基于圖像處理的水表檢定方法、裝置及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及儀表檢測(cè)領(lǐng)域，更具體的，涉及一種基于圖像處理的水表檢定方法、裝 置及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 冷水水表檢定過程是一個(gè)確定水表讀數(shù)誤差大小的過程，在檢定時(shí)可以適當(dāng)采用 計(jì)算機(jī)識(shí)別圖像讀數(shù)代替人工方式進(jìn)行檢測(cè)?，F(xiàn)階段，指針式水表檢定系統(tǒng)的相關(guān)研究日 趨增多，眾多的國內(nèi)外研究者將研究的方向設(shè)定在機(jī)器視覺以及圖像處理上，即采集指針 式水表圖像，再利用計(jì)算機(jī)處理圖像矩陣識(shí)別水表指針位置，進(jìn)而讀取水表示值。圖像處理 檢測(cè)技術(shù)具有極強(qiáng)的對(duì)象性，不同的檢測(cè)對(duì)象的圖像結(jié)構(gòu)信息相差很大，而且識(shí)別的精度 速度等要求也會(huì)不盡相同。近幾年，國內(nèi)外圖像處理專家在指針式儀表識(shí)別方面不斷探索， 也取得了一定的研究成果。
[0003] 關(guān)于指針式水表只是眾多指針式儀表檢測(cè)中的一種，而基于圖像處理的指針式儀 表的研究在國外起步較早，上世紀(jì)八九十年代開始，歐美許多發(fā)達(dá)國家的研究人員就已經(jīng) 對(duì)此逐漸探索，最早是于1989年J. P. Jones選用機(jī)械手對(duì)指針式儀表圖像采集處理，進(jìn)而 進(jìn)行指針讀數(shù)判讀；1994年，美國韋恩州立大學(xué)的Sablatning等人就已在自己文章中詳細(xì) 敘述了以圓形表盤且刻度分布均勻的水表作為識(shí)別對(duì)象，基于Hough變換識(shí)別直線即指針 位置，再求取指針指向讀取示數(shù)，成為儀表識(shí)別領(lǐng)域代表性突破；2000年，葡萄牙里斯本技 術(shù)大學(xué)的Correa Alegria等創(chuàng)新性的提出針對(duì)多幅表盤圖像，聯(lián)合減影法以及Hough變換 在將圓形表盤變換成水平刻度線樣式后再進(jìn)行指針位置的識(shí)別；2004年，S. L. Pang等人提 出基于最大灰度相減法利用含指針圖像減無指針模板圖像實(shí)現(xiàn)角度判讀；2006年出現(xiàn)以 抑制光暈為目的的基于中心環(huán)繞模型；2007年，美國科研人員利用指針對(duì)環(huán)狀光柵盤的遮 擋所得到的明暗光信號(hào)來讀取指針示數(shù)。
[0004] 國外的很多學(xué)者對(duì)于基于圖像處理的指針式儀表識(shí)別算法理論研究大大推動(dòng)了 實(shí)現(xiàn)儀表自動(dòng)識(shí)別的發(fā)展，尤其是對(duì)于歐美等發(fā)達(dá)國家來講，使用的圖像處理逐漸增多，技 術(shù)的發(fā)展也就相對(duì)較快，經(jīng)驗(yàn)比較豐富，應(yīng)用方面日漸普及到各個(gè)行業(yè)如汽車、制藥、食品、 飲料和包裝等。即便如此，國外的圖像處理系統(tǒng)由于知識(shí)產(chǎn)權(quán)等原因價(jià)格昂貴、維修困難， 在國內(nèi)無法被廣大用戶所接受。因此，我國研制出具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的指針式儀表識(shí)別系 統(tǒng)地必要性很強(qiáng)。
[0005] 同國外相比，我國針對(duì)指針式儀表圖像識(shí)別的研究較晚，研究方向主要集中在圖 像分割和特征識(shí)別算法上。最早進(jìn)行此方面研究的是哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李鐵橋教授，他指 出以表盤圓心為極點(diǎn)在極坐標(biāo)系中根據(jù)識(shí)別出的指針的極坐標(biāo)角度確定讀數(shù)；接著王三武 等人對(duì)于多子表盤的水表圖像識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行了研究，主要采用的是模版匹配；華北電力大 學(xué)的李寶樹指出識(shí)別指針刻度線然后根據(jù)預(yù)先設(shè)定的待測(cè)檢點(diǎn)與實(shí)際檢測(cè)點(diǎn)之間的誤差 讀數(shù)進(jìn)行判讀的方法；丁慶生、李世平等人提出以指針點(diǎn)、表盤圓心和零點(diǎn)這三點(diǎn)為頂點(diǎn)構(gòu) 成三角模型進(jìn)行指針讀取的方法；香港理工大學(xué)W. L Chan等人設(shè)計(jì)出一套指針儀表的自 動(dòng)檢定系統(tǒng)；華南理工大學(xué)的陳彬?qū)⒅行耐队巴琀ough變換相結(jié)合確定指針位置；南京航 空航天大學(xué)的吳歡歡、游有鵬等將ActiveX控件技術(shù)引入指針儀表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高的檢測(cè) 系統(tǒng)穩(wěn)定性；北京郵電大學(xué)的曲仁軍等對(duì)基于嵌入式環(huán)境下儀表快速識(shí)別理論進(jìn)行了探 索，結(jié)合圓環(huán)提取的改進(jìn)以及邊沿梯度圓心查找法對(duì)指針讀數(shù)進(jìn)行判讀；武漢大學(xué)方彥軍 以基于機(jī)器視覺的儀表自動(dòng)判讀項(xiàng)目為依托對(duì)自動(dòng)校驗(yàn)裝置對(duì)準(zhǔn)控制進(jìn)行了深入鉆研，我 國學(xué)者對(duì)實(shí)現(xiàn)指針式儀表示數(shù)識(shí)別一直都在不斷探索。
[0006] 基于以上對(duì)前人指針式儀表識(shí)別算法的研究不難發(fā)現(xiàn)這些指針式儀表識(shí)別系統(tǒng) 以指針作為識(shí)別判讀的關(guān)鍵，對(duì)指針方向識(shí)別的方法大體分為四類：步長法、圓周灰度檢 測(cè)、模版匹配、圓周弦長法，對(duì)指針方向進(jìn)行判讀的主要方法基本就是兩種，即角度法和距 離法。
[0007] 步長法根本原理是以指針旋轉(zhuǎn)軸為種子原點(diǎn)分別沿周圍八個(gè)鄰域方向中某一方 向進(jìn)行搜索，直到搜索到鄰域灰度值是〇的位置為止，再以此位置為原點(diǎn)重復(fù)搜索過程，在 震蕩中搜索與原點(diǎn)距離最遠(yuǎn)的位置，此點(diǎn)即為最終點(diǎn)，即指針針尖位置。然后連接原點(diǎn)位 置與針尖位置所成的線即為指針指向，但此方法是以指針輪廓線為基礎(chǔ)，如果獲得的輪廓 線有任何斷裂情況就會(huì)使得震蕩搜索停止，從而造成指針針尖位置提取錯(cuò)誤，而且讀錯(cuò)的 概率很大；圓周灰度檢測(cè)法的基本思想是在確定了指針長度L的基礎(chǔ)上以軸心為圓心以 為半徑做圓并確定與指針邊緣的兩個(gè)交點(diǎn)，再確定兩交點(diǎn)間的圓弧的中點(diǎn)，將軸心與中 3 點(diǎn)連線，此連線即為指針方向，但此方法必須在指針長度確定而且有一定寬度的情況下才 較為合適的使用，如果指針相對(duì)較細(xì)則造成兩交點(diǎn)距離過近，而有的廠商生產(chǎn)的指針式水 表也有指針相對(duì)較細(xì)的情況，應(yīng)用此種方法效果并不是很好；而對(duì)于模版匹配的方法需要 提前設(shè)定好一個(gè)固定模版，然后將采集的圖像與模版相比較，確定指針的方向，但在本實(shí)施 例想要設(shè)計(jì)系統(tǒng)是手持式圖像采集終端，模版并不固定，由此對(duì)于模版匹配的方法更加不 適合。
[0008] 針對(duì)傳統(tǒng)方法各個(gè)方面的局限性，很多學(xué)者提出了運(yùn)用圓周弦長檢測(cè)法來進(jìn)行水 表指針的方向識(shí)別，這種方法的基本原理是將指針以旋轉(zhuǎn)軸心為原點(diǎn)將指針分為四個(gè)象 限，然后從原點(diǎn)出發(fā)向兩個(gè)相反的方向搜索指針輪廓，記錄輪廓點(diǎn)間距離，每搜索完一條線 上的兩個(gè)輪廓點(diǎn)就以Γ為步長順時(shí)針或逆時(shí)針繼續(xù)搜索直到旋轉(zhuǎn)180°完成搜索，此搜 索過程中所得的最長的輪廓距離即對(duì)應(yīng)指針指示方向。雖然此種方法在指針式儀表識(shí)別領(lǐng) 域具有十分廣泛的用途，但如果指針較尖銳，與旋轉(zhuǎn)指針圓沒有平滑過度的情況下會(huì)浪費(fèi) 許多資源，而且如果指針在提取過程中出現(xiàn)平針的現(xiàn)象會(huì)造成指針方向識(shí)別不準(zhǔn)確甚至是 錯(cuò)誤。
[0009] 因此，現(xiàn)有技術(shù)中水表檢定還存在效率及準(zhǔn)確率均不高的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明公開一種基于圖像處理的水表檢定方法、裝置及系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術(shù) 中水表檢定還存在效率及準(zhǔn)確率均不高的問題。
[0011] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于圖像處理的水表檢定方法，并采用如下技 術(shù)方案：
[0012] 基于圖像處理的水表檢定方法包括：獲取預(yù)設(shè)表盤圖像的指針二值化圖；從所述 指針二值化圖中提取圖像指針輪廓線，根據(jù)所述指針輪廓線計(jì)算所有輪廓點(diǎn)到指針圓圓 心的距離；確定所述距離中的最大值并根據(jù)所述最大值確定指針方向；根據(jù)所述指針方向 對(duì)所述預(yù)設(shè)水表進(jìn)行示數(shù)判讀，并得到判讀結(jié)果；計(jì)算所述判讀結(jié)果并確定所述預(yù)設(shè)水表 的示值狀態(tài)。
[0013] 進(jìn)一步地，所述確定所述距離中的最大值并根據(jù)所述最大值確定指針方向包括： 定義所述輪廓點(diǎn)到所述指針圓圓心的距離為distance，所述距離的計(jì)算公式如下：
[0015] 其中，Pt - X代表所述輪廓點(diǎn)的橫坐標(biāo)，pt - y代表所述輪廓點(diǎn)的縱坐標(biāo)；從所 述距離中確定最大值，且所述最大值對(duì)應(yīng)的所述輪廓點(diǎn)為指針針尖所在位置，且所述指針 圓圓心坐標(biāo)與隨時(shí)指針針尖所在位置坐標(biāo)之間的連線即為指針方向。
[0016] 進(jìn)一步地，所述根據(jù)所述指針方向?qū)λ鲱A(yù)設(shè)水表進(jìn)行示數(shù)判讀包括：確定所述 預(yù)設(shè)水表的表盤圓心位置以及所述指針圓圓心的位置；根據(jù)預(yù)設(shè)計(jì)算公式以及所述表盤圓 心位置、所述指針圓圓心的位置、識(shí)別的所述指針方向計(jì)算所述預(yù)設(shè)水表的指針讀數(shù)；
[0017] 所述預(yù)設(shè)計(jì)算公式為：
[0018] 其中，所述表盤圓心位置為（x，y)，所述指針圓圓心的位置按照從左到右的順序依 次為（ml，nl)、（m2, n2)、（m3, n3)、（m4, n4)，對(duì)應(yīng)的針尖的位置依次為（pl，ql)、（p2, q2)、 (p3, q3)、（p4, q4)，以向量（x-m2, y_n2)為零向量，計(jì)算各個(gè)指針方向向量（p-m，q-n)與零 向量所成的角度。
[0019] 進(jìn)一步地，在所述根據(jù)所述指針方向?qū)λ鲱A(yù)設(shè)水表進(jìn)行示數(shù)判讀之前，所述水 表檢定方法還包括：判斷所述指針方向向量與所述零向量的數(shù)量積是否為零；在所述指針 方向向量與所述零向量的數(shù)量積為零時(shí)，確定所述角度為90度或270度；在所述指針方向 向量與所述零向量的數(shù)量積不為零時(shí)，則利用所述預(yù)設(shè)計(jì)算公式求取所述角度的向量夾角 Θ 〇
[0020] 進(jìn)一步地，所述獲取預(yù)設(shè)表盤圖像的指針二值化圖包括：對(duì)所述表盤圖像進(jìn)行灰 度化處理，得到第一處理結(jié)果；在所述第一處理結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)所述表盤圖像進(jìn)行表盤圖 像增強(qiáng)，得到第二處理結(jié)果；在所述第二處理結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)所述表盤圖像進(jìn)行濾波去 噪，得到第三處理結(jié)果；在所述第三處理結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)所述表盤圖像進(jìn)行二值化處理，得 到第四處理結(jié)果；在所述第四處理結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)所述表盤圖像進(jìn)行特征區(qū)域提取，得到 第五處理結(jié)果；在所述第五處理結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)所述表盤圖像進(jìn)行指針提取，得到第六處 理結(jié)果；在所述第六處理結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)所述表盤圖像進(jìn)行指針二值化處理，得到指針二 值化圖。
[0021] 進(jìn)一步地，所述對(duì)所述表盤圖像進(jìn)行灰度化處理，得到第一處理結(jié)果包括：
[0022] 將所述表盤圖像的各像素點(diǎn)的R、G、B三個(gè)分量分別乘以一個(gè)加權(quán)系數(shù)即權(quán)值，數(shù) 學(xué)表達(dá)式如下：
[0023] g(x,y) = (ffR*R+ffG*G+ffB*B)/3
[0024] 采用如下加權(quán)參數(shù)模型：
[0025] g(x, y) = 0. 299R+0. 587G+0. 114B
[0026] 對(duì)所述各像素點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)平均，獲取所述表盤圖像的灰度圖。
[0027] 進(jìn)一步地，所述在所述第四處理結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)所述表盤圖像進(jìn)行特征區(qū)域提 取，得到第五處理結(jié)果包括：在所述表盤圖像二值化的