圆弧标尺线指针式仪表刻度的图像检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于图像的指针式仪表圆弧标尺刻度的自动检测方法。用单台数码照相机构建图像采集系统并进行标定；在对应于20％和80％满量程的激励信号下拍摄两幅表头图像；经阈值化和形态学处理获得标尺线与刻度线区域；提取骨架并经骨架分段法向投影确定候选标尺盘心；用霍夫变换圆检测确定粗略标尺盘心与标尺线半径；利用双点移除截断最小二乘拟合确定标尺线精确圆心与半径；用径向投影法确定标尺线上刻度线朝向角，获得候选刻度基点；用共域性确定检测所得刻度基点；合并两幅图像的结果为最终的刻度基点集。本发明能完成圆弧标尺线指针式仪表刻度位置的自动检测，可应用于仪表的自动校准和自动读数中，提高读数准确度，减轻劳动强度。
【专利说明】圆弧标尺线指针式仪表刻度的图像检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及仪表自动校准和仪表自动读数等领域，具体是一种基于图像的指针式仪表圆弧标尺上刻度的自动检测方法。
【背景技术】
[0002]指针式仪表具有结构简单，使用方便等优点。在数字式仪表的应用日益广泛的今天，指针式仪表也仍然具有很大的年产量，而正在使用中的各类系统中更是存在着极为大量的指针式仪表。如果依靠人工来完成新产和使用中的指针式仪表的检定与校准工作，则其劳动量极大，且容易受到检验人员自身主观因素的影响。一种针对指针式仪表检定和校准问题的低成本解决途径，便是基于图像处理和机器视觉的仪表自动检定校准方法。此外，对现有系统提出的计算机远程控制与管理方面的要求，也需要能够自动获取包括指针式仪表读数在内的各个生产数据，而基于图像处理的指针式仪表自动读数方法同样是实现该目标的最直接、对现有系统影响和改造最小的途径。在基于图像的指针式仪表自动校准与自动读数中，仪表刻度的自动识别是不可或缺的重要步骤。
[0003]现有的仪表自动读数方法多通过人为设置刻度在图像中的角度范围来实现仪表指针方向到读数的转换；也有一些方法首先识别出表头的刻度值文字，确定出刻度位置与大小后，再将指针位置转换为仪表读数。这些方法或者失之过简，无法适用于刻度间距存在不均匀性的场合，从而造成自动读数中较大的系统误差；或者方法较为繁琐，且可靠性也有所下降。
[0004]因此，有必要找到一种相对简单、适用性好的方法，能够针对同型号仪表批量的校准或自动读数，方便可靠地利用图像处理和识别技术自动确定仪表刻度线或其代表点在图像中的位置，进而将图像中检测所得的指针位置转换为仪表读数，从而实现仪表读数自动化，减轻工作者的劳动强度，消除仪表读数不确定度中人为因素的分量，提高仪表读数的准确度，最终帮助实现仪表校准及信息管理和应用中数据采集的自动化。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题，是针对具有圆弧标尺线的指针式仪表表头提供一种刻度自动检测的方法。所述的指针式仪表，其表头上具有一条或多条同心的圆弧标尺线，每条圆弧标尺线上以均匀或不均匀间距分布着短直线段刻度，这些刻度直线与圆弧标尺线正交，且一端落在圆弧标尺线上；称所述的同心圆弧标尺线的圆心为标尺盘心；称所述的刻度直线段与圆弧标尺线的交点为刻度基点。
[0006]本发明为解决上述技术问题所提出的方法具体包括以下步骤:
[0007]1.确定一个放置待检测刻度的指针式仪表的固定平面；安装一台数码照相机或数码摄像机(为简洁起见，以下行文中仅以数码照相机为例加以叙述)，使其成像光轴垂直朝向于仪表表头平面；调整数码照相机的位置和焦距，使得照相机恰好聚焦于表头平面，并使得圆弧标尺线、刻度线以及标尺盘心所在的范围能够占据图像中90% (按长宽尺寸计算)的部分；利用现有标准的照相机标定方法(可参考“C.Steger，M.Ulrich，C.Wiedemann,著，杨少荣，吴迪靖，段德山，译.机器视觉算法与应用(双语版).北京:清华大学出版社，2008”第3.9.4节)，确定如上构成的视觉系统的径向畸变因子K和比例因子s，以像素/mm为单位，该比例因子描述了被拍摄对象的实际物理尺寸(以mm计)和它在图像中的尺寸(以像素计)之间的比例关系；在下述的整个检测过程中，如上构成的视觉系统不得再进行调整；
[0008]i1.将待检测刻度的指针式仪表放置在上述平面上，接入适用于该表的激励信号源，调整输入大小为满量程的20%左右；利用数码照相机拍摄得到表头的灰度图像；利用现有标准的径向畸变校正方法，根据径向畸变因子K进行图像校正后得到灰度图像Ia;
[0009]ii1.利用固定阈值进行二值化，得到二值图像B ;当对同一型号的多个仪表进行检测且环境光照条件稳定时，可通过实验方式获得合适的阈值t，并用于这一整批待检测仪表；当表头为浅色背景、深色刻度时，二值化操作为:
【权利要求】
1.一种基于图像的、针对具有圆弧标尺线的指针式仪表自动校准或自动读数的刻度检测方法；所述的指针式仪表，其表头上具有一条或多条同心的圆弧标尺线，每条圆弧标尺线上以均匀或不均匀间距分布着短直线段刻度，这些刻度直线与圆弧标尺线正交，且一端落在圆弧标尺线上；称所述的同心圆弧标尺线的圆心为标尺盘心；称所述的刻度直线段与圆弧标尺线的交点为刻度基点；所述的此类圆形标尺线指针式仪表的刻度自动检测方法包括以下步骤: 1.确定一个放置待检测刻度的指针式仪表的固定平面；安装一台数码照相机或数码摄像机(为简洁起见，以下行文中仅以数码照相机为例加以叙述)，使其成像光轴垂直朝向于仪表表头平面；调整数码照相机的位置和焦距，使得照相机恰好聚焦于表头平面，并使得圆弧标尺线、刻度线以及标尺盘心所在的范围能够占据图像中90% (按长宽尺寸计算)的部分；利用现有标准的照相机标定方法，确定如上构成的视觉系统的径向畸变因子K和比例因子s，以像素/mm为单位，该比例因子描述了被拍摄对象的实际物理尺寸(以mm计)和它在图像中的尺寸(以像素计)之间的比例关系；在下述的整个检测过程中，如上构成的视觉系统不得再进行调整； ?.将待检测刻度的指针式仪表放置在上述平面上，接入适用于该表的激励信号源，调整输入大小为满量程的20%左右；利用数码照相机拍摄得到表头的灰度图像；利用现有标准的径向畸变校正方法，根据径向畸变因子K进行图像校正后得到灰度图像Ia; ii1.利用固定阈值进行二值化，得到二值图像B，其中，包含刻度线和圆弧标尺线区域的前景区域中的点为特征点(即二值图像中像素值为I的点)；当对同一型号的多个仪表进行检测且环境光照条件稳定时，可通过实验方式获得合适的阈值，并用于这一整批待检测仪表； IV.根据用户给定的刻度线及圆弧标尺线最大宽度wliM—_(单位为mm)计算提取刻度线与圆弧标尺线区域的结构元素半径liM:
rdetect_line = Wline_max ^ S (像素) Wline max的典型值为0.1~1.0 ;利用半径为rde;te;c;t—line;的圆盘形结构元素对B进行数学形态学开运算，得到二值图像B—;利用B—和B进行二值图像的异或操作，得到刻度线与圆弧标尺线候选区域二值图像Blim ； V.利用现有标准的区域骨架化方法，提取Blim的骨架K； v1.对K利用骨架分段法向投影确定包含标尺盘心的候选图像区域，得到候选标尺盘心点集Crand( 表示候选标尺盘心的X坐标表示候选标尺盘心的I坐标，Nc；cand表示候选标尺盘心的数量)； vi1.根据骨架K和候选标尺盘心点集Ccand,利用霍夫变换圆检测算法确定像素级的标尺盘;L.、粗略位直Ye, coarse) (Xc, coarse为标尺盘心的粗略X坐标，yCjCOarse为标尺盘心的粗略y坐标)及各条圆弧标尺线的粗略半径(Nlim表示用户给定的圆弧标尺线的数量，最常见的值为I); vii1.对每条圆弧标尺线j，根据(x。，。。^^，yc；coarse)和~确定出K中的圆弧标尺线候选点，然后利用双点移除截断最小二乘圆拟合方法确定各条圆弧标尺线的亚像素级圆参数{(x；Jine,>VJm%One)Ni^Mme} ( Xf"为第j条圆弧标尺线圆心的X坐标，l/为第j条圆弧标尺线圆心的I坐标，^lke为第j条圆弧标尺线圆心的半径)； ix.根据Viii中获得的每条圆弧标尺线j的圆参数(^lmsVvfnVfe)，在Bline中确定该条圆弧标尺线区域候选点，并利用径向投影法确定该条圆弧标尺线上各候选刻度线的朝向角PfdIlS MiVlilieM( iV —d为第j条圆弧标尺线上的候选刻度线数量)，进而确定该条圆弧标尺线上的各候选刻度基点 ^ >;tic^cand ) |l < ； < Νχ^ ^\< s <J ( , ^ ld 为候选刻度基点的 X 坐标，为候选刻度基点的y坐标)； χ.利用共域性对每条圆弧标尺线j上的候选刻度基点进行筛选，获得每条圆弧标尺线j上检测得到的刻度基点{{xT ,V；fA )|1<7<^,1<5<^} (.T；fA为检测得到的刻度基点的X坐标，3^'a为检测得到的刻度基点的I坐标 <为检测得到的刻度线数量); X1.调整激励信号源输入大小至满量程的80%左右；拍摄并矫正得到仪表盘面的灰度图像Ib ;重复步骤IV~X，得到另一组刻度基点{(d)|l<y<iVlme,l<r<iV；} (为根据Ib检测得到的刻度基点的X坐标，Mf3为根据Ib检测得到的刻度基点的I坐标，NJ为检测得到的刻度线数量)； xi1.对每条圆弧标尺线j，将上述所得的两组刻度基点合并为一个刻度基点集合，并按各个刻度基点至该条圆弧标尺线圆心连线的朝向角由小到大对刻度基点进行排序；依次考察排序后位置相邻的刻度基点对之间的距离，如果某两个相邻刻度基点之间的距离不大于一个给定的阈值，则以这两个刻度基点连线的中点坐标代替它们作为相应刻度的刻度基点，ε repeat的典型取值可设为0.1Xs ;以由此得到的刻度基点集{(^^^)|?<7<^ιηε,1<^<^} ( ^为最终确定的刻度基点的χ坐标，.V-为最终确定的刻度基点的y坐标，％为最终确定的刻度线数量)以及它们各自所对应的量值^ k作为刻度检测的结果。
2.根据权利要求1所述的第vi步中利用骨架分段法向投影的标尺盘心候选区域确定方法，其特征在于如下步骤: a.遍历K中所有的像素点，确定K中每个特征点的8-邻域中其他特征点(以下称为该特征点的8-邻点)的数量； b.将K中所有8-邻点数量大于2的特征点去除，得到简化骨架Kdismrai； c.遍历Kdisirai并确定其中每个特征点的8-邻点数量； d.依次考察Kdismeail中的每个特征点，当找到一个8-邻点数量为I的特征点时,便由该点开始依次搜索并记录与之为8-连通的特征点(包括该点在内)坐标，获得当前骨架线条中各特征点的坐标序列，并将这些点由Kdisirai中去除； e.由步骤d获得的当前骨架线条特征点坐标序列，从序列起点开始，将序列分为首尾相连的若干片段，每个片段包括Iseg个特征点；记录下每个片段的起点和终点坐标；如果序列最后仅包含不足Iseg个特征点，则将这部分特征点舍弃；lseg的典型取值为(0.05~.0.2) Xs ； f.重复步骤d、e直至Kdismrai中所有特征点都被考察完毕； g.再次依次考察Kdisirai中的每个特征点，当找到一个8-邻点数量为2的特征点时，便由该点开始依次搜索并记录与之为8-连通的特征点(包括该点在内)坐标，获得当前骨架线条中各特征点的坐标序列，并将这些点由Kdisirai中去除； h.由步骤g获得的当前骨架线条特征点坐标序列，从序列起点开始，将序列分为首尾相连的若干片段，每个片段包括Iseg个特征点；记录下每个片段的起点和终点坐标；如果序列最后仅包含不足Iseg个特征点，则将这部分特征点舍弃；. 1.重复步骤g、h直至Kdismrai中所有特征点都被考察完毕；j.将Ia的整个图像区域划分成边长为b个像素的正方形构成的网格，b的典型取值为(1 ~5) Xs ;为每一个正方形网格
3.根据权利要求1所述的第vii步中像素级的标尺盘心粗略位置的霍夫变换圆检测方法，其特征在于如下步骤: a.根据候选标尺盘心点集Cmd和用户给定的圆弧标尺线的最大半径rmax和最小半径rmin，初始化一个圆霍夫变换的累加器矩阵
4.根据权利要求1所述的第Viii步中的圆弧标尺线亚像素级圆参数确定方法，其特征在于: a.按用户给定的圆弧标尺线排列顺序(例如根据半径由小到大或由大到小)，对圆弧标尺线的粗略半径进行排序，排序后的粗略半径记为|1<J≤ Nlme}；b.用户按给定的圆弧标尺线排列顺序，为每条圆弧标尺线j确定一个该圆弧标尺线及其上刻度线所在的半径偏移范围远离标尺盘心方向的半径偏移值符号定义为正ojmini 和ojmini 的典型取值范围为(0.5~5) Xs ;在K中确定所有的特征点(x，y)，它们满足
5.根据权利要求1所述的第ix步中候选刻度基点的径向投影确定方法，其特征在于: a.对每条圆弧标尺线j(1≤j≤Nline)，根据半径偏移范围[ο；1'#331]，在Bline中确定所有的特征点U，y)，它们满足
6.根据权利要求1所述的第X步中利用共域性的刻度基点筛选方法，其特征在于: a.利用一个半径为rflaws的圆盘形结构元素对Blim进行数学形态学的闭运算，得到处理后的二值图像Bline^d ；rflaw为标尺线区域中可能造成分割后标尺线区域断裂的瑕疵的尺寸，典型值为0.05~0.1 ;b.利用现有标准的连通域标记方法对Blim，d进行连通域标记，为其中每个连通区域赋予一个取值为I~Nms的特有的整数标号，其中Nms为Blim^d中的连通区域的数量； c.对每条圆弧标尺线
【文档编号】G01D7/00GK103994786SQ201410244156
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年6月4日 优先权日:2014年6月4日
【发明者】郭斯羽, 周乐前, 魏旭一, 王耀南, 温和, 滕召胜, 孟志强 申请人:湖南大学