指针式仪表指针的拟合

    吴晓伟　郝金凤　杨铁梅

    

    

    

    摘? 要：随着煤矿智能化、信息化的建设，指针仪表的数据监测功能起到了非常重要的作用，对煤矿安全高效的生产具有重大意义。在指针式仪表的识别过程中，仪表指针的提取与定位占据重要的地位，对后面仪表示数的读取与识别起到了十分关键的作用。为了保证指针式仪表读数准确的识别，文章利用图像处理技术对仪表指针的拟合进行了仿真实验。通过对比分析，最终实现了准确可靠地提取指针式仪表的指针。

    关键词：信息化;指针仪表;图像处理;仿真实验

    中图分类号：TP391.4 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）21-0070-02

    Abstract： With the construction of coal mine intelligence and informatization， the data monitoring function of the pointer instrument has played a very important role， which is of great significance to the safe and efficient production of coal mines. In the identification process of pointer instruments， the extraction and positioning of the pointers of the instruments occupy an important position， which plays a very important role in the reading and recognition of the number of the instrument behind. In order to ensure the accurate recognition of the pointer meter reading， this paper uses image processing technology to simulate the meter pointer fitting. Through comparative analysis， the accurate and reliable extraction pointer is finally achieved.

    Keywords： informatization; pointer instrument; image processing; simulation experiment

    引言

    在指针式仪表的表盘中指针通常占据着较少的像素点，但指针的定位与识别在整个指针式仪表的识别系统的框架中处于核心地位，对后面仪表示数的读取与识别起到了十分关键的作用。通过分析仪表图像中的指针特征，我们发现实际情况下的指针常常拥有较为显著的直线特征。尤其指针的轮廓可以被认为是一条直线，为指针的检测与识别提供了帮助。由于直线特征的检测在图像领域中有着非常重要的位置，在研究学者们多年的努力下，许多性能优异的直线检测算法被提出。同时，通过对指针式仪表中指针位置像素分布特征的分析，根据像素集也可以拟合出指针直线，从而可以准确地对指针位置进行定位与拟合。

    1 传统仪表指针的拟合

    1.1 Hough直线检测

    研究发现Hough变换检测直线[1]是根据被检测目标图像的局部特征，从而将整个目标图像的全都参数计算出来。因此对于被噪声干扰或采集到的图像信息缺失的目标图像有较好的检测效果。然而，Hough变换只能求得直线的参数，无法求得这条线的长度。所以，必须在Hough变换完的下一步，将检测到的直线配对到图像空间中像素点的线条上，导致对长度较短的直线检测效果差。此外，由于在边缘检测中的一些缺陷及误差，在累加器空间中通常会存在误差，这会影响最终检测的结果。

    1.2 LSD直线检测算法

    LSD直线检测算法[2]与传统的直线检测算法相比，准确度高、速度快、操作简单。但是，对于直线相交的情况，因为需要设置每个点的坐标位置，即每个点只能属于一条直线。因此，出现多条直线相交时，则必有至少一条以上的直线被分割成多条直线。并且，基于梯度运算时直线交点的梯度值通常较小。因此，两条直线在交點处有可能将相交的这两条直线分割成四条线段。

    2 径向灰度算法

    径向灰度法[3]进行指针的拟合，不同于传统的指针检测算法需要检测指针的直线，径向灰度法直接计算表盘的灰度分布特征。采用径向灰度算法获得指针的过程，将采集到的表盘灰度值按一定的角度来拟合指针直线，在图像的二维空间中以确定的表盘圆心为原点建立笛卡尔坐标系，建立基于距离约束的指针筛选机制，最终准确地对指针进行定位与识别。本文以矿井中常用的各种指针式仪表为基础，观察分析了指针式仪表的特点，并结合具体相关仪表盘面的信息，采用径向灰度法对仪表指针进行拟合，检测指针的流程如图1所示。

    采集到的目标图像中，还有较多没用的冗余信息，对仪表指针的定位和拟合产生了干扰。为了得到清晰的仪表信息，对仪表图像进行了图像二值化处理[4]。该算法是一种基础的图像处理方法，在目标图像中每个像素点的灰度值取值范围在0-255之间，图像二值化就是在这256个亮度等级中选取一个合适的阈值。将其中大于阈值的像素点规定为255，小于阈值的像素点规定为0，这样目标图像就只有0和255两个数值的二值化图像，即只有黑色和白色两种颜色的黑白图像。用二值化得到黑白图像进行计算，这样可以减少图像中无用的信息，减少图像处理的时间，却依然能够体现出目标图像整体或局部的特征，能够凸显出目标的轮廓。

    在全局阈值法中最经典的算法是Otsu法（最大类间方差法也称之为大津法），由于其计算简单、速度快、效率高，从而被广泛应用于图像的二值化处理。Otsu算法[5]不需要人为的设定其他参数，不但可用于单阈值的图像处理，同时也可用于多阈值的图像处理，因此被认为是自动选取阈值的最佳方法，本文采用Otsu算法对仪表图像进行二值化处理。实验结果表明，经过二值化处理后的指针式仪表表盘清晰，便于后续的指针式仪表示数的识别与读取。由于表盘中噪音像素与指针像素的比例过大，本文设计将采样的区域变为单像素宽，即一条直线。在图像的二维空间中以确定的表盘圆心为原点建立笛卡尔坐标系，半径为确定的表盘半径，在圆形区域内，假定角度集合为？兹，如下式：

    3 结论

    实验结果表明，针对仪表指针为直线型、过圆心和长度较长的特点。径向灰度法得到的灰度值分布图中出现了明显的峰值，而其余区域受到噪音以及表盘其他信息的影响，灰度值在一定范围之内浮动，但没有较大起伏。通过将峰值坐标映射为指针的偏转角度，拟合得到的指针准确表达了指针的位置。径向灰度法克服了传统Hough变换中参数选取的困难，避免了LSD直线检测中对于相交直线，存在检测为断线的情况。

    参考文献：

    [1]王佳颖，柳贵东，谢晓亮，等.基于改进Hough变换的指针仪表表盘识读系统研究[J].电子世界，2018，23：110-112.

    [2]R. G. V. Gioi， J. Jakubowicz， J. M. Morel， et al. LSD： A fast line segment detector with a false detection control[J]. IEEE Transactions on Software Engineering， 2010，32（4）：722-732.

    [3]吴杰.变电站巡检机器人的指针式仪表智能读数系统研究[D].武汉：武汉科技大学，2019.

    [4]郭家伟.抛光石材表面颜色识别系统研究[D].沈阳：沈阳建筑大学，2017.

    [5]张引.基于空间分布的最大类间方差牌照图像二值化算法[J].浙江大学学报，2001（5）：272-275.