CN109544628B - 一种指针式仪表的准确读数识别***及方法 - Google Patents

一种指针式仪表的准确读数识别***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种指针式仪表的准确读数识别***及方法，通过图像处理提取仪表指针针尖，使用双目检测手段计算获得指针针尖三维信息和构建仪表盘平面，根据相对位置关系实现对仪表指针的重定位，完成仪表指针读数识别前的校正，最终提高识别准确性。本发明能够解决当仪表指针与仪表平面存在一定高度差，采集设备倾斜时采集到的图像中指针在表盘上投影位置与实际位置不符，而导致读数准确度下降甚至读数错误问题。

Description

一种指针式仪表的准确读数识别***及方法
技术领域
本发明涉及机器视觉领域，具体涉及一种指针式仪表的准确读数识别***及方法。
背景技术
随着仪器仪表技术的快速发展，仪器仪表被广泛的应用于各行各业，仪表数量繁多，需求量大。指针式仪表的使用在我国许多工厂、交通设备中仍然有不可替代的地位。指针式仪表的优点是结实耐用、价格便宜，并且其示数的波动（即指针的摆动）能形象的表示出参数的变化，此外其比较突出的优点是：对于一些特殊的场合，机械式指针仪表其防冻特性都能让其很好地在天气寒冷的地方工作、其防水特性能让其在水下工作，这些特性让其发挥在恶劣环境下仍能正常工作的优势。
某些数字仪表内置数据发送模块，自动将仪表读数发送到控制中心，但是这种技术必须要内置相应模块，而且成本较高，不可能用于现阶段已经安装的固定仪表中。因此，有必要开发一种指针式仪表的准确读数识别***及方法，在不对现有仪表进行改装的基础上，不仅改变传统的人工实施仪表识别劳动强度大、生产效率低的缺陷，有效减少检测过程中的人力消耗，节省了资源，同时消除人工读取时由于观测人员的不同所可能导致读取的结果不同及存在较大偏差。因此，我们可以利用机器视觉的方法，通过相机采集图像并利用算法识别出图像中指针式仪表所指向位置的读数，以此替代人工读数。
现存的许多解决方案多数是直接处理仪表图像，直接读出图片中指针指向的示数。然而，当指针平面与仪表盘平面存在较明显的高度差时，这类解决方案就将出现问题。这是由于采集设备视角不同，造成指针在仪表平面的成像位置不同，这意味着当图像采集设备光轴未与仪表平面垂直或未在仪表中心正上方时（即相机倾斜和相机光轴中心未对准表盘中心），使得光轴与仪表中心点存在倾角。这时，采集得到的指针图像可能发生视角、尺度、倾斜等变化，导致从图像上直接读取指针所指示的数值是存在明显偏差的。这个问题导致指针式仪表读数的识别错误及准确率降低，目前仍然有待解决。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种指针式仪表的准确读数识别***及方法，解决了现有读数识别技术从图像上直接读取指针所指示的数值时存在的偏差问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种指针式仪表的准确读数识别***，包括依次连接的图像采集模块、图像预处理模块、三维校正模块和识别结果输出模块；
所述图像采集模块：用于采集仪表表盘双目图像，完成图像数据的稳定传输；
图像预处理模块：用于对图像进行预处理和提取表盘主要刻度及指针针尖图像像素坐标；
三维检测校正模块：用于获取针尖三维信息，实现指针针尖的三维重定位和读数识别前的指针位置校正；
识别结果输出模块：通过指针针尖与主要刻度的位置关系，计算读数结果。
进一步的，所述图像采集模块采用两个相同的摄像机组成的双目摄像机。
一种指针式仪表的准确读数识别***的识别方法，，包括以下步骤：
步骤S1：对双目摄像机进行双目标定,获取双目摄像机的内参和外参；
步骤S2:通过标定后的双目摄像机采集得到图像，并利用获取的内参实现立体水平校正，使得左右图像对齐,并将图像输入至图像预处理模块；
步骤S3：通过图像预处模块提高初始图像质量，提取表盘主要刻度及指针针尖图像像素坐标，并输入至三维检测模块；
步骤S4：三维检测校正模块利用双目检测算法，实现仪表三维化，并计算指针针尖三维信息和表盘平面三维信息，构建出仪表盘平面和指针针尖相对位置关系；
步骤S5：三维检测校正模块通过坐标系转换关系和垂直投影，对指针在仪表盘平面重定位，以完成对指针位置的校正；
步骤S6：识别结果输出模块根据已提取主要刻度和指针针尖坐标位置信息，计算输出最终读数识别结果。
进一步的，所述双目摄像机的内参包括两个摄像机方向的焦距和相机成像中心；双目摄像机的外参包括旋转矩阵、平移向量和视差。
进一步的，所述步骤S3具体为：
步骤S31:采用分段线性变换法对图像进行增强处理；
步骤S32:采用二维中值滤波对图像进行去噪处理，消除或者减小采集过程中噪声所造成的影响；
步骤S33:根据HSV的值确定最佳阈值进行分割，运用腐蚀运算、膨胀运算，减少针尖附近干扰数据；
步骤S34:提取出指针仪表的主要刻度信息，从而确定刻度盘起始和结束范围，得到任意3对点像素坐标；
步骤S35:通过Hough变换获取仪表指针，计算通过Hough变换得到直线的交点，即指针针尖在图像中的像素坐标位置。
进一步的所述步骤S4具体为：
步骤S41:根据摄像机的内参，并利用Bouquet校正算法对双目图像进行水平校正；
步骤S42:利用双目检测算法，获得针尖的深度信息和仪表盘的深度信息;
步骤S43:通过像素坐标系、图像坐标系、相机坐标系和世界坐标系4种坐标系之间的转换关系，根据得到任意3对点像素坐标和相机视差D，利用双目检测算法，计算获得各点对应的深度z,计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中,x,y,z 是二维平面点经过计算后在三维空间坐标系中对应点的坐标。
步骤S44:根据指针针尖点和仪表盘上3对点像素坐标信息重建出仪表盘所在平面S，建立仪表盘平面的空间方程，并利用空间关系，获取指针针尖在仪表盘空间平面位置上垂直投影的交点三维坐标。
进一步的所述步骤S5具体为：
根据得到的指针针尖在仪表盘空间平面位置上垂直投影的交点三维坐标求取其在图像像素平面的映射点；
进一步的所述步骤S6具体为：
步骤S61:利用极坐标与笛卡尔坐标系对应方程，将圆形刻度轴转换为笛卡尔坐标系;
步骤S62：根据针尖所处位置占量程的比与量程的乘积，即是当前时刻指针所指向的准确读数t，可以得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中，X p 为指针针尖水平方向像素坐标值，X start 为刻度起始位置水平方向像素值，X end 为刻度末端位置水平方向像素值，range为该指针式仪表量程。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明能够解决当仪表指针与仪表平面存在一定高度差，采集设备倾斜时采集到的图像中指针在表盘上投影位置与实际位置不符，而导致读数准确度下降甚至读数错误问题。
附图说明
图1是本发明实施例中一种指针式仪表示意图；
图2是本发明方法流程图；
图3是本发明实施例中双目立体视觉成像原理图；
图4是本发明实施例中指针重定位原理图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种指针式仪表的准确读数识别***，包括依次连接的图像采集模块、图像预处理模块、三维校正模块和识别结果输出模块；所述图像采集模块：用于采集仪表表盘双目图像，完成图像数据的稳定传输；图像预处理模块：用于对图像进行预处理和提取表盘主要刻度及指针针尖图像像素坐标；三维检测校正模块：用于获取针尖三维信息，实现指针针尖的三维重定位和读数识别前的指针位置校正；识别结果输出模块：通过指针针尖与主要刻度的位置关系，计算读数结果。
本实施例中，图像采集模块由两个规格相同CMOS摄像头，按照一定的距离平行放置，组装成一个双目摄像头，并且之后不再改变其相对位置。例如CMOS摄像头像素为1080×720像素，数据通过USB3.0接口传至计算机。
在本实施例中，一种指针式仪表的准确读数识别***的识别方法，具体包括以下步骤：
步骤S1:在正式开始测量读数之前，需要先对双目摄像机进行标定工作。在进行双目标定时，有两种常见的数据库：Matlab视觉处理库和OpenCV开源视觉库；其内部封装可用的摄像机标定算法。利用CMOS摄像机采集20幅不同姿态下的标定板图像，交与上述软件进行标定。通常Matlab中标定的结果比较稳定，可以在Matlab中标定之后再使用OpenCV标定。通过双目标定，可以获得以下几个参数：相机内参、畸变，包括径向畸变和切向畸变、相机外参，包括3*3旋转矩阵和3*1平移向量、两个相机间视差D。从作用上来看，内参数矩阵是为了得到镜头的信息，并消除畸变，使得到的图像更为准确，外参数矩阵是为了得到相机相对于世界坐标的联系，是为了最终的测距。
步骤S2： 标定工作完成后，可以实施图像的采集和识别过程。通过计算机控制两个摄像头同时拍摄图片，经过数据线将图像数据传至主机交与OpenCV程序处理。利用标定工作获取的两个相机的内参，包括两个方向的焦距f x 、f y ，相机成像中心C x 、C y 等参数，对两幅图像进行图像立体水平校正。使得物体在两个相机成像平面的投影点在满足极限约束定理的同时，对应的点能在同一水平面上。
步骤S3:对图像预处理，通过摄像机获取图像后，需要对图像进行处理。不仅是为了提高图像质量，更重要的是提取图像中有用信息。先对左图进行处理：（1）采用分段线性变换法对图像进行增强处理。（2）采用二维中值滤波对含有噪声的初始图像进行去噪处理，消除或者减小采集过程中噪声所造成的影响。（3）运用腐蚀运算、膨胀运算，减少针尖附近干扰数据。（4）利用对仪表实例的先验知识，根据HSV值确定最佳阈值，提取出指针仪表的主要刻度信息，从而确定刻度盘起始和结束范围，得到任意三点（N x1-left ,N y1- left ）、（N x2- left ,N y2- left ）、（N x3- left , N y3- left ）（5）通过Hough变换获取仪表指针，进一步计算通过Hough变换得到直线的交点，即是我们需要的指针针尖在图像中的像素坐标位置(P x-left ,P y-left )。此时，程序通过立体匹配算法可得，在右图中得到与左图一一对应的三点（N x1-right ,N y1-right ）、（N x2-right ,N y2-right ）、（N x3-right , N y3-right ）和指针针尖像素坐标位置(P x-right ,P y-right )。这里，在二维空间上匹配对应点是非常耗时的，为了减少匹配搜索范围，我们可以利用极线约束理论使得对应点的匹配由二维搜索降为一维搜索。
步骤S4:根据前述所确定的点，进入三维检测阶段。
在摄像机的成像过程中，存在着四个坐标系，分别是：像素坐标系、图像坐标系、相机坐标系、以及世界坐标系。如图所示，像素坐标系以图像的左上角为原点O，横纵坐标（u, v）分别表示该像素点在图像中的列数和行数；图像坐标系的原点为相机的光轴与图像平面的交点，则点（u 0 ,v 0 ）在两坐标系之间存在如下关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
用齐次矩阵表示则为：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
进一步，由摄像机坐标系到图像坐标系的转化公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
用齐次矩阵表示如下（其中S为比例因子，f为焦距）：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
世界坐标到相机坐标系的转换关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
步骤S5:通过双目摄像机三维检测的手段，实现仪表指针针尖在仪表盘平面重定位。（1）根据前述计算得到的3对点和相机视差D，利用双目测距原理，计算获得各点对应的深度Z。利用3点的三维信息重建出这个表盘所在平面S 1 。其中，物体的三维坐标可以通过双目立体视觉技术来确定，如图3所示有OL和OR是左右相机的光心，它们的光轴和各自的成像平面。假设两相机的内部和外部参数完全相同，焦距为f，光心之间的距离（基线）为B，两台相机在同一平面上，因此他们的投影中心的Y轴坐标相等。同一时刻空间点P(x,y,z)在两相机上成像点分别为P left 和P right。
Figure DEST_PATH_IMAGE016
引入参数视差D后可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
（2）获得表盘平面上的圆心O 2 ，通过该圆心作垂直于平面S 1 的垂线L；确定指针针尖P的空间坐标，并作一个过该针尖P点并同表盘平面S 1 平行的平面S 2 。平面S 2 与垂线L的交点O 2 ，计算并记录O 2 P的斜率；在表盘平面S 1 上，通过圆心O 1 作与O 2 P相同斜率，即为指针相对于表盘平面的真实位置，见图4。
步骤S6：指针式仪表读数识别：对三维重定位后的指针针尖的空间三维坐标求取其在图像像素平面的映射点。在确定了指针在成像平面的像素位置后，在前述字符、刻度识别的基础上，利用极坐标与笛卡尔坐标系对应方程，将圆形（弧形）坐标轴转换为极坐标系。根据指针到最近刻度线的距离，即可计算出图像指针读数。
Figure DEST_PATH_IMAGE020
其中，X p 为指针针尖水平方向像素坐标值，X start 为刻度起始位置水平方向像素值，X end 为刻度末端位置水平方向像素值，range为该指针式仪表量程。
本实施例中，使用OpenCV编写了读数识别的程序，可实现以上所述方法的功能：（1）读取摄像头拍摄获得的有效图片；（2）利用图像处理算法，从照片中读取并记录仪表指针针尖的位置和各个刻度坐标位置；（3）利用双目检测算法，将前述图像中指针针尖二维坐标转换为具备深度信息的三维坐标；（4）将指针针尖垂直投影到仪表盘所在的三维平面，并与图像像素平面实现映射。根据此时指针针尖位置和刻度位置信息，实现准确读数的功能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种指针式仪表的准确读数识别***的识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：对双目摄像机进行双目标定,获取双目摄像机的内参和外参；
步骤S2:通过标定后的双目摄像机采集得到图像，并利用获取的内参实现立体水平校正，使得左右图像对齐,并将图像输入至图像预处理模块；
步骤S3：通过图像预处模块提高初始图像质量，提取表盘主要刻度及指针针尖图像像素坐标，并输入至三维检测模块；
步骤S4：三维检测校正模块利用双目检测算法，计算指针针尖三维信息和表盘平面三维信息，构建出仪表盘平面和指针针尖相对位置关系，实现仪表三维化；
所述步骤S4具体为：
步骤S41:根据摄像机的内参，并利用Bouquet校正算法对双目图像进行水平校正；
步骤S42:利用双目检测算法，获得针尖的深度信息和仪表盘的深度信息；
步骤S43:通过像素坐标系、图像坐标系、相机坐标系和世界坐标系4种坐标系之间的转换关系，根据得到任意3对点像素坐标和相机视差D，利用双目检测算法，计算获得各点对应的深度z,计算公式如下：
Figure FDA0003106012500000021
其中,x,y,z是二维平面点经过计算后在三维空间坐标系中对应点的坐标，f为焦距，B为两个相机光心之间的距离；
步骤S44:根据指针针尖点和仪表盘上3对点像素坐标信息重建出仪表盘所在平面S，建立仪表盘平面的空间方程，并利用空间关系，获取指针针尖在仪表盘空间平面位置上垂直投影的交点三维坐标；
步骤S5：三维检测校正模块通过坐标系转换关系和垂直投影，对指针在仪表盘平面重定位，以完成对指针位置信息的校正；
步骤S6：识别结果输出模块根据已提取主要刻度和指针针尖坐标位置信息，计算输出最终读数识别结果。
2.根据权利要求1所述的一种指针式仪表的准确读数识别***的识别方法，其特征在于：所述双目摄像机的内参包括摄像机x、y两个方向的焦距和相机成像中心；双目摄像机的外参包括旋转矩阵、平移向量和视差。
3.根据权利要求2所述的一种指针式仪表的准确读数识别***的识别方法，其特征在于：所述步骤S3具体为：
步骤S31:采用分段线性变换法对图像进行增强处理；
步骤S32:采用二维中值滤波对图像进行去噪处理，消除或者减小采集过程中噪声所造成的影响；
步骤S33:根据HSV的值确定最佳阈值进行分割，运用腐蚀运算、膨胀运算，减少针尖附近干扰数据；
步骤S34:提取出指针仪表的主要刻度信息，从而确定刻度盘起始和结束范围，得到任意3对点像素坐标；
步骤S35:通过Hough变换获取仪表指针，计算通过Hough变换得到直线的交点，即指针针尖在图像中的像素坐标位置。
4.根据权利要求1所述的一种指针式仪表的准确读数识别***的识别方法，其特征在于：所述步骤S6具体为：
步骤S61:利用极坐标与笛卡尔坐标系对应方程，将圆形刻度轴转换为笛卡尔坐标系；
步骤S62：根据针尖所处位置占量程的比与量程的乘积，即是当前时刻指针所指向的准确读数t，可以得到：
Figure FDA0003106012500000031
其中，Xp为指针针尖水平方向像素坐标值，Xstart为刻度起始位置水平方向像素值，Xend为刻度末端位置水平方向像素值，range为该指针式仪表量程。
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