吳禹倫

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307）

0 引 言

飛機(jī)駕駛艙儀中存在著大量旋鈕，飛行員在飛機(jī)運(yùn)行過程中通過旋鈕對(duì)飛機(jī)儀表進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而保證飛機(jī)安全運(yùn)行。本文擬進(jìn)行識(shí)別的旋鈕形狀為圓形，旋鈕表面有指示線指示其對(duì)應(yīng)檔位，這種旋鈕常具有固定檔位。因其形狀與指針式儀表相似，所以可以借鑒指針式儀表進(jìn)行識(shí)別。

現(xiàn)在關(guān)于指針式儀表讀數(shù)圖像識(shí)別的研究很多。文獻(xiàn)[1]分別利用二值化、連通域提取、圖像細(xì)化等圖像處理方法提取指針，利用指針頂點(diǎn)和底點(diǎn)坐標(biāo)位置關(guān)系以及指針圖像坐標(biāo)完成讀數(shù)識(shí)別。文獻(xiàn)[2]概述了幾種常用的儀表讀數(shù)識(shí)別檢測(cè)方法，提出了一種基于計(jì)算機(jī)視覺的儀表讀數(shù)方法。首先對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理以改善圖像質(zhì)量，并改進(jìn)類間方差法（Otsu）進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)儀表圖像的二值化。其次，提取儀表的邊緣，采用骨架提取方法提取指針。最后，利用最大梯度下降法實(shí)現(xiàn)指針讀數(shù)識(shí)別。文獻(xiàn)[3]改進(jìn)了梯度下降法提取直線的缺點(diǎn)，且在對(duì)比度較低時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯，但抗噪性差。為克服外界環(huán)境的影響，文獻(xiàn)[4]在進(jìn)行圖像處理前利用圖像中值濾波和基于Retimex 的圖像增強(qiáng)算法進(jìn)行圖像預(yù)處理。該方法對(duì)外界復(fù)雜因素的影響具有較好的魯棒性。

1 飛機(jī)旋鈕圖像識(shí)別

本文以位于飛機(jī)駕駛艙儀表板上的旋鈕為原始圖像，如圖1 所示。以識(shí)別旋鈕所在檔位為研究重點(diǎn)，先決條件是旋鈕水平放置且在識(shí)別過程中旋鈕位置與攝像頭位置相對(duì)固定。由圖1 可知，該圖像中最長(zhǎng)的直線為旋鈕指示線，且該指示線像素值與其他區(qū)域像素值相差明顯，所以可以利用像素值特征提取旋鈕指示線。如圖1 所示，旋鈕一般具有幾個(gè)固定檔位。分別確定指示線位于這些檔位時(shí)所在直線在參數(shù)空間的角度，當(dāng)旋鈕旋轉(zhuǎn)到某一檔位時(shí)，找到其對(duì)應(yīng)的角度，即可確定旋鈕當(dāng)前的檔位。

圖1 旋鈕原始圖像

2.1 圖像處理

對(duì)旋鈕工作狀態(tài)進(jìn)行圖像處理的目標(biāo)是提取圖像中旋鈕指示線，同時(shí)去除圖像的干擾像素信息，包括圖像灰度處理、圖像二值化和圖像腐蝕3 個(gè)環(huán)節(jié)。

2.1.1 圖像灰度處理

旋鈕工作狀態(tài)圖像識(shí)別的核心是提取旋鈕指示線，與顏色無(wú)關(guān)。利用灰度處理將彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像。采用加權(quán)平均法進(jìn)行灰度處理，處理公式如下：

GrayBuf[i]=(Inage[3*i+2]*76+Image[3*i+1]*150+I mage[3*i]*30)

經(jīng)過灰度處理的圖像最顯著的變化是將原有24 位真彩色圖像轉(zhuǎn)換為8 位灰度圖，在減少數(shù)據(jù)量的同時(shí)保留了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。旋鈕圖像灰度處理結(jié)果如圖2 所示。

圖2 指針式儀表灰度處理圖像

2.1.2 圖像二值化處理

圖像二值化是設(shè)置合理的閾值將圖像分為前景和背景兩部分。具體做法是遍歷圖像所有像素值，以閾值為判斷條件，當(dāng)圖像點(diǎn)像素值大于該閾值時(shí)該圖像點(diǎn)賦值為0xFF，當(dāng)圖像點(diǎn)像素值小于閾值時(shí)該圖像點(diǎn)像素值賦值為0。利用灰度直方圖對(duì)圖2 的灰度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定旋鈕指示線的灰度值，以此為二值化閾值對(duì)圖像進(jìn)行處理。圖像二值化結(jié)果如圖3 所示。

圖3 旋鈕二值化圖像

可見，經(jīng)過二值化處理后，旋鈕圖像中與示數(shù)等無(wú)關(guān)信息被去除，同時(shí)圖像中存在的陰影被去除，進(jìn)一步突出了旋鈕指示線像素信息。

2.1.3 圖像腐蝕處理

利用腐蝕函數(shù)進(jìn)一步去除圖像中的殘留干擾像素信息，具體做法可以分成兩步。

（1）建立結(jié)構(gòu)元素。結(jié)構(gòu)元素又稱圖像掩膜，是圖像處理的最小單元。建立一個(gè)3×3 的結(jié)構(gòu)元素，常用的兩種結(jié)構(gòu)元素為十字交叉型和標(biāo)準(zhǔn)的正方形。十字交叉型結(jié)構(gòu)元素可以保留圖形的細(xì)節(jié)信息，但是腐蝕速度較慢。相比之下，標(biāo)準(zhǔn)正方形結(jié)構(gòu)元素則在腐蝕大區(qū)域像素時(shí)效果更好，但是會(huì)丟失圖像細(xì)節(jié)信息。

（2）圖像遍歷。將結(jié)構(gòu)元素與圖像重合，找到圖像像素的八鄰域像素中掩膜值為1 對(duì)應(yīng)的像素中的最小值，將其設(shè)置為該點(diǎn)像素值。多次遍歷所有像素點(diǎn)，直到去除圖像中干擾像素點(diǎn)為止。將上述兩種結(jié)構(gòu)元素相結(jié)合對(duì)圖像進(jìn)行腐蝕，腐蝕結(jié)果如圖4 所示。由圖3 可見，腐蝕函數(shù)將與旋鈕工作狀態(tài)識(shí)別無(wú)關(guān)的像素全部去除，并且沒有影響旋鈕指示線的連續(xù)性。

圖4 指針式儀表腐蝕處理圖像

2.2 旋鈕檔位圖像識(shí)別

2.2.1 旋鈕指示方向的確定

旋鈕多為類似圓形的形狀，檔位線常常分布在圓形四周。旋鈕的兩個(gè)檔位存在分布在一條直線上的可能，會(huì)給讀數(shù)造成困難。所以，在識(shí)別前將旋鈕分為4個(gè)部分，比較旋鈕指示線在4 個(gè)區(qū)域內(nèi)的像素點(diǎn)數(shù)，確定其所在位置，區(qū)分在一條直線上的檔位。根據(jù)先決條件可知，旋鈕的位置相對(duì)固定，識(shí)別前可預(yù)先人為確定旋鈕中心像素點(diǎn)位置，將旋鈕圖像大致分為4個(gè)位置。統(tǒng)計(jì)像素坐標(biāo)分布位置，找到分布點(diǎn)數(shù)最多的區(qū)域，即為旋鈕指示線的方向。

2.2.2 旋鈕指示線角度確定

經(jīng)過上述圖像處理后，圖像中僅剩余旋鈕指示線像素。確定該指示線所在直線的最常用方法為霍夫（Hough）變換?；舴蜃儞Q（Hough）受圖像中噪聲影響較小，識(shí)別結(jié)果精度較高。

霍夫變換一般被稱為線-點(diǎn)變換，利用線與點(diǎn)的對(duì)偶性，位于圖像空間中的一條直線在參數(shù)空間中有唯一一點(diǎn)與之對(duì)應(yīng)。它將直角坐標(biāo)系中線變?yōu)闃O坐標(biāo)系中的點(diǎn)。在霍夫變換中，直線方程式的極坐標(biāo)形式為：

其中，ρ為在直角坐標(biāo)系中這條直線到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離。在直角坐標(biāo)系中，α表示該直線的法線與x軸的夾角。

霍夫變換利用了直線與點(diǎn)的對(duì)偶性，即位于圖像空間中的一條直線在參數(shù)空間中有唯一一點(diǎn)與之對(duì)應(yīng)[3]。采用投票機(jī)制，將參數(shù)空間離散細(xì)化成多個(gè)小單元，并在每個(gè)小單元中設(shè)置一個(gè)累加器，每個(gè)累加器的坐標(biāo)為（β，ρ）。將圖像中非背景點(diǎn)的坐標(biāo)帶入式中，遍歷（-90°，90°）上所有點(diǎn)求出對(duì)應(yīng)的ρ值，并在對(duì)應(yīng)的累加器（β，ρ）上進(jìn)行累加。找到累加器中最大值位置坐標(biāo)，即所求直線對(duì)應(yīng)的參數(shù)?；舴蜃儞Q的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是這種形式有效解決了直線斜率為0的情況。

由霍夫變換原理可知，首先要對(duì)參數(shù)空間進(jìn)行離散化。離散化提高了檢測(cè)直線的精度，同時(shí)增大了霍夫（Hough）變換的計(jì)算量，所以應(yīng)對(duì)參數(shù)空間進(jìn)行合理劃分。β角的取值范圍設(shè)定為-90°～90°，將其離散成300 個(gè)取樣點(diǎn)，則共有300 個(gè)離散點(diǎn)。設(shè)置的ρ的離散點(diǎn)為600 個(gè)，則極徑最大長(zhǎng)度被離散成600 個(gè)點(diǎn)，則霍夫空間共由180 000 個(gè)離散點(diǎn)構(gòu)成。為減少計(jì)算量，提高運(yùn)算效率，提取旋鈕指示線的像素坐標(biāo)，并將其帶入霍夫（Hough）變換進(jìn)行計(jì)算，得到該直線所在霍夫空間。遍歷參數(shù)空間，找到最大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)，即為直線在參數(shù)空間的參數(shù)。

2.3 識(shí)別結(jié)果校驗(yàn)

首先，驗(yàn)證霍夫變換檢測(cè)旋鈕指示直線的位置。用圖5 進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果分別為-25.585 3°和-90°。

經(jīng)上述圖像測(cè)試可知，霍夫（Hough）變換識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確，可用于識(shí)別旋鈕指示線所在直線。圖4 中的兩條直線為平行關(guān)系，在遍歷霍夫空間尋找最大值時(shí)會(huì)找到兩個(gè)最大值。因?yàn)楸疚氖且越嵌却_定直線，僅需掃描到第一個(gè)極大值即可。

利用霍夫變換檢測(cè)圖1 中6 個(gè)檔位對(duì)應(yīng)的角度分 別 為 -90 °、-45.451 5 °、0.900 83 °、45 °、90.127°、-45.451 5°。結(jié)合前文旋鈕指示方向確定方法，即可實(shí)現(xiàn)讀數(shù)識(shí)別。

圖5 檢測(cè)直線圖像

3 結(jié) 論

本文利用旋鈕指示線像素值與其他顏色像素值相差明顯的特點(diǎn)，將旋鈕指示線從背景中分割出來(lái)，再經(jīng)過圖像形態(tài)學(xué)處理腐蝕操作得到旋鈕指示線所在直線，然后對(duì)旋鈕圖像進(jìn)行區(qū)域劃分，得出直線方向；利用霍夫變換檢測(cè)檔位對(duì)應(yīng)角度，根據(jù)角度與旋鈕檔位對(duì)應(yīng)關(guān)系完成旋鈕檔位識(shí)別。實(shí)驗(yàn)表明，測(cè)試結(jié)果與旋鈕實(shí)際所在檔位誤差較小，表明該方法在一定條件下有效、可行。但是，該算法還存在不足的地方，如不同光線條件對(duì)旋鈕檔位識(shí)別的影響。因此，對(duì)于上述兩種情況還需進(jìn)一步研究。