基于MATLAB的壓力表狀態(tài)快速識(shí)別方法

劉世兵，張路路，馬 壯

（山東工商學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264003）

0 引 言

滅火器壓力表是反應(yīng)其內(nèi)部充裝狀態(tài)的儀表，在諸多部門(mén)和行業(yè)特別是危險(xiǎn)品存放區(qū)域，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控滅火器狀態(tài)，確保正常充裝避免意外。傳統(tǒng)人工肉眼識(shí)別受到太多人為因素的影響，容易產(chǎn)生誤差，存在可靠性差等隱患。特別是在許多需要對(duì)儀表進(jìn)行長(zhǎng)期、持續(xù)識(shí)別的場(chǎng)合，由于長(zhǎng)期工作引起視覺(jué)疲勞，將不可避免導(dǎo)致讀取誤差的產(chǎn)生，且肉眼識(shí)別也存在效率低下等缺點(diǎn)。隨著圖像處理技術(shù)的發(fā)展，由攝像頭代替人眼對(duì)儀表圖像進(jìn)行采集，繼而利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理，這種識(shí)別儀表示數(shù)的方法越來(lái)越受到人們的重視[1-2]。

滅火器壓力表多采用指針和圓形表盤(pán)結(jié)構(gòu)，目前，基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的指針式儀表自動(dòng)識(shí)別方法多針對(duì)讀數(shù)型儀表。戴亞文等于2003年提出基于圖像識(shí)別的復(fù)雜儀表讀數(shù)識(shí)別[3]；李治瑋等于2007年提出新型指針儀表識(shí)別研究，誤差可以達(dá)到0.027 A[1]；李祖賀等實(shí)現(xiàn)了指針式壓力表自動(dòng)讀數(shù)的同時(shí)進(jìn)行校驗(yàn)的功能[4]。然而，多數(shù)傳統(tǒng)壓力表仍使用紅、綠、黃三色表示不同的區(qū)域，各種顏色之間使用黑線分開(kāi)，指針顏色為黃褐色，導(dǎo)致圖像識(shí)別時(shí)背景區(qū)分度不高。同時(shí)，受環(huán)境光照強(qiáng)弱等因素影響，攝像頭拍攝的圖像也會(huì)受到影響，以上問(wèn)題均給壓力表狀態(tài)的圖像識(shí)別造成了困難[5-7]。

鑒于此，本文對(duì)上述圖像的特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出一種綜合利用圖像處理和識(shí)別方法在上述類(lèi)型的壓力表中提取和識(shí)別指針狀態(tài)的方案，實(shí)踐證明該算法準(zhǔn)確性、健壯性、實(shí)時(shí)性良好。

1 基于圖像灰度化對(duì)比法壓力表識(shí)別方法

首先得到壓力表無(wú)指針狀態(tài)的初始圖像，接著對(duì)圖像運(yùn)用灰度化求和法得到其灰度圖像，并將此圖像分割成3個(gè)區(qū)域，對(duì)其區(qū)域內(nèi)的灰度化求和，最后作為參考圖像存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中。在具體識(shí)別過(guò)程中，首先在同等條件下獲得一個(gè)有指針的圖像，使用與參考圖像相同的處理方式進(jìn)行預(yù)處理，最后通過(guò)對(duì)其灰度化和的比較得出指針狀態(tài)。識(shí)別流程如圖1所示。

圖1 識(shí)別流程

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通過(guò)MATLAB命令行g(shù)uide創(chuàng)建界面，完成窗口的創(chuàng)建后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成.m文件，通過(guò)對(duì).m文件的編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能[8-10]。

1.1 導(dǎo)入圖像

本論文使用的壓力表為白色表盤(pán)，黃褐色指針。對(duì)于區(qū)域進(jìn)行預(yù)設(shè)定，分別為紅色（在充裝）、綠色（正常狀態(tài)）、黃色（超充裝）。將壓力表盤(pán)固定后使用攝像頭拍攝無(wú)指針圖像作為參考圖像，同時(shí)在相同狀態(tài)下拍攝帶有指針的照片作為實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖。

1.2 灰度化處理

在對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理之前，需要將圖片的像素調(diào)整一致（本論文將圖片像素統(tǒng)一處理為240×320），然后再對(duì)圖片進(jìn)行灰度化處理。

圖片灰度化處理通常使用的方法有浮點(diǎn)算法、移動(dòng)方位法、平均值法、加權(quán)平均法等，文中選用MATLAB rgb2gray（）函數(shù)。該函數(shù)是MATLAB內(nèi)部處理圖像的函數(shù)，消除圖像色調(diào)和飽和度信息，同時(shí)保留亮度將RGB圖像或彩色圖轉(zhuǎn)換為灰度圖像，即灰度化處理。該函數(shù)使用加權(quán)平均算法按照一定的權(quán)值對(duì)原圖像的RGB值進(jìn)行加權(quán)平均處理：

式中，wR、wG、wB分別為R，G，B的權(quán)值。當(dāng)wG＞wR＞wB時(shí)，會(huì)得到較容易識(shí)別的灰色圖像，一般wR=0.299、wG=0.587、wB=0.114時(shí)得到的灰度圖像效果最佳?；叶葓D像如圖2所示。

圖2 灰度圖像

1.3 圖像預(yù)處理

使用MATLAB contour（）函數(shù)對(duì)灰度處理后的圖片進(jìn)行分析。contour（Z）函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)包含矩陣Z等值線的等高線圖，包含x-y平面上的高度值。通過(guò)對(duì)參考圖片中的灰度圖片進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，在需要分割的3個(gè)區(qū)域內(nèi)存在圖像噪聲，需濾除。本文使用的強(qiáng)制閾值去噪法通過(guò)遍歷圖像的灰度值將超過(guò)100的灰度值全部置255，即將其顏色變?yōu)榘咨?。該方法操作?jiǎn)單，且得到的圖像較為干凈，同時(shí)對(duì)于圖像中的重要信息損傷較小。

如圖3所示，在未處理的圖中存在很多圖像噪聲。圖4是通過(guò)強(qiáng)制閾值去噪后的圖像。通過(guò)對(duì)圖3與圖4的對(duì)比分析，得知該算法去噪效果較好。

圖3 未處理圖像

圖4 處理后圖像

1.4 圖像分割和區(qū)域求和

滅火器壓力表狀態(tài)共分為3種，分別為紅、綠、黃。其中，紅色表示待充裝狀態(tài)；綠色表示正常狀態(tài)；黃色表示超充裝狀態(tài)。根據(jù)3種狀態(tài)的位置結(jié)合圖像中的坐標(biāo)將圖像分為3個(gè)區(qū)域，同時(shí)對(duì)分割的區(qū)域進(jìn)行灰度值求和。

預(yù)處理后的圖像如圖5所示，該圖像尺寸為240×340，對(duì)圖像分割出3個(gè)區(qū)域碼，分別標(biāo)記紅、綠、黃，然后分別對(duì)這3個(gè)區(qū)域內(nèi)的灰度值求和。

圖5 圖像分割圖

1.5 RGY對(duì)比和指正位置識(shí)別

通過(guò)區(qū)域求和后，可以得到3個(gè)不同區(qū)域的灰度值的和，若指針不在該區(qū)域，則其灰度值不發(fā)生改變，一旦灰度值發(fā)生改變，則說(shuō)明壓力表的指針處于該區(qū)域，最終成功實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力表狀態(tài)的識(shí)別。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證本方法的可行性，利用攝像頭獲取圖像后使用該方法進(jìn)行識(shí)別，共進(jìn)行9次驗(yàn)證，每種狀態(tài)識(shí)別3次，指針位置分別處于兩邊和中間，結(jié)果見(jiàn)表1所列。

表1中，R、G、Y為參考圖的被分割位置的灰度值的和；R1、G1、B1為測(cè)試圖的被分割位置的灰度值的和。由上述表格可以得出，指針由紅色中間區(qū)域到黃色中間區(qū)域時(shí)，該方法識(shí)別準(zhǔn)確度達(dá)100%，而靠近壓力表左右兩邊的位置未被準(zhǔn)確識(shí)別，原因是在分割區(qū)域時(shí)將壓力表狀態(tài)的兩邊區(qū)域未包括其中。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

3 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)的壓力表使用顏色表示狀態(tài)，且這種型號(hào)的壓力表目前在社會(huì)各領(lǐng)域被大量應(yīng)用，尤其在消防領(lǐng)域，因此對(duì)其識(shí)別方法的研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文使用白色表盤(pán)和黃褐色指針有效解決了圖像識(shí)別中顏色區(qū)分度不高的問(wèn)題，使用灰度值求和對(duì)比方法完成了對(duì)壓力表指針狀態(tài)的識(shí)別，該方法具有準(zhǔn)確率高、簡(jiǎn)單、計(jì)算快速等優(yōu)點(diǎn)。同目前應(yīng)用于該領(lǐng)域的其他方法相比，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

注：本文通訊作者為劉世兵。