李 偉，任青青，胡艷俠，朱少君，謝磊金

(長安大學 信息工程學院，陜西 西安 710064)

一種復雜指針式儀表的讀數自動識別算法

李 偉，任青青，胡艷俠，朱少君，謝磊金

(長安大學 信息工程學院，陜西 西安 710064)

針對儀表表盤背景復雜且有液體填充物的指針式儀表，為了得到更加精確的讀數，提出了一種新穎實用的基于圖像處理技術的指針讀數識別方法。該方法在綜合運用自適應閾值迭代法對圖像二值化及形態(tài)學與剪影法結合的邊緣提取算法進行圖像預處理的基礎上，采用Hough變換圓檢測和para空間均值圓心的方法確定儀表的圓心，創(chuàng)造性地采用了基于傳統(tǒng)中心投影法的雙向掃描求取均值確定角度的算法，并應用角度法計算出儀表指針讀數。采用傳統(tǒng)中心投影法及其改進算法進行了同步對比驗證實驗，并對兩種方法的誤差進行了對比評估和分析。實驗結果表明，改進算法性能穩(wěn)定，特別對于旋轉的儀表指針識別具有較高的精度和較強的實時性。

中心投影法；Hough變換；指針式儀表

0 引 言

指針式儀表因其結構簡單、操作方便、性能穩(wěn)定、成本低等特點，一直以來在工業(yè)控制、汽車船舶、航空航天等領域得到了廣泛應用。儀表校驗是保證儀表結構完好、讀數準確可靠的重要技術手段。在指針識別方面，學者們進行了大量研究。有的學者設計了指針識別系統(tǒng)[1-2]，但是可靠性不高；劉迪等[3]提出了非均勻光照下指針式儀表自動判讀算法設計；丁嬋等[4]運用圖像剪影技術，通過調節(jié)圖像分辨率實現指針的檢出，通過轉換偏轉角度的基線位置，確定出儀表指針的讀數；汪澤濤等[5]提出了一種指針式儀表非接觸測量方法。但上述幾個文獻都采用Hough變換直線檢測指針，且實驗儀表為背景簡單的電壓或者電流表，針對背景復雜且有液體填充物形成水印的儀表，上述方法就不再適用。

為此，文中提出利用改進的快速中心投影法和Hough變換[6-8]圓檢測與彩色分割相結合的方法，對具有復雜背景的儀表效果顯著。

1 算法總體框圖

該算法的總體框圖如圖1所示。

圖1 儀表識別算法框圖

為了精確識別出指針讀數，首先對采集的儀表圖像進行預處理，包括灰度化、二值化、邊緣提取等；其次采用Hough變換圓檢測與para空間均值圓心相結合的算法識別出圓心；再利用改進的快速中心投影法識別出指針角度；然后采用彩色分割及連通域面積特征的方法識別出起始刻度線及終止刻度線；最后由角度法計算出儀表指針讀數。

2 圖像預處理

對采集到的儀表圖片先進行圖像的預處理，以便后期Hough圓檢測可以準確、高效的識別出儀表的圓心，指針識別預處理包括灰度化、二值化及邊緣檢測等。

2.1 二值化

為了準確提取出指針，需要對圖像進行閾值分割。首先將真彩圖轉換為灰度圖，然后再對灰度圖像進行閾值分割。所謂傳統(tǒng)的二值化[9-10]方法，一種是通過全局閾值，另一種是通過局部閾值來處理目標圖片[11-12]，但在實際的判讀中，由于受被測儀表的環(huán)境亮度、表盤背景等因素影響，將會造成圖像的亮度發(fā)生變化。若選用固定的閾值進行二值化處理，不能適應這種變化。

文中選用迭代法對儀表圖像進行二值化，首先求出灰度圖像像素的最大灰度值fmax和最小灰度值fmin的平均值。

(1)

再根據閾值Ti將圖像分為前景和背景，分別求出兩者的平均灰度值Z1和Z2，最后求出新閾值：

Ti+1=(Z1+Z2)/2

(2)

如果所求Ti等于Ti+1，則所得即為閾值，否則繼續(xù)迭代求Ti+1，這樣確定的二值化閾值能夠很好地適應外部環(huán)境的變化。儀表原圖和二值化后的結果圖分別如圖2(a)和(b)所示。

2.2 邊緣提取

邊緣檢測的有效性直接影響Hough變換檢測圓的準確性。傳統(tǒng)的邊緣檢測方法很多，比如Roberts邊緣檢測、Prewitt邊緣檢測、Log邊緣檢測、Canny邊緣檢測等。但是對于儀表表盤有水印和彩色刻度環(huán)即表盤紋理比較復雜的指針式儀表，用以上方法對儀表邊緣進行提取都會丟失重要信息，這樣就不能利用Hough變換很好地識別出圓。所以，文中選用形態(tài)學與剪影法相結合的邊緣提取方法，可以提取出更全的儀表邊緣信息。首先利用形態(tài)學對二值化后的儀表圖像進行腐蝕操作得到腐蝕后的圖像，然后利用剪影法將二值化后的圖像與腐蝕后的圖像相減得到邊緣圖像，該方法可以很好地保留儀表的邊緣。儀表邊緣提取圖像如圖2(c)所示。

圖2 儀表指針處理圖

3 儀表圓心的確定

對于儀表圓心的識別，采用基于Hough變換圓檢測和para空間均值圓心的方法確定儀表的圓心。Hough變換就是對圖像像素進行某種形式的坐標變換。Hough變換原理就是過x-y平面上固定點的所有圓的a-b-r對應于參數空間中的一個三維錐面。這樣，檢測x-y平面上圓的問題就轉換到檢測a-b-r參數空間上三維錐面的交點。

由Hough變換檢測圓的原理可知，只要找到參數空間中圓的交點即可，交點的累加值是參數空間中最大的。Hough變換算法的具體步驟如下：

(1)清空變換域，初始化閾值p為0～1之間的數。

(2)空間轉換，把圖像空間轉換到參數空間，轉換公式如下：

a=x-r×cosθ1

(3)

b=y-r×sinθ1

(4)

其中，a,b為圓心的橫、縱坐標；x,y是圖像像素點的橫、縱坐標；r為半徑；θ1為查找角度。r和θ1都是以一定的步長變化的值。

(3)經Hough變換后，需要在變換域內搜索峰值。

Hough變換將所有檢測到的圓心坐標存儲在para空間中。為了準確得到圓心坐標，將para空間中存儲的圓心坐標累加求均值得到儀表的圓心坐標。圓心坐標在原圖中的顯示如圖2(d)所示。

4 指針識別

針對儀表表盤比較復雜，且表盤有色彩干擾及液體填充物分界線的影響，對圖像進行二值化之后，儀表表盤的分界線也比較明顯，所以采用中心投影法[13-14]可以識別出指針的位置及角度；但是由于在運用角度法識別指針時，會產生指針夾角的測量誤差，進而會對儀表讀數產生較大影響，使讀數誤差較大。為了提高指針角度識別的準確性，采用改進的中心投影法對指針進行識別，且在有限的圓環(huán)內進行識別，從而提高了識別的速度及精度。識別框圖如圖3所示。

圖3 指針識別流程圖

具體步驟如下：

(1)把儀表盤分成n個子區(qū)域，文中n取400，每個子區(qū)域都對應一個角度θ。

(2)初始化一個角度值集合A(θ)，使其包含所有要投影的角度值，即整個圓周。設定起始搜索角度、終止搜索角度及搜索角度步長，以水平方向開始順時針掃描，搜索步長為0.005*pi。

(3)從未被選過的子區(qū)域中選出一個，在子區(qū)域內進行中心投影。

(4)判斷搜索角度是否達到終止搜索角度，若沒有則跳轉到步驟(3)繼續(xù)進行，否則停止搜索，算法結束。

(5)檢測出投影后所有極大值imax的角度集合，在A(θ)中篩選出最大值的角度col，然后換算成指針的角度：

(5)

(6)

同理，用同樣的方法進行逆時針掃描，通過求順時針與逆時針所得指針角度的均值得出指針角度。實驗結果表明，相對于傳統(tǒng)的中心投影法，該算法對指針的識別更加準確。圖2(e)是改進方法識別指針圖，圖2(f)為二值化后的指針位置圖，白色細線即為指針位置。

5 起始及終止刻度線的確定

提取起始、終止刻度線是為了計算指針的讀數做準備。由于這種復雜的儀表刻度環(huán)上基本都會有顏色，所以也不可能提取出所有的刻度線。文中選用彩色分割[15]及連通域面積特征來提取起始、終止刻度線，具體步驟如下：

(1)將RGB轉換到HSV空間，提取出S分量，然后進行中值濾波。

(2)將提取出的S分量圖像二值化，去除刻度環(huán)以外的連通域，保留有用的刻度環(huán)。

(3)為了更加準確地提取出起始、終止刻度線，根據刻度環(huán)連通域不同的面積分別識別出起始刻度線以及終止刻度線。

(4)根據提取出的起始和終止的連通域，以檢測的儀表圓心為中心，水平方向為正方向建立坐標系，找到離水平方向距離最遠的點，也即連通域最下面的點即為起始刻度上的點，同理找到終止刻度點，然后由圓心分別擬合成起始刻度線及終止刻度線。

儀表指針的識別過程如圖4所示。

圖4 儀表的指針識別過程

6 儀表判讀

以識別出的指針、起始刻度線及終止刻度線為依據，文中采用角度法[16]對儀表進行判讀。

以儀表圓心為中心，水平方向為正方向建立坐標系，當指針位置在0°～270°時，儀表讀數為：

y=-0.1+(α-d)×D

(7)

當指針位置在270°～360°時，儀表讀數為：

y=-0.1+(2×pi-d+α)×D

(8)

其中，α為起始角度；d為求出的儀表指針角度；D為儀表刻度每個弧度代表的讀數。

7 實驗與結果分析

實驗選用六氟化硫氣體壓力表，并對指針在不同位置進行識別，用該方法對20幅圖像進行識別。表1是傳統(tǒng)中心投影法與改進的中心投影法的絕對誤差與相對誤差的對比圖。實驗結果表明，文中方法明顯提高了讀數精度，而且對旋轉的儀表圖像指針識別也同樣準確。

圖5是不同儀表以及旋轉儀表的指針識別結果圖。

圖5 不同的儀表識別結果

8 結束語

文中采用Hough變換圓檢測和para空間均值圓心的方法確定儀表圓心，根據改進的快速中心投影法識別出指針的位置及角度，由彩色分割與連通域面積特征算法結合識別起始刻度線及終止刻度線，結合實際儀表限定角度搜索范圍及搜索區(qū)域，提高指針檢測的速度，確定儀表的讀數。該方法識別精度高，準確性好，適合不同形狀的儀表表盤的識別，為后續(xù)更高難度的指針式儀表讀數工作奠定了基礎。實驗結果表明，該算法簡單、穩(wěn)定且識別誤差小，具有較為顯著的工程應用價值。

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A Kind of Automatic Recognition Algorithm for Complex Pointer Instrument

LI Wei,REN Qing-qing,HU Yan-xia,ZHU Shao-jun,XIE Lei-jin

(College of Information Engineering,Chang’an University,Xi’an 710064,China)

For the pointer instrument with complex surface background and liquid filler,in order to get a more accurate reading,a novel and practical reading recognition method based on image processing technology is proposed.Based on this method in the integrated use of adaptive threshold iteration method for image binarization and edge extraction algorithm combined morphological method and the silhouette for image pre-processing,Hough transform circle detection and para space average center detection are adopted to determine the center of the instrument.And the method is adopted to find the pointer angle which is the mean method of bidirectional scanning based on traditional central projection,and the meter reading is calculated by using the angle method.The traditional central projection method and its improved one are compared and verified,and the error of the two methods are compared and analyzed.The experimental results show that the improved algorithm has stable performance,especially for the rotation of the pointer instrument recognition with high accuracy and strong real-time performance.

mid-projection;Hough transformation;pointer instrument

2016-04-22

2016-07-26

時間：2017-02-17

中央高校項目(310824152103)

李 偉(1981-)，男，博士，副教授，研究方向為光電數字化成像及檢測技術、儀器儀表自動化；任青青(1989-)，女，碩士研究生，通訊作者，研究方向為圖像處理、儀器儀表自動化。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170217.1630.048.html

TP301.6

A

1673-629X(2017)03-0201-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.03.043