專利名稱：基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的科學(xué)儀器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種科學(xué)儀器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，尤其是基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的科學(xué)儀器工作狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法。

背景技術(shù)：
現(xiàn)有的科學(xué)儀器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方法主要有三類。
其一部分科學(xué)儀器本身自帶自動(dòng)記錄激發(fā)源開(kāi)關(guān)等工作狀態(tài)，如Thermo Finnigan公司的MAT-251穩(wěn)定同位素氣體質(zhì)譜儀，JEOL公司的JSM-6700F等等。這類方法通過(guò)碼盤裝置、控制軟件的信息顯示指示儀器工作狀態(tài)，只支持本地化的數(shù)據(jù)查看，儀器本身不提供數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接口，無(wú)法實(shí)現(xiàn)儀器狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
其二某些實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)(LIMS)與科學(xué)儀器相結(jié)合，能夠支持儀器工作狀態(tài)的記錄以及相關(guān)技術(shù)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)、查詢，如Thermo公司的SampleManager LIMS，北京泰立化-TLLAB2000。這類方法需要儀器本身具有記錄工作狀態(tài)的功能，并提供數(shù)據(jù)提交接口，監(jiān)測(cè)的儀器的種類和數(shù)量有限，從監(jiān)測(cè)范圍上看，往往局限于某一個(gè)實(shí)驗(yàn)室或者單位內(nèi)部系統(tǒng)。
其三通過(guò)添加硬件監(jiān)測(cè)裝置的形式對(duì)儀器的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如中國(guó)專利CN 1308984C公開(kāi)了一種指示設(shè)備工作狀態(tài)的發(fā)明，該方法僅僅提供工作狀態(tài)的指示，并無(wú)詳細(xì)工作時(shí)間、狀態(tài)記錄，并且不能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)；如中國(guó)發(fā)明專利(公開(kāi)號(hào)CN 1801238A)公開(kāi)了一種硬件方式的儀器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，從儀器外圍的狀態(tài)指示部件采集工作狀態(tài)信息，其接觸式檢測(cè)方式直接從科學(xué)儀器引出電流信號(hào)，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性；其不接觸方式為防止外界光線對(duì)光敏三極管的影響，需要采用膠皮管等遮光裝置密封住科學(xué)儀器上的狀態(tài)指示燈，導(dǎo)致儀器操作人員無(wú)法查看對(duì)應(yīng)的狀態(tài)指示燈，以獲取必要的狀態(tài)信息。


發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明考慮采用基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的監(jiān)測(cè)方法，為了準(zhǔn)確可靠的監(jiān)測(cè)狀態(tài)指示燈，必須克服外界環(huán)境引入噪聲(如光線強(qiáng)弱、目標(biāo)體移動(dòng)、外界顏色干擾等)的影響，單一使用顏色匹配以及模板匹配的方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)可靠檢測(cè)；由于儀器外圍常常多個(gè)狀態(tài)指示燈并排放置，造成無(wú)法單一的使用特征點(diǎn)定位的方法完成對(duì)感興趣特征點(diǎn)的狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。
綜上所述，本發(fā)明的技術(shù)方案如下 一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的科學(xué)儀器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，由圖像采集、圖像分析、狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸三部分組成。系統(tǒng)框架參見(jiàn)圖1，圖像傳感裝置(2)通過(guò)PCI總線或者USB等接口與嵌入式處理模塊(6)連接，嵌入式處理模塊(6)中帶有網(wǎng)絡(luò)接口，將最終的處理結(jié)果，即儀器的工作狀態(tài)傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器。
圖像分析部分使用特征點(diǎn)標(biāo)記、基于圓檢測(cè)的特征點(diǎn)定位、模板匹配、顏色匹配等多種方法進(jìn)行聯(lián)合監(jiān)測(cè)，共同確定儀器工作狀態(tài)，參見(jiàn)圖2。在模板獲取階段，為了提高模板匹配的準(zhǔn)確度，對(duì)感興趣的狀態(tài)指示燈進(jìn)行特征點(diǎn)標(biāo)記；在狀態(tài)監(jiān)測(cè)階段，綜合考慮特征點(diǎn)定位、模板匹配、顏色匹配方法的運(yùn)算復(fù)雜度以及他們的檢測(cè)可靠性，首先采用基于圓檢測(cè)的特征點(diǎn)定位方法，對(duì)狀態(tài)指示燈進(jìn)行定位，然后根據(jù)定位的結(jié)果，對(duì)檢測(cè)到的每個(gè)狀態(tài)指示燈區(qū)域進(jìn)行模板匹配，以得到感興趣的狀態(tài)指示燈位置以及指示燈的狀態(tài)，最后由顏色匹配校驗(yàn)以上檢測(cè)結(jié)果，得出最終的儀器工作狀態(tài)。
狀態(tài)指示燈使用基于圓內(nèi)接直角三角形的圓檢測(cè)算法進(jìn)行特征點(diǎn)定位，其方法執(zhí)行如下 1)對(duì)圖像傳感裝置采集的圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)； 2)對(duì)邊緣檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行形態(tài)學(xué)濾波，降低噪聲； 3)構(gòu)建基于有效像素位置的數(shù)組存儲(chǔ)空間 記圖像大小為M×N，*pImg[m][n]表示邊緣檢測(cè)圖像中第n行m列的像素灰度值(0≤n＜N；0≤m＜M)，在圖像邊緣檢測(cè)之后，有 創(chuàng)建數(shù)組aPointPosition[N][M]，對(duì)于第n行邊緣像素，從左往右依次掃描整行邊緣像素，隨著m增加，如果*pImg[m][n]＝255，則 然后i+1，繼續(xù)依次掃描(m增加)，待到第n行掃描結(jié)束，繼續(xù)掃描第n+1行，直至邊緣圖像全部掃描完畢。
最終，有效像素位置數(shù)組中壓縮存儲(chǔ)了所有邊緣像素點(diǎn)的位置信息； 4)對(duì)于每個(gè)邊緣檢測(cè)點(diǎn)4，在邊緣檢測(cè)圖像中分別搜索其水平方向的邊緣像素點(diǎn)Bi，以及垂直方向的邊緣像素點(diǎn)Ci，此三點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)直角三角形AiBiCi(i＝1...N)，N為邊緣檢測(cè)圖像中滿足要求的直角三角形的總數(shù)，參見(jiàn)圖3； 5)根據(jù)每個(gè)搜索得到的直角三角形的三個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)值，求取圓心坐標(biāo)、圓半徑的候選值。記三個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(XAi，YAi)、(XBi，YBi)、(XCi，YCi)，圓心坐標(biāo)為(XPi，YPi)，圓半徑值為rPi，則圓參數(shù)的候選值為 XPi＝(XBi+XAi)/2 YPi＝(YAi+YCi)/2 6)剔除無(wú)效的候選值。根據(jù)圖像中狀態(tài)指示燈圓輪廓的真實(shí)半徑值r，確定兩個(gè)閾值rHT、rLT，閾值滿足rLT≤r＜rHT。對(duì)于候選圓半徑rPi，如果符合如下規(guī)則之一，則定義為無(wú)效的候選值，從搜索到的直角三角形中剔除此候選值。
|XBi-XAi|+|YCi-YAi|≤2*rLT |XBi-XAi|≥2*rHT |YCi-YAi|≥2*rHT 7)對(duì)有效的圓參數(shù)進(jìn)行聚合，最終確定圖像中的圓的位置。記fXcenter和fYcenter分別表示同一類圓參數(shù)的圓心坐標(biāo)；dRadii則給出此類圓的半徑值，CenterDiff為圓心坐標(biāo)誤差限、RadiiDiff表示圓半徑誤差限，如果所求取的圓參數(shù)同時(shí)滿足以下公式 則表示所求圓參數(shù)屬于該類圓，使用下面三式進(jìn)行同類圓的聚合 其中l(wèi)SameCircleVotes表示圓參數(shù)屬于同一類的三角形的總個(gè)數(shù)； 8)根據(jù)各類圓lSameCircleVotes值的大小，得出圓檢測(cè)結(jié)果。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和積極效果 1通過(guò)對(duì)特征點(diǎn)加以標(biāo)記的方法，提高了圖像匹配檢測(cè)的準(zhǔn)確度。
2通過(guò)使用多種方法聯(lián)合檢測(cè)特征點(diǎn)，能夠有效抑制噪聲，確保檢測(cè)的穩(wěn)定可靠，圖像采集不需要采用高精度CCD作為圖像傳感裝置，使用普通圖像傳感器即可完成工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。
3使用圖像傳感裝置監(jiān)測(cè)工作狀態(tài)，與科學(xué)儀器硬件、軟件完全隔離，不影響儀器的日常操作。
4首次將計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于科學(xué)儀器的監(jiān)測(cè)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)科學(xué)儀器工作狀態(tài)的可靠、實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。



圖1為基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的科學(xué)儀器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為多種方法聯(lián)合的圖像分析組成框圖。
圖3為基于圓內(nèi)接直角三角形的圓檢測(cè)示意圖。
圖4為圖像分析處理流程。

具體實(shí)施例方式 下面以日本島津公司的EMX-SM7型電子探針的工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)為例說(shuō)明具體的實(shí)施方法。1電子探針儀器面板上有多個(gè)狀態(tài)指示燈，首先與儀器操作人員商定哪個(gè)狀態(tài)指示燈能夠科學(xué)的反映儀器抽真空的狀態(tài)，該指示燈就定義為感興趣的狀態(tài)指示燈。
2將圖像傳感裝置對(duì)準(zhǔn)感興趣的狀態(tài)指示燈，圖像傳感裝置與嵌入式處理模塊相連，嵌入式處理模塊提供網(wǎng)絡(luò)接口，連接至互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。
3對(duì)科學(xué)儀器上的狀態(tài)指示燈進(jìn)行特征點(diǎn)標(biāo)記。人為在感興趣的狀態(tài)指示燈的下方描繪具有特征圖案的標(biāo)記，截取狀態(tài)指示燈亮、滅的圖像作為亮模板和滅模板。
4圖像采集。利用圖像傳感裝置采集狀態(tài)指示燈所在的圖像畫(huà)面，大小為640×480，色深為24bit位圖。
5圖像分析處理。圖像分析處理的流程參見(jiàn)圖4 (1)對(duì)采集到的圖像(當(dāng)前幀)進(jìn)行高斯濾波。
(2)當(dāng)前幀與上一幀圖像相減，確定圖像是否有變化，變化的像素?cái)?shù)目大于閾值TL小于TH，則轉(zhuǎn)(3)；如果變化的像素?cái)?shù)目不大于閾值TL，則認(rèn)為沒(méi)有變化，轉(zhuǎn)4；如果變化的像素?cái)?shù)目大于等于閾值TH，則認(rèn)為圖像在抖動(dòng)，轉(zhuǎn)4重新進(jìn)行當(dāng)前幀的采集。
(3)在當(dāng)前幀中進(jìn)行基于圓內(nèi)接直角三角形的圓檢測(cè)，對(duì)狀態(tài)指示燈進(jìn)行特征點(diǎn)定位。
(4)對(duì)找到的各個(gè)圓區(qū)域分別使用亮、滅模板做模板匹配，模板中已經(jīng)包含人為繪制的特征點(diǎn)標(biāo)記。
(5)對(duì)于匹配可信度最高的區(qū)域作顏色匹配驗(yàn)證。當(dāng)使用亮模板尋找到了最佳匹配點(diǎn)，則將原有的RGB空間轉(zhuǎn)化到HSI空間，如果匹配區(qū)域的像素色調(diào)值處于橙色色調(diào)范圍內(nèi)的像素?cái)?shù)目大于一定的閾值Tc，轉(zhuǎn)6；否則，認(rèn)為是誤匹配，轉(zhuǎn)4重新獲取圖像幀。
6根據(jù)得到的最終判斷結(jié)果，如果狀態(tài)發(fā)生改變，那么將科學(xué)儀器的狀態(tài)數(shù)據(jù)打包成一定格式的數(shù)據(jù)報(bào)，利用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器。至此一次監(jiān)測(cè)結(jié)束，轉(zhuǎn)3繼續(xù)下一次監(jiān)測(cè)。
權(quán)利要求
1.一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的科學(xué)儀器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，由圖像采集(3)、圖像分析(4)、狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸(5)三部分組成，圖像傳感裝置(2)采集科學(xué)儀器(1)上狀態(tài)指示燈的圖像，在嵌入式處理模塊(6)中進(jìn)行分析處理，最終將處理結(jié)果，即儀器的工作狀態(tài)傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器(7)，其特征在于，對(duì)科學(xué)儀器(1)上的狀態(tài)指示燈使用特征點(diǎn)標(biāo)記、基于圓檢測(cè)的特征點(diǎn)定位、模板匹配、顏色匹配等多種方法共同確定儀器工作狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的科學(xué)儀器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，采用了基于圓內(nèi)接直角三角形的圓檢測(cè)方法對(duì)具有圓形輪廓特征的狀態(tài)指示燈進(jìn)行特征點(diǎn)定位，圓檢測(cè)方法分為以下幾步
1)對(duì)圖像傳感裝置采集的圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)；
2)對(duì)邊緣檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行形態(tài)學(xué)濾波，降低噪聲；
3)構(gòu)建數(shù)組空間存儲(chǔ)邊緣檢測(cè)圖像；
4)對(duì)于每個(gè)邊緣檢測(cè)點(diǎn)Ai，在邊緣檢測(cè)圖像中分別搜索其水平方向的邊緣像素點(diǎn)Bi，以及垂直方向的邊緣像素點(diǎn)Ci，此三點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)直角三角形AiBiCi(i＝1...N)，N為邊緣檢測(cè)圖像中滿足要求的直角三角形的總數(shù)；
5)根據(jù)每個(gè)搜索得到的直角三角形的三個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)值，求取圓心坐標(biāo)、圓半徑的候選值。記三個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(XAi，YAi)、(XBi，YBi)、(XCi，YCi)，圓心坐標(biāo)為(XPi，YPi)，圓半徑值為rPi，則圓參數(shù)的候選值為
XPi＝(XBi+XAi)/2
YPi＝(YAi+YCi)/2
6)剔除無(wú)效的候選值。根據(jù)圖像中狀態(tài)指示燈圓輪廓的真實(shí)半徑值r，確定兩個(gè)閾值rHT、rLT，閾值滿足rLT≤r＜rHT。對(duì)于候選圓半徑rPi，如果符合如下規(guī)則之一，則定義為無(wú)效的候選值，從搜索到的直角三角形中剔除此候選值。
|XBi-XAi|+|YCi-YAi|≤2*rLT
|XBi-XAi|≥2*rHT
|XCi-YAi|≥2*rHT
7)對(duì)有效的圓參數(shù)進(jìn)行聚合，最終確定圖像中的圓的位置。記fXcenter和fYcenter分別表示同一類圓參數(shù)的圓心坐標(biāo)；dRadii則給出此類圓的半徑值，CenterDiff為圓心坐標(biāo)誤差限、RadiiDiff表示圓半徑誤差限，如果所求取的圓參數(shù)同時(shí)滿足以下公式
則表示所求圓參數(shù)屬于該類圓，使用下面三式進(jìn)行同類圓的聚合
其中l(wèi)SameCircleVotes表示圓參數(shù)屬于同一類的三角形的總個(gè)數(shù)。
8)根據(jù)各類圓lSameCircleVotes值的大小，得出圓檢測(cè)結(jié)果。
3.如權(quán)利要求2所述的構(gòu)建數(shù)組空間存儲(chǔ)邊緣檢測(cè)圖像的方法，其特征在于，構(gòu)建基于有效像素位置的數(shù)組存儲(chǔ)空間。記圖像大小為M×N，*pImg[m][n]表示邊緣檢測(cè)圖像中第n行m列的像素灰度值
(0≤n＜N；0≤m＜M)，在圖像邊緣檢測(cè)之后，有
創(chuàng)建數(shù)組aPointPosition[N][M]，對(duì)于第n行邊緣像素，從左往右依次掃描整行邊緣像素，隨著m增加，如果*pImg[m][n]＝＝255，則
然后i+1，繼續(xù)依次掃描(m增加)，待到第n行掃描結(jié)束，繼續(xù)掃描第n+1行，直至邊緣圖像全部掃描完畢。
最終，有效像素位置數(shù)組中壓縮存儲(chǔ)了所有邊緣像素點(diǎn)的位置信息。
全文摘要
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的科學(xué)儀器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，由圖像采集、圖像分析、狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸三部分組成，圖像傳感裝置將采集到的科學(xué)儀器工作狀態(tài)指示燈的圖像送入嵌入式處理模塊中進(jìn)行圖像分析處理，得出儀器的工作狀態(tài)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器。所述圖像分析過(guò)程使用特征點(diǎn)標(biāo)記、基于圓檢測(cè)的特征點(diǎn)定位、模板匹配、顏色匹配等多種方法共同確定儀器的工作狀態(tài)。所述的特征點(diǎn)定位采用基于圓內(nèi)接直角三角形的圓檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)。所述圓檢測(cè)算法構(gòu)建了基于有效像素位置的數(shù)組存儲(chǔ)空間。本發(fā)明將計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于科學(xué)儀器的監(jiān)測(cè)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)科學(xué)儀器工作狀態(tài)的可靠、實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G06K9/62GK101122948SQ200710056099
公開(kāi)日2008年2月13日 申請(qǐng)日期2007年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月21日
發(fā)明者地 田, 飛 商, 邱春玲, 馬駿驍, 濤 龍, 王豐貴, 光 楊, 李春生, 楊紅生, 劉金偉, 喬艷明, 蕊 孫 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)