应用于复杂环境下指针仪表鲁棒高效智读方法技术

本发明专利技术公开了一种应用于复杂环境下指针仪表鲁棒高效智读方法。本发明专利技术首先进行图像采集及对图像进行预处理，然后采用改进的随机圆检测获得仪表中心。再指针对称度环向模板匹配法来进行指针线的拟合。最后得到仪表的读数。本发明专利技术能够检测完整的圆形，也能通过部分圆弧还原整个圆，实现对仪表中心的准确定位。同时解决了表盘内阴影对读数的偏差问题，而且克服了指针细化问题，达到了指针仪表指针的准确拟合。

【技术实现步骤摘要】
应用于复杂环境下指针仪表鲁棒高效智读方法
本专利技术涉及计算机图像处理
，更具体的说，是一种基于机器视觉的复杂环境下指针式仪表鲁棒高效智读方法。
技术介绍
指针式仪表读取技术是目前机器视觉领域研究的热点，也是模式识别领域一项重要的前沿技术和研究内容。指针式仪表具有结构简单、耐高压、防腐蚀、防电磁干扰、防水、防冻的特点，常见的指针式仪表有温度表，压力表，流量表，速度表等。指针式仪表的采集往往是人为读取，由于观察角度和视觉疲劳等因素，人工读数的结果往往不可靠，且不方便、耗时、低效。因此，基于机器视觉的指针式仪表读数识别方法得到大规模的研究及应用。目前提出的大多数仪表识别算法针对光照均匀的条件能达到很好的识别效果，然而对于室外复杂环境的识别效果却不尽如人意。若拍摄角度存在偏移，霍夫圆检测存在耗时长且仪表中心不能很好拟合的问题；在指针提取方面，霍夫直线检测是一种有效的探测直线方法，但是它很容易被背景中的线和指针的宽度所影响；针对底部宽、尖端窄的指针式仪表，检测到的直线包含多条线段，需要调节很多参数且需要指针细化算法。剪影法可在没有指针的情况下创建模板图像，然后从捕获的图像中减去该模板图像以检测指针，然而该方法受环境影响较大不适用于室外指针式仪表的读取，因此迫切地需要一种针对室外恶劣天气环境的鲁棒高效的指针式仪表读数方法。现有的指针式仪表图像智读方法大多针对亮度问题进行研究，未考虑到指针阴影、其他遮挡物阴影、镜面反光、镜面水雾对读数的干扰，因此系统的鲁棒性不能满足实际应用要求。
技术实现思路
本专利技术针对上述复杂环境下的干扰，提出一种指针式仪表自动读取方法。本专利技术包括以下步骤：步骤一、图像采集及对图像进行预处理采集的图像为含有仪表正面且拍摄角度垂直于仪表盘表面的图像。预处理包括：采用具有色彩修复功能的多尺度视网膜增强算法，减少周围环境光照量的影响。将图像减少通道数转化为灰度图。采用中值滤波核去除噪声干扰。步骤二、仪表中心的识别获得指针仪表图像轮廓信息，从图像的轮廓中随机选取三个点，根据三点确定一个圆，寻找所有可能圆；通过计算一定区域内的所有可能圆的圆心与区域中心的标准差来确定一个最大圆心密度区域，将该区域的中心作为圆的圆心；将采用所有可能圆的半径的平均值作为最终圆的半径。步骤三、指针线的拟合对指针线段按以下三个原则进行初步过滤和筛选：(a)指针长度不会大于表盘的半径；(b)指针必定落在表盘内；(c)指针所在直线必定经过表盘中心。初步过滤和筛选后，针对指针定位结果中可能包含多条线段，执行指针对称度环向模板匹配法；所述的指针对称度环向模板匹配法是通过迭代二值化阈值突出指针区域，根据仪表指针的特点，指针总是围绕表盘中心进行转动，形成一个圆面，因此，只需要使得模板图像围绕表盘圆心旋转一周，并计算每个旋转角时的子图与模板图像相似度，选取出相似度最大时的角度值，并结合表盘圆心，即可确定指针位置及方向。步骤四、读数的计算采用角度法进行指针式仪表读数。本专利技术的有益效果：本专利技术针对镜面反光造成圆弧断裂和错位的问题，使用改进的随机圆检测，不但能够检测完整的圆形，也能通过部分圆弧还原整个圆，实现对仪表中心的准确定位。针对指针阴影及表盘内其他遮挡物阴影的影响，同时针对尖端小、底部大的指针仪表细化问题，本专利技术提出一种指针对称度环向模板匹配法，不但解决了表盘内阴影对读数的偏差问题，而且克服了指针细化问题，达到了指针仪表指针的准确拟合，最后通过角度法获得指针式仪表读数。附图说明图1是本专利技术实施例提供的基于机器视觉的复杂环境下指针仪表智读流程图；图2是本专利技术实施例提供的仪表中心识别的流程图；图3是本专利技术实施例提供的仪表指针线拟合流程图；图4是角度法读数示意图；图5a是本专利技术实施例1提供的镜面反光下指针式仪表的输入图像；图5b是本专利技术实施例1提供的最优密度圆区域；图5c是本专利技术实施例1提供的改进霍夫圆检测仪表中心拟合结果；图5d是本专利技术实施例1提供的镜面反光下指针式仪表的输出图像；图6a是本专利技术实施例2提供的指针附近出现光晕下指针式仪表的输入图像；图6b是本专利技术实施例2提供的指针对称度环向模板匹配相似度曲线；图6c是本专利技术实施例2提供的指针对称度环向模板匹配检测结果。具体实施步骤以下结合附图对本专利技术作进一步说明。如图1、图2和图3所示，本专利技术具体步骤是：步骤一、图像采集及预处理在本专利技术的实施例图像采集过程中，仪表原图像为含有仪表正面且拍摄角度垂直于仪表盘表面大小为600X800的采集图像。在现场工业环境下，亮度水平取决于许多因素(天气、时间、室内或室外等)，通常是可变的。而亮度的变化对仪表读数的识别增加了强干扰，往往会造成读数误识别，本专利技术应用了一种具有色彩修复功能的多尺度视网膜增强算法(MSRCR)，减少周围环境光照量的影响。同时在不影响检测仪表的准确性前提下，为减少检测的耗时，将原彩色图像减少通道数转化为灰度图。由于图像是由庞大的像素点构成，原图像在复杂环境的干扰下存在许多噪点，采用3x3的中值滤波核去除噪声干扰，可获得良好的仪表图像。步骤二、仪表中心的识别其原理是：从图像的轮廓(或边缘)信息中随机选取三个点，根据三点确定一个圆，寻找所有可能圆Ok。通过计算一定区域内的所有可能圆的圆心与区域中心的标准差来确定一个最大圆心密度区域，将该区域的中心作为圆的圆心。同样的，对于半径的计算是采用所有可能圆的半径的平均值作为最终圆的半径。这样可以在保证准确度的情况下，极大的减少了计算量。寻找圆的步骤如下：(1)对中值滤波后的图像执行Canny边缘检测提取获得指针式仪表的轮廓图像，对于轮廓上的任意三个点(xk1,yk1)，(xk2,yk2)，(xk3,yk3)，可以唯一确定一个圆Ok。随机选取p个轮廓上的三个点所得的圆的集合为{Ok(ak,bk,rk)}，k＝1,…,p，其中(ak,bk)是圆心坐标，rk是(ak,bk)对应圆的半径。(2)从上述集合中任意选取一个半径为圆心为的圆作为密集区域A。假设有q个圆的圆心在A内，遍历密集区域A中所有圆心，则最优密集区域Aopt＝min(σ1,σ2,…,σq)即为最优圆所在的区域，其中σk为各圆心间的欧氏距离与圆心间的平均距离的误差平方和，(aq,bq)为轮廓上随机三点确定的圆心坐标，dq为两圆心之间的欧式距离，davg为各圆心之间欧氏距离的标准差：则可以确定最优圆的圆心为：(3)对Aopt内的所有半径求均值,其结果作为为最优圆的半径。步骤三、指针线的拟合为了提高指针识别的效率及准确性，本专利技术基于以下原则对指针线段进行初步过滤和筛选：(a)指针长度不会大于表盘的半径；(b)指针必本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.应用于复杂环境下指针仪表鲁棒高效智读方法，其特征在于该方法包括以下步骤：/n步骤一、图像采集及对图像进行预处理/n采集的图像为含有仪表正面且拍摄角度垂直于仪表盘表面的图像；/n预处理包括：/n采用具有色彩修复功能的多尺度视网膜增强算法，减少周围环境光照量的影响；/n将图像减少通道数转化为灰度图；/n采用中值滤波核去除噪声干扰；/n步骤二、仪表中心的识别/n获得指针仪表图像轮廓信息，从图像的轮廓中随机选取三个点，根据三点确定一个圆，寻找所有可能圆；/n通过计算一定区域内的所有可能圆的圆心与区域中心的标准差来确定一个最大圆心密度区域，将该区域的中心作为圆的圆心；/n将采用所有可能圆的半径的平均值作为最终圆的半径；/n步骤三、指针线的拟合/n对指针线段按以下三个原则进行初步过滤和筛选，：/n(a)指针长度不会大于表盘的半径；/n(b)指针必定落在表盘内；/n(c)指针所在直线必定经过表盘中心；/n初步过滤和筛选后，针对指针定位结果中可能包含多条线段，执行指针对称度环向模板匹配法；/n所述的指针对称度环向模板匹配法是通过迭代二值化阈值突出指针区域，根据仪表指针的特点，指针总是围绕表盘中心进行转动，形成一个圆面，因此，只需要使得模板图像围绕表盘圆心旋转一周，并计算每个旋转角时的子图与模板图像相似度，选取出相似度最大时的角度值，并结合表盘圆心，即可确定指针位置及方向；/n步骤四、读数的计算/n采用角度法进行指针式仪表读数。/n...

【技术特征摘要】
1.应用于复杂环境下指针仪表鲁棒高效智读方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、图像采集及对图像进行预处理
采集的图像为含有仪表正面且拍摄角度垂直于仪表盘表面的图像；
预处理包括：
采用具有色彩修复功能的多尺度视网膜增强算法，减少周围环境光照量的影响；
将图像减少通道数转化为灰度图；
采用中值滤波核去除噪声干扰；
步骤二、仪表中心的识别
获得指针仪表图像轮廓信息，从图像的轮廓中随机选取三个点，根据三点确定一个圆，寻找所有可能圆；
通过计算一定区域内的所有可能圆的圆心与区域中心的标准差来确定一个最大圆心密度区域，将该区域的中心作为圆的圆心；
将采用所有可能圆的半径的平均值作为最终圆的半径；
步骤三、指针线的拟合
对指针线段按以下三个原则进行初步过滤和筛选，：
(a)指针长度不会大于表盘的半径；
(b)指针必定落在表盘内；
(c)指针所在直线必定经过表盘中心；
初步过滤和筛选后，针对指针定位结果中可能包含多条线段，执行指针对称度环向模板匹配法；
所述的指针对称度环向模板匹配法是通过迭代二值化阈值突出指针区域，根据仪表指针的特点，指针总是围绕表盘中心进行转动，形成一个圆面，因此，只需要使得模板图像围绕表盘圆心旋转一周，并计算每个旋转角时的子图与模板图像相似度，选取出相似度最大时的角度值，并结合表盘圆心，即可确定指针位置及方向；
步骤四、读数的计算
采用角度法进行指针式仪表读数。


2.根据权利要求1所述的应用于复杂环境下指针仪表鲁棒高效智读方法，其特征在于：步骤二具体是：
(1)对于轮廓上的任意三个点(xk1,yk1)，(xk2,yk2)，(xk3,yk3)，可以唯一确定一个...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑松，
申请(专利权)人：杭州国彪超声设备有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33