專利名稱：用于移動機(jī)器人的類圓形指針式儀表讀數(shù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種計算機(jī)圖像處理方法，具體是，涉及一種基于移動機(jī)器人圖像采集的指針式儀表自動讀數(shù)的方法；類圓形是由圓形和橢圓形組成的集合。
背景技術(shù)：
在變電站中，儀表占據(jù)著重要的作用，對各類儀表的讀數(shù)尤為重要，如何實現(xiàn)對各類儀表的讀數(shù)關(guān)乎數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、采集難度小且成本低的重要因素。在現(xiàn)階段，各類儀表圖像的采集與識別，大多依靠固定攝像頭來采集，在這種采集方式中表盤區(qū)域在所采集圖像中的位置固定，容易識別，但需要安裝大量的用于固定攝像頭的設(shè)備，這不僅受資金消耗較大的影響，而且受變電站設(shè)備安全距離的制約。而變電站巡檢機(jī)器人，可以有效地解決上述問題，但是與固定攝像頭相比，由于機(jī)器人運動的停靠精度和云臺轉(zhuǎn)動誤差的影響，使得儀表在采集得到的圖像中的位置不固定，需要進(jìn)一步的加以改進(jìn)，通過對表盤的提取以有效地解決這個問題，從而延伸出了圖像識別技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用。圖像識別技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)尤其是電力運行、生產(chǎn)中有著非常廣泛的應(yīng)用，基于圖像處理的儀表讀數(shù)是其在電力系統(tǒng)中重要的應(yīng)用方向。電力系統(tǒng)的通信機(jī)房和變電站設(shè)有很多設(shè)備儀表，如油枕表、油溫表、SF6開關(guān)壓力表、電壓表、電流表等。目前,對這些儀表的監(jiān)測大多是利用遠(yuǎn)程固定視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的，儀表數(shù)值是通過對儀表指針進(jìn)行實時監(jiān)控并截取現(xiàn)場圖像通過人工讀取來實現(xiàn)的，這樣做雖然能夠準(zhǔn)確的進(jìn)行識讀，但如前所述的位置安裝和變電站安全距離問題，尤其是需要附加的人力支持，使得這種方案不再為當(dāng)前所提倡。利用移動機(jī)器人和圖像處理技術(shù)，對儀表進(jìn)行自主拍攝，并確定指針位置，自動計算指針讀數(shù)，實時記錄設(shè)備的狀態(tài)，這對確保電力企業(yè)的生產(chǎn)安全有著重要的現(xiàn)實意義，也是將來無人值守變電站的趨勢
橢圓作為一個重要的形狀特征，在現(xiàn)實生活中大量存在，在很多領(lǐng)域中要求能夠快速地檢測出圖像中的橢圓輪廓?，F(xiàn)實生活中大量物體的透視投影均為橢圓，橢圓擬合是后續(xù)物件辨識與測量的先決條件，橢圓的魯棒精確提取在圖像識別與計算機(jī)視覺中有著特別重要的意義。中國第CN1581209A號發(fā)明專利申請公開提出了一種基于物體輪廓的變電站中圓 /橢圓/方形儀表監(jiān)測方法，其基本方案是總控制端計算機(jī)基于存有基于物體輪廓的圓/橢圓/矩形搜索、檢測算法的遠(yuǎn)程表檢測/讀取模塊，通過無線局域網(wǎng)控制變電站中的巡檢機(jī)器人，按照預(yù)先設(shè)定的巡檢路線，在設(shè)定的搜索空間范圍內(nèi)通過搜索子程序鎖定儀表的空間位置，然后用可見光攝像頭獲取儀表幾何圖像，通過無線局域網(wǎng)發(fā)回總控制端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。該方法仍然需要精確地控制巡檢機(jī)器人的準(zhǔn)確定位，也就是依賴于理想狀態(tài)下巡檢機(jī)器人的定位，以保證圖像采集的準(zhǔn)確性，對表盤的尋找不具有魯棒性，且對系統(tǒng)地控制代價太高。
作為進(jìn)一步的改進(jìn)，中國CN101620682A申請公開提出了一種指針式儀表讀數(shù)方法，該方法建立不同儀表的刻度查詢表，形成數(shù)據(jù)庫；采集儀表圖像，輸入儀表圖像并對其進(jìn)行預(yù)處理，以提取儀表表盤的有效識別區(qū)域；從儀表表盤的有效識別區(qū)域中，利用指針和刻度線筆畫特征，提取儀表的指針和刻度線；根據(jù)提取的指針和刻度線，將提取的刻度線與刻度查詢表數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的刻度查詢表進(jìn)行匹配，進(jìn)行讀數(shù)自動識別。該方案相對于前述的CN1581209A有較大的改進(jìn)，但這種方法只能適應(yīng)于固定監(jiān)控點，對表盤的尋找不具有魯棒性，對于復(fù)雜室外環(huán)境下，無法實現(xiàn)對儀表的精確定位。尤其是要建立繁瑣的數(shù)據(jù)庫，前期工作量非常大。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種用于移動機(jī)器人的類圓形指針式儀表讀數(shù)方法，對機(jī)器人的定位精度具有魯棒性，能夠?qū)崿F(xiàn)對儀表的準(zhǔn)確讀數(shù)，且計算量小，前期數(shù)據(jù)
庫建立簡單。為了實現(xiàn)本發(fā)明的發(fā)明目的，所采用的技術(shù)方案為
該發(fā)明一種用于移動機(jī)器人的類圓形指針式儀表讀數(shù)方法，手動提取目標(biāo)儀表模板， 標(biāo)記目標(biāo)儀表刻度與角度的對應(yīng)關(guān)系，存入數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而該讀數(shù)方法包括以下步驟
A.把移動機(jī)器人采集的目標(biāo)圖像灰度化，二值化；
B.先提取步驟A所生成圖像的表盤區(qū)域利用Canny算法提取設(shè)備邊界圖像；取邊界點，進(jìn)而擬合橢圓；對獲得的橢圓進(jìn)行過濾，剔除掉被擬合成橢圓的非橢圓圖像，得到表盤圖像；
C.在獲得表盤圖像區(qū)域內(nèi)提取指針，進(jìn)而得到指針的角度；
D.提取數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)目標(biāo)儀表的指針角度與示數(shù)之間的關(guān)系計算步驟C所得角度對應(yīng)的示數(shù)。本發(fā)明的有益效果是前期工作只是通過機(jī)器人采集單張設(shè)備圖像加入模板庫，對應(yīng)的儀表圖像被手動提取，并根據(jù)獲得的儀表圖像進(jìn)行手動的識別和標(biāo)識，且可通過以其為基準(zhǔn)設(shè)定相關(guān)讀數(shù)參數(shù)，前期工作量非常小。機(jī)器人作業(yè)條件下的?？烤葘δ０鍣E圓上儀表指針讀數(shù)影響不大，除非是機(jī)器人挺高遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到位，以至于橢圓率太小，理論上機(jī)器人的?？烤瓤梢詽M足本方法的應(yīng)用，儀表在機(jī)器人獲取圖像中的形態(tài)差異并不十分明顯，前期工作所獲得模板能夠滿足示數(shù)的自動讀取，對機(jī)器人?？康木染哂恤敯粜?。較之已有的移動機(jī)器人儀表讀數(shù)方法，本方案的讀數(shù)精度在計算量減小的情況下，保持了較高的讀數(shù)精度。上述用于移動機(jī)器人的類圓形指針式儀表讀數(shù)方法，取邊界點時，若能夠被提取的邊界點個數(shù)大于閾值/;，則利用最小二乘法擬合橢圓；否則，重新選擇邊界，這樣可以濾出某些本不應(yīng)該被擬合的圖形，減小計算量。上述用于移動機(jī)器人的類圓形指針式儀表讀數(shù)方法，對獲得的橢圓進(jìn)行過濾的方法是，首先計算提取的邊界點與所擬合橢圓的距離，并設(shè)定一閾值Td，小于該閾值的邊界點為匹配點，所有匹配點與所提取邊界點的比值定義為擬合率，并計算所得橢圓的橢圓率， 從而在被過濾橢圓的橢圓率大于設(shè)定的橢圓率閾值且擬合率大于設(shè)定的擬合率閾值時，記錄所得橢圓，據(jù)此可以濾除大多數(shù)的噪聲。
上述用于移動機(jī)器人的類圓形指針式儀表讀數(shù)方法，為了獲得更精確的表盤圖像，執(zhí)行多次的步驟B得到多個表盤圖像，然后對所得的多個表盤圖像進(jìn)行最優(yōu)橢圓選擇的步驟，把獲得的最優(yōu)橢圓作為最終的表盤圖像。上述用于移動機(jī)器人的類圓形指針式儀表讀數(shù)方法，最優(yōu)橢圓選擇的步驟為，首先計算出所有所得表盤圖像對應(yīng)擬合橢圓的面積，以對應(yīng)的目標(biāo)儀表模板對應(yīng)的手動提取的橢圓面積為理想橢圓面積，遍歷所有所得表盤圖像與理想橢圓面積的差值的絕對值，定義為面積差，取面積差最小的擬合橢圓作為最優(yōu)橢圓。上述用于移動機(jī)器人的類圓形指針式儀表讀數(shù)方法，所述橢圓率閾值為O. 85，擬合率閾值為0.8。上述用于移動機(jī)器人的類圓形指針式儀表讀數(shù)方法，還包括針對某一目標(biāo)儀表模板及讀數(shù)方法的參數(shù)在移動機(jī)器人作業(yè)前的測試步驟，通過在測試橢圓中混入其他圖形， 驗證能否分檢出測試橢圓，這可以用于對某些閾值進(jìn)行調(diào)試。


圖I為二維平面中的橢圓。圖2為依據(jù)本發(fā)明一種用于移動機(jī)器人的類圓形指針式儀表讀數(shù)方法流程圖。
具體實施例方式一種用于移動機(jī)器人上的指針式儀表自動讀數(shù)的方法，首先應(yīng)當(dāng)建立模板庫，根據(jù)移動機(jī)器人的巡檢對象，設(shè)定巡檢路線，并把巡檢對象上的目標(biāo)指針式儀表采集單張設(shè)備圖像加入模板庫。手動提取目標(biāo)儀表模板，標(biāo)記目標(biāo)儀表刻度與角度的對應(yīng)關(guān)系，存入數(shù)據(jù)庫，進(jìn)一步地，可以表示均勻與非均勻刻度類型的儀表，以匹配不同的指針角度與讀數(shù)的關(guān)系。生成模板后就可以針對對應(yīng)的指針是儀表進(jìn)行讀數(shù)操作了，讀數(shù)操作步驟如下 Stepl :輸入待識別圖像，即通過移動機(jī)器人采集相關(guān)圖像并送入對應(yīng)的識別器件，通
過橢圓擬合算法獲取待識別圖像的表盤區(qū)域；
St印2 :然后對表盤區(qū)域圖像經(jīng)過圖像預(yù)處理算法實現(xiàn)指針檢測；
Step3 :對指針角度進(jìn)行查詢，獲得儀表的示數(shù)。所述stepl中橢圓擬合算法的步驟如下
Al.橢圓的表不方法
參見說明書附圖1，在二維平面坐標(biāo)系中，橢圓一般可以用兩種形式來表示，一種橢圓曲線方程的一般代數(shù)形式表示，如式(I)
權(quán)利要求
1.一種用于移動機(jī)器人的類圓形指針式儀表讀數(shù)方法，其特征在于，手動提取目標(biāo)儀表模板，標(biāo)記目標(biāo)儀表刻度與角度的對應(yīng)關(guān)系，存入數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而該讀數(shù)方法包括以下步驟A.把移動機(jī)器人采集的目標(biāo)圖像灰度化，二值化；B.先提取步驟A所生成圖像的表盤區(qū)域利用Canny算法提取設(shè)備邊界圖像；取邊界點，進(jìn)而擬合橢圓；對獲得的橢圓進(jìn)行過濾，剔除掉被擬合成橢圓的非橢圓圖像，得到表盤圖像；C.在獲得表盤圖像區(qū)域內(nèi)提取指針，進(jìn)而得到指針的角度；D.提取數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)目標(biāo)儀表的指針角度與示數(shù)之間的關(guān)系計算步驟C所得角度對應(yīng)的示數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于移動機(jī)器人的類圓形指針式儀表讀數(shù)方法，其特征在于，取邊界點時，若能夠被提取的邊界點個數(shù)大于閾值Tc，則利用最小二乘法擬合橢圓；否則，重新選擇邊界。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于移動機(jī)器人的類圓形指針式儀表讀數(shù)方法，其特征在于，對獲得的橢圓進(jìn)行過濾的方法是，首先計算提取的邊界點與所擬合橢圓的距離，并設(shè)定一閾值4，小于該閾值的邊界點為匹配點，所有匹配點與所提取邊界點的比值定義為擬合率，并計算所得橢圓的橢圓率，從而在被過濾橢圓的橢圓率大于設(shè)定的橢圓率閾值且擬合率大于設(shè)定的擬合率閾值時，記錄所得橢圓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于移動機(jī)器人的類圓形指針式儀表讀數(shù)方法，其特征在于，執(zhí)行多次的步驟B得到多個表盤圖像，然后對所得的多個表盤圖像進(jìn)行最優(yōu)橢圓選擇的步驟，把獲得的最優(yōu)橢圓作為最終的表盤圖像。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于移動機(jī)器人的類圓形指針式儀表讀數(shù)方法，其特征在于，最優(yōu)橢圓選擇的步驟為，首先計算出所有所得表盤圖像對應(yīng)擬合橢圓的面積，以對應(yīng)的目標(biāo)儀表模板對應(yīng)的手動提取的橢圓面積為理想橢圓面積，遍歷所有所得表盤圖像與理想橢圓面積的差值的絕對值，定義為面積差，取面積差最小的擬合橢圓作為最優(yōu)橢圓。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5任一所述的用于移動機(jī)器人的類圓形指針式儀表讀數(shù)方法，其特征在于，所述橢圓率閾值為O. 85，擬合率閾值為O. 8。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6任一所述的用于移動機(jī)器人的類圓形指針式儀表讀數(shù)方法，其特征在于，還包括針對某一目標(biāo)儀表模板及讀數(shù)方法的參數(shù)在移動機(jī)器人作業(yè)前的測試步驟，通過在測試橢圓中混入其他圖形，驗證能否分檢出測試橢圓。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于移動機(jī)器人的類圓形指針式儀表讀數(shù)方法，手動提取目標(biāo)儀表模板，進(jìn)而該讀數(shù)方法包括以下步驟A.把移動機(jī)器人采集的目標(biāo)圖像灰度化，二值化；B.先提取步驟A所生成圖像的表盤區(qū)域利用Canny算法提取設(shè)備邊界圖像；取邊界點，進(jìn)而擬合橢圓；對獲得的橢圓進(jìn)行過濾，剔除掉被擬合成橢圓的非橢圓圖像，得到表盤圖像；C.在獲得表盤圖像區(qū)域內(nèi)提取指針，進(jìn)而得到指針的角度；D.提取數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)目標(biāo)儀表的指針角度與示數(shù)之間的關(guān)系計算步驟C所得角度對應(yīng)的示數(shù)。本發(fā)明對機(jī)器人的定位精度具有魯棒性，能夠?qū)崿F(xiàn)對儀表的準(zhǔn)確讀數(shù)，且計算量小，前期數(shù)據(jù)庫建立簡單。
文檔編號G06K9/46GK102609712SQ20121004341
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月24日
發(fā)明者李麗, 李健, 王萬國, 王振利, 王濱海 申請人:山東魯能智能技術(shù)有限公司