冀辰宇，闞一凡，焦圣喜

(東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院，吉林吉林132012)

隨著人們對便捷生活方式的追求，私人汽車已經(jīng)被廣泛的使用，汽車儀表指針識別技術(shù)的研究也更具意義。同時，指針式儀表也廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，此技術(shù)可對各類指針式儀表進(jìn)行檢測，不但可以應(yīng)用于儀表讀數(shù)的實(shí)時監(jiān)測還可以用于儀表生產(chǎn)時的校驗(yàn)。

表盤指針位置識別就是利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)對儀表指針進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控并截取圖片，利用圖像處理技術(shù)，確定指針位置和角度，計(jì)算指針讀數(shù)［1］?，F(xiàn)有的大多數(shù)關(guān)于儀表指針的研究對象都是儀表的灰度圖［2－4］，將其轉(zhuǎn)換成二值圖以用于后續(xù)的指針刻度識別。在二值圖的轉(zhuǎn)換過程中，由于灰度圖像中已經(jīng)丟失了色彩信息，因此分割閾值的選擇將會變的十分困難。而本文將指針顏色特征比較明顯的表盤作為研究重點(diǎn)，主要論述了如何利用顏色提取及圖像分割的方法對該類指針表盤圖像進(jìn)行分析處理，達(dá)到準(zhǔn)確定位待識別指針的目的，為正確識別指針讀數(shù)奠定基礎(chǔ)。下面將介紹對于紅色指針表盤的識別處理方法。

1 顏色提取原理及方法

圖1為本論文將要進(jìn)行識別處理的汽車轉(zhuǎn)速表圖像。儀表圖片在自然光源的條件下獲取，但是反光或陰影等因素并不影響后期處理。由圖1可以看出，汽車轉(zhuǎn)速表主要由紅色讀數(shù)指針及報(bào)警區(qū)域、白色的刻度值以及黑色的表盤底色組成。由于紅色的指針為真正需要識別的讀數(shù)指針，因此表盤的指針位置識別的關(guān)鍵是要正確定位待識別的紅色指針，避免其他顏色的干擾。

圖1 汽車轉(zhuǎn)速表

紅色指針儀表盤圖像識別處理算法的原理是首先利用顏色提取技術(shù)確定紅色界限指針區(qū)域，然后通過圖像分割的方法提取紅色指針并將指針圖像轉(zhuǎn)換為一般灰度圖，最后對指針的二值圖像進(jìn)行處理，識別指針讀數(shù)。

1 .1HIS顏色空間的坐標(biāo)區(qū)域表示法

顏色提取是彩色圖像處理技術(shù)中的一種，需要對圖像的顏色特征和色彩信息進(jìn)行分析、比較以及處理，選擇一個合適的顏色空間將大大簡化分析處理中的步驟和過程，并且使彩色圖像處理更加直觀和方便［5］。HIS顏色空間是視覺顏色模擬系統(tǒng)中的一種，可以直接面向圖像處理和運(yùn)算，從RGB顏色空間到HIS顏色空間只是一個非常簡單的非線性變換，同時由于視覺顏色模型系統(tǒng)是與人眼對顏色感知的視覺模型相似的，所以HIS顏色空間與人眼符合著很好的視覺一致性，并且HIS中I分量(色調(diào)值)可以無差錯的定義一種顏色。因此本論文將利用HIS顏色空間作為基本的顏色空間進(jìn)行接下來的顏色提取及圖像分割。

分析表明，(H)色調(diào)由紅，黃，綠，青，藍(lán)，品紅的順序變化。(I)亮度值越接近于0，顏色越趨近于黑色。(S)飽和度值越小，彩色信息越少，圖像越趨近于灰度圖像［6］。根據(jù)HIS顏色模型的特性作如下特殊處理:

(1)黑色區(qū)域:所有I＜15%的顏色均歸入黑色，即令H=0，I=0，S=0;

(2)自色區(qū)域:所有S＜10%且I＞80%的顏色歸入白色，即令H=0，I=1，S=0;

(3)灰色區(qū)域:所有S＜10%，15%＜I＜80%的顏色歸入灰色;

(4)彩色區(qū)域:位于黑色區(qū)域和白色區(qū)域以外的顏色;

這里所提到的黑色以及白色都是近似的，為近純黑色以及近純白色，灰度值是連續(xù)變化的。

1 .2直接色調(diào)匹配法

根據(jù)上面對HIS顏色空間所作的特殊處理，所有I＜15%的點(diǎn)和所有S＜10%的點(diǎn)都可看作為背景，通過逐個掃描圖像像素點(diǎn)的方法將滿足這兩個條件之一的像素點(diǎn)全部置為黑色。

再次逐個掃描圖像像素點(diǎn)確定紅色指針區(qū)域。像素點(diǎn){X1，X2，…，Xn}對應(yīng)像素點(diǎn)色調(diào)為{H1，H2，…，Hn}，以某點(diǎn)XS的色調(diào)HS為標(biāo)準(zhǔn)色，只要滿足式(1)的像素點(diǎn)即與XS的顏色相同或相近。

其中a為色調(diào)閾值。

因?yàn)閮x表指針為紅色，所以取標(biāo)準(zhǔn)色HS=0，令色調(diào)閾值a=30，逐個掃描圖像像素點(diǎn)，滿足條件Hi－0＜30即被作為紅色指針區(qū)域予以保留，其余像素點(diǎn)全部置為黑色，如圖2所示。圖2中不但保留了指針還保留了報(bào)警區(qū)域，接下來可以將圖像二值化并進(jìn)行連通域的提取，如圖3所示。然后定位提取指針的連通區(qū)域，只留下指針圖像方便后續(xù)處理，如圖4所示。到此為止，紅色指針已經(jīng)被提取，指針圖像已經(jīng)可以等同于單指針表盤模型進(jìn)行后續(xù)的灰度圖像處理。

圖2 紅色像素點(diǎn)被提取保留

圖3 二值圖像連通域提取

圖4 定點(diǎn)連通域提取的指針

2 指針讀數(shù)判定

2.1 直線提取

Hough變換提取直線時受直線中的間隙和噪聲影響較小，所以采用Hough變換提取指針直線。它是一種變換域提取直線的方法，它將直角坐標(biāo)系中的線變?yōu)闃O坐標(biāo)系中的點(diǎn)，基本策略是:由圖像空間中的邊緣數(shù)據(jù)點(diǎn)去計(jì)算參數(shù)空間中的參考點(diǎn)的可能軌跡，并在一個累加器中給計(jì)算出的參考點(diǎn)計(jì)數(shù)，最后選出峰值。

變換后的直線可以用參數(shù)表示為

其中ρ為從原點(diǎn)到直線的垂直距離，θ為從x軸算起的角度，這條直線在ρ－θ平面中為一點(diǎn)，而通過xy平面上一點(diǎn)的一簇直線變換到ρ－θ平面時，將形成一條類似正弦狀的軌跡，也即x－y平面上一點(diǎn)對應(yīng)ρ－θ平面上一條曲線。若在x－y平面上有三個共線點(diǎn)，它們變換到ρ－θ平面上為有一公共交點(diǎn)的三條曲線，交點(diǎn)的ρ－θ參數(shù)就是三點(diǎn)共線直線之參數(shù)。根據(jù)這個原理，可以用Hough變換抽取直線。通常將x－y稱為圖像平面，ρ－θ稱為參數(shù)平面。

Hough變換后得到的直線如圖5所示。

圖5 Hough變換后的指針直線

2.2 確定指針讀數(shù)

表針旋轉(zhuǎn)中心的確定是表盤讀數(shù)識別技術(shù)的關(guān)鍵，由于存在這樣一種情況，儀表指針的指向相反，但位置處于同一條直線上，通過Hough變換提取出的指針直線方程是一樣的，我們還無法通過這個方程來判斷指針是指向下方還是上方，這就需要確定指針中心的位置，因?yàn)橹挥写_定表盤中心，才能確定指針的指示方向，并進(jìn)行進(jìn)一步的讀數(shù)識別。本文采用交線法確定表盤中心，即取兩張指針指向不同角度的圖像(如零刻度和滿刻度)，分別提取直線，兩直線方程聯(lián)立，求取兩條直線的交點(diǎn)為表盤的中心。

在運(yùn)用角度法進(jìn)行讀數(shù)確定之前，需提取零刻度和滿刻度時指針直線，根據(jù)表盤實(shí)際情況建立角度與讀數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，在通過Hough變換提取出指針直線方程后，可由斜率得出直線傾斜角度，由對應(yīng)關(guān)系確定讀數(shù)。

首先，確定指針?biāo)趨^(qū)域。逐點(diǎn)掃描指針圖像水平投影圖，將第一個黑色像素點(diǎn)所在的行看作為第一行，將最后一個黑色像素點(diǎn)所在的行看作為最后一行。第一行與最后一行之間即為黑色像素點(diǎn)的分布區(qū)域，水平等分該分布區(qū)域，令上半部黑色像素點(diǎn)數(shù)目為A1，下半部黑色像素點(diǎn)數(shù)目為A2，再逐點(diǎn)掃描指針圖像垂直投影圖，將第一個黑色像素點(diǎn)所處列看作為第一列，將最后一個黑色像素點(diǎn)所處列看作為最后一列。第一列與最后一列之間即為黑色像素點(diǎn)的分布區(qū)域，垂直等分該分布區(qū)域，令左半部黑色像素點(diǎn)數(shù)目為B1，右半部黑色像素點(diǎn)數(shù)目為B2。

根據(jù)投影圖的黑色像素點(diǎn)投影規(guī)律，可得表1。

表1 指針區(qū)域劃分

根據(jù)該結(jié)論，在Hough變換之前，需要根據(jù)指針二值圖像的水平和垂直投影圖，逐點(diǎn)掃描黑色像素點(diǎn)，判斷指針基本指向，避免發(fā)生歧義。確定指針指向是正確計(jì)算指針角度的關(guān)鍵一步。

然后，確定指針角度讀數(shù)。逐點(diǎn)掃描Hough變換結(jié)果圖，令第一個掃描到的白色像素點(diǎn)的坐標(biāo)為(x1，x2)，最后一個掃描到的白色像素點(diǎn)的坐標(biāo)為(y1，y2)，令直線與直角坐標(biāo)系中x軸正方向的夾角為α，直線斜率為k。

斜率k以及夾角的計(jì)算如下式(3)所示:

儀表指針距離零刻度線的實(shí)際角度為β，零刻度線到垂直的y軸的角度為θ(θ=53°)。根據(jù)己經(jīng)判斷得到的指針基本指向，可以得到角度讀數(shù)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 指針位置對應(yīng)角度讀數(shù)

儀表指針的實(shí)際讀數(shù)n用式4求出:

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文中，讀取6張汽車轉(zhuǎn)速表表盤的圖像，得到讀數(shù)結(jié)果如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果

本系統(tǒng)軟件讀數(shù)與人工讀數(shù)相對誤差最大為2.5%，相對誤差均值為0.81%，實(shí)際上人眼讀數(shù)，只能精確到表盤的最小刻度線，從這個意義上說，本軟件精度已達(dá)到人眼讀數(shù)精度，基本達(dá)到實(shí)際測量需要。

4 結(jié)論

本文以紅色指針提取為例，成功實(shí)現(xiàn)了對彩色指針的提取與識別，彩色提取技術(shù)亦可以提取不同顏色指針，它不但可以簡化單色指針儀表的識別過程，還可以應(yīng)用在多顏色多指針儀表的識別中，利用彩色提取及圖像分割技術(shù)過濾掉不需要的指針，留下讀數(shù)指針進(jìn)行進(jìn)一步的識別。此外，如果要更好的將此識別系統(tǒng)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中，還需要更快的識別速度和更高的識別精度，有待于進(jìn)一步研究。

［1］崔行臣.數(shù)顯與指針儀表示值識別技術(shù)的研究與應(yīng)用［D］.曲阜:山東師范大學(xué)，2011.

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