《基於圖像處理的儀表指針轉角識別方法》是哈爾濱工業大學於2012年7月9日申請的專利，該專利的公布號為CN102799867A，申請公布日為2012年11月28日，發明人是鐘賢德、潘惠惠、高會軍、於金泳。該發明屬於圖像處理領域。
《基於圖像處理的儀表指針轉角識別方法》為解決採用絕對角度方法檢測儀表指針的幀差法誤差大的問題。該發明方法包括以下步驟：一、採集儀表的一幅灰度圖像作為原始圖像；二、預處理，獲取二值化圖像，三、獲取初步提取儀錶盤刻度圖像；四、進行Hough圓變換，確定儀錶盤的圓心；五、根據所述儀錶盤的圓心，對原始圖像進行極坐標變換，獲取極坐系圖像；六、對極坐標系y軸的角度值刻度進行分析，建立刻度角度序列；七、查找極坐標系中指針位置，獲取指針二值化圖像；八、根據六獲得的刻度角度序列獲取指針二值化圖像在極坐標系下指向y軸的角度值，輸出儀錶盤的指針指向的真實數據，完成對儀表指針轉角的識別。
2017年12月11日，《基於圖像處理的儀表指針轉角識別方法》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《基於圖像處理的儀表指針轉角識別方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：基於圖像處理的儀表指針轉角識別方法
- 申請人：哈爾濱工業大學
- 申請日：2012年7月9日
- 申請號：2012102343168
- 公布號：CN102799867A
- 公布日：2012年11月28日
- 發明人：鐘賢德、潘惠惠、高會軍、於金泳
- 地址：黑龍江省哈爾濱市南崗區西大直街92號
- 分類號：G06K9/00(2006.01)I、G06K9/38(2006.01)I
- 代理機構：哈爾濱市松花江專利商標事務所
- 代理人：張果瑞
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
2012年7月之前儀表指針檢測的主要使用絕對角度的方法，主要採用幀差法，即採集指針不同轉角的兩幅圖像，然後進行相減，因為只有指針的位置發生變化，相減之後會剩下只含兩個指針的圖像，然後對其進行處理，算出指針指向的準確角度。
幀差法存在問題：每個儀表進行檢測時，需要嚴格知道儀表的坐標信息，對儀表的裝卡提出很到要求；該方法不是人觀察儀表的原始方法，即人們所觀察的是指針是否嚴格指向了什麼刻度，一些錶盤的刻度在轉配時會有相對錶盤中心的轉動，即使指針絕對角度準確，指針也不一定是嚴格指向指定刻度的；除了指針外的其他像素在兩幅圖像中會有變化，幀差法都會查出來，方法有時會不穩定。
使用直接指針刻度指向識別的方法可以避免幀差法帶來的弊端。但是面臨以下問題：有的儀錶盤圖像元素複雜，提取的灰度圖像會含有各種指示燈、數字、其他裝飾元素，刻度的識別難度大；採集的圖像會因為光線、相機參數的變化產生較大改變，指針的提取穩定性不高。
發明內容
專利目的
該發明目的是為了解決採用絕對角度方法檢測儀表指針的幀差法誤差大的問題，提供了一種基於圖像處理的儀表指針轉角識別方法。
技術方案
《基於圖像處理的儀表指針轉角識別方法》所述方法包括以下步驟：
步驟一、利用工業相機採集儀表的一幅灰度圖像，作為儀表的原始圖像；
步驟二、對步驟一所述原始圖像進行預處理，獲取二值化圖像，
步驟三、在所述二值化圖像上初步提取儀錶盤刻度，獲取初步提取儀錶盤刻度圖像；
步驟四、對所述初步提取儀錶盤刻度圖像進行Hough圓變換，確定儀錶盤的圓心；
步驟五、根據所述儀錶盤的圓心，對步驟一所述原始圖像進行極坐標變換，獲取原始圖像的極坐系圖像，極坐標系x軸為像素距圓心的半徑值，極坐標系y軸為儀錶盤的角度值；
步驟六、對極坐標系y軸表述的儀錶盤的角度值刻度進行分析，建立刻度角度序列；
步驟七、查找極坐標系中儀錶盤的指針位置，獲取指針二值化圖像；
步驟八、根據步驟六獲得的刻度角度序列獲取步驟七的指針二值化圖像在極坐標系下指向y軸的角度值，輸出儀錶盤的指針指向的真實數據，完成對儀表指針轉角的識別。
改善效果
《基於圖像處理的儀表指針轉角識別方法》的優點：
1、較低的原始圖像要求，降低對系統環境、相機、裝卡等要求。預處理階段允許Hough圓變換含有偏差，允許類刻度連通域的出現，允許刻度的不清晰或者顏色不同，允許錶盤存在偏心（不圓），在使用以Hough變換為基準提取原始閾值化圖像的連通域時允許刻度區域不完全的提取。允許最終的提取的錶盤圓心存在偏差。允許最終的刻度存在少數未能提取到。以上情況均在原始圖像像質很差的情況下發生，套用該方法不會影響最終的指針指向識別精度。較直接刻度的模板匹配，基於顏色的方法等性能大幅提高。
2、使用Hough變換提取的圓為基準，提取原始閾值化圖像的連通域，可以排除圓內和圓外的類刻度區域的干擾，利用錶盤的圓特性去除非刻度區域。在Hough變換未能夠提取錶盤粗略的刻度圓時採用降解析度的方法，在較低解析度下，就可以很好提取刻度圓。基於物體形態的識別會大大提升識別的性能。
3、步驟七中利用圖像閾值化與Canny邊緣提取後圖像相減，可以斷開指針區域和非指針區域的連線，防止指針閾值化後與周圍的燈、數字等相連，影響指針擬合精度。使用指針擬合點的權值隨偏離圓心距離增加而加大，可以提高對得到指針擬合精度。
4、算法不用每次都進行提取錶盤圓心和刻度角度序列，在檢測同一塊表的不同指針指向時只需要提取一次錶盤圓心和刻度角度序列，這樣可以省去大量前期圖像處理時間。
5、整體流程均由穩定性較高的圖像處理算法組成：包括滑動閾值方法、Canny邊緣提取、Hough圓變換。
6、基於刻度的指針指向識別，排除了在絕對角度檢測中由於儀表偏轉帶來的檢測偏差。圖像處理結果更加直觀。
附圖說明
圖1是該發明方法涉及的裝置的結構示意圖；
圖2是該發明所述基於圖像處理的儀表指針轉角識別方法的流程圖；
圖3是實施方式二的流程圖；
圖4是實施方式三的流程圖；
圖5是實施方式四的流程圖；
圖6是實施方式五的流程圖；
圖7是實施方式六的流程圖；
圖8是原始圖像，為灰度圖像；
圖9是原始圖像用滑動視窗閾值化後的二值化圖像；
圖10是特徵點限制後的二值化圖像；
圖11是特徵點設定；
圖12是原始圖像被3*3模板處理後的腐蝕圖像；
圖13是在圖11中查找圖12的連通域後圖像；
圖14是對圖13進行Hough圓提取後的圖像；
圖15是圖14和圖13疊加圖像；
圖16是在圖13中查找圖14的連通域；
圖17是擬合後的圓像；
圖18是原始圖像極坐標變換後圖像；
圖19是刻度感興趣區域圖像；
圖20是累加圖19的x軸方向像素曲線圖；
圖21是圖20的差分值曲線圖；
圖22是指針區域在原始圖像基礎上進行Canny輪廓提取後圖像，為精提取的指針輪廓；
圖23是準確的指針二值化圖像。
權利要求
1.《基於圖像處理的儀表指針轉角識別方法》其特徵在於，該方法包括以下步驟：
步驟一、利用工業相機採集儀表的一幅灰度圖像，作為儀表的原始圖像；
步驟二、對步驟一所述原始圖像進行預處理，獲取二值化圖像，
步驟三、在所述二值化圖像上初步提取儀錶盤刻度，獲取初步提取儀錶盤刻度圖像；
步驟四、對所述初步提取儀錶盤刻度圖像進行Hough圓變換，確定儀錶盤的圓心；
步驟五、根據所述儀錶盤的圓心，對步驟一所述原始圖像進行極坐標變換，獲取原始圖像的極坐系圖像，極坐標系x軸為像素距圓心的半徑值，極坐標系y軸為儀錶盤的角度值；
步驟六、對極坐標系y軸表述的儀錶盤的角度值刻度進行分析，建立刻度角度序列；
步驟七、查找極坐標系中儀錶盤的指針位置，獲取指針二值化圖像；
步驟八、根據步驟六獲得的刻度角度序列獲取步驟七的指針二值化圖像在極坐標系下指向y軸的角度值，輸出儀錶盤的指針指向的真實數據，完成對儀表指針轉角的識別。
2.根據權利要求1所述基於圖像處理的儀表指針轉角識別方法，其特徵在於，步驟二中預處理，獲取二值化圖像的過程為：
步驟21、在原始圖像上標識出多個矩形框作為感興趣區域；
步驟22、用2*2的滑動視窗進行閾值化，獲取閾值化原始圖像；
步驟23、對閾值化原始圖像採用Canny運算元的圖像進行輪廓提取，保留刻度區域輪廓；
步驟24、對閾值化原始圖像利用3*3模板進行圖像腐蝕，獲取腐蝕閾值化圖像，3*3模板遍歷閾值化原始圖像，某像素點周轉3*3區域內含有像素時保留該像素點，否則，去除該像素點；
步驟25、在腐蝕閾值化圖像中查找連通域，獲取二值化圖像。
3.根據權利要求2所述基於圖像處理的儀表指針轉角識別方法，其特徵在於，步驟四中初步確定儀錶盤圓心的過程為：
步驟41、對所述初步提取儀錶盤刻度圖像進行Hough圓變換，提取符契約束條件的圓，約束條件為：圓含有至少連續180°的弧在圖像中；
步驟42、判斷是否存在符契約束條件的圓，判斷結果為是，則執行步驟43；判斷結果為否，則降低所述初步提取儀錶盤刻度圖像的解析度，再返回執行步驟41；
步驟43、以Hough變換的圓為基準，在二值化圖像中查找連通域，得到精確的儀錶盤刻度圖像，
步驟44、對所述精確儀錶盤刻度圖像中含有刻度外邊中點的圓和含有刻度內邊中點的圓分別進行圓擬合，得到儀錶盤的準確圓心和儀表刻度相對準確圓心的半徑範圍。
4.根據權利要求3所述基於圖像處理的儀表指針轉角識別方法，其特徵在於，步驟六中建立刻度角度序列的過程為：
步驟61、計算極坐標系x軸每個點在y軸的累加像素的差分值；
步驟62、提取x軸上的各差分值峰值點；
步驟63、每個極大值和極小值的坐標平均值作為刻度中心，得到每個刻度的中心角度值，進而建立刻度角度序列。
5.根據權利要求4所述基於圖像處理的儀表指針轉角識別方法，其特徵在於，步驟七中獲取指針二值化圖像的過程為：
步驟71、在極坐標系下計算x軸方向像素累加值最大值點對應的y值；
步驟72、根據步驟71的y值用矩形框設定指針感興趣區域，進行查找指針輪廓；
步驟73、計算最大輪廓的中心點；
步驟74、查找所述中心點連通域，獲取指針最大輪廓二值化圖像；
步驟75、用所述指針最大輪廓二值化圖像減去原始圖像中指針Canny輪廓，獲取指針二值化圖像。
6.根據權利要求5所述基於圖像處理的儀表指針轉角識別方法，其特徵在於，步驟八中根據六的刻度角度序列獲取步驟七的指針二值化圖像在極坐標系下指向y軸的角度值，輸出儀錶盤的指針指向的真實數據，完成對儀表指針轉角的識別的過程為：
步驟81、計算指針在x軸上每個點對應y軸像素的平均y坐標值；
步驟82、按指針在x軸上從小到大的順序對每個點對應的y軸像素的平均y坐標值進行直線擬合；
步驟83、根據步驟82擬合的直線，計算該直線在錶盤極坐標系下對應的角度值，即獲取指針二值化圖像在極坐標系下指向y軸的角度值；
步驟84、再查找刻度角度序列，輸出儀錶盤的指針指向的真實數據，完成對儀表指針轉角的識別。
實施方式
實施方式一
下面結合圖1至圖23說明該實施方式，該實施方式所述基於圖像處理的儀表指針轉角識別方法，該方法包括以下步驟：
步驟一、利用工業相機採集儀表的一幅灰度圖像，作為儀表的原始圖像；如圖8所示。
步驟二、對步驟一所述原始圖像進行預處理，獲取二值化圖像，如圖9所示。
步驟三、在所述二值化圖像上初步提取儀錶盤刻度，獲取初步提取儀錶盤刻度圖像；如圖10至圖13所示。
步驟四、對所述初步提取儀錶盤刻度圖像進行Hough圓變換，確定儀錶盤的圓心；
步驟五、根據所述儀錶盤的圓心，對步驟一所述原始圖像進行極坐標變換，獲取原始圖像的極坐系圖像，極坐標系x軸為像素距圓心的半徑值，極坐標系y軸為儀錶盤的角度值；
步驟六、對極坐標系y軸表述的儀錶盤的角度值刻度進行分析，建立刻度角度序列；
步驟七、查找極坐標系中儀錶盤的指針位置，獲取指針二值化圖像；
步驟八、根據步驟六獲得的刻度角度序列獲取步驟七的指針二值化圖像在極坐標系下指向y軸的角度值，輸出儀錶盤的指針指向的真實數據，完成對儀表指針轉角的識別。
儀錶盤中心提取由兩部分組成，預提取和精確提取。預提取中使用了刻度特徵點限制，排除閾值化後明顯不是刻度的像素，使用了Hough圓變換得到刻度圓的大致位置、參數。精確提取使用了刻度內側、外側同時圓擬合的方法得到圓心和刻度的半徑最大值和最小值。
利用提取的圓心進行圖像的極坐標變換，在極坐標下實現對儀表指針的提取和刻度角度序列的提取，指針使用加權點的直線擬合。
實施方式二
該實施方式對實施方式一作進一步說明，步驟二中預處理，獲取二值化圖像的過程為：參見圖10至圖13。
步驟21、在原始圖像上標識出多個矩形框作為感興趣區域；
步驟22、用2*2的滑動視窗進行閾值化，獲取閾值化原始圖像；
步驟23、對閾值化原始圖像採用Canny運算元的圖像進行輪廓提取，保留刻度區域輪廓；
步驟24、對閾值化原始圖像利用3*3模板進行圖像腐蝕，獲取腐蝕閾值化圖像，
3*3模板遍歷閾值化原始圖像，某像素點周轉3*3區域內含有像素時保留該像素點，否則，去除該像素點；
步驟25、在腐蝕閾值化圖像中查找連通域，獲取二值化圖像。
針對不同形狀的刻度設定特徵點。算法遍歷每個輪廓，針對每個輪廓，在對應像素坐標的二值化圖像中通過檢測這些特徵點的像素存在/不存在來初步判斷是否為儀表刻度，得到一個初步提取刻度的圖像；腐蝕閾值化圖像，查找腐蝕後的圖像在初步提取的刻度圖像中的連通域，去除干擾的圖像區域。
實施方式三
該實施方式對實施方式一或二作進一步說明，步驟四中初步確定儀錶盤圓心的過程為：
步驟41、對所述初步提取儀錶盤刻度圖像進行Hough圓變換，提取符契約束條件的圓，約束條件為：圓含有至少連續180°的弧在圖像中；
步驟42、判斷是否存在符契約束條件的圓，
判斷結果為是，則執行步驟43；判斷結果為否，則降低所述初步提取儀錶盤刻度圖像的解析度，再返回執行步驟41；
步驟43、以Hough變換的圓為基準，在二值化圖像中查找連通域，得到精確的儀錶盤刻度圖像，在對二值化圖像中查找連通域，得到準確的只含有刻度的圖像，此時刻度不必全部都提取出來。參見圖15、16和17，識別一次即可，不需要判定是否所有刻度是否識別出來。
步驟44、對所述精確儀錶盤刻度圖像中含有刻度外邊中點的圓和含有刻度內邊中點的圓分別進行圓擬合，得到儀錶盤的準確圓心和儀表刻度相對準確圓心的半徑範圍。
實施方式四
該實施方式對實施方式一、二或三作進一步說明，步驟六中建立刻度角度序列的過程為：參見圖19至圖21。
步驟61、計算極坐標系x軸每個點在y軸的累加像素的差分值；
步驟62、提取x軸上的各差分值峰值點；
步驟63、每個極大值和極小值的坐標平均值作為刻度中心，得到每個刻度的中心角度值，進而建立刻度角度序列。
實施方式五
該實施方式對實施方式一、二、三或四作進一步說明，步驟七中獲取指針二值化圖像的過程為：
步驟71、在極坐標系下計算x軸方向像素累加值最大值點對應的y值；
步驟72、根據步驟71的y值用矩形框設定指針感興趣區域，進行查找指針輪廓；
步驟73、計算最大輪廓的中心點；
步驟74、查找所述中心點連通域，獲取指針最大輪廓二值化圖像；
步驟75、用所述指針最大輪廓二值化圖像減去原始圖像中指針Canny輪廓，獲取指針二值化圖像。
原始圖像中指針Canny輪廓的獲取與實施方式二中步驟23表述的過程一致。
實施方式六
該實施方式對實施方式一、二、三、四或五作進一步說明，步驟八中根據六的刻度角度序列獲取步驟七的指針二值化圖像在極坐標系下指向y軸的角度值，輸出儀錶盤的指針指向的真實數據，完成對儀表指針轉角的識別的過程為：
步驟81、計算指針在x軸上每個點對應y軸像素的平均y坐標值；
步驟82、按指針在x軸上從小到大的順序對每個點對應的y軸像素的平均y坐標值進行直線擬合；
步驟83、根據步驟82擬合的直線，計算該直線在錶盤極坐標系下對應的角度值，即獲取指針二值化圖像在極坐標系下指向y軸的角度值；
步驟84、再查找刻度角度序列，輸出儀錶盤的指針指向的真實數據，完成對儀表指針轉角的識別。
榮譽表彰
2017年12月11日，《基於圖像處理的儀表指針轉角識別方法》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
