CN114898198A - 一种用于指针式压力表自动读数的图像处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于指针式压力表自动读数的图像处理方法，该方法具体步骤如下：首先对事先采集的指针式压力表图像进行二值化处理，通过霍夫变换检测与刻度线相连的圆弧获取感兴趣区域图像；在感兴趣区域图像中根据刻度线的几何特征筛选出长、短刻度线的长度，构建不同的掩膜图像获取刻度线局部与局部指针的图像；将图像进行极坐标变换，获取变换后图像中的刻度线中心横坐标与指针中心横坐标，逐一比对找到指针最邻近的两条刻度线的中心横坐标并计算得到指针式压力表压力读数。该方法可以替代人工对指针式压力表示值进行自动读取，提高了读数精度和读数效率。

Description

一种用于指针式压力表自动读数的图像处理方法

技术领域

本发明涉及一种指针式压力表读数方法，尤其涉及一种计算机视觉领域中基于图像处理技术的指针式压力表自动读数方法。

背景技术

指针式压力表作为压力测量装置，因结构简单、可靠性高、不受电磁干扰、价格低廉等优点，广泛应用于航空、航天、能源、特种设备、交通运输等工业领域的输送管道和压力容器中。为确保科研和生产体系的压力计量单位统一和量值准确可靠，需依据压力表计量检定规程进行周期检定。

纳入强制检定的指针式压力表数量庞大，种类繁多，目前主要通过手动加压装置进行造压，再由人眼读取压力表示值，检定一块压力表平均用时约为10分钟，长时间高强度的人工检定容易造成视觉疲劳，人工估读数据出错的几率增大，且人工成本巨大；再者，估读数据时，受到人眼分辨力、观测距离、观测角度以及检定人员心理状态等因素的影响，造成测量结果的分散性。

当今世界对于测量方式要求更加智能化，减少人员干扰，提高自动化和测量效率。利用机器视觉技术对指针式压力表读数进行识别成为主流，如湖南五凌电力工程有限公司的许光华通过轮廓扫描及最小二乘拟合确定表盘中心及表盘半径，再通过圆周扫描获得刻度线和指针的角度位置计算相应的示值大小；湖北工业大学的何稳利用边缘提取和圆形拟合获取指针旋转中心和表盘圆拟合信息，利用中心投影法提取出指针及刻度线信息来获得指针读数；郑州轻工业学院的李祖贺基于霍夫原检测进行表盘中心定位，然后采用三帧差分法检测指针质心，最后连接指针质心和表盘中心以计算指针偏转角度和识别读数。

从目前利用机器视觉技术对指针式压力表读数进行识别的研究来看，绝大部分方法都需要将指针旋转中心或表盘中心的位置信息提取出来，通过指针旋转中心或表盘中心确定指针的指向位置最终获得压力表的读数值。

发明内容

针对背景技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于图像处理技术对指针式压力表示数进行自动读取的方法，提高读数效率和读数精度。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是，一种指针式压力表视觉读数方法，具体按照下述步骤实施：

步骤1：对原始图像进行图像二值化处理；

步骤2：检测与刻度线相连的圆弧并获取感兴趣区域图像；

步骤3：获取刻度线局部与局部指针图像；

步骤4：对指针与刻度线图像进行极坐标变换；

步骤5：在极坐标变换结果图像中获取指针中心横坐标以及与指针最邻近的两条刻度线的中心横坐标；

步骤6：根据压力表的分度值、压力表量程下限值以及指针与各刻度线的位置关系计算得到压力表读数。

与背景技术相比，本发明的增益效果为：

1.本发明不需要获取压力表标度盘上的指针中心，也不需要计算指针和刻度线的角度，只需获取局部指针和刻度线局部的图像并对其进行极坐标变换，将指针在刻度线间的角度比例关系转换为指针在刻度线间的间距大小比例关系，可有效解决指针旋转中心定位不准引起的刻度线角度以及指针角度误差大对压力表读数结果影响较大的问题，提高了读数精度。

2.本发明只需提供压力表量程的下限值也就是第一个主刻度线的刻度值以及压力表的分度值，无需对刻度值进行字符识别就可读取压力表压力示数，可简化读数方法的流程，提高了读数效率。

附图说明

图1是本发明的指针式压力表读数识别方法流程框图。

图2是本发明的待进行读数识别的指针式压力表原始图像。

图3是本发明的预处理后的指针式压力表二值图像。

图4是本发明的圆弧及端点图像。

图5是本发明的感兴趣区域图像。

图6是本发明的初选刻度线图像。

图7是本发明的刻度线局部图像。

图8是本发明的局部指针线段图像。

图9是本发明的指针与刻度线图像。

图10是本发明的极坐标变换结果图像。

图11是本发明的指针中心线及左右刻度线中心线。

图12是本发明的压力表读数结果图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式(实施例)对本发明作进一步说明，但并不作为对本发明限制的依据。

如图1所示，本发明方法的步骤是：

步骤1：对原始图像进行图像二值化处理

读取如图2所示事先采集的包含有指针式压力表标度盘和指针的原始图像src，对原始图像采用经实验确定的固定阈值进行二值化分割处理，得到二值图像bw，如图3所示。

步骤2：检测与刻度线相连的圆弧并获取感兴趣区域图像

21)在二值化处理后的图像bw中利用霍夫变换检测与刻度线相连的圆弧arc，并确定圆弧的两个端点，圆弧arc及端点图像如图4所示。

22)创建一个和二值图像bw尺寸相同的图像，背景为黑色，前景为一个以圆弧arc圆心Cen_arc为圆心、半径值为圆弧arc的半径r_arc的白色圆，再减去以圆弧arc圆心Cen_arc为圆心、圆弧arc左右端点和圆弧arc圆心Cen_arc的连线为两条边线画出的扇形，最终得到与圆弧arc相对应的扇形掩膜图像mask1。

23)利用掩膜图像mask1对二值图像bw进行掩膜操作得到一个新的二值图像bw2，在图像bw2中截取掩膜图像中白色扇形外接矩形区域内的图像，得到感兴趣区域图像roiImg，如图5所示。

步骤3：获取刻度线局部与局部指针图像

31)对感兴趣图像roiImg进行轮廓提取，计算每个轮廓C_i的最小外接矩形的高度H_i以及轮廓C_i的高度H_i和宽度W_i的比值即高宽比 R_i，i＝1,2,3,…,n₁，n₁为轮廓个数。当某个轮廓C_i的最小外接矩形高宽比R_i大于阈值R_low且该轮廓的高度H_i处于区间[H_low，H_high]时，则判定该轮廓C_i在感兴趣图像roiImg对应的区域为初选刻度线，轮廓C_i的最小外接矩形高度H_i则为该初选刻度线的长度L_i，R_low、H_low和 H_high通过实验得到，本实施例中R_low＝5、H_low＝20和H_high＝200。所有轮廓判定后，得到的初选刻度线如图6所示。对所有初选刻度线按长度进行升序排序，计算初选刻度线总数的前30％～70％的刻度线的平均长度，此平均长度则为短刻度线的长度L_short，计算初选刻度线的最长的3条刻度线的平均长度，此平均长度则为长刻度线的长度L_long。

32)创建一个和感兴趣区域图像roiImg尺寸相同的图像mask2，背景为黑色，前景为一个以圆弧arc圆心Cen_arc为圆心、外径值为圆弧arc的半径r_arc、内径值为圆弧半径r_arc减去短刻度线长度L_short的白色圆环。利用掩膜图像mask2对感兴趣区域图像roiImg进行掩膜操作，得到一个含有刻度线局部的刻度线局部图像slImg，如图7所示。

33)创建一个和二值图像bw尺寸相同的图像mask3，背景为黑色，前景为一个以圆弧arc圆心Cen_arc为圆心、半径值为圆弧arc的半径r_arc的白色圆，利用掩膜图像mask3对二值图像bw进行按位与运算，得到含有整个指针的压力表盘局部图像bw3。

34)在图像bw3中，利用累计概率霍夫变换进行线段检测，计算每条线段的长度，其中最长的线段则为指针线段。创建一个背景为黑色、尺寸大小与二值图像bw相同的图像，将指针线段以白色绘制于其中，得到指针线段图像nlImg。

35)创建一个和二值图像bw尺寸相同的图像mask4，其背景为黑色，前景为一个以圆弧arc圆心Cen_arc为圆心、外径值为圆弧arc的半径r_arc减去长刻度线的长度L_long、内径值为圆弧arc的半径r_arc减去长刻度线的长度L_long再减去a的一个白色圆环，其中a根据实验确定，本实施例中a＝50。利用掩膜图像mask4对指针线段图像nlImg进行按位与运算，得到仅含有局部指针线段的局部指针线段图像pnlImg，如图8所示。

步骤4：对指针与刻度线图像进行极坐标变换

对步骤32获得的刻度线局部图像slImg和步骤35获得的局部指针线段图像pnlImg进行图像求和运算，获得指针与刻度线图像nsImg，如图9所示。如果原始图像src中的压力表标度盘上的压力量程上下限的刻度线不处于刻度盘中心水平线的上下两侧，则需将指针与刻度线图像nsImg进行旋转处理。本实施例中，由于压力表标度盘上的压力量程上下限的刻度线居于刻度盘中心水平线的上下两侧，故对指针与刻度线图像nsImg进行逆时针方向旋转90°的处理。以指针与刻度线图像nsImg中心为原点、以指针与刻度线图像nsImg高度的一半为边界圆半径，对指针与刻度线图像nsImg进行极坐标变换，使指针和刻度线由原来指向标度盘中心变为平行分布于极坐标变换结果图像 ploarImg的上边缘，如图10所示。

步骤5：在极坐标变换结果图像中获取指针中心横坐标以及与指针最邻近的两条刻度线的中心横坐标

51)在指针与刻度线图像nsImg极坐标变换结果图像ploarImg中，按从上到下的顺序提取前b行像素区域，这里的b为步骤31中得到的长刻度线的长度L_long，获得仅包含刻度线的刻度线区域图像 slAreaImg。

52)按从左到右的顺序统计刻度线区域图像slAreaImg中每列像素非0像素个数并存入数组，按数组元素索引号从小到大的顺序搜索各数组元素值，如果数组元素值大于步骤31中获得的短刻度线长度 L_short的一半，则此数组元素索引号即为第一条刻度线的左侧横坐标，继续向后搜索，直到数组元素值等于0，则此数组元素的前一个元素对应的索引号为第一条刻度线的右侧坐标，求取第一条刻度线的左侧横坐标和右侧横坐标的均值，得到第一条刻度线的中心横坐标，依照求取第一条刻度线的中心横坐标的方法依次向后搜索，直到遍历数组所有元素，得到各刻度线中心横坐标。

53)在指针与刻度线图像nsImg极坐标变换结果图像ploarImg中，按从上到下的顺序提取从第b行开始到最后一行的像素区域，这里的 b为步骤31中得到的长刻度线长度L_long，获得仅包含指针的指针区域图像needleAreaImg。

54)对指针区域图像needleAreaImg进行轮廓筛选，其中面积最大的轮廓判定为指针轮廓，获取该指针轮廓的外接矩形，计算指针轮廓外接矩形的左上角顶点横坐标与右下角顶点横坐标的均值，即为指针中心横坐标。

55)将指针中心横坐标与刻度线中心横坐标一一对比，其中刻度线中心横坐标小于指针中心横坐标且与指针中心横坐标最接近的刻度线即为左刻度线line1，刻度线中心横坐标大于指针中心横坐标且与指针中心横坐标最近的刻度线则为右刻度线line2。指针中心线及左右刻度线中心线示意图如图11所示。

步骤6：根据压力表的分度值、压力表量程下限值以及指针与各刻度线的位置关系计算得到压力表读数

压力表读数p可通过下式计算得到：

p＝sv+dv×(pIp+pDp)

其中，sv为压力表量程下限值，dv为压力表分度值，pIp为与指针最邻近的左刻度线line1与压力表量程下限值对应的刻度线line0的位置序号差值；pDp为指针中心横坐标与左刻度线line1的横坐标差值与指针最邻近的两条刻度线line2和line1的中心横坐标差值的比值。将读取的压力表示值叠加在原始图像上的压力表读数结果如图 12所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种用于指针式压力表自动读数的图像处理方法，其特征在于：对采集的指针式压力表图像进行处理，包括以下步骤：

步骤1：对原始图像进行图像二值化处理；

步骤2：检测与刻度线相连的圆弧并获取感兴趣区域图像；

步骤3：获取刻度线局部与局部指针图像；

步骤4：对指针与刻度线图像进行极坐标变换；

步骤5：在极坐标变换结果图像中获取指针中心横坐标以及与指针最邻近的两条刻度线的中心横坐标；

步骤6：根据压力表的分度值、压力表量程下限值以及指针与各刻度线的位置关系计算得到压力表读数。

2.根据权利要求1所述的一种用于指针式压力表自动读数的图像处理方法，其特征在于：

所述步骤2包括以下步骤：21)在二值化处理后的图像bw中利用霍夫变换检测与刻度线相连的圆弧arc；22)构造与圆弧arc相对应的扇形掩膜图像mask1；23)利用掩膜图像mask1在图像bw中获取感兴趣区域图像roiImg。

3.根据权利要求1所述的一种用于指针式压力表自动读数的图像处理方法，其特征在于：

所述步骤3包括以下步骤：31)在感兴趣区域图像roiImg中根据刻度线的几何特征初选出刻度线，并分别计算短刻度线的长度L_short和长刻度线的长度L_long；32)构建一个掩膜图像mask2，利用该掩膜图像在感兴趣区域图像roiImg中获取含有刻度线局部的刻度线局部图像slImg；33)构建一个掩膜图像mask3，利用此掩膜图像在图像bw中获取含有整个指针的图像bw3；34)在图像bw3中利用霍夫变换进行线段检测，最长的线段则为指针线段，将此指针线段以白色重绘于一个与图像bw大小相同的黑色背景图像nlImg中；35)构建一个掩膜图像mask4，利用此掩膜图像在图像nlImg中获取含有局部指针线段的局部指针线段图像pnlImg；36)从局部指针线段图像pnlImg中截取出与感兴趣区域图像roiImg在图像bw中位置和尺寸相同的子图像并与刻度线局部图像slImg叠加，得到含有刻度线局部与局部指针线段的图像，即指针与刻度线图像nsImg。

4.根据权利要求3所述的一种用于指针式压力表自动读数的图像处理方法，其特征在于：

所述步骤3中，掩膜图像mask2的大小与感兴趣区域图像roiImg相同，背景为黑色，前景为一个以圆弧arc圆心Cen_arc为圆心、外径值为圆弧arc的半径r_arc、内径值为圆弧半径r_arc减去短刻度线长度L_short的白色圆环；掩膜图像mask3的大小与图像bw相同，背景为黑色，前景为一个以圆弧arc圆心Cen_arc为圆心、半径值为圆弧arc的半径r_arc的白色圆；掩膜图像mask4的大小与图像bw相同，背景为黑色，前景为一个以圆弧arc圆心Cen_arc为圆心、外径值为圆弧arc的半径r_arc减去长刻度线的长度L_long、外径值为圆弧arc的半径r_arc减去长刻度线的长度L_long再减去a的一个白色圆环，a取值为30～60。

5.根据权利要求1所述的一种用于指针式压力表自动读数的图像处理方法，其特征在于：

所述步骤4中对指针与刻度线图像nsImg进行极坐标变换前要确保原始图像中的压力量程上下限的刻度线居于表盘中心水平线的上下两侧，若不能满足此条件，则需对指针与刻度线图像nsImg进行旋转处理。

6.根据权利要求1所述的一种用于指针式压力表自动读数的图像处理方法，其特征在于：

所述步骤5具体包括以下步骤：51)在指针与刻度线图像nsImg极坐标变换结果图像ploarImg中获取仅包含刻度线的刻度线区域图像slAreaImg；52)通过投影方法在刻度线区域图像slAreaImg中获取各刻度线中心横坐标；53)在指针与刻度线图像nsImg极坐标变换结果图像ploarImg中获取仅包含指针的指针区域图像needleAreaImg；54)在指针区域图像needleAreaImg中通过搜寻最大轮廓的方法获取指针中心横坐标；55)根据指针中心横坐标与各刻度线中心横坐标的大小关系，得到与指针最邻近的两条刻度线line1和line2的中心横坐标。

7.根据权利要求1所述的一种用于指针式压力表自动读数的图像处理方法，其特征在于：

所述步骤6中压力表读数p可通过下式计算得到：

p＝sv+dv×(pIp+pDp)

其中，sv为压力表量程下限值；dv为压力表分度值；pIp为与指针最邻近的左刻度线line1与压力表量程下限值对应的刻度线line0的位置序号差值；pDp为指针中心横坐标与左刻度线line1的横坐标差值与指针最邻近的两条刻度线line2和line1的中心横坐标差值的比值。

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