基于機(jī)器視覺的機(jī)械指針式儀表的讀數(shù)識別方法

王江，柳國棟，張玉鑫，吳松林

（西京學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,陜西西安,710123）

0 引言

機(jī)械指針式儀表結(jié)構(gòu)簡單、易維護(hù)且價格低，在工業(yè)生產(chǎn)實踐中廣泛應(yīng)用，是獲取機(jī)械設(shè)備信息，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的重要手段之一。

通常，機(jī)械式儀表信息的獲取是由指針示值或其偏轉(zhuǎn)值來表達(dá)的，經(jīng)人工判讀或記錄抄寫的方法獲取。判讀或抄寫過程容易受到各類主客觀因素的影響，如觀察角度、技術(shù)能力、現(xiàn)場條件、光線等環(huán)境因素。人工判讀及抄寫費(fèi)時、費(fèi)力，且不能保證完整、準(zhǔn)確，易產(chǎn)生讀、寫誤差，結(jié)果不能及時、準(zhǔn)確地獲取機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的變化信息。

應(yīng)用機(jī)器視覺及數(shù)字圖像處理技術(shù)，研究指針式儀表讀數(shù)方法及信息識別的技術(shù)始終是應(yīng)用研究的熱點(diǎn)問題之一[1]，并已成功地應(yīng)用到了工業(yè)生產(chǎn)的實踐中。例如，張鳳翔等應(yīng)用圖像線檢測原理實現(xiàn)了機(jī)械指針式儀的讀數(shù)識別[2]。郭子海等應(yīng)用Hough變換法進(jìn)行儀表關(guān)鍵要素的位置檢測，并運(yùn)用刻度相關(guān)系數(shù)實現(xiàn)讀數(shù)識別[3]。利用剪影法，趙艷琴等以儀表指定轉(zhuǎn)心作為研究的主要素，進(jìn)行標(biāo)記識別[4]。同樣，F(xiàn).Correa Alegria與A.Cruz Serra也使用剪影法，利用類比圖像重疊差分算法標(biāo)記儀表轉(zhuǎn)心，確定機(jī)械式指針與刻度線的相對關(guān)系識別，實現(xiàn)讀數(shù)識別的方法[5]。Kyong-Ho Kim等人，利用圖像分割算法及幾何投影技術(shù)實現(xiàn)了指針儀表的表盤及指針的有效圖像識別。德國的馬爾公司也同樣使用了圖像處理技術(shù)做出了875系列的儀表檢測儀，能夠快速、準(zhǔn)確、有效的進(jìn)行讀數(shù)，但是其成本高，修理困難。

結(jié)合Hough變換算法，本文提出了一種新的指針式儀表讀數(shù)的自動識別方法。有三個主要的步驟：首先是圖像預(yù)處理，包括縮放與圖像調(diào)正，灰度化、平滑去噪、二值化以及邊緣檢測，以提高圖像的信噪比。其中，使用輪廓跟蹤法進(jìn)行表盤區(qū)域與指針區(qū)域的分割，同時進(jìn)行了降噪處理；其次是指針直線的檢測，包括使用形態(tài)學(xué)的方法進(jìn)行儀表指針細(xì)化，通過Hough變換法實現(xiàn)了指針位置檢測與指針方向的確定。其中，利用剪影法確定了儀表回轉(zhuǎn)中心；最后使用角度與刻度線關(guān)系確定儀表盤有效量程，完成了指針式儀表示數(shù)的自動讀數(shù)識別。

本文利用GUI平臺進(jìn)行了相關(guān)的實驗研究，并進(jìn)行了直線檢測、刻度線重合度的誤差分析，為提高檢測精度提出了相應(yīng)的解決方案。

實驗完成了三類共20余幅有代表性的指針式儀表圖像處理及讀數(shù)識別實驗，實驗結(jié)果表明：應(yīng)用本文提出的變換法獲取的指針式儀表讀數(shù)比人工讀數(shù)識別的精度高20%-30%。本文所提出的自動讀數(shù)識別方法更準(zhǔn)確、可靠且讀數(shù)效率高，省時省力，對企業(yè)機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測具有明顯的現(xiàn)實意義。

1 儀表圖像采集及讀數(shù)識別方法

本文以企業(yè)生產(chǎn)實際中普遍使用的指針式儀表為對象，研究自動化地讀取機(jī)械式指針儀表指示信息的方法。圖像采集上，利用擁有固定行走路線的戶外巡檢機(jī)器人，巡檢過程中機(jī)器人在指定工位利用安裝在其上部的攝像頭拍攝指針式儀表，并獲取圖像。如圖1所示。其中圖1（a）為普通壓力表，圖1（b）為不銹鋼壓力表，圖1（c）為WSS儀表，圖1（d）為耐震壓力表，儀表圖像的分辨率為1080*1080。

圖1 工業(yè)生產(chǎn)中使用的各類指針式儀表

不難看出，現(xiàn)場使用的機(jī)械式指針儀表圖像背景復(fù)雜，光照條件不一，客觀因素對圖像質(zhì)量有較大影響，對人工讀取、抄寫儀表信息有較大影響。一般，利用圖像處理技術(shù)進(jìn)行信息識別時，首先是圖像變換，即將原始圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像；再進(jìn)行灰度值的統(tǒng)計分析，并據(jù)此進(jìn)行灰度圖像的二值化處理；利用圖像處理算法實現(xiàn)指針和表盤的區(qū)域分割，再應(yīng)用相關(guān)的變換算法實現(xiàn)關(guān)鍵要素，如指針直線和儀表指針回轉(zhuǎn)中心的識別，從而確定儀表表盤量程，最后獲取相關(guān)顯示信息的識別，即儀表讀數(shù)識別。一般情況下，當(dāng)光照條件較好且沒有明顯變化時，上述圖像處理方法是適用的。但現(xiàn)場條件千變?nèi)f化，如機(jī)器人每次拍攝的角度，光線過亮或暗弱以及拍攝上下位置不一或抖動等，對所獲取的圖像都會產(chǎn)生影響。

其如圖2所示，指針式儀表圖像數(shù)據(jù)主要靠安裝在戶外巡檢機(jī)器人上部的攝像頭，拍攝到的指針式儀表圖像以四芯網(wǎng)線傳輸給機(jī)器人的主控制盒，再通過無線傳輸方式將圖像數(shù)據(jù)傳回給中央控制計算機(jī)，即后臺計算機(jī)。運(yùn)用事先設(shè)置后的運(yùn)算程序，對所取的圖像逐一進(jìn)行在線處理，獲取圖像主要素的特征，并實現(xiàn)儀表顯示信息的識別。

圖2所示為儀表圖像采集系統(tǒng)各部件的關(guān)系連接圖，安裝在巡檢機(jī)器人的攝像頭獲取的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過四芯網(wǎng)線傳輸?shù)街骺刂坪?，主控制盒通過RS232總線傳輸至無線數(shù)據(jù)傳輸單元，再由無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將壓縮好的儀表圖像數(shù)據(jù)傳輸給中央控制計算機(jī)，進(jìn)行實時圖像處理、分析。

圖2 系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)框圖

圖3所示為本文進(jìn)行機(jī)械式指針儀表圖像處理的流程圖，包括儀表圖像輸入、縮放及圖像位置調(diào)整等初級技術(shù)處理；灰度值統(tǒng)計分析、平滑處理、二值化及邊緣檢測等圖像預(yù)先處理；再進(jìn)行儀表盤主要素的定量分析，即指針分析及儀表量程分析，前者涉及指針的細(xì)化、直線檢測、回轉(zhuǎn)中心定位及指針定位等，后者主要是量程的定量化計算；最后進(jìn)行儀表指示信息的識別。

圖3 儀表圖像處理流程圖

2 圖像處理及特征識別方法

經(jīng)過縮放及調(diào)整后，儀表圖像處理的第一步圖像的預(yù)先處理，即灰度值的統(tǒng)計分析、平滑處理、二值化及邊緣檢測。圖像平滑處理的目標(biāo)是去除圖像噪音，采用的方法是非線性中值濾波算法。

圖4所示為預(yù)處理主要過程及相應(yīng)的處理結(jié)果。圖4（a）為儀表原始圖像，圖4（b）為經(jīng)過中值濾波處理后的圖像，其中儀表盤面上的噪音點(diǎn)明顯減少；圖4（c）為儀表圖像二值化的處理結(jié)果；圖4（d）為利用Canny算子進(jìn)行邊緣檢測的結(jié)果。

圖4 圖像預(yù)處理過程及結(jié)果

圖像預(yù)處理完成后，進(jìn)行儀表圖像主要素的特征識別，包括表盤輪廓與儀表指針的特征參數(shù)識別。原理是利用輪廓跟蹤法對主要素的邊緣進(jìn)行跟蹤，然后按照順序?qū)⒅饕剡吘夵c(diǎn)找出并描繪出來，最后是統(tǒng)計分析。由于預(yù)處理獲得的圖像要素較多，相應(yīng)的輪廓區(qū)域復(fù)雜、多樣為獲取表盤區(qū)域增加了較大的難度。本文采用如下步驟實現(xiàn)主要素的邊緣跟蹤。

⑴以圖像左上方為輪廓跟蹤的起始點(diǎn)，對整個圖像區(qū)域的像素點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)分析、跟蹤，以能折返起點(diǎn)并形成閉合區(qū)域者為有效輪廓，最后在輪廓區(qū)域內(nèi)填充；

⑵按照上述步驟重復(fù)尋找下一個輪廓區(qū)域，再填充，直至完成整個儀表表盤圖像的分析、跟蹤；

⑶根據(jù)分析、跟蹤過程獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理，得到整個表盤區(qū)域。

如圖5（a）、（b）所示，分布是經(jīng)過上述步驟后獲得的邊緣圖像和填充后的輪廓跟蹤結(jié)果。

圖5 儀表表盤輪廓跟蹤結(jié)果

為獲取指針式儀表主要素，即表盤和指針的特征，采用面積最大化方法，將原始圖像和處理后得到的指針圖像相疊加，再相減最終獲得了主要素表盤與指針區(qū)域的圖像，如圖5（c）、（d）所示。

一般，指針式儀表中的主要素都是直線，如指針直線和構(gòu)成表盤的短直線族。首先利用形態(tài)學(xué)方法對圖5（c）、（d）所示儀表圖像進(jìn)行細(xì)化處理，再應(yīng)用Hough變換法進(jìn)行直線檢測，將圖像中的幾何形狀變換為參數(shù)集合。

以上述結(jié)果為基礎(chǔ)，統(tǒng)計出刻度線所的圓心位置，即表盤回轉(zhuǎn)中心的位置Po（x，y）。應(yīng)用輪廓邊緣跟蹤求出最小刻度線點(diǎn)Pmin（x，y）、最大刻度線點(diǎn)Pmax（x，y）及有效量程θ，如圖6（a）所示。最后根據(jù)指針直線位置進(jìn)行刻度讀數(shù)的標(biāo)記，如圖 6（b）所示。

圖6 儀表有效量程范圍的確定及標(biāo)記

設(shè)θmin為最小刻度角，θmax為最大刻度角，ωmin為儀表最小讀數(shù)值，ωmax表示最大讀數(shù)值，檢測出的指針直線夾角為θ，所指示的讀數(shù)為ωθ。則根據(jù)線性比例關(guān)系可求出儀表讀數(shù)下列公式所示。

應(yīng)用上述讀數(shù)識別方法分別完成了普通壓力表、WSS儀表、不銹鋼壓力表三類共計20幅機(jī)械指針式儀表圖像的處理及讀數(shù)識別實驗。相對誤差的平均值分別為2.44%、1.76%及1.65%，總體平均相對誤差為1.93%。

3 總結(jié)

本文以生產(chǎn)實際中廣泛使用的機(jī)械指針式儀表為研究對象，為獲取儀表指示值，提出了一系列的圖像處理方法，包括圖像預(yù)處理、表盤區(qū)域分割及特征提取方法、儀表中心確定、量程識別及讀數(shù)識別的分析計算等。在大量圖像處理實驗的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了誤差分析及計算。其中，利用形態(tài)學(xué)原理對圖像主要素進(jìn)行了細(xì)化處理，應(yīng)用Hough變換法實現(xiàn)了對主要素，指針方位的檢測及識別；最后，通過剪影法確定了儀表中心，完成了儀表讀數(shù)識別。

實驗結(jié)果表明：應(yīng)用所提出的機(jī)械指針式儀表讀數(shù)識別方法具有良好的正確識別率，與儀表示值相比較，平均識別正確率達(dá)到98.07%。