摘 要：分析現(xiàn)有人工抄表方式及已有水表自動抄表系統(tǒng)存在的問題，提出一種低成本的基于視覺技術(shù)的指針式水表遠傳抄表系統(tǒng)的設(shè)計方案。該系統(tǒng)平時不需要供電，只是在抄表時才臨時提供電源，具有節(jié)電功能且無數(shù)據(jù)累計誤差；水表讀數(shù)以圖像方式保存，當出現(xiàn)問題時便于用戶核對。采用圖像截取方法僅采集對識別有用的圖像信息，降低對存儲空間及處理速度的要求，用較低成本的處理器替代高成本專用圖像處理器，降低電路成本；根據(jù)采集的指針圖像特點和指針式水表的結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計確定指針指向的算法，并將識別軟件嵌入到硬件采集器中，在硬件采集器中實現(xiàn)指針式水表讀數(shù)的識別。實驗證其可應用性，對指針式水表數(shù)據(jù)遠傳系統(tǒng)的發(fā)展有重要意義。

關(guān)鍵詞：DSP； 指針式水表； 自動識別；遠傳抄表系統(tǒng)

中圖分類號：TM769；TP39 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2008)10-061-03

Study of Remote Reading System of Pointer Water-meter

YUAN Weiqi，LIU Hui

(Visual Inspection Technology Institute，Shenyang University of Technology，Shenyang，110023，China)

Abstract： The problems of present manual water measuring and automatic reading systems of water-meter are analyzed，then a kind oflow cost remote reading system of pointer water-meter based on vision is put forward.Power is needed only in water measuring，which can save eletricity and has no accumulative errors;the users check easily because the readings of water-meter is stored in image.The image intercepting method is used to collect the useful image in this system，which can reduce the need of storage and process speed，so low cost processor can be used instead of high cost processor，this method makes the cost of the electro circuit practical.The arithmetic of recognizing the direction of pointers is designed based on the image′s characteristic and pointer water meters′ configuration characters，and recognisition arithmetic is embeded in hardware，so image recognition is completed in the hardware circuit.The experimental result shows that this device can be applied and has important significance on meter data transmission system.

Keywords：DSP;pointer water-meter;automatic recognizing;remote reading system of water-meter

1 引 言

近年來我國城市人口急劇增加，隨之住宅建設(shè)規(guī)模也迅速擴大，水表安裝量也大幅度增加。由此帶來如下一些問題：如住宅樓層較高抄表人員勞動強度明顯加大；冒充抄表員私闖民宅作案事件時常發(fā)生；出于保護個人隱私，一些住戶不愿意外人進入；抄表結(jié)果與住戶讀數(shù)不一致引起爭端等。而且抄表過程中由于抄表不到位，私自調(diào)表改讀數(shù)等人為因素造成的水損是全部水損的主要部分，這關(guān)系到自來水公司的經(jīng)濟效益和國家水資源的合理利用，甚至會涉及到子孫后代的生存大計。此外，隨著人們的生活水平不斷提高，老百姓對生活環(huán)境提出了更高的要求；在政府政策的鼓舞下，家居智能化得到了高速的發(fā)展。同時，隨著科技的發(fā)展，小區(qū)住宅除了滿足人們最基本的居住要求，還要將方便、省時的物業(yè)管理帶給住戶。實現(xiàn)住宅的智能抄表系統(tǒng)，已成為新型智能小區(qū)的必備條件。

目前市場上有2種自動抄表系統(tǒng)投入使用：一種是三表（水電煤氣）遠傳抄表系統(tǒng)^[1]，普遍采用的是脈沖計數(shù)式，這種方式由于需帶電工作，易造成停電漏記，并有累計誤差^[2]；一種是IC卡式水表^[3]。這2種方式都需對原有水表進行改造，投資和工作量大。而國外的全電子式流量表雖然計量精度高，使用方便，但價格昂貴，不適合我國情?；谝曈X的指針式水表遠傳抄表系統(tǒng)是遠傳抄表系統(tǒng)的一種，屬于真正的直讀工作方式；他不需對原有水表進行改造；在干、濕環(huán)境都可以穩(wěn)定工作；不需要實時供電，只是在需要抄表時才臨時提供電源，無累計誤差；獲取的數(shù)據(jù)實際上就是用戶在表計表盤上看到的讀數(shù)，當出現(xiàn)問題時便于用戶核對。

目前國內(nèi)已有的方案^[4]是利用電子抄表器采集整個表盤圖像，然后通過通信接口輸入到讀數(shù)自動識別計算機系統(tǒng)中進行識別處理。因為傳輸?shù)氖菆D像信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理量和存儲量相對較大，對硬件要求較高。因此本文提出了另一種方案，該方案不采集完整的表盤圖像，采用圖像截取方法僅采集對識別有用的圖像信息，大大減少數(shù)據(jù)的處理量和存儲量，使用低價位的處理器即可實現(xiàn)系統(tǒng)功能，降低電路成本。并在硬件采集器中完成水表指針的識別，傳輸?shù)氖亲R別結(jié)果，數(shù)據(jù)量較小。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)采用面陣攝像機采集指針式水表圖像，利用Philips公司的專業(yè)視頻解碼器SAA7113H實現(xiàn)指針式水表圖像的數(shù)字化，然后利用TI公司的數(shù)字信號處理器TMS320VC5416實現(xiàn)指針式水表圖像的存儲和識別處理。最后經(jīng)通信接口輸出識別結(jié)果。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)設(shè)計的目的在于開發(fā)體積小、成本低的指針式水表遠傳抄表系統(tǒng)。所以在滿足系統(tǒng)要求的前提下，在器件選擇方面，盡可能地減少系統(tǒng)資源的冗余，提高系統(tǒng)的集成度。一般在涉及到圖像處理時，選用專用圖像處理芯片如TI公司的6000系列芯片，這類芯片存儲空間大且速度高，適用于圖像處理。但由于本系統(tǒng)定位于低成本，所以選用的芯片無論在存儲空間還是在速度方面都有所局限，而實際完整的指針式水表表盤圖像的數(shù)據(jù)存儲量較大，這兩者間形成矛盾，以下對該問題進行分析并給出解決方案。

3 減少數(shù)據(jù)存儲量的方法研究 

由于本系統(tǒng)選用的核心處理器是低價位的數(shù)字信號處理器TMS320VC5416，該處理器的數(shù)據(jù)存儲空間只有64 kB，可以映射到該空間的片上RAM共有63.875 kB，地址范圍為0x0080x~0xFFFF。根據(jù)程序大小要求，這些RAM中需有12 kB映射到程序存儲空間存儲程序，那么實際映射到數(shù)據(jù)存儲空間的片上RAM只有51.875 kB。這部分RAM用于存儲原始水表圖像、水表圖像的中間處理結(jié)果（如二值化圖像）及分配處理過程中所需的存儲單元等。所以實際用于存儲原始水表圖像的RAM容量不大。原始水表圖像大小的差異會導致水表圖像中間處理結(jié)果所需存儲空間大小不同及處理過程中所需的存儲單元空間大小不同。但用于存儲原始水表圖像的RAM至多也不會超過25 kB。為討論方便，現(xiàn)假設(shè)存儲原始水表圖像的RAM為25 kB，并給出完整的水表表盤圖像，如圖2所示。

圖2 完整的水表表盤圖像

若采集完整的水表表盤圖像存放在這25 kB的RAM中，水表表盤圖像的分辨率是160×160。又因為每個子表盤約是整個水表表盤大小的1/25，所以子表盤圖像的分辨率是32×32，每條指針中心線上約有8個像素點。經(jīng)分析在實際指針式水表讀數(shù)中噸級以下讀數(shù)一般不計，只需識別圖2中所示的4幅噸級子表盤圖像，他們的數(shù)量級分別為×1，×10，×100，×1 000。而表盤上其他部分的信息對子表盤指針的識別意義不大，可忽略不計。所以本系統(tǒng)采用圖像截取的方法，即在場信號為高期間對行信號計數(shù)，從而在一場中截取一定的行數(shù)；在行信號為高時對采集的像素個數(shù)進行計數(shù)，從而在一行中截取一定的像素個數(shù)，只采集表盤上4個噸級的子表盤圖像。這樣每幅子表盤圖像占有25÷4=6.25 kB存儲空間，分辨率可高達80×80，每條指針中心線上約有20個像素點。此外，若保證子表盤圖像的分辨率為80×80，采集完整的水表表盤圖像時，其分辨率高達400×400，約156.25 kB。遠超出TMS320VC5416的存儲范圍。

圖3 圖像截取方法采集4幅子表盤圖像

由此可見，使用圖像截取方法只采集4幅子表盤圖像時會有以下2個優(yōu)點：一是在存儲空間大小相同時，子表盤圖像的分辨率明顯提高，使識別結(jié)果更加精確；二是在保證子表盤圖像分辨率相同的情況下，圖像的存儲量明顯減少，這樣符合處理器TMS320VC5416存儲空間的要求，并不需要外擴存儲器件即可實現(xiàn)。同時數(shù)據(jù)處理量也明顯減少，提高處理速度。

本系統(tǒng)在自然光條件下，使用圖像截取方法采集的4幅子表盤圖像如圖3所示，每幅圖像的分辨率為60×60。

本系統(tǒng)中攝像機和指針式水表表盤間的相對位置固定。因此每次采集到的子表盤圖像大小及位置一定。又子表盤上的指針是由圓形和等腰三角形組成。其圓形的圓心為回轉(zhuǎn)中心，其等腰三角形底邊上的高為指針中心線，指針中心線相對于零基準的夾角即指針指向。根據(jù)上述采集的子表盤圖像特點和指針式水表自身的結(jié)構(gòu)特征，實現(xiàn)指針式水表讀數(shù)識別的軟件設(shè)計。

4 指針指向的確定方法

確定指針指向的一般方法是采用模板匹配法，該方法需預存至少1副模板圖像，占用存儲空間，并且在匹配過程中涉及到圖像的旋轉(zhuǎn)，運算量大且復雜。本系統(tǒng)采用投影法^[5]確定指針指向。該方法不需預存模板圖像，且不涉及圖像的旋轉(zhuǎn)。

為討論方便，給出使用P-分位數(shù)法^[6]提取指針圖像的結(jié)果，如圖4所示。

圖4 指針提取結(jié)果

觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，若在子表盤上以指針回轉(zhuǎn)中心為起點，每旋轉(zhuǎn)一定角度step沿半徑方向做一定長度的直線段，指針中心線所在的直線段上的黑像素比其他直線段上的黑像素多。所以以指針回轉(zhuǎn)中心為起點，沿半徑方向做投影，黑像素最多的直線段方向即是指針指向。

以下分別介紹確定直線段的方法及系統(tǒng)精度計算。

4.1 確定直線段

本系統(tǒng)中利用應用廣泛的Bresenham算法畫直線段。該算法需要已知直線段的起點坐標S(xs，ys)和終點坐標E(xe，ye)。首先根據(jù)Hough變換確定指針的回轉(zhuǎn)中心即是直線段的起點坐標。再根據(jù)公式：

xe=xs+r×cos θ，ye=ys+r×sin θ

確定直線段的終點坐標。其中θ是直線段相對于旋轉(zhuǎn)零度的夾角；r是直線段的長度，即直線段上的像素點個數(shù)。

4.2 系統(tǒng)分辨率計算

本系統(tǒng)分辨率計算即指針旋轉(zhuǎn)角度分辨率的計算。

使用投影法確定指針指向是在二值化圖像基礎(chǔ)上進行的，而原始子表盤圖像經(jīng)二值化后指針長度會變短，并且變短程度隨著原始子表盤圖像質(zhì)量的變化而變化。當直線段長度等于指針長度（指針回轉(zhuǎn)中心到指針針尖的長度）時，指針旋轉(zhuǎn)角度分辨率等于直線段旋轉(zhuǎn)角度分辨率，當直線段長度大于指針長度時，指針旋轉(zhuǎn)角度分辨率小于直線段旋轉(zhuǎn)角度分辨率。為討論方便，現(xiàn)假設(shè)直線段長度恰好等于指針長度，那么此時系統(tǒng)分辨率精度即是直線段旋轉(zhuǎn)角度分辨率。因為所有直線段的起點坐標相同，不同的是終點坐標，所以只要每兩條相鄰直線段的終點坐標不同就可分辨他們，此時每兩條相鄰直線段之間的夾角step即為直線段旋轉(zhuǎn)角度的分辨率。 

假設(shè)某直線段的終點坐標為E1(xe1，ye1)，相鄰的下一條直線段的終點坐標為E2(xe2，ye2)。兩條直線段的夾角為step。則兩條直線段終點橫坐標之差為：

xe2－xe1[WB]=r×［cos(θ+step)－cos θ］ 

[DW]=2r×sin(step/2)×sin(θ+step/2)

同理，兩條直線段終點縱坐標之差為：

ye2－ye1[WB]=r×［sin(θ+step)－sin θ］ 

[DW]=2r×sin(step/2)×cos(θ+step/2)

若想分辨這兩條直線段，那么他們的終點橫坐標之差及縱坐標之差應大于等于1（像素坐標為整數(shù)）。通過理論計算，給出指針段旋轉(zhuǎn)角度分辨率與子表盤二值化圖像上指針長度關(guān)系，如表1所示。

表1 指針旋轉(zhuǎn)角度分辨率與二值化子表盤圖像上指針長度關(guān)系

當子表盤圖像分辨率為60×60時，組成小指針的圓半徑分辨率為10，所以二值化子表盤圖像上指針長度分辨率至少大于10時才能確定指針指向。由表1可知，此時指針旋轉(zhuǎn)角度的分辨率大于6°，即當利用圖像截取方法采集子表盤圖像的分辨率為60×60時，系統(tǒng)分辨率大于6°。又每個水表子表盤圓周上有0~9共10個刻度，即每兩條刻度線間的夾角是36°，則當系統(tǒng)分辨率為9°時，就可確定出水表讀數(shù)。所以當子表盤圖像分辨率為60×60時，滿足最低刻度的要求。

圖5為指針指向的識別結(jié)果，圖中指針上白線代表識別出的指針指向。

圖5 指針指向的識別結(jié)果

5 結(jié) 語

根據(jù)上述方法開發(fā)了指針式水表自動識別裝置，經(jīng)實驗驗證的可以實現(xiàn)使用圖像截取方法對指針式水表4幅子表盤圖像的采集，并驗證了在系統(tǒng)中不使用緩沖存儲器的可行性。系統(tǒng)最低分辨率大于6°，滿足指針式水表最低刻度的要求，實驗中能夠正確識別水表讀數(shù)。該系統(tǒng)的實現(xiàn)對指針式水表遠傳抄表系統(tǒng)的發(fā)展有重要意義。

這里值得一提的是，實際應用中的各種干擾會使采集的圖像質(zhì)量下降，而圖像質(zhì)量直接與系統(tǒng)的精度相關(guān)聯(lián)。所以需不斷完善算法，最終使系統(tǒng)達到實用化。

在該系統(tǒng)中：

(1) 系統(tǒng)平時不需要供電，只是在需要抄表時才臨時提供電源，節(jié)約電能且無數(shù)據(jù)累計誤差；獲取的數(shù)據(jù)以圖像形式保存，實際上就是用戶在表計表盤上看到的讀數(shù)，當出現(xiàn)問題時便于用戶核對。

[JP3](2) 在系統(tǒng)應用時，只需在每戶水表上安裝一個攝像機，由攝像機采集水表圖像經(jīng)視頻線傳輸?shù)接布到y(tǒng)中進行處理，因此不需對原有水表進行改造，節(jié)省大量人力和物力。

(3) 使用圖像截取方法僅采集對識別有用的圖像信息，降低對存儲空間及處理速度的要求，使用較低成本的處理器替代高成本處理器，降低電路成本，便于系統(tǒng)推廣使用。

(4) 本系統(tǒng)攝像機和指針式水表表盤間的相對位置固定，因此每次采集的水表圖像的大小及位置一定。充分考慮該系統(tǒng)特點和指針式水表的結(jié)構(gòu)特征，簡化設(shè)計軟件算法，并將識別軟件嵌入到硬件采集器中，在硬件采集器中即可實現(xiàn)指針式水表讀數(shù)的識別。

參 考 文 獻

［1］胡慶紅，陳亞杰，邢罡．遠傳水表系統(tǒng)在現(xiàn)代化樓宇中的應用［J］．控制工程，2005，12 (3) :258-259，262.

［2］陳利芳．智能遠傳水表及抄表系統(tǒng)的應用［J］．中國水利，2004(15):62.

［3］郝桂青.智能水表及幾種智能卡的性能與發(fā)展分析［J］.住宅科技，2005(12):28-31.

［4］王三武，戴亞文．多指針水表自動識別系統(tǒng)［J］．儀器儀表學報，2005，26(11):1 178-1 180，1 187.

［5］何斌，馬天予，王運堅，等．Visual C++數(shù)字圖像處理\\[M\\].2版．北京:人民郵電出版社，2004.

［6］劉平.圖像分割閾值選取技術(shù)綜述［EB/OL］.CSDN技術(shù)中心網(wǎng)，2001.

作者簡介 苑瑋琦 男，1960年出生，漢族，博士后，教授，博士生導師。主要從事應用計算機視覺研究。

劉 慧 女，1982年出生，漢族，沈陽工業(yè)大學，碩士生。研究方向為機器視覺。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。