無標(biāo)尺線指針式儀表刻度的圖像檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于圖像的無標(biāo)尺線指針式儀表圓形標(biāo)尺上的刻度自動(dòng)檢測(cè)方法，利用單臺(tái)數(shù)碼照相機(jī)構(gòu)建圖像采集系統(tǒng)并進(jìn)行標(biāo)定；在對(duì)應(yīng)于20%和80%滿量程的激勵(lì)信號(hào)下拍攝兩幅表頭圖像；經(jīng)閾值分割和形態(tài)學(xué)處理后，按二階矩特征初篩刻度線區(qū)域；按刻度線向心性進(jìn)行次篩并確定標(biāo)尺盤心的粗略位置；根據(jù)用戶給定的近心標(biāo)志確定候選刻度基點(diǎn)集，并結(jié)合圓的雙點(diǎn)移除截?cái)嘧钚《朔ㄇ笕M合圓??；以候選刻度線與擬合圓弧的交點(diǎn)作為檢測(cè)所得刻度基點(diǎn)；合并兩幅圖像的結(jié)果為最終的刻度基點(diǎn)集。本發(fā)明能自動(dòng)完成無標(biāo)尺線指針式儀表刻度位置的自動(dòng)檢測(cè)，可應(yīng)用于儀表的自動(dòng)校準(zhǔn)和自動(dòng)讀數(shù)中，提高讀數(shù)準(zhǔn)確度，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。
【專利說明】無標(biāo)尺線指針式儀表刻度的圖像檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及儀表自動(dòng)校準(zhǔn)和儀表自動(dòng)讀數(shù)等領(lǐng)域，具體是一種基于圖像的無標(biāo)尺線指針式儀表的圓形標(biāo)尺上刻度的自動(dòng)檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]指針式儀表的結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。不但在已經(jīng)使用的各類系統(tǒng)中廣泛存在著大量的指針式儀表，而且即使在數(shù)字式儀表應(yīng)用日益廣泛的情況下，每年仍有數(shù)以萬計(jì)的指針式儀表被生成。針對(duì)新產(chǎn)和使用中的指針式儀表的檢定和校準(zhǔn)工作，如果靠人工來完成的話，勞動(dòng)量大，且容易受到檢驗(yàn)人員的主管因素影響?；趫D像處理的指針式儀表檢定和校準(zhǔn)是解決這一問題的低成本且可行的方法。此外，現(xiàn)有系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制與管理也要求能夠自動(dòng)獲取包括指針式儀表讀數(shù)在內(nèi)的各個(gè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，而基于圖像處理的指針式儀表自動(dòng)讀數(shù)方法是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最為直接、對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的影響和改造最小的途徑。在基于圖像的指針式儀表自動(dòng)校準(zhǔn)與自動(dòng)讀數(shù)中，儀表刻度的自動(dòng)識(shí)別是不可或缺的重要步驟。
[0003]目前在儀表的自動(dòng)讀數(shù)中，常通過人為設(shè)置刻度在圖像中的角度范圍來實(shí)現(xiàn)儀表指針方向到讀數(shù)的轉(zhuǎn)換；也有方法通過OCR識(shí)別出表頭的刻度值文字，確定出刻度位置與大小后，再將指針位置轉(zhuǎn)換為儀表讀數(shù)。這些方法或者失之過簡，無法適用于刻度間距存在不均勻性的場(chǎng)合，從而造成自動(dòng)讀數(shù)中較大的系統(tǒng)誤差；或者方法較為繁瑣，且可靠性也有所下降。
[0004]因此，有必要找到一種相對(duì)簡單、適用性好的方法，在同型號(hào)儀表批量校準(zhǔn)或自動(dòng)讀數(shù)時(shí)，能夠利用圖像處理和識(shí)別技術(shù)，可靠地自動(dòng)確定儀表刻度線或其代表點(diǎn)在圖像中的位置，進(jìn)而將圖像中檢測(cè)得到的指針位置轉(zhuǎn)換為儀表讀數(shù)，由此實(shí)現(xiàn)儀表讀數(shù)自動(dòng)化，消除儀表讀數(shù)不確定度中人為因素的分量，提高儀表讀數(shù)的準(zhǔn)確度，減輕工作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，便于實(shí)現(xiàn)儀表校準(zhǔn)及信息管理和應(yīng)用中數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，是針對(duì)無標(biāo)尺線指針式儀表表頭的圓形標(biāo)尺，提供一種刻度自動(dòng)檢測(cè)的方法。所述的無標(biāo)尺線圓形標(biāo)尺僅由若干相互分離的、以均勻或不均勻間距分布的、指向指針旋轉(zhuǎn)軸心的短直線段刻度所構(gòu)成，這些刻度直線段的一端分布于一個(gè)以指針旋轉(zhuǎn)軸心為圓心的虛擬圓弧之上，此外沒有任何以實(shí)線或虛線繪制于表頭上的、可作為標(biāo)尺基線的圓弧標(biāo)尺線；稱所述的指針旋轉(zhuǎn)軸心為標(biāo)尺盤心；稱所述的共圓刻度直線段端點(diǎn)為刻度基點(diǎn)；稱所述的刻度基點(diǎn)所在的虛擬圓弧為虛標(biāo)尺線。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所提出的方法具體包括以下步驟:
[0007]1.固定一個(gè)放置待檢測(cè)刻度的指針式儀表的平面；在垂直于儀表表頭平面的方向上安裝一臺(tái)數(shù)碼照相機(jī)(也可用數(shù)碼攝像機(jī)，為簡潔起見，以下行文中僅以數(shù)碼照相機(jī)為例進(jìn)行描述)；調(diào)整數(shù)碼照相機(jī)的位置和焦距，使得照相機(jī)恰好聚焦于表頭平面，且在保證表頭被完整拍攝的前提下，使得表頭在圖像中盡可能大；利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的照相機(jī)標(biāo)定方法(可參考“C.Steger, M.Ulrich, C.Wiedemann,著，楊少榮，吳迪靖，段德山，譯.機(jī)器視覺算法與應(yīng)用(雙語版).北京:清華大學(xué)出版社，2008”第3.9.4節(jié))，確定如上構(gòu)成的視覺系統(tǒng)的徑向畸變因子K和比例因子S，以像素/mm為單位，該比例因子描述了被拍攝對(duì)象的實(shí)際物理尺寸(以mm計(jì))和它在圖像中的尺寸(以像素計(jì))之間的比例關(guān)系；在下述的整個(gè)檢測(cè)過程中，如上述構(gòu)成的視覺系統(tǒng)不得再進(jìn)行調(diào)整；
[0008]i1.確定以下待檢測(cè)儀表刻度的先驗(yàn)參數(shù):刻度直線段的最小長度^ι?η，單位為mm,典型的取值在2~7 ;刻度直線段的最大長度Hinax，單位為mm，典型的取值在5~10 ;刻度直線段的最大寬度1，單位為mm，典型的取值在0.1~0.8 ;刻度基點(diǎn)與虛標(biāo)尺線之間偏差距離的容許限<(base，單位為mm，典型的取值在0.1~0.3 ;刻度線的數(shù)目Ntidi ;基
礎(chǔ)刻度線的比例k，該比例描述了第vii步候選刻度線次篩步驟應(yīng)能基本保證識(shí)別得到的短刻度線的數(shù)量占所有刻度線數(shù)量的比例，典型的取值在0.3~0.5 ;第一根刻度線的朝向角下限值afiret與最后一根刻度線的朝向角上限值Cilast，且afiret〈 aiast;各刻度線對(duì)應(yīng)的量值ut (I < t < Ntick);刻度基點(diǎn)近心標(biāo)志fpOTi，如果刻度基點(diǎn)為刻度直線段靠近標(biāo)尺盤心的那一端，則fpOTi=TRUE，否則fpOTi=FALSE ;針對(duì)同一型號(hào)的儀表，以上參數(shù)均保持不變，因此可事先針對(duì)不同型號(hào)的儀表確定上述參數(shù)值并保存于配置文件中，然后在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，通過人工選擇儀表型號(hào)或自動(dòng)識(shí)別儀表型號(hào)，即可由相應(yīng)的配置文件讀取上述參數(shù)；利用
視覺系統(tǒng)的比例因子S將/t knl、Ckmax >和CkJw參數(shù)換算為以像素為單位的圖
像尺寸 ltick，min、-^tick, max Λ ^tick, max 矛口 ^ tick—base，即
[0009]
【權(quán)利要求】
1.一種基于圖像的、無標(biāo)尺線指針式儀表自動(dòng)校準(zhǔn)或自動(dòng)讀數(shù)中的圓形標(biāo)尺刻度檢測(cè)方法；所述的無標(biāo)尺線圓形標(biāo)尺僅由若干相互分離的、以均勻或不均勻間距分布的、指向指針旋轉(zhuǎn)軸心的短直線段刻度所構(gòu)成，這些刻度直線段的一端分布于一個(gè)以指針旋轉(zhuǎn)軸心為圓心的虛擬圓弧之上，此外沒有任何以實(shí)線或虛線繪制于表頭上的、可作為標(biāo)尺基線的圓弧標(biāo)尺線；稱所述的指針旋轉(zhuǎn)軸心為標(biāo)尺盤心；稱所述的共圓刻度直線段端點(diǎn)為刻度基點(diǎn)；稱所述的刻度基點(diǎn)所在的虛擬圓弧為虛標(biāo)尺線；所述的此類無標(biāo)尺線指針式儀表的圓形標(biāo)尺刻度自動(dòng)檢測(cè)方法包括以下步驟: 1.固定一個(gè)放置待檢測(cè)刻度的指針式儀表的平面；在垂直于儀表表頭平面的方向上安裝一臺(tái)數(shù)碼照相機(jī)(也可用數(shù)碼攝像機(jī)，為簡潔起見，以下行文中僅以數(shù)碼照相機(jī)為例進(jìn)行描述)；調(diào)整數(shù)碼照相機(jī)的位置和焦距，使得照相機(jī)恰好聚焦于表頭平面，且在保證表頭被完整拍攝的前提下，使得表頭在圖像中盡可能大；利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的照相機(jī)標(biāo)定方法，確定如上構(gòu)成的視覺系統(tǒng)的徑向畸變因子K和比例因子S，以像素/mm為單位，該比例因子描述了被拍攝對(duì)象的實(shí)際物理尺寸(以mm計(jì))和它在圖像中的尺寸(以像素計(jì))之間的比例關(guān)系；在下述的整個(gè)檢測(cè)過程中，如上構(gòu)成的視覺系統(tǒng)不得再進(jìn)行調(diào)整； ?.確定以下待檢測(cè)儀表刻度的先驗(yàn)參數(shù):刻度直線段的最小長度，單位為mm，典型的取值在2~7 ;刻度直線段的最大長度/ t ax，單位為mm，典型的取值在5~10 ;刻度直線段的最大寬度11’二_，單位為mm，典型的取值在0.1~0.8 ;刻度基點(diǎn)與虛標(biāo)尺線之間偏差距離的容許限Ctbase，單位為mm，典型的取值在0.1~0.3 ;刻度線的數(shù)目Ntidi ;基礎(chǔ)刻度線的比例k，該比例描述了第vii步候選刻度線次篩步驟應(yīng)能基本保證識(shí)別得到的短刻度線的數(shù)量占所有刻度線數(shù)量的比例，典型的取值在0.3~0.5 ;第一根刻度線的朝向角下限值afiret與最后一根刻度線的朝向角上限值Cilast，且afiret〈 Cilast;各刻度線對(duì)應(yīng)的量值Ut (I≤t≤Ntick);刻度基點(diǎn)近心標(biāo)志fpOTi，如果刻度基點(diǎn)為刻度直線段靠近標(biāo)尺盤心的那一端，則fpOTi=TRUE，否則fpOTi=FALSE ;針對(duì)同一型號(hào)的儀表，以上參數(shù)均保持不變，因此可事先針對(duì)不同型號(hào)的儀表確定上述參數(shù)值并保存于配置文件中，然后在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，通過人工選擇儀表型號(hào)或自動(dòng)識(shí)別儀表型號(hào)，即可由相應(yīng)的配置文件讀取上述參數(shù)；利用視覺系統(tǒng)的比例因子S將, Ck,max ' wCtmax和參數(shù)換算為以像素為單位的圖像尺
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第vi步中的候選刻度線初篩方法，其特征在于如下步驟: a.根據(jù)Itick, min、I tick, max 和計(jì)算刻度線長軸最大長度laxis，_和最小離心率X min，計(jì)算公式為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第vii步中的候選刻度線次篩方法，其特征在于如下步驟: a.將Ia的整個(gè)圖像區(qū)域劃分成邊長為b的正方形構(gòu)成的網(wǎng)格，b的典型取值為5s;為每一個(gè)正方形網(wǎng)格Guv=Kx, y) I (u-l)b+l≤X≤ub, (v_l)b+l ^ y ^ vb}分配一個(gè)初始值為O的累加器Auv，其中
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第ix步中的雙點(diǎn)移除截?cái)嘧钚《藞A擬合方法，其特征在于:a.計(jì)算各個(gè)候選刻度基點(diǎn)(I^ j ^ Ncand,2)到粗略的標(biāo)尺盤心(Xe, coarse, Yccoarse)之間距離的算術(shù)平均值。。.;令候選刻度基點(diǎn)擬合圓的初始圓心坐標(biāo)為(x0, y0) = (X。，coarse, y。，coarse)，初始半徑為


r〇-^coarse ? b.根據(jù)初始圓參數(shù)O^ytl)和A，利用高斯-牛頓法對(duì)候選刻度基點(diǎn)進(jìn)行圓擬合，得到擬合圓的圓心坐標(biāo)(X。，y。)和半徑r ； c.計(jì)算各個(gè)候選刻度基點(diǎn)到(Xe，y。)的距離，并確定最大距離和最小距離所分別對(duì)應(yīng)的兩個(gè)候選刻度基點(diǎn)，將它們從候選刻度基點(diǎn)集合中去除，令(Xt), y0) = (xc, yc)，r0=r ； d.重復(fù)上述步驟b和步驟c，直至剩余的候選刻度基點(diǎn)數(shù)量不超過kNtidi;此時(shí)得到的擬合圓圓心坐標(biāo)U。，yc)作為標(biāo)尺盤心坐標(biāo)，以此時(shí)得到的擬合圓半徑r作為虛標(biāo)尺線的半徑。
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK103776482SQ201410057867
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年2月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月20日
【發(fā)明者】郭斯羽, 張翌, 王耀南, 溫和, 滕召勝, 黎福海, 周樂前, 孟志強(qiáng), 劉波峰, 唐求, 唐璐 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)