基于KNN算法的儀表實時監(jiān)控邊緣平臺*

胡瓊鏵，應(yīng)霜霜，馬 超

（哈爾濱理工大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

目前，利用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能以及移動互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)對現(xiàn)有生產(chǎn)、生活等不同場景下的各類基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改造、升級，以提高人們的生產(chǎn)、生活的效率以及便捷性已成為主流趨勢。其中，儀表系統(tǒng)即是其中的一類主要基礎(chǔ)設(shè)施。隨著信息與通信、電子信息等技術(shù)的逐漸成熟，新鋪設(shè)的儀表系統(tǒng)普遍具備數(shù)字化、智能化特征，可支持遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的實現(xiàn)。但是目前的現(xiàn)實場景下，仍存在大量的舊式儀表，它們無法支持遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的實現(xiàn)，這對于現(xiàn)在基礎(chǔ)設(shè)施的改造、升級工作造成了較大的障礙。同時，簡單的對舊式儀表系統(tǒng)進(jìn)行替換，也存在較大的困難，例如，新式儀表系統(tǒng)普遍價格較高，現(xiàn)存的舊式儀表所處的場景不具備安裝新式儀表系統(tǒng)的客觀條件等。

針對這一問題，本文提供一種基于KNN算法的儀表實時監(jiān)控邊緣平臺，其可部署在現(xiàn)有的舊式儀表系統(tǒng)周圍，以實現(xiàn)對舊式儀表系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)的智能識別，并將其傳輸至遠(yuǎn)程的云服務(wù)平臺。本邊緣平臺的硬件部分以樹莓派為基礎(chǔ)，搭載圖像采集模塊以及基于KNN算法的圖像智能識別模塊，遠(yuǎn)端云服務(wù)平臺采用前后端分離的架構(gòu)，作為整個系統(tǒng)的控制中心，具有監(jiān)控、統(tǒng)計、報警等多項功能，滿足了對儀表系統(tǒng)這一基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化、智能化管理需求。其中，在智能算法的選擇方面，我們綜合考慮了多種不同算法在執(zhí)行時間、準(zhǔn)確率與召回率、需要消耗的計算資源等多方面的情況，最終決定采用KNN算法，其是一種耗費計算資源較低，且性能較高的經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)算法，相對來說，更合適資源受限的邊緣計算平臺。

1 實時監(jiān)控邊緣平臺的總體設(shè)計架構(gòu)

本邊緣平臺選擇使用樹莓派4（Raspberry Pi 4）作為硬件平臺，搭載圖像采集模塊、圖像傳輸模塊?？紤]暗光以及光線條件較差的環(huán)境，在攝像頭搭載2-3個紅外補光燈，補光燈可根據(jù)光照環(huán)境的強弱自動調(diào)節(jié)曝光補償程度，從而使攝像頭獲得不錯的成像效果。

利用攝像頭指定時間間隔收集儀表盤的圖像，成像保存在樹莓派圖像采集模塊中，樹莓派中的圖像分析模塊接收圖片信息后，進(jìn)行圖像預(yù)處理：轉(zhuǎn)化成灰度圖、降噪、旋轉(zhuǎn)圖像使數(shù)字在水平線上、識別邊緣和線條取得數(shù)字特征、高斯濾波、銳化、二值化處理，從而獲得效果最佳的儀表盤二值化圖像。然后，采用機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練KNearestOcr模型，采用OpenCV集成的KNN算法識別字符。輸出結(jié)果將其反饋到終端應(yīng)用（移動端微信小程序，移動端App，網(wǎng)頁等）。處理過的圖像加入到模板庫中，更新訓(xùn)練集，提高模型識別數(shù)字的精準(zhǔn)程度。整體設(shè)計架構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計架構(gòu)

2 基于OpenCV的儀表盤數(shù)字圖像預(yù)處理

2.1 OpenCV庫

OpenCV是一個基于BSD許可（開源）發(fā)行的跨平臺計算機(jī)視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)軟件庫，可以運行在Linux、Windows、Android和Mac OS等不同的操作系統(tǒng)上。它輕量級而且高效，集成了圖像處理和計算機(jī)視覺方面的很多通用算法。

在此處，OpenCV庫的主要任務(wù)是對采集儀表盤圖像進(jìn)行早期的預(yù)處理：提供轉(zhuǎn)化為灰度圖、圖像降噪、圖像旋轉(zhuǎn)、高斯濾波、銳化、二值化處理等圖像預(yù)處理的集成算法，從而獲得效果最佳的二值化圖像。

2.2 OCR模塊

識別圖像中的文本是一種非常流行的計算機(jī)視覺應(yīng)用，此過程通常稱為光學(xué)字符識別（Optical Character Recognition，OCR）。主要有以下步驟：

2.2.1 圖像獲取

利用OpenCV，我們只需要數(shù)行源代碼即可實現(xiàn)通過USB網(wǎng)絡(luò)攝像頭獲取電表圖像以及從文件里獲取圖像信息。在這里我們定義一個基類ImageInput（），這個基類負(fù)責(zé)保留圖像地址以及圖像采集的時間戳。接下來需要派生類DirectoryInput（）和CameraInput（）各自實現(xiàn)nextImage（）方法。前者負(fù)責(zé)從文件讀取圖像。后者負(fù)責(zé)通過VideoCapture.open（）打開攝像頭輸入通道，獲取圖像。最后通過saveImage（）方法存儲圖像。至此，提供了一個簡單的USB視頻類供攝像頭獲取圖像以及進(jìn)行讀取、存儲。分辨率為640×480像素，這對于本系統(tǒng)而言已經(jīng)足夠了。畢竟較高的分辨率并不能提高字符識別的準(zhǔn)確性，并會占用更多的內(nèi)存和CPU時間進(jìn)行圖像處理，而這在Raspberry Pi上是非常有限的資源。

2.2.2 cv:：Mat圖像存儲

現(xiàn)在，我們來簡要了解一下OpenCV是如何存儲圖像的。從文件中讀取圖像的imread（）和從相機(jī)中捕捉圖像的VideoCapture.read（）都會產(chǎn)生類型為cv：：Mat的對象。

命名空間前綴cv封裝了OpenCV的大多數(shù)類和函數(shù)，以避免與其他庫發(fā)生名稱沖突。Mat是一個n維數(shù)組或矩陣，可以用來存儲不同的東西。

Mat對象_img包含捕獲的圖像在默認(rèn)情況下，imread（）和VideoCapture.read（）在BGR（藍(lán)-綠-紅）顏色空間中生成圖像。這與已知的RGB顏色模型相同，只是記憶中的顏色通道反向排列。該模型用藍(lán)、綠、紅三個獨立的強度值來描述圖像的每個像素。

另一個常用的顏色模型是灰度，用單個灰度值對每個像素進(jìn)行編碼。在這種情況下，cv：：Mat是一個二維矩陣，而它在BGR色彩空間是三維的。使用channels（）函數(shù)可以檢測圖像的顏色模型。BGR返回值為3，灰度值為1。

一個常用的函數(shù)是用cvtColor方法將BGR圖像轉(zhuǎn)換為灰度：

cv：：Mat color，gray;

color=cv：：imread（filename）;

cvtColor（color，gray，CV_BGR2GRAY）;

2.2.3 圖像處理

電表獲取的圖像存儲在cv：：Mat對象中。在我們能夠?qū)τ嫈?shù)器進(jìn)行字符識別之前，算法必須識別和提取計數(shù)器的單個數(shù)字。ImageProcessor類封裝了這樣做所需的所有方法。

使用setput（）傳遞要處理的圖像。函數(shù)process（）執(zhí)行完整的處理。成功時，getOutput（）提供結(jié)果。它由圖像矢量組成。每個圖像都包含計數(shù)器的一個數(shù)字。函數(shù)process（）將各個處理步驟委托給其他私有函數(shù)。每個圖像的過程都是一樣的：轉(zhuǎn)換成灰度圖像、旋轉(zhuǎn)，使計數(shù)器的數(shù)字在水平線上、找到并切下每個數(shù)字。

2.2.4 圖像旋轉(zhuǎn)

將圖像轉(zhuǎn)換為灰度后，算法應(yīng)該將圖像旋轉(zhuǎn)到計數(shù)器的所有數(shù)字在一條水平線上。得到水平排列的，明亮的輪廓。圖像的旋轉(zhuǎn)通過映射變換執(zhí)行cv：：warpAffine（）函數(shù)。簡單地說，這些就是圖像的變化，所有的平行線即使經(jīng)過平移、旋轉(zhuǎn)和縮放變換后仍然是平行的。所有這些變換都可以用變換矩陣來描述。當(dāng)要對同一幅圖像應(yīng)用多個映射變換時，出于性能方面的原因，通常有意義的做法是先一步一步地將每個變換矩陣相乘，最后對圖像進(jìn)行實際的變換。預(yù)設(shè)角度的圖像旋轉(zhuǎn)被外包給rotate（）函數(shù)。

2.2.5 識別邊緣和線條

其實，OpenCV的很大一部分是用于邊緣和線條的識別。在此我們用的是Canny算法。Canny（）接收灰度圖像作為輸入，輸出一幅以檢測到的邊緣為輸出的圖像。

cv：：Mat ImageProcessor：：cannyEdges（）{

cv：：Mat edges;

cv：：Canny（_imgGray，edges，

_config.getCannyThreshold1（），

_config.getCannyThreshold2（））;

return edges;

}

不重要的細(xì)節(jié)現(xiàn)在基本上從邊緣圖像消失了。然而，多余的圖像信息仍然存在:儀表外殼邊緣、計數(shù)器邊緣和計數(shù)環(huán)邊緣。圖像依舊角度不正確，但是水平線的偏差正好是我們需要對齊圖像的角度。

我們接下來通過cv：：HoughLines（）進(jìn)行Hough變換，返回包含所有檢測到的向量行。HoughLines（）返回以弧度為單位的角度，而rotate（）需要以角度為單位的旋轉(zhuǎn)角度。

3 基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法建立自動識別模型

由上一步得到的向量_digits的每個分量都包含一個數(shù)字的邊緣圖像。

計算機(jī)通過光學(xué)字符識別（OCR）的方法得到由圖像來表示字符的信息。一種常用的技術(shù)是機(jī)器學(xué)習(xí)。第一步是用各種測試數(shù)據(jù)訓(xùn)練系統(tǒng)。這就產(chǎn)生了一個模型，它描述了從數(shù)據(jù)（圖像）到信息（字符編碼）的映射。使用這個模型，訓(xùn)練后的系統(tǒng)就可以在第二步中將未知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成所需的信息，且每一輪圖像識別后都會將得到的字符存儲到本地并持續(xù)更新訓(xùn)練模板庫，從而逐漸提高圖像識別的精確度。

3.1 KNN概述

KNN（K-Nearest-Neighbor）算法是一種常見的監(jiān)督學(xué)習(xí)方法。工作原理是提取樣本，根據(jù)某種距離形式來計算與檢測樣本距離最靠近的K個“鄰居”，以此來分類檢測樣本屬于哪一類。

通常將樣本中出現(xiàn)次數(shù)最多的標(biāo)記作為分類的結(jié)果，越靠近平均值，樣本就屬于這一類。在計算樣本距離時我們采用歐式距離公式來實現(xiàn)。

接下來就是最簡單的轉(zhuǎn)換，將數(shù)字圖片黑色部分（背景）變0，有數(shù)字輪廓的部分變1。轉(zhuǎn)換后的大小要合適，太小會影響識別準(zhǔn)確度，太大會增加計算量。

3.2 利用KNN對數(shù)字進(jìn)行識別

機(jī)器學(xué)習(xí)的算法有很多種，OpenCV在很大程度上實現(xiàn)了這些算法。為一個特定的問題選擇正確的算法需要大量的經(jīng)驗和知識。下面使用了最簡單的算法之一：K近鄰（KNN）。眾所周知，它非常準(zhǔn)確，但另一方面，它消耗了大量的CPU時間和內(nèi)存。這些缺點對我們的應(yīng)用程序來說并不是那么關(guān)鍵——有足夠的條件。雖然內(nèi)存僅限樹莓派，但對于只需要檢測8-15位數(shù)字的小尺寸模型來說，它應(yīng)該足夠了。

對于訓(xùn)練和字符識別的實施，班級KNearestOcr負(fù)責(zé)：

class KNearestOcr{

public：

int learn（const cv：：Mat&img）;

char recognize（const cv：：Mat&img）;

voidsaveTrainingData（）;

boolloadTrainingData（）;

private：

cv：：MatprepareSample（const cv：：Mat&img）;

voidinitModel（）;

cv：：Mat_samples;

cv：：Mat_responses;

CvKNearest*_pModel;

};

機(jī)器學(xué)習(xí)程序可以處理各種輸入數(shù)據(jù)，而不僅僅是圖片。輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備也稱為“特征提取”。相關(guān)特征在我們利用OpenCV進(jìn)行圖像預(yù)處理中已經(jīng)完成。它提供了數(shù)字的輪廓，沒有任何背景和顏色信息。首先，它利用cv:：resize（）將所有的數(shù)字統(tǒng)一為10×10像素大小。由于KNN處理的是浮點數(shù)的一維向量，因此使用函數(shù)reshape（）和convertTo（）將圖像矩陣轉(zhuǎn)換為如下格式：

cv：：MatKNearestOcr：：

prepareSample（const cv：：Mat&img）{

cv：：Matroi，sample;

cv：：resize（img，roi，cv：：Size（10，10））;

roi.reshape（1，1）.convertTo（sample，CV_32F）;

return sample;

}

然后，構(gòu)建兩個字段_samples和_responses。_samples包含所有已經(jīng)成功通過訓(xùn)練過程的特性（prepare－Sample的結(jié)果）。字段_responses包含訓(xùn)練器針對每個特性的相關(guān)“響應(yīng)”——即對應(yīng)的數(shù)字。接下來運行實施互動訓(xùn)練程序：

intKNearestOcr：：learn（const cv:：Mat&img）{

cv：：imshow（'Learn'，img）;

int key=cv：：waitKey（0）;

if（key>'0'&&key<'9'）{

_responses.push_back

（cv：：Mat（1，1，CV_32F，（float）key-'0'））;

_samples.push_back（prepareSample（img））;

}

return key;

}

第一個cv：：imshow（）顯示數(shù)字的圖像。然后cv：：waitKey（）等待coach的輸入。如果這是一個有效的數(shù)字，那么它將與相關(guān)的特性一起寫入_responses和_samples。

用戶可以使用鍵‘q’或‘s’隨時終止訓(xùn)練過程。在‘s’的情況下，saveTrainingData（）方法將字段_samples和_responses寫入文件。

首先，KNearestOcr：：loadTrainingData（）初始化模型。

該模型現(xiàn)在能夠?qū)κ褂胮repareSample（）準(zhǔn)備的任何圖像進(jìn)行分類，方法是確定最近的鄰居特征并返回相關(guān)的、學(xué)習(xí)到的響應(yīng)。

recognize（）使用find_nearest（）來確定兩個最近的鄰居及其到原始對象的距離。只有當(dāng)兩個值都匹配且距離低于閾值時，函數(shù)才返回一個有效的字符。需要花些時間來確定可配置的閾值ocrMaxDist。小的值會導(dǎo)致拒絕實際正確識別的值，并在捕獲的數(shù)據(jù)中造成更長的差距。相反，如果數(shù)值太高，結(jié)果會有很多誤差。對于本次的特定環(huán)境，作者發(fā)現(xiàn)使用值600000是最優(yōu)的。

charKNearestOcr:：recognize（

const cv:：Mat&img）{

charcres='?';

cv：：Mat results，

neighborResponses，dists;

float result=_pModel->find_nearest（

prepareSample（img），2，

results，neighborResponses，dists）;

if（0==

int（neighborResponses.at0，0）

-

neighborResponses.at0，1））

&&

dists.at0，0）

<

_config.getOcrMaxDist（））{

cres='0'+（int）result;

}

returncres;

}

4 利用識別內(nèi)容進(jìn)行儀表數(shù)字化管理

經(jīng)終端設(shè)備識別分析后的儀表讀數(shù)通過MQTT協(xié)議發(fā)送到云端的服務(wù)器，云端提供管理員使用的管理平臺，通過管理平臺可以檢查、管理接入平臺的所有儀表，分析儀表歷史數(shù)值，并可設(shè)置閾值，平臺將在儀表讀數(shù)超出閾值后向儀表所綁定的管理員進(jìn)行多管道的通知，如：App推送通知、短信通知、電話呼叫通知。由此組成功能完整的數(shù)字儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

5 系統(tǒng)應(yīng)用相關(guān)驗證與結(jié)果

基于KNN算法的儀表實時監(jiān)控邊緣平臺的實物以及部署場景如圖2所示。其中，攝像頭以及補光燈實時采集照片，通過樹莓派微型計算系統(tǒng)實時向云端傳輸圖像。在云服務(wù)器端利用OpenCV集成的算法對圖像中的數(shù)字進(jìn)行識別、切割、提取。訓(xùn)練KNearestOcr模型，利用KNN算法進(jìn)行數(shù)字的識別。

圖2 實時監(jiān)控邊緣平臺的實物及部署場景

綜上所述，該方法有效解決了部分舊儀表盤無法就地更換新型數(shù)字儀表盤的問題，實現(xiàn)了對舊儀表盤的數(shù)字化、智能化監(jiān)控。通過此系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，驗證了利用攝像頭采集數(shù)字圖像進(jìn)行分析、監(jiān)控、統(tǒng)計、報警是具有可行性的。該系統(tǒng)具有較好的推廣價值，其實現(xiàn)成本較低，但結(jié)果識別的性能較高，經(jīng)過對KNN分類模型的簡單重新訓(xùn)練，即可以方便地移植到不同現(xiàn)實場景下的各類舊式儀表系統(tǒng)所在的工作場所。