基于模板匹配与双自由度云台相机的仪表搜寻方法技术

本发明专利技术涉及一种基于模板匹配与双自由度云台相机的仪表搜寻方法，首选提出了一种多尺度模板匹配的方法，能在图像中对不同大小的仪表进行定位，接着设计了一种自主调整云台转向和相机缩放的方法，根据仪表的位置，自适应地调节云台角度和相机缩放倍数，使仪表处于图像中心、大小合适的位置。本发明专利技术所提出的方法将普通的模板匹配改进为多尺度匹配，用于动态视频中的仪表定位，有效地提高了定位的精度。此外，将人工拍摄改进为自主对准和变倍拍摄，可得到位置和大小居中的高质量仪表图像，降低了人为拍摄产生的偏差。

【技术实现步骤摘要】
基于模板匹配与双自由度云台相机的仪表搜寻方法
本专利技术涉及一种多尺度模板匹配与双自由度云台相机的仪表搜寻方法，属于计算机视觉

技术介绍
随着人工智能的快速发展，越来越多的工程作业将由人工的方式转变为机器人自主的方式来完成。目前，具有防尘和可靠性高等优点的指针式仪表在大型工业领域得到广泛应用，普遍采用的读表方式为人工读表。由于是在工业场合，仪表一般处于较高、较远的位置，肉眼很难直接看清指针的数值，并且在高温、高压的情况下，人工观察数据还存在较大的安全隐患。在这种情况下，传统的读表方式是先让工作人员站在远处对仪表进行拍照，获取大小合适、位置居中的仪表图片，接着对仪表图片进行读数。因此，仪表读数很重要的一部分是要获取到高质量的仪表图片，采用人工拍摄的方式虽然可以获取较好的仪表图片，但工作强度大，工作效率低，且容易产生视觉疲劳等问题，因此迫切需要让机器人代替人来进行拍摄，并自动对环境中仪表进行检测和放大，最后得到位置和大小合适的高清仪表图片。
技术实现思路
本专利技术针对仪表识别过程中人工拍摄仪表照片存在的上述技术问题，提出了一种改进的基于模板匹配与双自由度云台相机的仪表搜寻方法，实现了机器人对仪表进行定位和自主拍摄高清仪表照片的功能，提高了仪表拍摄的效率，解决了人为拍摄产生偏差问题。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种基于模板匹配与双自由度云台相机的仪表搜寻方法，其特征在于包括如下步骤：S1：调整相机的默认分辨率或设定相机图像的原始尺寸，开始拍摄获取相机图像；S2：从获取的图像中分别制作待识别仪表的正方形初始模板图像；之后，对其中一张图像的尺寸依次渐进缩小直至原始尺寸的M倍，缩减N次产生N幅图像；利用初始模板图像对N副图像依次进行模板匹配，筛选N次匹配结果的最大值，确定出待识别仪表的类别，并计算该图像尺寸与原始尺寸的缩放比，根据该缩放比系数将模板匹配的仪表矩形框进行放大，使在原始尺寸的图像上可以准确显示出仪表，记录仪表矩形框的中心点位置D；S3：在S2所匹配出最大值的图像的横纵方向上各画两条垂直的直线，根据该四条直线确定该图像中心区域矩形框R的大小；S4：判断仪表矩形框的中心点位置D是否位于对应的图像中心区域矩形框R内；S5：如S4仪表矩形框的中心点位置D不位于对应的图像中心区域矩形框R内，则初始化相机云台的转动角度，判断仪表矩形框的中心点位置D与图像中心区域矩形框R的偏差，根据偏差控制相机云台转动，使仪表矩形框的中心点位置D位于对应的图像中心区域矩形框R内；S6：如S4判断结果为仪表矩形框的中心点位置D位于对应的图像中心区域矩形框R内，则说明仪表矩形框处于图像的居中位置；此时需要逐步放大相机倍数，获取仪表区域清晰放大的图像，每次放大相机倍数后计算获取图像的仪表矩形框在所获取图像上的面积占比S，设定S位于0-1之间；当S小于等于0.2时，则需要则重新返回执行S2-S4或S2-S5对模板图像的大小进行自适应调整后直至到达本步骤；当S大于0.2且小于0.3时，改变云台转动的角度θ返回S6顺次执行；当S大于等于0.3，则保存当前的相机图像，作为被认可的高质量仪表图片，整个仪表识别过程结束。进一步的，在步骤S2中，制作待识别仪表的正方形模板图像时，选取五种仪表图片的仪表框分别制作初始模板图像，所述五种仪表图片至少包括指针宽窄不同、表壳带有水珠、干扰环境下的仪表图片；设定初始模板图像正方形边长尺寸为30。进一步的，步骤S2中相机图像原始尺寸或分辨率调整为640×480，相机图像原始尺寸经过20次缩小变化直至原始尺寸的0.2倍成为初始模板图像。进一步的，步骤S3中在图像的中间通过横竖向各两条直线形成一个矩形区域R，矩形区域的宽度为2α，高度为2β，在横方向上的直线坐标表示为ymin和ymax，在纵方向上的直线坐标表示为xmin和xmax，设图像的宽度和高度分别为width和height，则直线的坐标大小为：式中，α表示纵方向直线离图像中心的距离，β表示横方向直线离图像中心的距离。进一步的，步骤S4中，该矩形区域R由其左上角顶点的坐标为(xmin,ymin)，右下角顶点的坐标为(xmax,ymax),仪表矩形框的中心点为D(x,y)，为使仪表矩形框能处于整个图像矩形区域R的中间位置，最好的方法是使仪表矩形框的中心点D(x,y)包含于该矩形区域R内，即D点满足xmin＜D.x＜xmax和ymin＜D.y＜ymax。进一步的，步骤S5中，若D点不包含于该矩形区域R内，则将相机云台进行转动，调整相机的朝向，使仪表矩形框的中心点D(x,y)包含于该矩形区域R内，使仪表矩形框处于图像的居中位置；控制云台转动的规则为：D.x表示仪表框中心点的横坐标，left表示D位于R的左方，right表示D位于R的右方，up表示D位于R的上方，down表示D位于R的下方。进一步的，步骤S6中对模板图像的大小进行自适应调整方式为：设模板图像边长为l，则边长的大小为：l＝kx+b式中，l为模板图像的边长，单位是像素(pixel)；k为比例系数，x为相机的放大倍数，b为常数，表示模板图像边长的初始大小，单位是像素(pixel)。进一步的，步骤S6中在确定仪表矩形框中心的位置已处于相机图像的中心区域R内后，相机放大倍数为每次放大2倍。进一步的，步骤S6中，当仪表矩形框在相机图像中的面积占比S大于0.2小于0.3时，云台每次转动的角度θ与S关系如下式：综上，本专利技术的方法首先打开高清变倍相机，调整相机的默认分辨率，获取相机图像；接着制作模板图像，设定模板图像的初始尺寸，对相机图像的尺寸进行渐进缩小，将1张相机图像生成N张不同尺寸的图像；对N张图像分别进行模板匹配，筛选出相似度最高的一副，确定仪表的类别，计算该图像与原尺寸的比例系数，根据该比例系数放大检测的仪表框，使其在原相机图上能正确框出仪表区域；然后在相机图像的横纵方向画出四条直线，人工在相机图像上设置一个中心区域，利用检测出的仪表框，比较其与图像中心区域的位置，根据位置偏差控制相机云台转动，使其在图像位置居中；当仪表框居中后，对仪表区域进行放大，并且继续控制云台角度来对准仪表，在放大一定倍数后，云台因转动角度过大导致仪表框无法居中，为此提出通过计算仪表在图像的面积占比，通过面积占比改变云台转动角度，使仪表框能快速居中；本专利技术设计了四种指令来控制相机云台。随着仪表框在相机图像上不断变大，提高模板匹配准确率，设计了模板图像尺寸增长模型，自适应改变模板图像的尺寸，使在相机动态放大过程中，对仪表检测的准确率较高，满足实际要求。相对于现有技术，本专利技术能在动态场景中检测仪表，对背景干扰、拍摄距离等多种变化因素具有较好的鲁棒性，实现仪表的精准检测与拍摄。相对于现有技术，本专利技术具有以下有益结果：多尺度模板匹配与双自由度云台相机结合进行仪表图像的跟踪搜寻，其自适应调节能力使整个算法具有较好的拓展性；可以精确检测出仪表的位置和大小，能自动调节云台角度和相机参数，获取高质量的仪表图片，适应性强；能在动态场景中检测仪表，对背景干扰、拍摄距离等多种变化因素具有较好的鲁棒性，实现仪表的精准检测与拍摄。解决了不同距离情况下对仪表检测的问题，实时得到仪表在图像中的位置和大小。根据仪表的位置和大小，提出了一种自本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模板匹配与双自由度云台相机的仪表搜寻方法，其特征在于包括如下步骤：S1：调整相机的默认分辨率或设定相机图像的原始尺寸，开始拍摄获取相机图像；S2：从获取的图像中分别制作待识别仪表的正方形初始模板图像；之后，对其中一张图像的尺寸依次渐进缩小直至原始尺寸的M倍，缩减N次产生N幅图像；利用初始模板图像对N副图像依次进行模板匹配，筛选N次匹配结果的最大值，确定出待识别仪表的类别，并计算该图像尺寸与原始尺寸的缩放比，根据该缩放比系数将模板匹配的仪表矩形框进行放大，使在原始尺寸的图像上可以准确显示出仪表，记录仪表矩形框的中心点位置D；S3：在S2所匹配出最大值的图像的横纵方向上各画两条垂直的直线，根据该四条直线确定该图像中心区域矩形框R的大小；S4：判断仪表矩形框的中心点位置D是否位于对应的图像中心区域矩形框R内；S5：如S4仪表矩形框的中心点位置D不位于对应的图像中心区域矩形框R内，则初始化相机云台的转动角度，判断仪表矩形框的中心点位置D与图像中心区域矩形框R的偏差，根据偏差控制相机云台转动，使仪表矩形框的中心点位置D位于对应的图像中心区域矩形框R内；S6：如S4判断结果为仪表矩形框的中心点位置D位于对应的图像中心区域矩形框R内，则说明仪表矩形框处于图像的居中位置；此时需要逐步放大相机倍数，获取仪表区域清晰放大的图像，每次放大相机倍数后计算获取图像的仪表矩形框在所获取图像上的面积占比S，设定S位于0‑1之间；当S小于等于0.2时，则需要则重新返回执行S2‑S4或S2‑S5对模板图像的大小进行自适应调整后直至到达本步骤；当S大于0.2且小于0.3时，改变云台转动的角度θ返回S6顺次执行；当S大于等于0.3，则保存当前的相机图像，作为被认可的高质量仪表图片，整个仪表识别过程结束。...

【技术特征摘要】
1.一种基于模板匹配与双自由度云台相机的仪表搜寻方法，其特征在于包括如下步骤：S1：调整相机的默认分辨率或设定相机图像的原始尺寸，开始拍摄获取相机图像；S2：从获取的图像中分别制作待识别仪表的正方形初始模板图像；之后，对其中一张图像的尺寸依次渐进缩小直至原始尺寸的M倍，缩减N次产生N幅图像；利用初始模板图像对N副图像依次进行模板匹配，筛选N次匹配结果的最大值，确定出待识别仪表的类别，并计算该图像尺寸与原始尺寸的缩放比，根据该缩放比系数将模板匹配的仪表矩形框进行放大，使在原始尺寸的图像上可以准确显示出仪表，记录仪表矩形框的中心点位置D；S3：在S2所匹配出最大值的图像的横纵方向上各画两条垂直的直线，根据该四条直线确定该图像中心区域矩形框R的大小；S4：判断仪表矩形框的中心点位置D是否位于对应的图像中心区域矩形框R内；S5：如S4仪表矩形框的中心点位置D不位于对应的图像中心区域矩形框R内，则初始化相机云台的转动角度，判断仪表矩形框的中心点位置D与图像中心区域矩形框R的偏差，根据偏差控制相机云台转动，使仪表矩形框的中心点位置D位于对应的图像中心区域矩形框R内；S6：如S4判断结果为仪表矩形框的中心点位置D位于对应的图像中心区域矩形框R内，则说明仪表矩形框处于图像的居中位置；此时需要逐步放大相机倍数，获取仪表区域清晰放大的图像，每次放大相机倍数后计算获取图像的仪表矩形框在所获取图像上的面积占比S，设定S位于0-1之间；当S小于等于0.2时，则需要则重新返回执行S2-S4或S2-S5对模板图像的大小进行自适应调整后直至到达本步骤；当S大于0.2且小于0.3时，改变云台转动的角度θ返回S6顺次执行；当S大于等于0.3，则保存当前的相机图像，作为被认可的高质量仪表图片，整个仪表识别过程结束。2.根据权利要求1所述的基于模板匹配与双自由度云台相机的仪表搜寻方法，其特征在于：在步骤S2中，制作待识别仪表的正方形模板图像时，选取五种仪表图片的仪表框分别制作初始模板图像，所述五种仪表图片至少包括指针宽窄不同、表壳带有水珠、干扰环境下的仪表图片；设定初始模板图像正方形边长尺寸为30。3.根据权利要求1所述的基于模板匹配与双自由度云台相机的仪表搜寻方法，其特征在于：步骤S2中相机图像原始尺寸或分辨率调整为640×480，相机图像原始尺寸经过20次缩小变化直至...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴怀宇，吴杰，张思伦，喻汉，蔡丽仪，徐发兵，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42