角識別方法的流程圖；圖3是實施方式二的流程圖；圖4是實施方式三的流程圖；圖5是實施方式四的流程圖；圖6是實施方式五的流程圖；圖7是實施方式六的流程圖；圖8是原始圖像，為灰度圖像；圖9是原始圖像用滑動窗口閾值化后的二值化圖像；圖10是特征點限制后的二值化圖像；圖11是特征點設定；圖12是原始圖像被3*3模板處理后的腐蝕圖像；圖13是在圖11中查找圖12的連通域后圖像；圖14是對圖13進行Hough圓提取后的圖像；圖15是圖14和圖13疊加圖像；
圖16是在圖13中查找圖14的連通域；圖11是擬合后的圓像；圖18是原始圖像極坐標變換后圖像；圖19是刻度感興趣區(qū)域圖像；圖20是累加圖19的X軸方向像素曲線圖；圖21是圖20的差分值曲線圖；
圖22是指針區(qū)域在原始圖像基礎上進行Canny輪廓提取后圖像，為精提取的指針輪廓；圖23是準確的指針二值化圖像。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結(jié)合圖I至圖23說明本實施方式，本實施方式所述基于圖像處理的儀表指針轉(zhuǎn)角識別方法，該方法包括以下步驟步驟一、利用工業(yè)相機采集儀表的一幅灰度圖像，作為儀表的原始圖像；如圖8所
/Jn o步驟二、對步驟一所述原始圖像進行預處理，獲取二值化圖像，如圖9所示。步驟三、在所述二值化圖像上初步提取儀表盤刻度，獲取初步提取儀表盤刻度圖像；如圖10至圖13所示。步驟四、對所述初步提取儀表盤刻度圖像進行Hough圓變換，確定儀表盤的圓心；步驟五、根據(jù)所述儀表盤的圓心，對步驟一所述原始圖像進行極坐標變換，獲取原始圖像的極坐系圖像，極坐標系X軸為像素距圓心的半徑值，極坐標系I軸為儀表盤的角度值；步驟六、對極坐標系y軸表述的儀表盤的角度值刻度進行分析，建立刻度角度序列；步驟七、查找極坐標系中儀表盤的指針位置，獲取指針二值化圖像；步驟八、根據(jù)步驟六獲得的刻度角度序列獲取步驟七的指針二值化圖像在極坐標系下指向y軸的角度值，輸出儀表盤的指針指向的真實數(shù)據(jù)，完成對儀表指針轉(zhuǎn)角的識別。儀表盤中心提取由兩部分組成，預提取和精確提取。預提取中使用了刻度特征點限制，排除閾值化后明顯不是刻度的像素，使用了 Hough圓變換得到刻度圓的大致位置、參數(shù)。精確提取使用了刻度內(nèi)側(cè)、外側(cè)同時圓擬合的方法得到圓心和刻度的半徑最大值和最小值。利用提取的圓心進行圖像的極坐標變換，在極坐標下實現(xiàn)對儀表指針的提取和刻度角度序列的提取，指針使用加權(quán)點的直線擬合。
具體實施方式
二 本實施方式對實施方式一作進一步說明，步驟二中預處理，獲取二值化圖像的過程為參見圖10至圖13。步驟21、在原始圖像上標識出多個矩形框作為感興趣區(qū)域；步驟22、用2*2的滑動窗口進行閾值化，獲取閾值化原始圖像；步驟23、對閾值化原始圖像采用Canny算子的圖像進行輪廓提取，保留刻度區(qū)域輪廓；
步驟24、對閾值化原始圖像利用3*3模板進行圖像腐蝕，獲取腐蝕閾值化圖像，3*3模板遍歷閾值化原始圖像，某像素點周轉(zhuǎn)3*3區(qū)域內(nèi)含有像素時保留該像素點，否則，去除該像素點；步驟25、在腐蝕閾值 化圖像中查找連通域，獲取二值化圖像。針對不同形狀的刻度設定特征點。算法遍歷每個輪廓，針對每個輪廓，在對應像素坐標的二值化圖像中通過檢測這些特征點的像素存在/不存在來初步判斷是否為儀表刻度，得到一個初步提取刻度的圖像；腐蝕閾值化圖像，查找腐蝕后的圖像在初步提取的刻度圖像中的連通域，去除干擾的圖像區(qū)域。
具體實施方式
三本實施方式對實施方式一或二作進一步說明，步驟四中初步確定儀表盤圓心的過程為步驟41、對所述初步提取儀表盤刻度圖像進行Hough圓變換，提取符合約束條件的圓，約束條件為圓含有至少連續(xù)180°的弧在圖像中；步驟42、判斷是否存在符合約束條件的圓，判斷結(jié)果為是，則執(zhí)行步驟43 ;判斷結(jié)果為否，則降低所述初步提取儀表盤刻度圖像的分辨率，再返回執(zhí)行步驟41 ；步驟43、以Hough變換的圓為基準，在二值化圖像中查找連通域，得到精確的儀表盤刻度圖像，在對二值化圖像中查找連通域，得到準確的只含有刻度的圖像，此時刻度不必全部都提取出來。參見圖15、16和17，識別一次即可，不需要判定是否所有刻度是否識別出來。步驟44、對所述精確儀表盤刻度圖像中含有刻度外邊中點的圓和含有刻度內(nèi)邊中點的圓分別進行圓擬合，得到儀表盤的準確圓心和儀表刻度相對準確圓心的半徑范圍。
具體實施方式
四本實施方式對實施方式一、二或三作進一步說明，步驟六中建立刻度角度序列的過程為參見圖19至圖21。步驟61、計算極坐標系X軸每個點在y軸的累加像素的差分值；步驟62、提取X軸上的各差分值峰值點；步驟63、每個極大值和極小值的坐標平均值作為刻度中心，得到每個刻度的中心角度值，進而建立刻度角度序列。
具體實施方式
五本實施方式對實施方式一、二、三或四作進一步說明，步驟七中獲取指針二值化圖像的過程為步驟71、在極坐標系下計算X軸方向像素累加值最大值點對應的y值；步驟72、根據(jù)步驟71的y值用矩形框設置指針感興趣區(qū)域，進行查找指針輪廓；步驟73、計算最大輪廓的中心點；步驟74、查找所述中心點連通域，獲取指針最大輪廓二值化圖像；步驟75、用所述指針最大輪廓二值化圖像減去原始圖像中指針Canny輪廓,獲取指針二值化圖像。原始圖像中指針Canny輪廓的獲取與實施方式二中步驟23表述的過程一致。
具體實施方式
六本實施方式對實施方式一、二、三、四或五作進一步說明，步驟八中根據(jù)六的刻度角度序列獲取步驟七的指針二值化圖像在極坐標系下指向y軸的角度值，輸出儀表盤的指針指向的真實數(shù)據(jù)，完成對儀表指針轉(zhuǎn)角的識別的過程為
步驟81、計算指針在X軸上每個點對應J軸像素的平均J坐標值； 步驟82、按指針在X軸上從小到大的順序?qū)γ總€點對應的I軸像素的平均I坐標值進行直線擬合；步驟83、根據(jù)步驟82擬合的直線，計算該直線在表盤極坐標系下對應的角度值，即獲取指針二值化圖像在極坐標系下指向y軸的角度值；步驟84、再查找刻度角度序列，輸出儀表盤的指針指向的真實數(shù)據(jù)，完成對儀表指針轉(zhuǎn)角的識別。
權(quán)利要求
1.基于圖像處理的儀表指針轉(zhuǎn)角識別方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 步驟一、利用工業(yè)相機采集儀表的一幅灰度圖像，作為儀表的原始圖像； 步驟二、對步驟一所述原始圖像進行預處理，獲取二值化圖像， 步驟三、在所述二值化圖像上初步提取儀表盤刻度，獲取初步提取儀表盤刻度圖像； 步驟四、對所述初步提取儀表盤刻度圖像進行Hough圓變換，確定儀表盤的圓心； 步驟五、根據(jù)所述儀表盤的圓心，對步驟一所述原始圖像進行極坐標變換，獲取原始圖 像的極坐系圖像，極坐標系X軸為像素距圓心的半徑值，極坐標系y軸為儀表盤的角度值； 步驟六、對極坐標系I軸表述的儀表盤的角度值刻度進行分析，建立刻度角度序列； 步驟七、查找極坐標系中儀表盤的指針位置，獲取指針二值化圖像； 步驟八、根據(jù)步驟六獲得的刻度角度序列獲取步驟七的指針二值化圖像在極坐標系下指向I軸的角度值，輸出儀表盤的指針指向的真實數(shù)據(jù)，完成對儀表指針轉(zhuǎn)角的識別。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于圖像處理的儀表指針轉(zhuǎn)角識別方法，其特征在于，步驟二中預處理，獲取二值化圖像的過程為 步驟21、在原始圖像上標識出多個矩形框作為感興趣區(qū)域； 步驟22、用2*2的滑動窗口進行閾值化，獲取閾值化原始圖像； 步驟23、對閾值化原始圖像采用Canny算子的圖像進行輪廓提取，保留刻度區(qū)域輪廓； 步驟24、對閾值化原始圖像利用3*3模板進行圖像腐蝕，獲取腐蝕閾值化圖像， 3*3模板遍歷閾值化原始圖像，某像素點周轉(zhuǎn)3*3區(qū)域內(nèi)含有像素時保留該像素點，否貝U，去除該像素點； 步驟25、在腐蝕閾值化圖像中查找連通域，獲取二值化圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于圖像處理的儀表指針轉(zhuǎn)角識別方法，其特征在于，步驟四中初步確定儀表盤圓心的過程為 步驟41、對所述初步提取儀表盤刻度圖像進行Hough圓變換，提取符合約束條件的圓，約束條件為圓含有至少連續(xù)180°的弧在圖像中； 步驟42、判斷是否存在符合約束條件的圓， 判斷結(jié)果為是，則執(zhí)行步驟43;判斷結(jié)果為否，則降低所述初步提取儀表盤刻度圖像的分辨率，再返回執(zhí)行步驟41 ； 步驟43、以Hough變換的圓為基準，在二值化圖像中查找連通域，得到精確的儀表盤刻度圖像， 步驟44、對所述精確儀表盤刻度圖像中含有刻度外邊中點的圓和含有刻度內(nèi)邊中點的圓分別進行圓擬合，得到儀表盤的準確圓心和儀表刻度相對準確圓心的半徑范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于圖像處理的儀表指針轉(zhuǎn)角識別方法，其特征在于，步驟六中建立刻度角度序列的過程為 步驟61、計算極坐標系X軸每個點在y軸的累加像素的差分值； 步驟62、提取X軸上的各差分值峰值點； 步驟63、每個極大值和極小值的坐標平均值作為刻度中心，得到每個刻度的中心角度值，進而建立刻度角度序列。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述基于圖像處理的儀表指針轉(zhuǎn)角識別方法，其特征在于，步驟七中獲取指針二值化圖像的過程為步驟71、在極坐標系下計算X軸方向像素累加值最大值點對應的j值； 步驟72、根據(jù)步驟71的y值用矩形框設置指針感興趣區(qū)域，進行查找指針輪廓； 步驟73、計算最大輪廓的中心點； 步驟74、查找所述中心點連通域，獲取指針最大輪廓二值化圖像； 步驟75、用所述指針最大輪廓二值化圖像減去原始圖像中指針Canny輪廓，獲取指針二值化圖像。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于圖像處理的儀表指針轉(zhuǎn)角識別方法，其特征在于，步驟八中根據(jù)六的刻度角度序列獲取步驟七的指針二值化圖像在極坐標系下指向y軸的角度值，輸出儀表盤的指針指向的真實數(shù)據(jù)，完成對儀表指針轉(zhuǎn)角的識別的過程為 步驟81、計算指針在X軸上每個點對應y軸像素的平均I坐標值；步驟82、按指針在X軸上從小到大的順序?qū)γ總€點對應的I軸像素的平均y坐標值進行直線擬合； 步驟83、根據(jù)步驟82擬合的直線，計算該直線在表盤極坐標系下對應的角度值，即獲 取指針二值化圖像在極坐標系下指向y軸的角度值； 步驟84、再查找刻度角度序列，輸出儀表盤的指針指向的真實數(shù)據(jù)，完成對儀表指針轉(zhuǎn)角的識別。
全文摘要
基于圖像處理的儀表指針轉(zhuǎn)角識別方法，屬于圖像處理領域，本發(fā)明為解決采用絕對角度方法檢測儀表指針的幀差法誤差大的問題。本發(fā)明方法包括以下步驟一、采集儀表的一幅灰度圖像作為原始圖像；二、預處理，獲取二值化圖像，三、獲取初步提取儀表盤刻度圖像；四、進行Hough圓變換，確定儀表盤的圓心；五、根據(jù)所述儀表盤的圓心，對原始圖像進行極坐標變換，獲取極坐系圖像；六、對極坐標系y軸的角度值刻度進行分析，建立刻度角度序列；七、查找極坐標系中指針位置，獲取指針二值化圖像；八、根據(jù)六獲得的刻度角度序列獲取指針二值化圖像在極坐標系下指向y軸的角度值，輸出儀表盤的指針指向的真實數(shù)據(jù)，完成對儀表指針轉(zhuǎn)角的識別。
文檔編號G06K9/38GK102799867SQ20121023431
公開日2012年11月28日 申請日期2012年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月9日
發(fā)明者鐘賢德, 潘惠惠, 高會軍, 于金泳 申請人:哈爾濱工業(yè)大學