指針式儀表指針的擬合

吳曉偉　郝金鳳　楊鐵梅

摘? 要：隨著煤礦智能化、信息化的建設(shè)，指針儀表的數(shù)據(jù)監(jiān)測功能起到了非常重要的作用，對(duì)煤礦安全高效的生產(chǎn)具有重大意義。在指針式儀表的識(shí)別過程中，儀表指針的提取與定位占據(jù)重要的地位，對(duì)后面儀表示數(shù)的讀取與識(shí)別起到了十分關(guān)鍵的作用。為了保證指針式儀表讀數(shù)準(zhǔn)確的識(shí)別，文章利用圖像處理技術(shù)對(duì)儀表指針的擬合進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)比分析，最終實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確可靠地提取指針式儀表的指針。

關(guān)鍵詞：信息化;指針儀表;圖像處理;仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）21-0070-02

Abstract： With the construction of coal mine intelligence and informatization， the data monitoring function of the pointer instrument has played a very important role， which is of great significance to the safe and efficient production of coal mines. In the identification process of pointer instruments， the extraction and positioning of the pointers of the instruments occupy an important position， which plays a very important role in the reading and recognition of the number of the instrument behind. In order to ensure the accurate recognition of the pointer meter reading， this paper uses image processing technology to simulate the meter pointer fitting. Through comparative analysis， the accurate and reliable extraction pointer is finally achieved.

Keywords： informatization; pointer instrument; image processing; simulation experiment

引言

在指針式儀表的表盤中指針通常占據(jù)著較少的像素點(diǎn)，但指針的定位與識(shí)別在整個(gè)指針式儀表的識(shí)別系統(tǒng)的框架中處于核心地位，對(duì)后面儀表示數(shù)的讀取與識(shí)別起到了十分關(guān)鍵的作用。通過分析儀表圖像中的指針特征，我們發(fā)現(xiàn)實(shí)際情況下的指針常常擁有較為顯著的直線特征。尤其指針的輪廓可以被認(rèn)為是一條直線，為指針的檢測與識(shí)別提供了幫助。由于直線特征的檢測在圖像領(lǐng)域中有著非常重要的位置，在研究學(xué)者們多年的努力下，許多性能優(yōu)異的直線檢測算法被提出。同時(shí)，通過對(duì)指針式儀表中指針位置像素分布特征的分析，根據(jù)像素集也可以擬合出指針直線，從而可以準(zhǔn)確地對(duì)指針位置進(jìn)行定位與擬合。

1 傳統(tǒng)儀表指針的擬合

1.1 Hough直線檢測

研究發(fā)現(xiàn)Hough變換檢測直線[1]是根據(jù)被檢測目標(biāo)圖像的局部特征，從而將整個(gè)目標(biāo)圖像的全都參數(shù)計(jì)算出來。因此對(duì)于被噪聲干擾或采集到的圖像信息缺失的目標(biāo)圖像有較好的檢測效果。然而，Hough變換只能求得直線的參數(shù)，無法求得這條線的長度。所以，必須在Hough變換完的下一步，將檢測到的直線配對(duì)到圖像空間中像素點(diǎn)的線條上，導(dǎo)致對(duì)長度較短的直線檢測效果差。此外，由于在邊緣檢測中的一些缺陷及誤差，在累加器空間中通常會(huì)存在誤差，這會(huì)影響最終檢測的結(jié)果。

1.2 LSD直線檢測算法

LSD直線檢測算法[2]與傳統(tǒng)的直線檢測算法相比，準(zhǔn)確度高、速度快、操作簡單。但是，對(duì)于直線相交的情況，因?yàn)樾枰O(shè)置每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，即每個(gè)點(diǎn)只能屬于一條直線。因此，出現(xiàn)多條直線相交時(shí)，則必有至少一條以上的直線被分割成多條直線。并且，基于梯度運(yùn)算時(shí)直線交點(diǎn)的梯度值通常較小。因此，兩條直線在交點(diǎn)處有可能將相交的這兩條直線分割成四條線段。

2 徑向灰度算法

徑向灰度法[3]進(jìn)行指針的擬合，不同于傳統(tǒng)的指針檢測算法需要檢測指針的直線，徑向灰度法直接計(jì)算表盤的灰度分布特征。采用徑向灰度算法獲得指針的過程，將采集到的表盤灰度值按一定的角度來擬合指針直線，在圖像的二維空間中以確定的表盤圓心為原點(diǎn)建立笛卡爾坐標(biāo)系，建立基于距離約束的指針篩選機(jī)制，最終準(zhǔn)確地對(duì)指針進(jìn)行定位與識(shí)別。本文以礦井中常用的各種指針式儀表為基礎(chǔ)，觀察分析了指針式儀表的特點(diǎn)，并結(jié)合具體相關(guān)儀表盤面的信息，采用徑向灰度法對(duì)儀表指針進(jìn)行擬合，檢測指針的流程如圖1所示。

采集到的目標(biāo)圖像中，還有較多沒用的冗余信息，對(duì)儀表指針的定位和擬合產(chǎn)生了干擾。為了得到清晰的儀表信息，對(duì)儀表圖像進(jìn)行了圖像二值化處理[4]。該算法是一種基礎(chǔ)的圖像處理方法，在目標(biāo)圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值取值范圍在0-255之間，圖像二值化就是在這256個(gè)亮度等級(jí)中選取一個(gè)合適的閾值。將其中大于閾值的像素點(diǎn)規(guī)定為255，小于閾值的像素點(diǎn)規(guī)定為0，這樣目標(biāo)圖像就只有0和255兩個(gè)數(shù)值的二值化圖像，即只有黑色和白色兩種顏色的黑白圖像。用二值化得到黑白圖像進(jìn)行計(jì)算，這樣可以減少圖像中無用的信息，減少圖像處理的時(shí)間，卻依然能夠體現(xiàn)出目標(biāo)圖像整體或局部的特征，能夠凸顯出目標(biāo)的輪廓。

在全局閾值法中最經(jīng)典的算法是Otsu法（最大類間方差法也稱之為大津法），由于其計(jì)算簡單、速度快、效率高，從而被廣泛應(yīng)用于圖像的二值化處理。Otsu算法[5]不需要人為的設(shè)定其他參數(shù)，不但可用于單閾值的圖像處理，同時(shí)也可用于多閾值的圖像處理，因此被認(rèn)為是自動(dòng)選取閾值的最佳方法，本文采用Otsu算法對(duì)儀表圖像進(jìn)行二值化處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過二值化處理后的指針式儀表表盤清晰，便于后續(xù)的指針式儀表示數(shù)的識(shí)別與讀取。由于表盤中噪音像素與指針像素的比例過大，本文設(shè)計(jì)將采樣的區(qū)域變?yōu)閱蜗袼貙挘匆粭l直線。在圖像的二維空間中以確定的表盤圓心為原點(diǎn)建立笛卡爾坐標(biāo)系，半徑為確定的表盤半徑，在圓形區(qū)域內(nèi)，假定角度集合為？茲，如下式：

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，針對(duì)儀表指針為直線型、過圓心和長度較長的特點(diǎn)。徑向灰度法得到的灰度值分布圖中出現(xiàn)了明顯的峰值，而其余區(qū)域受到噪音以及表盤其他信息的影響，灰度值在一定范圍之內(nèi)浮動(dòng)，但沒有較大起伏。通過將峰值坐標(biāo)映射為指針的偏轉(zhuǎn)角度，擬合得到的指針準(zhǔn)確表達(dá)了指針的位置。徑向灰度法克服了傳統(tǒng)Hough變換中參數(shù)選取的困難，避免了LSD直線檢測中對(duì)于相交直線，存在檢測為斷線的情況。

參考文獻(xiàn)：

[1]王佳穎，柳貴東，謝曉亮，等.基于改進(jìn)Hough變換的指針儀表表盤識(shí)讀系統(tǒng)研究[J].電子世界，2018，23：110-112.

[2]R. G. V. Gioi， J. Jakubowicz， J. M. Morel， et al. LSD： A fast line segment detector with a false detection control[J]. IEEE Transactions on Software Engineering， 2010，32（4）：722-732.

[3]吳杰.變電站巡檢機(jī)器人的指針式儀表智能讀數(shù)系統(tǒng)研究[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2019.

[4]郭家偉.拋光石材表面顏色識(shí)別系統(tǒng)研究[D].沈陽：沈陽建筑大學(xué)，2017.

[5]張引.基于空間分布的最大類間方差牌照?qǐng)D像二值化算法[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2001（5）：272-275.