CN107563368A - 双表盘指针式仪表的高精度自动读数装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双表盘指针式仪表的高精度自动读数装置及方法。所述装置具有较强的稳定性和适用性以及具有较高的精度，从而能够用以解决现有的指针式仪表读数方法无法适用于双表盘仪表、读数精度不高的问题。所述装置包括图像采集模块，光源照明模块和计算机处理显示模块。所述方法包括获取仪表的数字图像；根据预先输入的指针式仪表内盘外盘刻度线位置，利用摄影测量投影方程确定当前获取的图像中刻度线位置；沿外盘刻度线搜索外盘指针位置并进行外盘读数；沿内盘刻度线搜索内盘指针位置，排除外盘指针干扰并进行内盘读数。

Description

双表盘指针式仪表的高精度自动读数装置及方法

技术领域

本发明涉及摄影测量领域，涉及一种测量仪表读数装置及方法，特别是一种可对具有内盘、外盘双表盘的指针式测量仪表进行高精度自动读数装置及方法。

背景技术

常用的测量仪表一般可分为数字式仪表和刻度式仪表。数字式仪表直接显示测量数字，具有使用和读数方便的特点；刻度式仪表含有用于读数的刻度线或刻度盘，包括两大类，一类是以尺子为代表的、使用者根据被测物体与刻度线、刻度盘的相对位置确定读数，第二类以指针指示读数，被称为指针式仪表，例如汽车速度表、位移百分表、位移千分表等。指针式仪表包含至少一个指针以及与该指针相对应的刻度表盘，通常由人工读数、需根据指针和刻度的相对位置确定读数、并进行估读。

为解决指针式仪表读数困难、易读错的缺点，尽管现有技术提出了一些基于图像识别的指针式仪表的读数方法及装置，

但对于高精度测量中常用的包含内盘、外盘的双表盘指针式仪表，现有技术无法准确确定表盘位置。此外现有方法在每次获取图像后都需进行表盘位置匹配、确定刻度线位置，其读数结果受摄像头与表盘相对位置影响较大、同时也受光照条件影响，故估读精度低。

发明内容

本发明提供了一种用于对双表盘指针式仪表高精度自动读数的装置和方法。所述装置具有较强的稳定性和适用性以及具有较高的精度，从而能够用以解决现有的指针式仪表自动读数***精度不高、无法适用于双盘式仪表的问题。

一方面，本发明提供的双表盘指针式仪表的高精度自动读数装置包括：图像采集模块，用于获取仪表表盘数字图像；光源照明模块，用于形成无影照明；计算机处理显示模块，用于图像处理和分析。

根据本发明的具体实施方式，所述双表盘指针式仪表包括内盘和外盘，并且以夹具固定位置，使得在测量过程中所述仪表的表身保持固定；所述装置包括：

图像采集模块，用于获取仪表表盘数字图像，所述图像采集模块包括可变焦摄像头和数据传输线，其中，所述摄像头以夹具固定，从而在测量过程中能够保持所述摄像头位置固定、焦距固定；

光源照明模块，包括设置在所述摄像头附近的白色光源；以及

计算机处理显示模块，用于图像处理和分析，所述计算机处理显示模块包括主机和显示屏，其中所述主机通过数据线与图像采集模块相连以获取图像数据，并通过主机内部程序进行处理，然后通过显示屏显示读数结果。

另一方面，本发明的双表盘指针式仪表的高精度自动读数方法，包括：

获取双表盘指针式仪表的数字图像；基于根据预先标定的刻度线位置以及所获取的图像中特征点位置，确定图像中所有刻度线位置；基于拍摄所得图像检索指针位置，并根据刻度线位置确定指针所示读数。

根据本发明的具体实施方式，所述双表盘指针式仪表的高精度自动读数方法包括：

预处理：包括安装并固定所述双表盘指针式仪表以及图像采集模块的摄像头、安装和调节光源照明模块的光源，使摄像头对准仪表以能清晰拍摄表盘图像，并且调节摄像头焦距使图像中仪表指针和刻度线清晰，然后获取所述仪表的数字图像，并将内盘和外盘刻度线进行点选并记录坐标位置；

标定：在图像上点选多个标定点，并记录标定点的坐标位置；如此完成标定工作后需要保持摄像头和仪表的相对位置不变以免重新标定；

测量：通过摄像头获取仪表的表盘数字图像，并基于预先标定的仪表刻度线位置参数以及所获取的图像中特征点位置，确定测量图像中表盘所有刻度线位置；

读数：通过计算机处理显示模块进行用于图像处理和分析，包括基于拍摄所得图像检索指针位置并根据刻度线位置确定指针读数，并且根据检测到的外表盘指针位置确定外表盘读数，进而根据检测内表盘指针位置确定内表盘读数。

本发明基于预先标定的刻度线位置，可在测量过程获取的数字图像中确定所有刻度线位置。测量过程中，根据预先标定的刻度线位置以及所获取的图像中特征点位置，确定图像中所有刻度线位置。计算读数时，先根据检测到的外表盘指针位置，确定外表盘读数；进而检测内表盘指针位置、确定内表盘读数，检测过程中根据外表盘指针位置信息，排除外表盘对内表盘读数的干扰。所述方法中考虑了外盘指针遮挡内盘、被误判为内盘指针的情况；所述方法能根据外盘读数，对内盘读数进行校核。

附图说明

图1是根据本发明具体实施方式的读数装置结构示意图。

图2描述在本发明具体实施方式中由百分表、摄像头和计算机组成的自动读数和位移监测***。

图3描述根据本发明具体实施方式的读数方法实施流程图。

图4描述实施例中摄像头获取的图像及根据特征点位置计算出的各刻度线位置。

图5描述实施例中的读数效果展示，其中显示读数为3.648mm。

图6描述实施例中的读数效果展示，其中显示读数为6.368mm。

具体实施方法

下面结合具体实施方式及附图对本发明的发明过程、原理作进一步阐释说明。应当理解本发明并不局限于下述有关发明的具体实施方式。同时也应当理解，本文所使用的术语只是用于针对特定的实施方式进行描述，而不是用来对本申请要求保护的范围进行限制。

根据本发明的一种具体实施方式，图1显示了一种双表盘指针式仪表的高精度自动读数装置，其中，包括：

双表盘指针式仪表110，其利用夹具固定，其中以位移百分表为例：让百分表的测量探头接触测量目标，测量过程中当目标有变形或位移时，百分表读数发生变化；

图像采集模块120，例如包括普通可手动调节摄像头，其正对需要读数的仪表，其中摄像头中心线与所述仪表的表盘垂直，摄像头的位置根据需要而调整使其能够完整拍摄表盘；

光源照明模块130，例如包括发白光的LED光源或放置在摄像头附近的其他白色光源，从而形成无影照明***，使得测量过程中无阴影影响指针位置的判别及自动读数；

计算机处理显示模块140，包含显示屏和主机，其中主机通过数据线与图像采集模块120相连以获取图像数据并通过主机内部程序进行处理，然后通过显示屏输出读数结果。

在一种具体实施方式中，使用MATLAB编制了自动读数的程序，可实现如下功能：(1)将摄像头与位移测量仪表组装在一起，并固定，由程序控制摄像头按照指定的时间间隔拍照，并将照片按照要求保存；(2)利用图像识别的算法，从照片中读取仪表指针位置，读取表盘数据，实现自动读数功能，并按特定格式存储数据。

下面以百分表为实例，对本发明具体实施方式进行进一步的详细说明。图2中所述的为由百分表、摄像头和计算机组成的自动读数和位移监测***，能够实时记录试验过程中百分表读数。这一测量***中，百分表为机械仪表210，用它进行长期测量比较稳定。但在长达数月的长期测量中如果依靠人力读数就会容易出错、同时无法连续记录数据。因此使用本实施例所述的高精度自动读数***就尤为必要。

本测量装置的图像采集模块220由CMOS摄像头和可手动调焦的变焦镜头组成，例如CMOS摄像头像素为640×480像素，数据通过USB2.0接口传至计算机。

本测量装置的光源照明模块230包括荧光灯管台灯，通过调整台灯位置可以消除保证仪表表盘无指针影子，以保证影子不影响图像分析。

本测量装置的计算机处理显示模块240具有USB2.0接口，通过接口获取图像采集模块所采集的图像。具备实时采集、实时分析显示的功能。

以上介绍了双表盘指针式仪表的高精度自动读数装置及其组成部分，下面详细介绍本发明中的高精度自动读数方法，介绍其实施流程及计算方法。

根据本发明的一种具体实施方式，所述高精度自动读数方法的实施流程如图3所示。

在正式开始测量读数之前，需进行两个工作：预处理及标定。预处理工作可以不在测量现场完成，对每个仪表只需进行一次预处理，之后的测量中无需重复此工作；测量现场需对当时的仪器进行标定，其后程序读入预处理数据及标定数据，即可开始测量。

预处理过程的实施流程如下：

固定仪表和摄像头位置，使摄像头正对仪表、调节摄像头焦距使图像中仪表指针、刻度线清晰。利用鼠标点选各刻度线在照片上的坐标位置，将刻度线位置存储于数据库中。内盘、外盘刻度线均需点选。点选时，只需点击刻度线上离该盘(内盘或外盘)盘心最近的点(刻度线内端点)，记录其坐标。以上工作可以利用程序辅助进行。以量程50mm的位移百分表为例：其外盘代表0.00mm～0.99mm，共100条刻度线，其内盘代表0mm～50mm，共50条刻度线，共需选择150个点代表刻度线位置。外盘所有点的坐标平均值为外盘盘心坐标，内盘所有点的坐标平均值为内盘盘心坐标。

标定过程的实施流程如下：

测量现场完成仪器安装后，摄像头已对准表盘并能清晰拍摄表盘图像。此时捕捉一张图像，并在图像上点选4个标定点，记录其坐标。例如，对百分表而言，可以选择外圈刻度为0、25、50、75的四条刻度线的内端点。完成标定工作后，摄像头及测量仪表均不能移动，否则需重新标定；这样在以后的测量中，摄像头和测量仪表的相对位置不变。

标定工作完成后，可根据四个标定点的坐标计算出标定时刻图像上所有刻度线内端点的坐标。计算方法如下：

设表盘上某点在预处理阶段拍摄的图像上坐标为(x,y),在标定阶段拍摄的图像上坐标为(x’,y’)，则(x,y)与(x’,y’)满足其中a,b,c,d,e,f,g,h为两幅图像的投影变换映射参数。将四个标定点的在两幅图像上的坐标带入上述方程可以得到8个方程，由方程解得8个投影参数a～h。再利用上述方程，可计算标定时图像上各刻度线内端点的坐标，这也是后续测量过程中各刻度线内端点的坐标。

测量过程的实施流程如下：

经过标定过程，当前各刻度线的位置是已知的。测量中仍然通过摄像头获取当时的表盘数字图像。对该数字图像进行分析，计算表盘读数。

不妨假设所读仪表表盘底色为浅色、指针为深色，图像经二值化以后，指针为黑色、表盘底色为白色。

首先检测外盘指针位置，设外盘刻度线标记为0～N。将从摄像头获取的数字图像二值化为黑白图像，为了解指针是否在k～k+1两刻度线之间，将这两个刻度线内端点连线线段上的点均匀分为m等分(m≥20)，两端点及(m-1)个m等分点共m+1个点，依次遍历图像上这m+1个点对应的颜色。若其中数个点颜色为黑色，则指针有可能在这一区域范围内，记录黑色点的平均坐标、作为可能的指针位置。按此方法依次检索各相邻刻度线直接是否有指针，并记录。

外盘检索完成后，若只有一个区域可能有指针，则指针在这一区域。若有两个相邻区域可能有指针、且记录的指针位置非常靠近区域边界，则指针横跨刻度线两边的区域，将这两个区域的点看作一个点。若有数个邻区域可能有指针、则需对这些区域的情况进行一一校核。校核方法为：对每个可能的点，作其与外盘中心点的连线，若连线上的点全部为黑色(或黑色区域比例>p)，认为指针经过该点；若连线上黑色区域比例<q，认为指针不经过该点、将改点淘汰；建议取值p＝0.7，q＝0.3，对不同的仪表该数值可适当调整。

若能找到一个唯一的点，符合指针上的点的特征，则根据该点与相邻刻度线的相对位置确定该点的最终读数。若无法找到唯一的点(找到0个或数个符合条件的点)，可能无法通过程序正常读数，则存储该时刻图像、用于人工校核。

完成外盘读数后，进行内盘读数。首先仍然是遍历检索内盘所有相邻刻度线，判断两线之间是否有指针。若可能有指针的区域>1个，需判断找到的各点是否在外盘指针上。排除外盘指针后，用与外盘读数相似的方式进行内盘读数。外盘指针与内盘的特殊相对关系可分为以下几类，在检索内盘指针时需考虑下述情况，避免读数错误：

1.外盘内盘同心，外盘指针与内盘指针完全重合，此时不影响内盘读数。

2.内盘与外盘不同心，外盘指针与内盘相切或有少量相交。此时外盘指针经过部分内盘刻度线之间的区域，有可能在遍历是被找到。此时只需将被找到的点与外盘中心连线，计算连线上黑色区域比例，即可将其排除。

3.内盘与外盘不同心，外盘指针穿过内盘盘心。此时用情况2的方法无法判断，还需检验遍历中被找到的点与外盘盘心的连线上黑色区域的比例。

若利用上述过程无法完成内盘读数，则应存储该时刻图像、用于人工校核。

完成外盘和内盘读数后还需将两读数对比、以相互校验。以量程50mm的位移百分表为例——其外盘代表0.00mm～0.99mm，共100条刻度线，其内盘代表0mm～50mm。若其内盘读数为8.5(mm)，外盘读数为45.0，则根据外盘读数，最终读数小数点后的数字应为0.450，与内盘读数的8.5的小数位相差不大、可以肯定地给出最终读数——8.450mm。若外盘读数为99.1，内盘读数为7.05，则最终读数应根据两者，将整数为修正为6，即读数为6.991mm。

该读数方法的读数效果实例见图4，图中左图为摄像头所拍摄的图像，右图为二值化以后的图像，以及程序计算出的各刻度线内端点位置。利用上述方法编制程序进行读数，读数为49.830mm。更多读数效果如图5、图6所示，例如，图5所示的读数为3.648mm，图6所示的读数为6.368mm。

在上述说明书中针对一些优选实施方式进行了具体的描述，并且为说明之目的提供了一些技术细节，然而本领域的技术人员应该能够理解本发明可以有各种各样的变化和更多不同的实施方式，而且本文所描述的细节可以有相当的变化而不会偏离本发明的精神和主旨，从而应当属于本申请所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种双表盘指针式仪表的高精度自动读数装置，其中所述双表盘指针式仪表包括内盘和外盘，并且以夹具固定位置，使得在测量过程中所述仪表的表身保持固定；所述装置包括：

图像采集模块，用于获取仪表表盘数字图像，所述图像采集模块包括可变焦摄像头和数据传输线，其中，所述摄像头以夹具固定，从而在测量过程中能够保持所述摄像头位置固定、焦距固定；

光源照明模块，包括设置在所述摄像头附近的白色光源；以及

计算机处理显示模块，用于图像处理和分析，所述计算机处理显示模块包括主机和显示屏，其中所述主机通过数据线与图像采集模块相连以获取图像数据，并通过主机内部程序进行处理，然后通过显示屏显示读数结果。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述光源照明模块设置为能够形成无影照明，以防止在所述图像采集模块所采集的图像中出现指针的阴影。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述光源照明模块中的白色光源为LED光源。

4.如权利要求1所述的装置，在经过安装固定和标定过程后能够用来在测量过程中获取双表盘指针式仪表的数字图像；基于根据预先标定的刻度线位置以及所获取的图像中特征点位置，确定图像中所有刻度线位置；基于拍摄所得图像检索指针位置，并根据刻度线位置确定指针所示读数。

5.一种将权利要求1所述的装置用于双表盘指针式仪表的高精度自动读数方法，其包括：

预处理：包括安装并固定所述双表盘指针式仪表以及图像采集模块的摄像头、安装和调节光源照明模块的光源，使摄像头对准仪表以能清晰拍摄表盘图像，并且调节摄像头焦距使图像中仪表指针和刻度线清晰，然后获取所述仪表的数字图像，并将内盘和外盘刻度线进行点选并记录坐标位置；

标定：在图像上点选多个标定点，并记录标定点的坐标位置；如此完成标定工作后需要保持摄像头和仪表的相对位置不变以免重新标定；

测量：通过摄像头获取仪表的表盘数字图像，并基于预先标定的仪表刻度线位置参数以及所获取的图像中特征点位置，确定测量图像中表盘所有刻度线位置；

读数：通过计算机处理显示模块进行用于图像处理和分析，包括基于拍摄所得图像检索指针位置并根据刻度线位置确定指针读数，并且根据检测到的外表盘指针位置确定外表盘读数，进而根据检测内表盘指针位置确定内表盘读数。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述测量过程包括根据检测到的外表盘指针位置，确定外表盘读数，进而检测内表盘指针位置、确定内表盘读数，并且在检测过程中根据外表盘指针位置信息，排除外表盘对内表盘读数的干扰。

7.如权利要求5所述的方法，其中预处理过程包括，利用所述光源形成无影照明***，使得测量过程中无阴影影响指针位置的判别及自动读数。

8.如权利要求5所述的方法，其中，基于预先标定的指针式仪表刻度线位置参数，确定测量过程中内表盘和外表盘刻度线位置，测量过程中，根据预先标定的刻度线位置以及所获取的图像中特征点位置，确定图像中所有刻度线位置。

9.如权利要求8所述的方法，进一步包括：根据检测到的外表盘指针位置，确定外表盘读数；进而根据检测到的内表盘指针位置、确定内表盘读数，检测过程中根据外表盘指针位置信息，排除外表盘对内表盘读数的干扰。

10.如权利要求9所述的方法，进一步包括：在检测过程中能够根据外表盘指针位置信息排除外表盘对内表盘读数的干扰，包括在外表盘指针遮挡内表盘、被误判为内表盘指针的情况下，根据外表盘读数对内盘读数进行校核。