无标尺线指针式仪表刻度的图像检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于图像的无标尺线指针式仪表圆形标尺上的刻度自动检测方法，利用单台数码照相机构建图像采集系统并进行标定；在对应于20%和80%满量程的激励信号下拍摄两幅表头图像；经阈值分割和形态学处理后，按二阶矩特征初筛刻度线区域；按刻度线向心性进行次筛并确定标尺盘心的粗略位置；根据用户给定的近心标志确定候选刻度基点集，并结合圆的双点移除截断最小二乘法求取拟合圆弧；以候选刻度线与拟合圆弧的交点作为检测所得刻度基点；合并两幅图像的结果为最终的刻度基点集。本发明能自动完成无标尺线指针式仪表刻度位置的自动检测，可应用于仪表的自动校准和自动读数中，提高读数准确度，减轻劳动强度。
【专利说明】无标尺线指针式仪表刻度的图像检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及仪表自动校准和仪表自动读数等领域，具体是一种基于图像的无标尺线指针式仪表的圆形标尺上刻度的自动检测方法。
【背景技术】
[0002]指针式仪表的结构简单，使用方便。不但在已经使用的各类系统中广泛存在着大量的指针式仪表，而且即使在数字式仪表应用日益广泛的情况下，每年仍有数以万计的指针式仪表被生成。针对新产和使用中的指针式仪表的检定和校准工作，如果靠人工来完成的话，劳动量大，且容易受到检验人员的主管因素影响。基于图像处理的指针式仪表检定和校准是解决这一问题的低成本且可行的方法。此外，现有系统的计算机远程控制与管理也要求能够自动获取包括指针式仪表读数在内的各个生产数据，而基于图像处理的指针式仪表自动读数方法是实现这一目标的最为直接、对现有系统的影响和改造最小的途径。在基于图像的指针式仪表自动校准与自动读数中，仪表刻度的自动识别是不可或缺的重要步骤。
[0003]目前在仪表的自动读数中，常通过人为设置刻度在图像中的角度范围来实现仪表指针方向到读数的转换；也有方法通过OCR识别出表头的刻度值文字，确定出刻度位置与大小后，再将指针位置转换为仪表读数。这些方法或者失之过简，无法适用于刻度间距存在不均匀性的场合，从而造成自动读数中较大的系统误差；或者方法较为繁琐，且可靠性也有所下降。
[0004]因此，有必要找到一种相对简单、适用性好的方法，在同型号仪表批量校准或自动读数时，能够利用图像处理和识别技术，可靠地自动确定仪表刻度线或其代表点在图像中的位置，进而将图像中检测得到的指针位置转换为仪表读数，由此实现仪表读数自动化，消除仪表读数不确定度中人为因素的分量，提高仪表读数的准确度，减轻工作者的劳动强度，便于实现仪表校准及信息管理和应用中数据采集的自动化。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题，是针对无标尺线指针式仪表表头的圆形标尺，提供一种刻度自动检测的方法。所述的无标尺线圆形标尺仅由若干相互分离的、以均匀或不均匀间距分布的、指向指针旋转轴心的短直线段刻度所构成，这些刻度直线段的一端分布于一个以指针旋转轴心为圆心的虚拟圆弧之上，此外没有任何以实线或虚线绘制于表头上的、可作为标尺基线的圆弧标尺线；称所述的指针旋转轴心为标尺盘心；称所述的共圆刻度直线段端点为刻度基点；称所述的刻度基点所在的虚拟圆弧为虚标尺线。
[0006]本发明为解决上述技术问题所提出的方法具体包括以下步骤:
[0007]1.固定一个放置待检测刻度的指针式仪表的平面；在垂直于仪表表头平面的方向上安装一台数码照相机(也可用数码摄像机，为简洁起见，以下行文中仅以数码照相机为例进行描述)；调整数码照相机的位置和焦距，使得照相机恰好聚焦于表头平面，且在保证表头被完整拍摄的前提下，使得表头在图像中尽可能大；利用现有标准的照相机标定方法(可参考“C.Steger, M.Ulrich, C.Wiedemann,著，杨少荣，吴迪靖，段德山，译.机器视觉算法与应用(双语版).北京:清华大学出版社，2008”第3.9.4节)，确定如上构成的视觉系统的径向畸变因子K和比例因子S，以像素/mm为单位，该比例因子描述了被拍摄对象的实际物理尺寸(以mm计)和它在图像中的尺寸(以像素计)之间的比例关系；在下述的整个检测过程中，如上述构成的视觉系统不得再进行调整；
[0008]i1.确定以下待检测仪表刻度的先验参数:刻度直线段的最小长度^ι?η，单位为mm,典型的取值在2~7 ;刻度直线段的最大长度Hinax，单位为mm，典型的取值在5~10 ;刻度直线段的最大宽度1，单位为mm，典型的取值在0.1~0.8 ;刻度基点与虚标尺线之间偏差距离的容许限<(base，单位为mm，典型的取值在0.1~0.3 ;刻度线的数目Ntidi ;基
础刻度线的比例k，该比例描述了第vii步候选刻度线次筛步骤应能基本保证识别得到的短刻度线的数量占所有刻度线数量的比例，典型的取值在0.3~0.5 ;第一根刻度线的朝向角下限值afiret与最后一根刻度线的朝向角上限值Cilast，且afiret〈 aiast;各刻度线对应的量值ut (I < t < Ntick);刻度基点近心标志fpOTi，如果刻度基点为刻度直线段靠近标尺盘心的那一端，则fpOTi=TRUE，否则fpOTi=FALSE ;针对同一型号的仪表，以上参数均保持不变，因此可事先针对不同型号的仪表确定上述参数值并保存于配置文件中，然后在进行检测时，通过人工选择仪表型号或自动识别仪表型号，即可由相应的配置文件读取上述参数；利用
视觉系统的比例因子S将/t knl、Ckmax >和CkJw参数换算为以像素为单位的图
像尺寸 ltick，min、-^tick, max Λ ^tick, max 矛口 ^ tick—base，即
[0009]
【权利要求】
1.一种基于图像的、无标尺线指针式仪表自动校准或自动读数中的圆形标尺刻度检测方法；所述的无标尺线圆形标尺仅由若干相互分离的、以均匀或不均匀间距分布的、指向指针旋转轴心的短直线段刻度所构成，这些刻度直线段的一端分布于一个以指针旋转轴心为圆心的虚拟圆弧之上，此外没有任何以实线或虚线绘制于表头上的、可作为标尺基线的圆弧标尺线；称所述的指针旋转轴心为标尺盘心；称所述的共圆刻度直线段端点为刻度基点；称所述的刻度基点所在的虚拟圆弧为虚标尺线；所述的此类无标尺线指针式仪表的圆形标尺刻度自动检测方法包括以下步骤: 1.固定一个放置待检测刻度的指针式仪表的平面；在垂直于仪表表头平面的方向上安装一台数码照相机(也可用数码摄像机，为简洁起见，以下行文中仅以数码照相机为例进行描述)；调整数码照相机的位置和焦距，使得照相机恰好聚焦于表头平面，且在保证表头被完整拍摄的前提下，使得表头在图像中尽可能大；利用现有标准的照相机标定方法，确定如上构成的视觉系统的径向畸变因子K和比例因子S，以像素/mm为单位，该比例因子描述了被拍摄对象的实际物理尺寸(以mm计)和它在图像中的尺寸(以像素计)之间的比例关系；在下述的整个检测过程中，如上构成的视觉系统不得再进行调整； ?.确定以下待检测仪表刻度的先验参数:刻度直线段的最小长度，单位为mm，典型的取值在2~7 ;刻度直线段的最大长度/ t ax，单位为mm，典型的取值在5~10 ;刻度直线段的最大宽度11’二_，单位为mm，典型的取值在0.1~0.8 ;刻度基点与虚标尺线之间偏差距离的容许限Ctbase，单位为mm，典型的取值在0.1~0.3 ;刻度线的数目Ntidi ;基础刻度线的比例k，该比例描述了第vii步候选刻度线次筛步骤应能基本保证识别得到的短刻度线的数量占所有刻度线数量的比例，典型的取值在0.3~0.5 ;第一根刻度线的朝向角下限值afiret与最后一根刻度线的朝向角上限值Cilast，且afiret〈 Cilast;各刻度线对应的量值Ut (I≤t≤Ntick);刻度基点近心标志fpOTi，如果刻度基点为刻度直线段靠近标尺盘心的那一端，则fpOTi=TRUE，否则fpOTi=FALSE ;针对同一型号的仪表，以上参数均保持不变，因此可事先针对不同型号的仪表确定上述参数值并保存于配置文件中，然后在进行检测时，通过人工选择仪表型号或自动识别仪表型号，即可由相应的配置文件读取上述参数；利用视觉系统的比例因子S将, Ck,max ' wCtmax和参数换算为以像素为单位的图像尺
2.根据权利要求1所述的第vi步中的候选刻度线初筛方法，其特征在于如下步骤: a.根据Itick, min、I tick, max 和计算刻度线长轴最大长度laxis，_和最小离心率X min，计算公式为
3.根据权利要求1所述的第vii步中的候选刻度线次筛方法，其特征在于如下步骤: a.将Ia的整个图像区域划分成边长为b的正方形构成的网格，b的典型取值为5s;为每一个正方形网格Guv=Kx, y) I (u-l)b+l≤X≤ub, (v_l)b+l ^ y ^ vb}分配一个初始值为O的累加器Auv，其中
4.根据权利要求1所述的第ix步中的双点移除截断最小二乘圆拟合方法，其特征在于:a.计算各个候选刻度基点(I^ j ^ Ncand,2)到粗略的标尺盘心(Xe, coarse, Yccoarse)之间距离的算术平均值。。.;令候选刻度基点拟合圆的初始圆心坐标为(x0, y0) = (X。，coarse, y。，coarse)，初始半径为
r〇-^coarse ? b.根据初始圆参数O^ytl)和A，利用高斯-牛顿法对候选刻度基点进行圆拟合，得到拟合圆的圆心坐标(X。，y。)和半径r ； c.计算各个候选刻度基点到(Xe，y。)的距离，并确定最大距离和最小距离所分别对应的两个候选刻度基点，将它们从候选刻度基点集合中去除，令(Xt), y0) = (xc, yc)，r0=r ； d.重复上述步骤b和步骤c，直至剩余的候选刻度基点数量不超过kNtidi;此时得到的拟合圆圆心坐标U。，yc)作为标尺盘心坐标，以此时得到的拟合圆半径r作为虚标尺线的半径。
【文档编号】G06T7/00GK103776482SQ201410057867
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年2月20日 优先权日:2014年2月20日
【发明者】郭斯羽, 张翌, 王耀南, 温和, 滕召胜, 黎福海, 周乐前, 孟志强, 刘波峰, 唐求, 唐璐 申请人:湖南大学