冀辰宇，闞一凡，焦圣喜

(東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林吉林132012)

隨著人們對(duì)便捷生活方式的追求，私人汽車已經(jīng)被廣泛的使用，汽車儀表指針識(shí)別技術(shù)的研究也更具意義。同時(shí)，指針式儀表也廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，此技術(shù)可對(duì)各類指針式儀表進(jìn)行檢測(cè)，不但可以應(yīng)用于儀表讀數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)還可以用于儀表生產(chǎn)時(shí)的校驗(yàn)。

表盤指針位置識(shí)別就是利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)儀表指針進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并截取圖片，利用圖像處理技術(shù)，確定指針位置和角度，計(jì)算指針讀數(shù)［1］?，F(xiàn)有的大多數(shù)關(guān)于儀表指針的研究對(duì)象都是儀表的灰度圖［2－4］，將其轉(zhuǎn)換成二值圖以用于后續(xù)的指針刻度識(shí)別。在二值圖的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，由于灰度圖像中已經(jīng)丟失了色彩信息，因此分割閾值的選擇將會(huì)變的十分困難。而本文將指針顏色特征比較明顯的表盤作為研究重點(diǎn)，主要論述了如何利用顏色提取及圖像分割的方法對(duì)該類指針表盤圖像進(jìn)行分析處理，達(dá)到準(zhǔn)確定位待識(shí)別指針的目的，為正確識(shí)別指針讀數(shù)奠定基礎(chǔ)。下面將介紹對(duì)于紅色指針表盤的識(shí)別處理方法。

1 顏色提取原理及方法

圖1為本論文將要進(jìn)行識(shí)別處理的汽車轉(zhuǎn)速表圖像。儀表圖片在自然光源的條件下獲取，但是反光或陰影等因素并不影響后期處理。由圖1可以看出，汽車轉(zhuǎn)速表主要由紅色讀數(shù)指針及報(bào)警區(qū)域、白色的刻度值以及黑色的表盤底色組成。由于紅色的指針為真正需要識(shí)別的讀數(shù)指針，因此表盤的指針位置識(shí)別的關(guān)鍵是要正確定位待識(shí)別的紅色指針，避免其他顏色的干擾。

圖1 汽車轉(zhuǎn)速表

紅色指針儀表盤圖像識(shí)別處理算法的原理是首先利用顏色提取技術(shù)確定紅色界限指針區(qū)域，然后通過(guò)圖像分割的方法提取紅色指針并將指針圖像轉(zhuǎn)換為一般灰度圖，最后對(duì)指針的二值圖像進(jìn)行處理，識(shí)別指針讀數(shù)。

1 .1HIS顏色空間的坐標(biāo)區(qū)域表示法

顏色提取是彩色圖像處理技術(shù)中的一種，需要對(duì)圖像的顏色特征和色彩信息進(jìn)行分析、比較以及處理，選擇一個(gè)合適的顏色空間將大大簡(jiǎn)化分析處理中的步驟和過(guò)程，并且使彩色圖像處理更加直觀和方便［5］。HIS顏色空間是視覺(jué)顏色模擬系統(tǒng)中的一種，可以直接面向圖像處理和運(yùn)算，從RGB顏色空間到HIS顏色空間只是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的非線性變換，同時(shí)由于視覺(jué)顏色模型系統(tǒng)是與人眼對(duì)顏色感知的視覺(jué)模型相似的，所以HIS顏色空間與人眼符合著很好的視覺(jué)一致性，并且HIS中I分量(色調(diào)值)可以無(wú)差錯(cuò)的定義一種顏色。因此本論文將利用HIS顏色空間作為基本的顏色空間進(jìn)行接下來(lái)的顏色提取及圖像分割。

分析表明，(H)色調(diào)由紅，黃，綠，青，藍(lán)，品紅的順序變化。(I)亮度值越接近于0，顏色越趨近于黑色。(S)飽和度值越小，彩色信息越少，圖像越趨近于灰度圖像［6］。根據(jù)HIS顏色模型的特性作如下特殊處理:

(1)黑色區(qū)域:所有I＜15%的顏色均歸入黑色，即令H=0，I=0，S=0;

(2)自色區(qū)域:所有S＜10%且I＞80%的顏色歸入白色，即令H=0，I=1，S=0;

(3)灰色區(qū)域:所有S＜10%，15%＜I＜80%的顏色歸入灰色;

(4)彩色區(qū)域:位于黑色區(qū)域和白色區(qū)域以外的顏色;

這里所提到的黑色以及白色都是近似的，為近純黑色以及近純白色，灰度值是連續(xù)變化的。

1 .2直接色調(diào)匹配法

根據(jù)上面對(duì)HIS顏色空間所作的特殊處理，所有I＜15%的點(diǎn)和所有S＜10%的點(diǎn)都可看作為背景，通過(guò)逐個(gè)掃描圖像像素點(diǎn)的方法將滿足這兩個(gè)條件之一的像素點(diǎn)全部置為黑色。

再次逐個(gè)掃描圖像像素點(diǎn)確定紅色指針區(qū)域。像素點(diǎn){X1，X2，…，Xn}對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)色調(diào)為{H1，H2，…，Hn}，以某點(diǎn)XS的色調(diào)HS為標(biāo)準(zhǔn)色，只要滿足式(1)的像素點(diǎn)即與XS的顏色相同或相近。

其中a為色調(diào)閾值。

因?yàn)閮x表指針為紅色，所以取標(biāo)準(zhǔn)色HS=0，令色調(diào)閾值a=30，逐個(gè)掃描圖像像素點(diǎn)，滿足條件Hi－0＜30即被作為紅色指針區(qū)域予以保留，其余像素點(diǎn)全部置為黑色，如圖2所示。圖2中不但保留了指針還保留了報(bào)警區(qū)域，接下來(lái)可以將圖像二值化并進(jìn)行連通域的提取，如圖3所示。然后定位提取指針的連通區(qū)域，只留下指針圖像方便后續(xù)處理，如圖4所示。到此為止，紅色指針已經(jīng)被提取，指針圖像已經(jīng)可以等同于單指針表盤模型進(jìn)行后續(xù)的灰度圖像處理。

圖2 紅色像素點(diǎn)被提取保留

圖3 二值圖像連通域提取

圖4 定點(diǎn)連通域提取的指針

2 指針讀數(shù)判定

2.1 直線提取

Hough變換提取直線時(shí)受直線中的間隙和噪聲影響較小，所以采用Hough變換提取指針直線。它是一種變換域提取直線的方法，它將直角坐標(biāo)系中的線變?yōu)闃O坐標(biāo)系中的點(diǎn)，基本策略是:由圖像空間中的邊緣數(shù)據(jù)點(diǎn)去計(jì)算參數(shù)空間中的參考點(diǎn)的可能軌跡，并在一個(gè)累加器中給計(jì)算出的參考點(diǎn)計(jì)數(shù)，最后選出峰值。

變換后的直線可以用參數(shù)表示為

其中ρ為從原點(diǎn)到直線的垂直距離，θ為從x軸算起的角度，這條直線在ρ－θ平面中為一點(diǎn)，而通過(guò)xy平面上一點(diǎn)的一簇直線變換到ρ－θ平面時(shí)，將形成一條類似正弦狀的軌跡，也即x－y平面上一點(diǎn)對(duì)應(yīng)ρ－θ平面上一條曲線。若在x－y平面上有三個(gè)共線點(diǎn)，它們變換到ρ－θ平面上為有一公共交點(diǎn)的三條曲線，交點(diǎn)的ρ－θ參數(shù)就是三點(diǎn)共線直線之參數(shù)。根據(jù)這個(gè)原理，可以用Hough變換抽取直線。通常將x－y稱為圖像平面，ρ－θ稱為參數(shù)平面。

Hough變換后得到的直線如圖5所示。

圖5 Hough變換后的指針直線

2.2 確定指針讀數(shù)

表針旋轉(zhuǎn)中心的確定是表盤讀數(shù)識(shí)別技術(shù)的關(guān)鍵，由于存在這樣一種情況，儀表指針的指向相反，但位置處于同一條直線上，通過(guò)Hough變換提取出的指針直線方程是一樣的，我們還無(wú)法通過(guò)這個(gè)方程來(lái)判斷指針是指向下方還是上方，這就需要確定指針中心的位置，因?yàn)橹挥写_定表盤中心，才能確定指針的指示方向，并進(jìn)行進(jìn)一步的讀數(shù)識(shí)別。本文采用交線法確定表盤中心，即取兩張指針指向不同角度的圖像(如零刻度和滿刻度)，分別提取直線，兩直線方程聯(lián)立，求取兩條直線的交點(diǎn)為表盤的中心。

在運(yùn)用角度法進(jìn)行讀數(shù)確定之前，需提取零刻度和滿刻度時(shí)指針直線，根據(jù)表盤實(shí)際情況建立角度與讀數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在通過(guò)Hough變換提取出指針直線方程后，可由斜率得出直線傾斜角度，由對(duì)應(yīng)關(guān)系確定讀數(shù)。

首先，確定指針?biāo)趨^(qū)域。逐點(diǎn)掃描指針圖像水平投影圖，將第一個(gè)黑色像素點(diǎn)所在的行看作為第一行，將最后一個(gè)黑色像素點(diǎn)所在的行看作為最后一行。第一行與最后一行之間即為黑色像素點(diǎn)的分布區(qū)域，水平等分該分布區(qū)域，令上半部黑色像素點(diǎn)數(shù)目為A1，下半部黑色像素點(diǎn)數(shù)目為A2，再逐點(diǎn)掃描指針圖像垂直投影圖，將第一個(gè)黑色像素點(diǎn)所處列看作為第一列，將最后一個(gè)黑色像素點(diǎn)所處列看作為最后一列。第一列與最后一列之間即為黑色像素點(diǎn)的分布區(qū)域，垂直等分該分布區(qū)域，令左半部黑色像素點(diǎn)數(shù)目為B1，右半部黑色像素點(diǎn)數(shù)目為B2。

根據(jù)投影圖的黑色像素點(diǎn)投影規(guī)律，可得表1。

表1 指針區(qū)域劃分

根據(jù)該結(jié)論，在Hough變換之前，需要根據(jù)指針二值圖像的水平和垂直投影圖，逐點(diǎn)掃描黑色像素點(diǎn)，判斷指針基本指向，避免發(fā)生歧義。確定指針指向是正確計(jì)算指針角度的關(guān)鍵一步。

然后，確定指針角度讀數(shù)。逐點(diǎn)掃描Hough變換結(jié)果圖，令第一個(gè)掃描到的白色像素點(diǎn)的坐標(biāo)為(x1，x2)，最后一個(gè)掃描到的白色像素點(diǎn)的坐標(biāo)為(y1，y2)，令直線與直角坐標(biāo)系中x軸正方向的夾角為α，直線斜率為k。

斜率k以及夾角的計(jì)算如下式(3)所示:

儀表指針距離零刻度線的實(shí)際角度為β，零刻度線到垂直的y軸的角度為θ(θ=53°)。根據(jù)己經(jīng)判斷得到的指針基本指向，可以得到角度讀數(shù)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 指針位置對(duì)應(yīng)角度讀數(shù)

儀表指針的實(shí)際讀數(shù)n用式4求出:

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文中，讀取6張汽車轉(zhuǎn)速表表盤的圖像，得到讀數(shù)結(jié)果如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

本系統(tǒng)軟件讀數(shù)與人工讀數(shù)相對(duì)誤差最大為2.5%，相對(duì)誤差均值為0.81%，實(shí)際上人眼讀數(shù)，只能精確到表盤的最小刻度線，從這個(gè)意義上說(shuō)，本軟件精度已達(dá)到人眼讀數(shù)精度，基本達(dá)到實(shí)際測(cè)量需要。

4 結(jié)論

本文以紅色指針提取為例，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)彩色指針的提取與識(shí)別，彩色提取技術(shù)亦可以提取不同顏色指針，它不但可以簡(jiǎn)化單色指針儀表的識(shí)別過(guò)程，還可以應(yīng)用在多顏色多指針儀表的識(shí)別中，利用彩色提取及圖像分割技術(shù)過(guò)濾掉不需要的指針，留下讀數(shù)指針進(jìn)行進(jìn)一步的識(shí)別。此外，如果要更好的將此識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中，還需要更快的識(shí)別速度和更高的識(shí)別精度，有待于進(jìn)一步研究。

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