無標尺線指針式儀表刻度的圖像檢測方法

2023-06-06 10:51:41

無標尺線指針式儀表刻度的圖像檢測方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於圖像的無標尺線指針式儀表圓形標尺上的刻度自動檢測方法，利用單臺數位照相機構建圖像採集系統並進行標定；在對應於20%和80%滿量程的激勵信號下拍攝兩幅表頭圖像；經閾值分割和形態學處理後，按二階矩特徵初篩刻度線區域；按刻度線向心性進行次篩並確定標尺盤心的粗略位置；根據用戶給定的近心標誌確定候選刻度基點集，並結合圓的雙點移除截斷最小二乘法求取擬合圓弧；以候選刻度線與擬合圓弧的交點作為檢測所得刻度基點；合併兩幅圖像的結果為最終的刻度基點集。本發明能自動完成無標尺線指針式儀表刻度位置的自動檢測，可應用於儀表的自動校準和自動讀數中，提高讀數準確度，減輕勞動強度。
【專利說明】無標尺線指針式儀表刻度的圖像檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及儀表自動校準和儀表自動讀數等領域，具體是一種基於圖像的無標尺線指針式儀表的圓形標尺上刻度的自動檢測方法。
【背景技術】
[0002]指針式儀表的結構簡單，使用方便。不但在已經使用的各類系統中廣泛存在著大量的指針式儀表，而且即使在數字式儀表應用日益廣泛的情況下，每年仍有數以萬計的指針式儀表被生成。針對新產和使用中的指針式儀表的檢定和校準工作，如果靠人工來完成的話，勞動量大，且容易受到檢驗人員的主管因素影響。基於圖像處理的指針式儀表檢定和校準是解決這一問題的低成本且可行的方法。此外，現有系統的計算機遠程控制與管理也要求能夠自動獲取包括指針式儀表讀數在內的各個生產數據，而基於圖像處理的指針式儀表自動讀數方法是實現這一目標的最為直接、對現有系統的影響和改造最小的途徑。在基於圖像的指針式儀表自動校準與自動讀數中，儀表刻度的自動識別是不可或缺的重要步驟。
[0003]目前在儀表的自動讀數中，常通過人為設置刻度在圖像中的角度範圍來實現儀表指針方向到讀數的轉換；也有方法通過OCR識別出表頭的刻度值文字，確定出刻度位置與大小後，再將指針位置轉換為儀表讀數。這些方法或者失之過簡，無法適用於刻度間距存在不均勻性的場合，從而造成自動讀數中較大的系統誤差；或者方法較為繁瑣，且可靠性也有所下降。
[0004]因此，有必要找到一種相對簡單、適用性好的方法，在同型號儀表批量校準或自動讀數時，能夠利用圖像處理和識別技術，可靠地自動確定儀表刻度線或其代表點在圖像中的位置，進而將圖像中檢測得到的指針位置轉換為儀表讀數，由此實現儀表讀數自動化，消除儀表讀數不確定度中人為因素的分量，提高儀表讀數的準確度，減輕工作者的勞動強度，便於實現儀表校準及信息管理和應用中數據採集的自動化。

【發明內容】

[0005]本發明所要解決的技術問題，是針對無標尺線指針式儀表表頭的圓形標尺，提供一種刻度自動檢測的方法。所述的無標尺線圓形標尺僅由若干相互分離的、以均勻或不均勻間距分布的、指向指針旋轉軸心的短直線段刻度所構成，這些刻度直線段的一端分布於一個以指針旋轉軸心為圓心的虛擬圓弧之上，此外沒有任何以實線或虛線繪製於表頭上的、可作為標尺基線的圓弧標尺線；稱所述的指針旋轉軸心為標尺盤心；稱所述的共圓刻度直線段端點為刻度基點；稱所述的刻度基點所在的虛擬圓弧為虛標尺線。
[0006]本發明為解決上述技術問題所提出的方法具體包括以下步驟:
[0007]1.固定一個放置待檢測刻度的指針式儀表的平面；在垂直於儀表表頭平面的方向上安裝一臺數位照相機(也可用數碼攝像機，為簡潔起見，以下行文中僅以數位照相機為例進行描述)；調整數位照相機的位置和焦距，使得照相機恰好聚焦於表頭平面，且在保證表頭被完整拍攝的前提下，使得表頭在圖像中儘可能大；利用現有標準的照相機標定方法(可參考「C.Steger, M.Ulrich, C.Wiedemann,著，楊少榮，吳迪靖，段德山，譯.機器視覺算法與應用(雙語版).北京:清華大學出版社，2008」第3.9.4節)，確定如上構成的視覺系統的徑向畸變因子K和比例因子S，以像素/mm為單位，該比例因子描述了被拍攝對象的實際物理尺寸(以mm計)和它在圖像中的尺寸(以像素計)之間的比例關係；在下述的整個檢測過程中，如上述構成的視覺系統不得再進行調整；
[0008]i1.確定以下待檢測儀表刻度的先驗參數:刻度直線段的最小長度^ι?η，單位為mm,典型的取值在2~7 ;刻度直線段的最大長度Hinax，單位為mm，典型的取值在5~10 ;刻度直線段的最大寬度1，單位為mm，典型的取值在0.1~0.8 ;刻度基點與虛標尺線之間偏差距離的容許限<(base，單位為mm，典型的取值在0.1~0.3 ;刻度線的數目Ntidi ;基
礎刻度線的比例k，該比例描述了第vii步候選刻度線次篩步驟應能基本保證識別得到的短刻度線的數量佔所有刻度線數量的比例，典型的取值在0.3~0.5 ;第一根刻度線的朝向角下限值afiret與最後一根刻度線的朝向角上限值Cilast，且afiret〈 aiast;各刻度線對應的量值ut (I < t < Ntick);刻度基點近心標誌fpOTi，如果刻度基點為刻度直線段靠近標尺盤心的那一端，則fpOTi=TRUE，否則fpOTi=FALSE ;針對同一型號的儀表，以上參數均保持不變，因此可事先針對不同型號的儀表確定上述參數值並保存於配置文件中，然後在進行檢測時，通過人工選擇儀表型號或自動識別儀表型號，即可由相應的配置文件讀取上述參數；利用
視覺系統的比例因子S將/t knl、Ckmax >和CkJw參數換算為以像素為單位的圖
像尺寸 ltick，min、-^tick, max Λ ^tick, max 矛口 ^ tick—base，即
[0009]
【權利要求】
1.一種基於圖像的、無標尺線指針式儀表自動校準或自動讀數中的圓形標尺刻度檢測方法；所述的無標尺線圓形標尺僅由若干相互分離的、以均勻或不均勻間距分布的、指向指針旋轉軸心的短直線段刻度所構成，這些刻度直線段的一端分布於一個以指針旋轉軸心為圓心的虛擬圓弧之上，此外沒有任何以實線或虛線繪製於表頭上的、可作為標尺基線的圓弧標尺線；稱所述的指針旋轉軸心為標尺盤心；稱所述的共圓刻度直線段端點為刻度基點；稱所述的刻度基點所在的虛擬圓弧為虛標尺線；所述的此類無標尺線指針式儀表的圓形標尺刻度自動檢測方法包括以下步驟: 1.固定一個放置待檢測刻度的指針式儀表的平面；在垂直於儀表表頭平面的方向上安裝一臺數位照相機(也可用數碼攝像機，為簡潔起見，以下行文中僅以數位照相機為例進行描述)；調整數位照相機的位置和焦距，使得照相機恰好聚焦於表頭平面，且在保證表頭被完整拍攝的前提下，使得表頭在圖像中儘可能大；利用現有標準的照相機標定方法，確定如上構成的視覺系統的徑向畸變因子K和比例因子S，以像素/mm為單位，該比例因子描述了被拍攝對象的實際物理尺寸(以mm計)和它在圖像中的尺寸(以像素計)之間的比例關係；在下述的整個檢測過程中，如上構成的視覺系統不得再進行調整； ?.確定以下待檢測儀表刻度的先驗參數:刻度直線段的最小長度，單位為mm，典型的取值在2~7 ;刻度直線段的最大長度/ t ax，單位為mm，典型的取值在5~10 ;刻度直線段的最大寬度11』二_，單位為mm，典型的取值在0.1~0.8 ;刻度基點與虛標尺線之間偏差距離的容許限Ctbase，單位為mm，典型的取值在0.1~0.3 ;刻度線的數目Ntidi ;基礎刻度線的比例k，該比例描述了第vii步候選刻度線次篩步驟應能基本保證識別得到的短刻度線的數量佔所有刻度線數量的比例，典型的取值在0.3~0.5 ;第一根刻度線的朝向角下限值afiret與最後一根刻度線的朝向角上限值Cilast，且afiret〈 Cilast;各刻度線對應的量值Ut (I≤t≤Ntick);刻度基點近心標誌fpOTi，如果刻度基點為刻度直線段靠近標尺盤心的那一端，則fpOTi=TRUE，否則fpOTi=FALSE ;針對同一型號的儀表，以上參數均保持不變，因此可事先針對不同型號的儀表確定上述參數值並保存於配置文件中，然後在進行檢測時，通過人工選擇儀表型號或自動識別儀表型號，即可由相應的配置文件讀取上述參數；利用視覺系統的比例因子S將, Ck,max ' wCtmax和參數換算為以像素為單位的圖像尺
2.根據權利要求1所述的第vi步中的候選刻度線初篩方法，其特徵在於如下步驟: a.根據Itick, min、I tick, max 和計算刻度線長軸最大長度laxis，_和最小離心率X min，計算公式為
3.根據權利要求1所述的第vii步中的候選刻度線次篩方法，其特徵在於如下步驟: a.將Ia的整個圖像區域劃分成邊長為b的正方形構成的網格，b的典型取值為5s;為每一個正方形網格Guv=Kx, y) I (u-l)b+l≤X≤ub, (v_l)b+l ^ y ^ vb}分配一個初始值為O的累加器Auv，其中
4.根據權利要求1所述的第ix步中的雙點移除截斷最小二乘圓擬合方法，其特徵在於:a.計算各個候選刻度基點(I^ j ^ Ncand,2)到粗略的標尺盤心(Xe, coarse, Yccoarse)之間距離的算術平均值。。.;令候選刻度基點擬合圓的初始圓心坐標為(x0, y0) = (X。，coarse, y。，coarse)，初始半徑為


r〇-^coarse ? b.根據初始圓參數O^ytl)和A，利用高斯-牛頓法對候選刻度基點進行圓擬合，得到擬合圓的圓心坐標(X。，y。)和半徑r ； c.計算各個候選刻度基點到(Xe，y。)的距離，並確定最大距離和最小距離所分別對應的兩個候選刻度基點，將它們從候選刻度基點集合中去除，令(Xt), y0) = (xc, yc)，r0=r ； d.重複上述步驟b和步驟c，直至剩餘的候選刻度基點數量不超過kNtidi;此時得到的擬合圓圓心坐標U。，yc)作為標尺盤心坐標，以此時得到的擬合圓半徑r作為虛標尺線的半徑。
【文檔編號】G06T7/00GK103776482SQ201410057867
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月20日 優先權日:2014年2月20日
【發明者】郭斯羽, 張翌, 王耀南, 溫和, 滕召勝, 黎福海, 周樂前, 孟志強, 劉波峰, 唐求, 唐璐 申請人:湖南大學