【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及基于目标检测和语义分割的物理实验刻度仪器读数方法，属于刻度仪器读数方法领域。
技术介绍
1、随着实验操作纳入学业水平考试，考生数量庞大，人工读数费时费力、工作量大、存在主观因素，且可能因为考生数量多、实验时间长导致老师疲劳而造成误读、漏读。因此物理实验刻度仪器读数方法就有了意义。
2、目前，针对刻度仪器读数方法的研究更多的是集中在工业仪器上，针对物理实验仪器的读数方法研究相对较少。在刻度仪器读数方法中，目前主流的提取指针方法分为三种：1)直线拟合的方法。该方法是传统方法，精确度不高。2)直接标注指针，再目标检测的方法。该方法适用于粗指针，精细指针难以标注。3)直接标注指针，再语义分割的方法。该方法适用于粗指针，精细指针难以标注。目前主流的仪表读数方法分为两种：1)距离法。该方法通过将圆形刻度区域展平再根据指针和刻度起点的距离以及刻度起点和刻度终点的距离进行读数。2)角度法。该方法根据指针和刻度起点的夹角以及刻度起点和刻度终点的夹角进行读数。
3、近几年，用于仪表读数的语义分割的方法主要有三类方法：1)u-net，该网络结构强化了特征融合的思想，每一层都加入低层通道的特征图，并采用通道叠加。利用了更多浅层特征，拥有更好的边缘提取能力，适用于需要提取精确边缘特征的分割任务，但在分割任务很复杂的数据集中表现不是很好。2)maskr-cnn，该网络结构是在目标检测算法fasterr-cnn基础上加入经典语义分割算法fcn来进行语义分割，能够精确地定位和目标物体，但是计算复杂度高且需要大量标注数据。3
技术实现思路
1、本专利技术提供了基于目标检测和语义分割的物理实验刻度仪器读数方法，解决了
技术介绍
中披露的问题。本方法所使用的改进语义分割算法采用轻量级主干网络减小运算量、引入条状池化捕获远程信息并进一步融合浅层特征提高边界分割精度，且该方法能对电流表、电压表和天平等实验刻度仪器进行检测和自动读数。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：
3、基于目标检测和语义分割的物理实验刻度仪器读数方法：
4、获取电流表、电压表和天平数据集，对数据集中的电流表、电压表、电流表a字符、电压表v字符、电流表接线柱、电压表接线柱、天平和砝码进行标注并使用目标检测算法训练，根据训练模型检测、截取电流表、电压表和天平图像并对图像倾斜校正；
5、对电流表、电压表和天平数据集中的电流表、电压表刻度区域、天平分度盘和天平游标卡尺进行语义分割标注并使用改进语义分割算法训练；倾斜校正后的图像送入训练好的模型，经过主干网络生成浅层特征和深层特征，深层特征送入改进空间金字塔池化模块与浅层特征经过多尺度融合后的输出连接，再经过通道压缩和上采样得到语义分割图像；
6、根据电流表、电压表接线柱状态获得量程，利用电流表、电压表语义分割图像提取刻度点和指针，最后由量程、刻度和指针位置获得电流表、电压表读数；
7、利用分度盘语义分割图像提取分度盘重心和指针位置进而判断天平是否平衡，通过砝码目标检测结果计算砝码重量，根据游标卡尺语义分割图像提取游标卡尺刻度点和游码左端位置并读数，最后由砝码重量和游标卡尺读数之和获得天平读数。
8、进一步地，获取电流表、电压表和天平数据集，对数据集中的电流表、电压表、电流表a字符、电压表v字符、电流表接线柱、电压表接线柱、天平和砝码进行标注并使用目标检测算法训练的过程为：
9、拍摄电流表、电压表和天平图像，使用labelme标注工具标注电流表、电压表、电流表a字符、电压表v字符、电流表接线柱、电压表接线柱、天平和砝码的目标检测框，将数据样本按照7:3的比例划分为训练集和测试集；
10、利用yolov5目标检测算法训练目标检测数据集。
11、进一步地，根据训练模型检测、截取电流表、电压表和天平图像并对图像倾斜校正的过程为：
12、利用训练好的目标检测模型检测并截取电流表、电压表和天平图像；
13、利用电流表a字符、电压表v字符目标检测训练模型检测电流表、电压表上的字符，区分电流表、电压表；
14、用canny算子检测图像中的边缘轮廓线，利用霍夫线变换使得直角坐标系下由点汇集成的直线变换成hesse仿射坐标系下由曲线相交成的点的原理检测出图像中的所有直线，筛选出接近水平方向的直线，求出这些直线偏移角度的平均值，根据偏移角度的平均值校正图片。
15、进一步地，对电流表、电压表和天平数据集中的电流表、电压表刻度区域、天平分度盘和天平游标卡尺进行语义分割标注并使用改进语义分割算法训练；倾斜校正后的图像送入训练好的模型，经过主干网络生成浅层特征和深层特征，深层特征送入改进空间金字塔池化模块与浅层特征经过多尺度融合后的输出连接，再经过通道压缩和上采样得到语义分割图像的过程为：
16、对电流表、电压表和天平数据集中的电流表、电压表刻度区域、天平分度盘和天平游标卡尺进行语义分割标注并使用改进语义分割算法训练；
17、将倾斜校正后的图像送入训练好的语义分割模型，经过mobilenetv2主干网络提取特征，获得尺度大小为256×256×16的特征图c1、尺度大小为128×128×24的特征图c2、尺度大小为64×64×32的特征图c3和尺度大小为32×32×320的特征图c4；
18、将尺度大小为32×32×320的特征图c4输入到空间金字塔池化模块；特征图c4经过1×1的卷积获得尺度大小为32×32×256的特征图p1，特征图c4经过卷积核大小为3×3、通道数为256、膨胀率为6的膨胀卷积后获得尺度大小为32×32×256的特征图p2，特征图c4经过卷积核大小为3×3、通道数为256、膨胀率为12的膨胀卷积后获得尺度大小为32×32×256的特征图p3，特征图c4经过卷积核大小为3×3、通道数为256、膨胀率为18的膨胀卷积后获得尺度大小为32×32×256的特征图p4，特征图c4经过全局平均池化后得到1×1×320的特征图再经过通道缩放和上采样获得尺度大小为32×32×256的特征图p5，特征图c4经过1×32的横向条状池化得到32×1×320的特征图再经过通道缩放和上采样后获得尺度大小为32×32×256的特征图p6，特征图c4经过32×1的纵向条状池化后得到1×32×320的特征图再经过通道缩放和上采样后获得尺度大小为32×32×256的特征图p7；将特征图p1、特征图p2、特征图p3、特征图p4、特征图p5、特征图p6和特征图p7做连接操作获得32×32×1792的特征图，经过1×1卷积压缩通道数获得32×32×256的特征图，再四倍上采样得到128×128×256的特征图d1；
19、将尺度大小为2本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于目标检测和语义分割的物理实验刻度仪器读数方法，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的基于目标检测和语义分割的物理实验刻度仪器读数方法，其特征在于：获取电流表、电压表和天平数据集，对数据集中的电流表、电压表、电流表A字符、电压表V字符、电流表接线柱、电压表接线柱、天平和砝码进行标注并使用目标检测算法训练的过程为：
3.根据权利要求2所述的基于目标检测和语义分割的物理实验刻度仪器读数方法，其特征在于：根据训练模型检测、截取电流表、电压表和天平图像并对图像倾斜校正的过程为：
4.根据权利要求1所述的基于目标检测和语义分割的物理实验刻度仪器读数方法，其特征在于：对电流表、电压表和天平数据集中的电流表、电压表刻度区域、天平分度盘和天平游标卡尺进行语义分割标注并使用改进语义分割算法训练；倾斜校正后的图像送入训练好的模型，经过主干网络生成浅层特征和深层特征，深层特征送入改进空间金字塔池化模块与浅层特征经过多尺度融合后的输出连接，再经过通道压缩和上采样得到语义分割图像的过程为：
5.根据权利要求1所述的基于目标检测和语义分割的物理实验刻度仪
6.根据权利要求5所述的基于目标检测和语义分割的物理实验刻度仪器读数方法，其特征在于：提取电流表、电压表刻度点和指针的过程为：
7.根据权利要求1所述的基于目标检测和语义分割的物理实验刻度仪器读数方法，其特征在于：利用分度盘语义分割图像提取分度盘重心和指针位置进而判断天平是否平衡，通过砝码目标检测结果计算砝码重量，根据游标卡尺语义分割图像提取游标卡尺刻度点和游码左端位置并读数，最后由砝码重量和游标卡尺读数之和获得天平读数的过程为：
8.根据权利要求7所述的基于目标检测和语义分割的物理实验刻度仪器读数方法，其特征在于：在天平平衡的条件下，寻找游标卡尺刻度点和游码左端的过程为：
9.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于：所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至8所述的方法中的任一方法。
10.一种计算设备，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.基于目标检测和语义分割的物理实验刻度仪器读数方法，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的基于目标检测和语义分割的物理实验刻度仪器读数方法，其特征在于：获取电流表、电压表和天平数据集，对数据集中的电流表、电压表、电流表a字符、电压表v字符、电流表接线柱、电压表接线柱、天平和砝码进行标注并使用目标检测算法训练的过程为：
3.根据权利要求2所述的基于目标检测和语义分割的物理实验刻度仪器读数方法，其特征在于：根据训练模型检测、截取电流表、电压表和天平图像并对图像倾斜校正的过程为：
4.根据权利要求1所述的基于目标检测和语义分割的物理实验刻度仪器读数方法，其特征在于：对电流表、电压表和天平数据集中的电流表、电压表刻度区域、天平分度盘和天平游标卡尺进行语义分割标注并使用改进语义分割算法训练；倾斜校正后的图像送入训练好的模型，经过主干网络生成浅层特征和深层特征，深层特征送入改进空间金字塔池化模块与浅层特征经过多尺度融合后的输出连接，再经过通道压缩和上采样得到语义分割图像的过程为：
5.根据权利要求1所述的基于目标检测和语义分割的物理实验刻度仪器读数方法，其特征...
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