淺談膜式燃氣表的數(shù)字識別方法

董志強，李榮書，胡桂青

（威海拙誠燃氣安全設備有限公司，山東威海264209）

淺談膜式燃氣表的數(shù)字識別方法

董志強，李榮書，胡桂青

（威海拙誠燃氣安全設備有限公司，山東威海264209）

基于數(shù)字識別模塊的直讀燃氣表，其直讀設計是在不改變原有燃氣表結構的前提下加裝數(shù)字識別模塊來實現(xiàn)對燃氣表的抄表。該直讀模塊采用特征比較的數(shù)字識別方法，對0～9這10個數(shù)字進行識別，總體識別率可以達到99%以上。此方法具有識別算法簡單、識別速度快、容易實現(xiàn)且識別效果好的優(yōu)點。

膜式燃氣表；數(shù)字識別模塊；特征提??；識別率

近年來，隨著西氣東輸工程的建成投產(chǎn)及燃氣普及率的不斷提高，燃氣逐漸成為人們生活不可缺少的資源。目前，國內(nèi)普遍使用的仍為機械式膜式燃氣表，其抄表收費方式還是入戶抄表，不僅人工成本較高，而且工作效率低下；數(shù)據(jù)實時性較差，不能夠及時反映用戶使用燃氣量的變化，因此每月抄表的數(shù)據(jù)統(tǒng)計遠遠不能滿足公司深層次的分析和決策要求。

基于此種情況，我公司研發(fā)了直讀燃氣表，在普通膜式燃氣表的外部加裝數(shù)字識別模塊，在不改變原有燃氣表結構的前提下實現(xiàn)對燃氣表的抄表。主要設計思路如下：在現(xiàn)有的燃氣表上安裝數(shù)字識別模塊對燃氣表的字輪進行圖像采集與識別，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端管理系統(tǒng)，實現(xiàn)燃氣表自動抄表和燃氣公司用氣管理的功能，有效避免了對原有燃氣表的機械改造。目前，隨著人們對圖像識別方法的不斷研究，數(shù)字識別方法的種類也越來越多，例如基于最小距離法的數(shù)字圖像識別[1]、基于穿線法的數(shù)字圖像識別[2]、基于模板匹配的數(shù)字圖像識別[3]等。本文主要采用特征提取的方法將0～9這10個不同數(shù)字分別識別出來，并對逐漸縮小范圍中的數(shù)字特征進行分析，算法簡單、識別效率高、識別效果好。

1 數(shù)字識別模塊設計

數(shù)字識別模塊的主要功能是對燃氣表的數(shù)字圖像進行采集、識別和遠程傳輸，硬件組成如圖1所示。電源模塊提供3.3 V和1.8 V電壓，為降低功耗，電路大部分時間處于休眠狀態(tài)，定時對燃氣表的圖像進行采集和發(fā)送。攝像頭模組采用30萬像素的CMOS微型攝像頭，并通過圖像傳感器將其轉換成數(shù)字信號，傳送到單片機，圖像識別算法將字輪圖片信息轉換成數(shù)字流量信息。為了達到光線統(tǒng)一的目的，需要將攝像頭部分放置在全黑的環(huán)境，利用LED補光燈對圖像進行補光處理。通過Lora與集中器進行數(shù)據(jù)通信，將采集到的流量信息通過集中器發(fā)送給服務器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程抄讀功能。圖像采集模塊的組成如圖1所示。

圖1 圖像采集模塊組成圖

2 數(shù)字識別算法設計

數(shù)字識別算法部分由數(shù)據(jù)采集處理、圖像識別算法2部分組成。其組成部分如圖2所示。

圖2 數(shù)字識別算法

2.1 數(shù)字采集處理

數(shù)據(jù)采集的圖片如圖3所示，圖3（a）為采集的原始數(shù)據(jù)圖片，（b）為處理后的圖片，具體的步驟如下：①有效圖像采集。通過圖像傳感器進行有效圖像采集，并保存為RGB565格式。②對圖像進行二值化處理[4-6]。此過程是圖像預處理中的一個重要環(huán)節(jié)，目的是將目標數(shù)字和背景分離，以便對數(shù)字進行分割和識別。③對圖像進行濾波操作。主要是濾除屬于雜波的圖像數(shù)據(jù)，對雜波進行濾除（清零處理）。④尋找數(shù)字邊界。在整幅圖像數(shù)據(jù)中，找到每個數(shù)字的邊界。找到數(shù)字的4個邊界后，根據(jù)上、下邊界計算這個數(shù)字的高度。如果該高度小于設置的整個數(shù)字的高度，則該字為半字；否則，為整字。

圖3 圖像處理結果

2.2 圖像識別算法

圖像識別算法主要是對采集取得的數(shù)據(jù)來進行半字識別或者全字識別，通過數(shù)字特征來識別每個數(shù)字，其特征識別方法主要有數(shù)字寬度、特殊位置、長條位置、豎條位置及斜條位置。數(shù)字識別算法如圖4所示。

2.2.1 全字識別

全字識別步驟如下：

步驟1：采用數(shù)字寬度的識別方式，若整個字的寬度小于或等于設定的像素X，則可以判斷數(shù)字為“1”；否則，執(zhí)行步驟2.

步驟2：采用特殊位置的識別方式，若數(shù)字底部有效像素部分寬度較窄，則可判斷為數(shù)字“4”“7”，并執(zhí)行步驟3；否則，執(zhí)行步驟4.

步驟3：采用長條位置的識別方式，若從數(shù)字下邊界往上找Y行有一長條，則識別出該數(shù)字為“4”；否則，該數(shù)字為“7”。

步驟4：采用豎條位置的識別方式，若在靠近左邊框位置有一個高的豎條，則識別出數(shù)字為“0”或“6”或“8”，執(zhí)行步驟5；否則，執(zhí)行步驟7.

步驟5：根據(jù)豎條位置，若在靠近數(shù)字的右邊界位置有一個高的豎條，則該數(shù)字為“0”或“8”，并執(zhí)行步驟6，否則，該數(shù)字為“6”。

圖4 數(shù)字識別算法

步驟6：根據(jù)豎條位置，若在數(shù)字的中間位置有一個長的橫條，則該數(shù)字為“8”；否則，該數(shù)字為“0”。

步驟7：根據(jù)豎條位置，若靠近數(shù)字的右邊邊界位置有一個高的豎條，則該數(shù)字為“3”或者“9”，并執(zhí)行步驟8；否則，執(zhí)行步驟9.

步驟8：根據(jù)豎條位置，若在數(shù)字的中間位置有一個長的橫條則該數(shù)字為“9”；否則，為數(shù)字“3”。

步驟9：根據(jù)豎條位置，若在數(shù)字的中間靠上位置有一個長的橫條，則該數(shù)字為“5”；否則，該數(shù)字為“2”。

通過上面步驟1～9完成整字識別。

2.2.2 半字識別

半字識別步驟如下：

步驟1：數(shù)字“1”“4”“7”的半字識別步驟與整字識別相同，見整字識別步驟1～3.

步驟2：根據(jù)斜條位置，若最底部為一個長橫，且往上從長橫的左邊有一個傾斜長條，則可判斷為數(shù)字2；否則，執(zhí)行步驟3.

步驟3：若數(shù)字中間空白部分的高度要比其他數(shù)字高很多，則可判斷為數(shù)字“0”；否則，執(zhí)行步驟4.

步驟4：若數(shù)字的下半部分是一個封閉的圈，則可判斷為數(shù)字“6”或“8”，并執(zhí)行步驟5；否則，執(zhí)行步驟6.

步驟5：若封閉圈的右上部分存在有效像素，則可判斷為“8”；否則，為數(shù)字“6”。

步驟6：若數(shù)字上下長橫的縱坐標差值大于設定值Z，則該數(shù)字為“3”；否則，為“5”或者“9”，并執(zhí)行步驟7.

步驟7：若數(shù)字第二個長橫上面一行的靠右邊存在有效像素，則為數(shù)字“9”；否則，為數(shù)字“5”。

通過上面步驟1～7完成半字識別。

3 結果與結論

通過此種特征信息提取方式對0～9這10組數(shù)據(jù)進行數(shù)字識別，不論是半字，還是全字，每一個數(shù)字分別進行100次識別，實驗結果如表1所示。由上述結果可知，數(shù)字“0”“1”“2”“4”“7”本身結構簡單，容易識別，識別率可達到100%；對于“6”“8”的識別，雖然結構比較復雜，但是特征明顯，只需要區(qū)別右上部分有效像素即可，因此識別錯誤次數(shù)較少。“3”“5”“9”則因為特征相似點較多，當出現(xiàn)半字時判斷誤差較大?？傊?，總體識別結果來看，此類特征識別方法其總體識別率為99.6%，基本接近100%.

4 結論

燃氣直讀表頭是一種利用攝像頭對燃氣表字輪進行圖像采集、識別、遠傳的攝像直讀式無線抄表器。燃氣直讀表頭對于目前的舊式燃氣表改造，實現(xiàn)全自動化抄表，它不需要改變現(xiàn)有的燃氣表，用戶無需換表即可實現(xiàn)抄表。本論文所提出的方法對數(shù)字圖像的總體識別率可以達到99%以上。此方法具有識別算法簡單、識別速度快、識別效果好的特點。

表1 圖像識別統(tǒng)計表

［1］王朋，王剛，竇海妮.基于最小距離法的數(shù)字識別［J］.廣西輕工業(yè)，2010（148）：74.

［2］魏暢然.基于穿線法的數(shù)字識別方法［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2010，20（28）：137.

［3］劉洋洋，嵇啟春.一種改進的模板匹配的數(shù)字識別算法［J］.工業(yè)控制計算機，2010，23（5）：76.

［4］楊偉偉，王廣偉.儀表圖像二值化技術研究［J］.科技信息，2011（17）：62.

［5］孫少林，馬志強，湯偉.灰度圖像二值化算法研究［J］.價值信息，2010（5）：142.

［6］馮玉田，刁志蕙，李元輝，等.基于圖像的遠程燃氣表直讀系統(tǒng)研究與實現(xiàn)［J］.電子測量技術，2016，39（6）：76.

〔編輯：劉曉芳〕

TP391.41

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.19.037

2095－6835（2017）19－0037－03