基于圖像的旋翼式水表指針讀數(shù)自動識別研究

余　坤, 劉明娟, 王凡彬， 何　濤

(1.湖北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代制造質(zhì)量工程重點實驗室， 湖北 武漢 430068; 2 武漢市水務(wù)集團武漢漢水計量科技有限公司，湖北 武漢 430071; 3 湖北省宜昌市知識產(chǎn)權(quán)局， 湖北 宜昌 443000)

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基于圖像的旋翼式水表指針讀數(shù)自動識別研究

余坤1, 劉明娟2, 王凡彬3， 何濤1

(1.湖北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代制造質(zhì)量工程重點實驗室， 湖北 武漢 430068; 2 武漢市水務(wù)集團武漢漢水計量科技有限公司，湖北 武漢 430071; 3 湖北省宜昌市知識產(chǎn)權(quán)局， 湖北 宜昌 443000)

水表指針的讀數(shù)自動識別，對于水表校準(zhǔn)、智能抄表等有重要作用。普通方法識別三角形特點的旋翼式水表指針讀數(shù)有一定困難。旋翼式水表指針角度的識別方法——雙圓心相對測量法，能夠準(zhǔn)確確定回轉(zhuǎn)圓心位置，通過相對測量點、基準(zhǔn)點以及搜索得到的中心點之間的角度關(guān)系，最終識別指針讀數(shù)。實驗結(jié)果表明：雙圓心相對測量方法識別旋翼式水表指針讀數(shù)，具有很好的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和實時性。

旋翼式水表； 讀數(shù)識別； 雙圓心相對測量法； 圖像處理

普遍家用的旋翼式水表如圖1所示，其工作原理是，水流從水表進水口進入表殼沖擊葉輪使葉輪開始轉(zhuǎn)動，葉輪轉(zhuǎn)動后，帶動葉輪盒內(nèi)的傳動齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動刻度盤上的三角指針轉(zhuǎn)動。三角形指針之間以十進位的傳遞方式相關(guān)聯(lián)，按順時針的方向進行轉(zhuǎn)動計量。

光電直讀技術(shù)在檢測干燥環(huán)境中的儀表讀數(shù)有成功先例，但是檢測潮濕環(huán)境中的旋翼式水表讀數(shù)存在技術(shù)缺陷。電壓表、氣壓表、千分表等在干燥環(huán)境中的線性單指針儀表，指針目標(biāo)突出。但是旋翼式水表表盤具有多個三角形指針，且占圖像面積小，這些特點使得圖像處理過程變得復(fù)雜，給識別帶來難度。

Alegria[1]對于儀表設(shè)備提出利用差影法得到兩個不同位置的指針圖像，再利用Hough變換得到指針角度。但是針對旋翼式水表的三角形指針而言，利用差影法相減得到的結(jié)果圖像不同于線性圖像，不適合用Hough變換搜索直接得到圓心坐標(biāo)。

孫鳳杰[2]在研究表盤指針角度識別時，提出了基于圖像處理技術(shù)的電力系統(tǒng)設(shè)備指針角度識別方法——同心圓環(huán)搜索法，該方法根據(jù)表盤指針旋轉(zhuǎn)區(qū)域是一個圓形或者圓形一部分的特點，選取該區(qū)域的圓心和半徑，然后按照一定大小的步長在同心圓環(huán)中尋找指針與同心圓環(huán)的交點，根據(jù)交點之間形成的線段的斜率來識別判斷指針相對于零度基準(zhǔn)線的角度，這種方法對于刻盤圓心固定的儀表具有一定的可行性。但是旋翼式水表指針旋轉(zhuǎn)時的回轉(zhuǎn)圓心位置并不一定和指針圓盤圓心位置完全一致，此時利用同心圓環(huán)搜索法得到的讀數(shù)結(jié)果存在誤差。

本文在同心圓搜索法的基礎(chǔ)上，結(jié)合旋翼式水表指針特點，提出了確定三角形指針回轉(zhuǎn)圓心和計算角度的方法——雙圓心相對測量法。該方法通過測量水表刻度盤相對點、基準(zhǔn)零點以及利用雙圓心相對測量法確定的中心點之間角度關(guān)系，計算得出識別角度，能夠消除因水表位置微小變化帶來的斜率測量誤差。該方法進一步提高了對旋翼式水表三角形指針角度的識別精度。

1　水表表盤讀數(shù)模型

一般旋翼式水表表盤如圖2所示。其讀數(shù)是由一個整數(shù)數(shù)值N0和四個指針讀數(shù)數(shù)值N1、N2、N3、N4構(gòu)成，其中N0可以根據(jù)字符識別[4]得到，水表讀數(shù)

N=N0+0.1N1+0.01N2+0.001N3+0.0001N4

圖 2　旋翼式水表表盤讀數(shù)模型

圖 3　圖3水表指針角度數(shù)學(xué)模型

假設(shè)表盤1～4刻度盤的指針與其各自基準(zhǔn)點之間角度分別是θ1、θ2、θ3、θ4，4個指針刻度盤其數(shù)量級分別是×0.1、×0.01、×0.001、×0.0001，相鄰刻度盤之間滿足十進位關(guān)系。對于單個刻度盤而言，刻度值0～9將360°刻度圓均分10等份，即每個相鄰刻度值之間相差36°?？瘫P度讀數(shù)Ni與角度值θi之間滿足數(shù)學(xué)關(guān)系式

Ni=θi/36°

(0≤θi<360°，0≤Ni<10,i=1,2,…)

并且，計算得到Ni值時應(yīng)該采用去尾法保留整數(shù)度數(shù)。特別地，當(dāng)指針出現(xiàn)在臨界角0°、36°、72°、108°、144°、180°、216°、252°、288°和324°附近時，為了避免出現(xiàn)較大的讀數(shù)誤差，可以采用文獻[3]提出的讀數(shù)校正方法進行修正，這種臨界值讀數(shù)修正方法可以很好地避免臨界值讀數(shù)誤差。

2　雙圓心相對測量法模型及算法

2.1雙圓心法確定圓心

在研究儀表指針角度識別時，同心圓環(huán)搜索法[2]和其他方法默認(rèn)的前提均是儀表指針圍繞固定的回轉(zhuǎn)圓心轉(zhuǎn)動360°或者轉(zhuǎn)動部分圓周角度。但通過大量實驗觀察，旋翼式水表在工作時其尾圓圓心不是定點。

圖 4　雙圓心法確定圓心模型

本文提出的雙圓心法確定回轉(zhuǎn)圓心的模型如圖4所示。該方法是在坐標(biāo)系中，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的ROI感興趣區(qū)域，利用Hough算法確定表盤一中指針尾圓圓心O11坐標(biāo) 、半徑r1大小及刻度擬合圓圓心O12坐標(biāo)、半徑r2大小，則在坐標(biāo)系中由雙圓心O11，O12確定的回轉(zhuǎn)圓心O1坐標(biāo)為

以O(shè)1點為圓心，以一定步長R為半徑作圓，其中R需要滿足

回轉(zhuǎn)圓O1與三角形指針交點記作點A、點B，則由兩交點A、B確定的中心點C坐標(biāo)值為

(1)

則由圓心O1和回轉(zhuǎn)圓與三角形指針交點中點C構(gòu)成的有向線段O1C代表表盤1的指針位置，進行角度識別。

2.2基于圖像的相對點測量算法識別角度算法

旋翼式水表在實際運行中是不允許將指針調(diào)整到基準(zhǔn)位置進行校準(zhǔn)的，因此本文提出一種相對不變點進行測量方法。根據(jù)雙圓心法可以確定圖像中4個表盤的回轉(zhuǎn)圓心在像素坐標(biāo)下的坐標(biāo)值，以基準(zhǔn)零點、表盤2回轉(zhuǎn)圓心O2、表盤1回轉(zhuǎn)圓心O1和表盤1的三角形指針交點中點C1為例測量表盤1中指針角度數(shù)學(xué)模型(圖5)。

(a)θ=α-β　　　　　　　　　　(b)θ=α+β圖 5　相對點測量法測量指針角度

在相機拍攝環(huán)境下，旋翼式水表各個表盤回轉(zhuǎn)圓點與基準(zhǔn)零點之間的相對位置是不變的，定點與基準(zhǔn)零點之間的基準(zhǔn)夾角角度α，再通過測量出兩定點與指針交點中點C1之間的角度值β。

當(dāng)角度β與角度α有重合部分時，指針角度

θ=α-β

當(dāng)角度β與角度α沒有重合部分時，指針角度

θ=α+β

(1)

特別地，當(dāng)點C1在三定點線段上時，指針角度θ可以由式(1)計算得到。

3　圖像預(yù)處理及結(jié)果

旋翼式水表指針角度識別前，需要先對水表圖像進行前期處理，其流程如圖6所示。

圖 6　水表圖像前期圖像處理流程

在閾值T下將獲得的水表圖像f(x,y)進行圖像二值化和中值濾波之后，得到圖像g(x,y)。形態(tài)學(xué)腐蝕處理可以提取圖像骨干信息，去掉毛刺孤立噪聲。腐蝕運算由結(jié)構(gòu)元素確定的鄰域塊中選取圖像值與結(jié)構(gòu)元素值的差的最小值。其計算公式是

單像素寬度邊界圖像對于搜索找到兩指針交點A、點B很重要。由于Canny算子提取的邊緣質(zhì)量很高，所以采用Canny算子進行邊緣檢測。圖7為一組水表表盤圖像處理前后比對圖。

(a)水表表盤圖像　　　　　　(b)水表表盤處理后圖像圖 7　一組水表表盤圖像處理前后對比圖

選用Basler工業(yè)級黑白相機連續(xù)采集若干張旋翼式水表工作圖像，利用LabVIEW軟件編寫檢測算法前面面板(圖8)。

圖 8　水表指針角度識別檢測LabVIEW軟件界面

4　實驗結(jié)果以及誤差分析

表1中，利用雙圓心法對20組不同角度情況下的水表指針圖像進行識別讀數(shù)，通過與人工讀數(shù)比較，發(fā)現(xiàn)利用雙圓心相對測量法識別20組水表圖像指針角度最大誤差為2.923°，最大相對誤差在4%以內(nèi)，滿足工程指標(biāo)要求。

表1　雙圓心法與人工讀數(shù)結(jié)果 　(°)

圖 9　雙圓心法識別讀數(shù)人工讀數(shù)結(jié)果

圖 10　利用雙圓心相對測量法識別不變指針角度結(jié)果

為了驗證雙圓心相對測量法識別水表指針角度的穩(wěn)定性，對不同時間拍攝的人工讀數(shù)為209.0°的12張水表圖像進行識別，角度識別結(jié)果如圖9所示。結(jié)果表明雙圓心相對測量法具有很好的識別穩(wěn)定性能，識別時間在300 ms以下。

實驗中出現(xiàn)的誤差與實驗環(huán)境光強度大小、選取閾值有一定關(guān)系。

5　結(jié)論

1)雙圓心相對測量方法能夠識別旋翼式水表指針角度，具有很好的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和實時性。

2)雙圓心相對測量方法對于旋翼式水表指針具有很好的角度識別效果，在儀表設(shè)備自動讀數(shù)研究上具有一定工程應(yīng)用價值。

[1]Alegria F C, Cruz Serra A. Automatic calibration of analog and digital measuring instruments using computer vision[J]. IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement, 2000, 49(1):94-99.

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[3]戴亞文, 王三武, 吳小蘭. 基于圖像的復(fù)雜儀表讀數(shù)識別[J]. 儀表技術(shù), 2003(2):11-12.

[4]盧艷. 基于機器視覺技術(shù)的模擬指針式儀表自動檢定系統(tǒng)[D]. 重慶：重慶大學(xué), 2004.

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[7]龔雄文. 指針式儀表自動讀數(shù)的研究及應(yīng)用[D]. 廣州：廣東工業(yè)大學(xué), 2007.

[責(zé)任編校： 張眾]

Research on Automatic Identification of Rotor Type Watermeter’s Pointer Based on the Image

YU Kun1, LIU Mingjuan2, WANG Fanbing3, HE Tao1

(1HubeiKeyLabofModernManufactureQualityEngineering,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068，China; 2HanRiverMeasurementTechnologyCo.Ltd.ofWuhanWaterGroup,Wuhan430071,China; 3IntellectualPropertyofYichang,Yichang443000,China)

Rotor watermeter pointer is composed of triangular tip and nearly circular disc, which is different from ordinary instrumentation pointer with linear characteristics. The rotor type watermeter with ordinary methods encounters certain difficulties in recognizing triangle features. Based on double ring search method, a recognition method of meeting rotor watermeter pointer angle is proposed —— double circle relative measuring method. The method can accurately determine rotation center position, which gets the identification angle through calculating the center that is obtained by searching the relative measurement and the angle relationship between datum. Experimental results show that the double circle relative measurement method is able to identify rotor watermeter pointer angle, which has very good accuracy, stability and real-time performance.

rotor type watermeter；reading recognition; double circle relative measuring method; image processing

2016-05-16

余坤(1992-)， 男， 安徽池州人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向為圖像處理技術(shù)

1003-4684(2016)04-0034-04

TM932

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