CN103148881A - 利用视频自动对指针式仪表进行读数的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用视频自动对指针式仪表进行读数的方法及装置。该方法包括：从输入的图像标定表盘的有效区域，获取起始刻度点、终止刻度点，记录起始位置刻度值、终止位置刻度值；在表盘的所述有效区域内检测出所有的线段；设置规则参数，对检测后的线段进行规则化挑选，过滤出仪表指针；根据表盘的类型，采用相应的算法读取所述仪表指针所指向的刻度，获取读数。采用本发明，可以快速准确的检测多个指针目标，无需任何预估计处理（如指针表盘的颜色，位置等），准确率高。

Description

利用视频自动对指针式仪表进行读数的方法及装置

技术领域

本发明涉及表盘检测技术，特别是涉及利用视频自动对指针式仪表进行读数的方法及装置。

背景技术

在电力系统的变电站中，仪表被普遍使用且在保证系统安全运行中发挥重要作用，其中不乏有数量颇多的指针式仪表，而指针式仪表的读数的远程采集一直未能有较为全面的办法。

现有的技术主要有一种基于物体轮廓的仪表监测方法、一种基于刻度查询表的指针式仪表读数方法等。前一种方法的基本方案是总控制端计算机基于存有基于物体轮廓的圆/椭圆/矩形搜索、检测算法的远程表检测/读取模块，通过无线局域网控制变电站中的巡检机器人，按照预先设定的巡检路线，在设定的搜索空间范围内通过搜索子程序锁定仪表的空间位置，然后利用可见光摄像头获取仪表几何图像，通过无线局域网发回总控制端进行数据处理以达到远程监控的目的。该方法需要精确地控制巡检机器人的准确定位，以保证图像采集的准确性，对表盘的寻找不具有鲁棒性。后一种方法通过建立不同仪表的刻度查询表，形成数据库；采集仪表图像，输入仪表图像并对其进行预处理，以提取仪表表盘的有效识别区域；从仪表表盘的有效识别区域中，利用指针和刻度线笔划特征，提取仪表的指针和刻度线；根据提取的指针和刻度线，将提取的刻度线与刻度查询表数据库中对应的刻度查询表进行匹配，进行读数自动识别。该方法相对于前一种方法有一定的改进，但这种方法只能适应于固定监控点，对表盘的寻找不具有鲁棒性，尤其是要建立繁琐的数据库，前期工作量非常大。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种涉及利用视频自动对指针式仪表进行读数的方法及装置，能够适应能力更好的指针式仪表的读数方法，对环境变化不敏感、鲁棒性更强，且前期预处理更为简单。

一种涉及利用视频自动对指针式仪表进行读数的方法，包括：

从输入的图像标定表盘的有效区域，获取起始刻度点、终止刻度点，记录起始位置刻度值、终止位置刻度值；

在表盘的所述有效区域内检测出所有的线段；

设置规则参数，对检测后的线段进行规则化挑选，过滤出仪表指针；

根据表盘的类型，采用相应的算法读取所述仪表指针所指向的刻度，获取读数。

相应地，一种涉及利用视频自动对指针式仪表进行读数的装置，包括：

图像标示单元，用于从输入的图像标定表盘的有效区域，获取起始刻度点、终止刻度点，记录起始位置刻度值、终止位置刻度值；

与所述图像标示单元相连的线段检测单元，用于在表盘的所述有效区域内检测出所有的线段；

与所述线段检测单元相连的指针过滤单元，用于设置规则参数，对检测后的线段进行规则化挑选，过滤出仪表指针；

与所述指针过滤单元相连的运算读数单元，用于根据表盘的类型，采用相应的算法读取所述仪表指针所指向的刻度，获取读数。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明只需粗略标定表盘区域，就能快速准确的检测多个指针目标，无需任何预估计处理（如指针表盘的颜色，位置等），准确率高。按照给定的标定方法，可以形成通用的表盘刻度检测，也无需建立仪表刻度数据库。并且，对环境变化不敏感、鲁棒性更好。内部参数设置较少，通用性更强。

附图说明

图1为本发明利用视频自动对指针式仪表进行读数的方法的流程图；

图2为本发明利用视频自动对指针式仪表进行读数的方法的圆盘识别实施例流程图；

图3为本发明利用视频自动对指针式仪表进行读数的方法的方盘识别实施例流程图；

图4为本发明利用视频自动对指针式仪表进行读数的装置的示意图；

图5为本发明利用视频自动对指针式仪表进行读数的装置的实施例示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

图1为本发明利用视频自动对指针式仪表进行读数的方法的流程图，包括：

S101：从输入的图像标定表盘的有效区域，获取起始刻度点、终止刻度点，记录起始位置刻度值、终止位置刻度值；

S102：在表盘的所述有效区域内检测出所有的线段；

S103：设置规则参数，对检测后的线段进行规则化挑选，过滤出仪表指针；

S104：根据表盘的类型，采用相应的算法读取所述仪表指针所指向的刻度，获取读数。

本发明提供了一种更为简单和智能自动的刻度标识算法，有效的表盘区域只需通过简单的初始标示，即可通过本办法提供的算法进行识别并标识。能够自动适应各种表盘的物理轮廓并采用相应的算法，对指针的当前位置进行识别并计算相应的读数，而无需预先建立仪表刻度数据库。

该方法只需粗略标定表盘区域，就能快速准确的检测多个指针目标，无需任何预估计处理（如指针表盘的颜色，位置等），准确率高。按照给定的标定方法，可以形成通用的表盘刻度检测，也无需建立仪表刻度数据库。并且，对环境变化不敏感、鲁棒性更好。内部参数设置较少，通用性更强。

在其中一个实施例当中，在表盘的所述有效区域内检测出所有的线段的步骤，包括：

对所述有效区域进行高斯平滑，得到平滑图像；

计算所述平滑图像的梯度和边缘线角度；

建立搜索列表，将每个点的梯度幅值按大到小的顺序将此点的位置坐标投放到对应的BIN中；

建立用于临时记录标识信息的辅助图像，将梯度幅值小于θ的置为已使用，其他置为未使用，其中，

q是像素量化精度，τ为边缘相似角度精度；

按搜索列表中的像素开始搜索，搜索规则为，在BIN中从最大的梯度值开始，且标志为未使用。

1、对表盘区域进行高斯平滑，得到平滑图像。

2、计算平滑图像的梯度和边缘线角度。

$g_x=\frac{I(x+1,y+1)+I(x+1,y)-I(x,y)-I(x,y+1)}{2}---(2-1)$

$g_y=\frac{I(x+1,y+1)+I(x,y+1)-I(x,y)-I(x+1,y)}{2}---(2-2)$

$G=\sqrt[2]{g_x^2(x,y)+g_y^2(x,y)}---(2-3)$

$M_A=\arctan \left(\frac{g_x(x,y)}{-g_y(x,y)}\right)---(2-4)$

3、建立搜索列表，将每个点的梯度幅值按大到小的顺序将此点的位置坐标投放到对应的BIN中。

4、建立辅助图像（模板图像，临时用来记录标识信息的），将梯度幅值小于θ的置为已使用，其他置为未使用。

$\mathrm{\θ}=\frac{q}{\sin \mathrm{\τ}}---(2-5)$

其中，q是像素量化精度，τ表示边缘相似角度精度。

5、按搜索列表中的像素开始搜索，搜索规则：在BIN中从最大的梯度值开始，且标志为未使用。具体地，

一、将像素P置为种子像素，区域生长；

生长规则：

（1）、具有相似的边缘线角度，即在边缘角度在[Pma-τ,Pma+τ]；

（2）、k邻域生长；

（3）、设置生长成功的像素为已使用。

二、计算生长成的矩形区域的中心和主方向

矩形中心：

$c_x=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j}G\left(j\right)*x\left(j\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{j}G\left(j\right)}---(2-6)$

$c_y=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j}G\left(j\right)*y\left(j\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{j}G\left(j\right)}---(2-7)$

其中，j在矩形区域内变化。

矩形的主方向：

构建特征矩阵 $\left[\begin{array}{cc}{m}^{\mathrm{xx}}& m^{\mathrm{xy}}\\ m^{\mathrm{yx}}& m^{\mathrm{yy}}\end{array}\right]---(2-8)$

$m^{\mathrm{xx}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j}G\left(j\right)*{(x\left(j\right)-c_x)}^2}{{\mathrm{\Σ}}_{j}G\left(j\right)}---(2-9)$

$m^{\mathrm{xy}}=m^{\mathrm{yx}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j}G\left(j\right)*(x\left(j\right)-c_x)*(y\left(j\right)-c_y)}{{\mathrm{\Σ}}_{j}G\left(j\right)}---(2-10)$

$m^{\mathrm{yy}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j}G\left(j\right)*{(y\left(j\right)-c_y)}^2}{{\mathrm{\Σ}}_{j}G\left(j\right)}---(2-11)$

计算其特征向量作为其矩形的主方向

三、计算矩形块边缘角度的密度，如果密度大于阈值D代表阈值参数，则修剪矩形区域，重复计算边缘角度密度。

密度计算公式：

$d=\frac{k}{\mathrm{area}\left(\mathrm{rect}\right)}---(2-12)$

其中，k表示矩形区域内边缘角度与矩形区域主方向相等的个数，area(rect)表示矩形区域的面积。

四、计算矩形块中边缘角度的误报率作为验证公式

$\mathrm{NFA}\left(\mathrm{rect}\right)={\left(\mathrm{NM}\right)}^{5/2}*\mathrm{\γ}*{\mathrm{\Σ}}_{j=k}^n\left(\begin{array}{c}n\\ j\end{array}\right)p^j{(1-p)}^{n-j}---(2-13)$

其中，

$\left(\begin{array}{c}n\\ j\end{array}\right)=\frac{\mathrm{\Γ}(n+1)}{\mathrm{\Γ}(j+1)*\mathrm{\Γ}(n-j+1)}---(2-14)$

M、N为图像的高宽，γ为矩形区域内与主方向不同的边缘角度统计个数。

五、如果误报率大于阈值e，则修剪矩形区域，否则，将该矩形线段加入输出队列。

图2为本发明利用视频自动对指针式仪表进行读数的方法的圆盘识别实施例流程图。

S201：从输入的图像标定表盘的有效区域，获取起始刻度点、终止刻度点，记录起始位置刻度值、终止位置刻度值；

S202：计算所述起始刻度点和所述终止刻度点的中垂线；

S203：通过校正点的位置和刻度值，在中垂线上计算圆心的位置。

S204：在表盘的所述有效区域内检测出所有的线段；

S205：设置规则参数，对检测后的线段进行规则化挑选，过滤出仪表指针；

S206：对规则化后的指针线段，当斜率角度kp1–kp2∈[-eps,+eps]，则两条直线则合并；

S207：根据起始刻度位置与圆心的形成线段的斜率角度，终止刻度位置与圆心形成线段的斜率角度，获取指针线段的角度；

S208：通过预设的计算公式，计算出指针所指向的刻度，获取读数。

标定有效的表盘区域：圆形表盘标注出起始刻度点，终止刻度点，校正点位置(圆形表盘)，并输入起始位置值num_b、终止位置的刻度值num_e、校正点的刻度值(圆形表盘)adjust，记录以上所有标定和输入的数据。校正圆心的位置（圆形表盘），并记录下来。计算起始刻度点和终止刻度点的中垂线。通过校正点的位置和刻度值，在中垂线上与有效的表盘区域上计算圆心的位置。

读取表盘读数：在有效的表盘区域内检测所有的线段。设置规则参数，对检测后的线段进行规则化挑选，过滤出仪表指针线段。

圆形表盘指针过滤规则，具体包括：

指针线段斜率角保持在两端点与圆心的斜率角之间kp∈[kbegin–epsc，kend+epsc]，epsc代表精度

指针线段的长度必须大于半径r的ratios代表倍率，即：

r_p＞r*ratios    (3-1)

对于圆形表盘，采用如下算法对仪表进行处理：

对规则化后的指针线段做合并处理。

对于任意两条直线，当斜率角度kp1–kp2∈[-eps,+eps]，则两条直线则合并。eps代表精度

通过角度判别法读取指针所对应的读数。

起始刻度位置与圆心的形成线段的斜率角度θ_b，终止刻度位置与圆心形成线段的斜率角度θ_e，指针线段的角度θ_p，通过计算公式：

$P_{\mathrm{value}}=\frac{({\mathrm{\θ}}_p-{\mathrm{\θ}}_b)}{({\mathrm{\θ}}_e-{\mathrm{\θ}}_b)}*({\mathrm{num}}_e-{\mathrm{num}}_b)---(3-2)$

计算出指针所指向的刻度，获取读数。

图3为本发明利用视频自动对指针式仪表进行读数的方法的方盘识别实施例流程图。

S301：从输入的图像标定表盘的有效区域，获取起始刻度点、终止刻度点，记录起始位置刻度值、终止位置刻度值；

S302：在表盘的所述有效区域内检测出所有的线段；

S303：设置规则参数，对检测后的线段进行规则化挑选，过滤出仪表指针；

S304：对规则化的指针线段做投影处理，寻找表盘刻度区域；

S305：通过表盘区域边界参数，向下平移查找仪表的指针区域；

S306：对所述指针区域做二值化处理，通过投影法找到指针的位置；

S307：根据所述起始位置刻度值、终止位置刻度值，指针位置，通过距离判别法计算出指针所指向的刻度，获取读数。

标定有效的表盘区域：方形表盘标注出起始刻度点，终止刻度点，并输入起始位置值num_b、终止位置的刻度值num_e。

读取表盘读数：在有效的表盘区域内检测所有的线段。设置规则参数，对检测后的线段进行规则化挑选，过滤出仪表指针线段。

方形表盘指针过滤规则如下：指针线段斜率角度保持在竖直方向上kp∈[90-epsr，90+epsr]，epsr代表精度。

对于方形表盘，采用如下算法对仪表进行处理：

对规则化的指针线段做投影处理，寻找表盘刻度区域。

将指针线段投影到y轴方向上，寻找投影数组上的最大值，并上下扩散寻找表盘区域的边界。

通过表盘区域寻找到指针区域。通过表盘区域边界参数，向下平移找到仪表的指针区域。

对指针区域做二值化处理，通过投影法找到指针的位置对指针区域使用otsu算法对其二值化，然后投影到x轴上，通过极值法寻找x方向上指针的位置。

通过距离判别法读取指针所对应的读数。起始位置xbegin，刻度值num_b，终止位置xend，刻度值num_e，指针位置xcur，通过公式：

$P_{\mathrm{value}}=\frac{(x_{\mathrm{cur}}-x_{\mathrm{begin}})}{(x_{\mathrm{end}}-x_{\mathrm{begin}})}*({\mathrm{num}}_e-{\mathrm{num}}_b)---(3-3)$

计算出指针所指向的刻度，获取读数。

图4为本发明利用视频自动对指针式仪表进行读数的装置的示意图，包括：

图像标示单元，用于从输入的图像标定表盘的有效区域，获取起始刻度点、终止刻度点，记录起始位置刻度值、终止位置刻度值；

与所述图像标示单元相连的线段检测单元，用于在表盘的所述有效区域内检测出所有的线段；

与所述线段检测单元相连的指针过滤单元，用于设置规则参数，对检测后的线段进行规则化挑选，过滤出仪表指针；

与所述指针过滤单元相连的运算读数单元，用于根据表盘的类型，采用相应的算法读取所述仪表指针所指向的刻度，获取读数。

图4与图1相对应，图中的各个单元的运行方式与方法中的相同。

图5为本发明利用视频自动对指针式仪表进行读数的装置的实施例示意图。

如图5所示，包括：连接在所述图像标示单元与所述线段检测单元之间的圆心确定单元，用于计算所述起始刻度点和所述终止刻度点的中垂线；通过校正点的位置和刻度值，在中垂线上计算圆心的位置。

如图5所示，所述运算读数单元，包括：

指针合并单元，用于对规则化后的指针线段，当斜率角度kp1–kp2∈[-eps,+eps]，则两条直线则合并；

角度计算单元，用于根据起始刻度位置与圆心的形成线段的斜率角度，终止刻度位置与圆心形成线段的斜率角度，获取指针线段的角度；

圆盘指向单元，用于通过预设的计算公式，计算出指针所指向的刻度。

如图5所示，所述运算读数单元，包括：

刻度投影单元，用于对规则化的指针线段做投影处理，寻找表盘刻度区域；

区域查找单元，用于通过表盘区域边界参数，向下平移查找仪表的指针区域；

指针查找单元，用于对所述指针区域做二值化处理，通过投影法找到指针的位置；

方盘指向单元，用于根据所述起始位置刻度值、终止位置刻度值，指针位置，通过距离判别法计算出指针所指向的刻度。

如图5所示，所述线段检测单元，包括：

高斯处理单元，用于对所述有效区域进行高斯平滑，得到平滑图像；

梯度计算单元，用于计算所述平滑图像的梯度和边缘线角度；

搜索列表单元，用于建立搜索列表，将每个点的梯度幅值按大到小的顺序将此点的位置坐标投放到对应的BIN中；

辅助标识单元，用于建立用于临时记录标识信息的辅助图像，将梯度幅值小于θ的置为已使用，其他置为未使用，其中，

q是像素量化精度，τ为边缘相似角度精度；

像素搜索单元，用于按搜索列表中的像素开始搜索，搜索规则为，在BIN中从最大的梯度值开始，且标志为未使用。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种利用视频自动对指针式仪表进行读数的方法，其特征在于，包括：

从输入的图像标定表盘的有效区域，获取起始刻度点、终止刻度点，记录起始位置刻度值、终止位置刻度值；

在表盘的所述有效区域内检测出所有的线段；

设置规则参数，对检测后的线段进行规则化挑选，过滤出仪表指针；

根据表盘的类型，采用相应的算法读取所述仪表指针所指向的刻度，获取读数。

2.根据权利要求1所述的利用视频自动对指针式仪表进行读数的方法，其特征在于，当所述表盘的类型为圆形表盘时，标定表盘的有效区域的步骤之后，在表盘的所述有效区域内检测出所有的线段的步骤之前，包括：

计算所述起始刻度点和所述终止刻度点的中垂线；

通过校正点的位置和刻度值，在中垂线上计算圆心的位置。

3.根据权利要求1或2所述的利用视频自动对指针式仪表进行读数的方法，其特征在于，采用相应的算法读取所述仪表指针所指向的刻度的步骤，包括：

对规则化后的指针线段，当斜率角度kp1–kp2∈[-eps,+eps]，则两条直线则合并；

根据起始刻度位置与圆心的形成线段的斜率角度，终止刻度位置与圆心形成线段的斜率角度，获取指针线段的角度；

通过预设的计算公式，计算出指针所指向的刻度。

4.根据权利要求1所述的利用视频自动对指针式仪表进行读数的方法，其特征在于，当所述表盘的类型为矩形表盘时，采用相应的算法读取所述仪表指针所指向的刻度的步骤，包括：

对规则化的指针线段做投影处理，寻找表盘刻度区域；

通过表盘区域边界参数，向下平移查找仪表的指针区域；

对所述指针区域做二值化处理，通过投影法找到指针的位置；

根据所述起始位置刻度值、终止位置刻度值，指针位置，通过距离判别法计算出指针所指向的刻度。

5.根据权利要求1至4任一项所述的利用视频自动对指针式仪表进行读数的方法，其特征在于，在表盘的所述有效区域内检测出所有的线段的步骤，包括：

对所述有效区域进行高斯平滑，得到平滑图像；

计算所述平滑图像的梯度和边缘线角度；

建立搜索列表，将每个点的梯度幅值按大到小的顺序将此点的位置坐标投放到对应的BIN中；

建立用于临时记录标识信息的辅助图像，将梯度幅值小于θ的置为已使用，其他置为未使用，其中，

q是像素量化精度，τ为边缘相似角度精度；

按搜索列表中的像素开始搜索，搜索规则为，在BIN中从最大的梯度值开始，且标志为未使用。

6.一种利用视频自动对指针式仪表进行读数的装置，其特征在于，包括：

图像标示单元，用于从输入的图像标定表盘的有效区域，获取起始刻度点、终止刻度点，记录起始位置刻度值、终止位置刻度值；

与所述图像标示单元相连的线段检测单元，用于在表盘的所述有效区域内检测出所有的线段；

与所述线段检测单元相连的指针过滤单元，用于设置规则参数，对检测后的线段进行规则化挑选，过滤出仪表指针；

与所述指针过滤单元相连的运算读数单元，用于根据表盘的类型，采用相应的算法读取所述仪表指针所指向的刻度，获取读数。

7.根据权利要求6所述的利用视频自动对指针式仪表进行读数的装置，其特征在于，当所述表盘的类型为圆形表盘时，包括：

连接在所述图像标示单元与所述线段检测单元之间的圆心确定单元，用于计算所述起始刻度点和所述终止刻度点的中垂线；通过校正点的位置和刻度值，在中垂线上计算圆心的位置。

8.根据权利要求6或7所述的利用视频自动对指针式仪表进行读数的装置，其特征在于，所述运算读数单元，包括：

指针合并单元，用于对规则化后的指针线段，当斜率角度kp1–kp2∈[-eps,+eps]，则两条直线则合并；

角度计算单元，用于根据起始刻度位置与圆心的形成线段的斜率角度，终止刻度位置与圆心形成线段的斜率角度，获取指针线段的角度；

圆盘指向单元，用于通过预设的计算公式，计算出指针所指向的刻度。

9.根据权利要求6所述的利用视频自动对指针式仪表进行读数的装置，其特征在于，所述运算读数单元，包括：

刻度投影单元，用于对规则化的指针线段做投影处理，寻找表盘刻度区域；

区域查找单元，用于通过表盘区域边界参数，向下平移查找仪表的指针区域；

指针查找单元，用于对所述指针区域做二值化处理，通过投影法找到指针的位置；

方盘指向单元，用于根据所述起始位置刻度值、终止位置刻度值，指针位置，通过距离判别法计算出指针所指向的刻度。

10.根据权利要求6至9任一项所述的利用视频自动对指针式仪表进行读数的装置，其特征在于，所述线段检测单元，包括：

高斯处理单元，用于对所述有效区域进行高斯平滑，得到平滑图像；

梯度计算单元，用于计算所述平滑图像的梯度和边缘线角度；

搜索列表单元，用于建立搜索列表，将每个点的梯度幅值按大到小的顺序将此点的位置坐标投放到对应的BIN中；

辅助标识单元，用于建立用于临时记录标识信息的辅助图像，将梯度幅值小于θ的置为已使用，其他置为未使用，其中，

q是像素量化精度，τ为边缘相似角度精度；

像素搜索单元，用于按搜索列表中的像素开始搜索，搜索规则为，在BIN中从最大的梯度值开始，且标志为未使用。

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