基于图像处理的水表检定方法、装置及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及仪表检测领域，更具体的，涉及一种基于图像处理的水表检定方法、装 置及系统。
【背景技术】
[0002] 冷水水表检定过程是一个确定水表读数误差大小的过程，在检定时可以适当采用 计算机识别图像读数代替人工方式进行检测。现阶段，指针式水表检定系统的相关研究日 趋增多，众多的国内外研究者将研究的方向设定在机器视觉以及图像处理上，即采集指针 式水表图像，再利用计算机处理图像矩阵识别水表指针位置，进而读取水表示值。图像处理 检测技术具有极强的对象性，不同的检测对象的图像结构信息相差很大，而且识别的精度 速度等要求也会不尽相同。近几年，国内外图像处理专家在指针式仪表识别方面不断探索， 也取得了一定的研究成果。
[0003] 关于指针式水表只是众多指针式仪表检测中的一种，而基于图像处理的指针式仪 表的研究在国外起步较早，上世纪八九十年代开始，欧美许多发达国家的研究人员就已经 对此逐渐探索，最早是于1989年J. P. Jones选用机械手对指针式仪表图像采集处理，进而 进行指针读数判读；1994年，美国韦恩州立大学的Sablatning等人就已在自己文章中详细 叙述了以圆形表盘且刻度分布均匀的水表作为识别对象，基于Hough变换识别直线即指针 位置，再求取指针指向读取示数，成为仪表识别领域代表性突破；2000年，葡萄牙里斯本技 术大学的Correa Alegria等创新性的提出针对多幅表盘图像，联合减影法以及Hough变换 在将圆形表盘变换成水平刻度线样式后再进行指针位置的识别；2004年，S. L. Pang等人提 出基于最大灰度相减法利用含指针图像减无指针模板图像实现角度判读；2006年出现以 抑制光晕为目的的基于中心环绕模型；2007年，美国科研人员利用指针对环状光栅盘的遮 挡所得到的明暗光信号来读取指针示数。
[0004] 国外的很多学者对于基于图像处理的指针式仪表识别算法理论研究大大推动了 实现仪表自动识别的发展，尤其是对于欧美等发达国家来讲，使用的图像处理逐渐增多，技 术的发展也就相对较快，经验比较丰富，应用方面日渐普及到各个行业如汽车、制药、食品、 饮料和包装等。即便如此，国外的图像处理系统由于知识产权等原因价格昂贵、维修困难， 在国内无法被广大用户所接受。因此，我国研制出具备自主知识产权的指针式仪表识别系 统地必要性很强。
[0005] 同国外相比，我国针对指针式仪表图像识别的研究较晚，研究方向主要集中在图 像分割和特征识别算法上。最早进行此方面研究的是哈尔滨工业大学的李铁桥教授，他指 出以表盘圆心为极点在极坐标系中根据识别出的指针的极坐标角度确定读数；接着王三武 等人对于多子表盘的水表图像识别系统进行了研究，主要采用的是模版匹配；华北电力大 学的李宝树指出识别指针刻度线然后根据预先设定的待测检点与实际检测点之间的误差 读数进行判读的方法；丁庆生、李世平等人提出以指针点、表盘圆心和零点这三点为顶点构 成三角模型进行指针读取的方法；香港理工大学W. L Chan等人设计出一套指针仪表的自 动检定系统；华南理工大学的陈彬将中心投影同Hough变换相结合确定指针位置；南京航 空航天大学的吴欢欢、游有鹏等将ActiveX控件技术引入指针仪表监测系统，提高的检测 系统稳定性；北京邮电大学的曲仁军等对基于嵌入式环境下仪表快速识别理论进行了探 索，结合圆环提取的改进以及边沿梯度圆心查找法对指针读数进行判读；武汉大学方彦军 以基于机器视觉的仪表自动判读项目为依托对自动校验装置对准控制进行了深入钻研，我 国学者对实现指针式仪表示数识别一直都在不断探索。
[0006] 基于以上对前人指针式仪表识别算法的研究不难发现这些指针式仪表识别系统 以指针作为识别判读的关键，对指针方向识别的方法大体分为四类：步长法、圆周灰度检 测、模版匹配、圆周弦长法，对指针方向进行判读的主要方法基本就是两种，即角度法和距 离法。
[0007] 步长法根本原理是以指针旋转轴为种子原点分别沿周围八个邻域方向中某一方 向进行搜索，直到搜索到邻域灰度值是〇的位置为止，再以此位置为原点重复搜索过程，在 震荡中搜索与原点距离最远的位置，此点即为最终点，即指针针尖位置。然后连接原点位 置与针尖位置所成的线即为指针指向，但此方法是以指针轮廓线为基础，如果获得的轮廓 线有任何断裂情况就会使得震荡搜索停止，从而造成指针针尖位置提取错误，而且读错的 概率很大；圆周灰度检测法的基本思想是在确定了指针长度L的基础上以轴心为圆心以$ 3 L为半径做圆并确定与指针边缘的两个交点，再确定两交点间的圆弧的中点，将轴心与中点 连线，此连线即为指针方向，但此方法必须在指针长度确定而且有一定宽度的情况下才较 为合适的使用，如果指针相对较细则造成两交点距离过近，而有的厂商生产的指针式水表 也有指针相对较细的情况，应用此种方法效果并不是很好；而对于模版匹配的方法需要提 前设定好一个固定模版，然后将采集的图像与模版相比较，确定指针的方向，但在本实施例 想要设计系统是手持式图像采集终端，模版并不固定，由此对于模版匹配的方法更加不适 合。
[0008] 针对传统方法各个方面的局限性，很多学者提出了运用圆周弦长检测法来进行水 表指针的方向识别，这种方法的基本原理是将指针以旋转轴心为原点将指针分为四个象 限，然后从原点出发向两个相反的方向搜索指针轮廓，记录轮廓点间距离，每搜索完一条线 上的两个轮廓点就以Γ为步长顺时针或逆时针继续搜索直到旋转180°完成搜索，此搜 索过程中所得的最长的轮廓距离即对应指针指示方向。虽然此种方法在指针式仪表识别领 域具有十分广泛的用途，但如果指针较尖锐，与旋转指针圆没有平滑过度的情况下会浪费 许多资源，而且如果指针在提取过程中出现平针的现象会造成指针方向识别不准确甚至是 错误。
[0009] 因此，现有技术中水表检定还存在效率及准确率均不高的问题。
【发明内容】
[0010] 本发明公开一种基于图像处理的水表检定方法、装置及系统，用于解决现有技术 中水表检定还存在效率及准确率均不高的问题。
[0011] 为实现上述目的，本发明提供一种基于图像处理的水表检定方法，并采用如下技 术方案：
[0012] 基于图像处理的水表检定方法，包括：获取预设表盘图像的指针二值化图；从所 述指针二值化图中提取图像指针轮廓线，根据所述指针轮廓线计算所有轮廓点到指针圆 圆心的第一距离；确定所述第一距离中的最大值，定义所述最大值为longest_diatance ; 计算每个指针轮廓点到所述指针圆圆心的第二距离；搜索所述第二距离中范围在0. 8倍 longest_diatance至1倍longest_diatance之间的轮廓点；求取所述轮廓点的平均坐标 值，并依据所述平均坐标值确定指针针尖位置；根据所述指针针尖位置与所述指针圆圆心 确定指针方向；根据所述指针方向对所述预设水表进行示数判读，得到判读结果；计算所 述判读结果并确定所述预设水表的示值状态。
[0013] 进一步地，所述获取预设表盘图像的指针二值化图包括：对所述表盘图像进行灰 度化处理，得到第一处理结果；在所述第一处理结果的基础上对所述表盘图像进行表盘图 像增强，得到第二处理结果；在所述第二处理结果的基础上对所述表盘图像进行滤波去噪， 得到第三处理结果；在所述第三处理结果的基础上对所述表盘图像进行二值化处理，得到 第四处理结果；在所述第四处理结果的基础上对所述表盘图像进行特征区域提取，得到第 五处理结果；在所述第五处理结果的基础上对所述表盘图像进行指针提取，得到第六处理 结果；在所述第六处理结果的基础上对所述表盘图像进行指针二值化处理，得到指针二值 化图。
[0014] 进一步地，所述在所述第三处理结果的基础上对所述表盘图像进行二值化处理包 括：计算经过滤波去噪的所述表盘图像的灰度均值，计算公式如下：
[0016] 以0为阈值将图像分为大于等于均值的第一部分和小于均值的第二部分；计算所 述第一部分与所述第二部分内像素数目nl、n2,再计算所述第一部分的平均值与所述第 二部分的平均值胃，计算公式如下：
[0018] 根据所述第一部分的平均值???Τ与所述第二部分的平均值％计算类间方差，计 算公式如下：
[0020] 将阈值范围在[0, 255]处的类间方差做比较，获取类方差最大时的阈值，并根据 所述类方差最大时的阈值处理所述表盘图像；其中，width为宽度、height为高度、（x，y)位 置处灰度大小用f(x，y)表示，表盘为图像的灰度均值斑，σ表示类间方差。
[0021] 进一步地，所述在所述第四处理结果的基础上对所述表盘图像进行特征区域提 取：在所述表盘图像二值化的基础上对所述表盘图像进行霍夫变换算法，识别表盘，再识别 子表盘；依据LRCD算法对所述子表盘特征区域提取红色指针，具体方法包括：采用预设参 数模型对所述表盘图像进行灰度变换，所述预设参数模型为：
[0022] g(x，y) = R-Y = 0· 701R-0. 587G-0. 114B
[0023] 式中g(x，y)为处理后灰度大小，R、G、B分别代表图像某位置的三通道灰度值大 小，Y为加权平均值法灰度化所得灰度值；利用红色信道的灰度与蓝色或绿色信道相应灰 度做差，获取灰度差即：
[0024] g(x，y) = R-G 或 g(x，y) = R-B
[0025] 根据所述灰度差对所述表盘图像进行所述第四处理。
[0026] 进一步地，所述根据所述指针方向对所述预设水表进行示数判读包括：确定所述 预设水表的表盘圆心位置以及所述指针圆圆心的位置；根据预设计算公式以及所述表盘圆 心位置、所述指针圆圆心的位置、识别的所述指针方向计算所述预设水表的指针读数；所述 预设计算公式为
[0028] 其中，所述表盘圆心位置为（x，y)，所述指针圆圆心的位置按照从左到右的顺序依 次为（ml，nl)、（m2, n2)、（m3, n3)、（m4, n4)，对应的针尖的位置依次为（pl，ql)、（p2, q2)、 (p3, q3)、（p4, q4)，以向量（x-m2, y_n2)为零向量，计算各个指针方向向量（p-m，q-n)与零 向量所成的角度。
[0029] 进一步地，在所述根据所述指针方向对所述预设水表进行示数判读之前，所述水 表检定方法还包括：判断所述指针方向向量与所述零向量的数量积是否为零；在所述指针 方向向量与所述零向量的数量积为零时，确定所述角