[发明专利]圆弧标尺线指针式仪表刻度的图像检测方法

摘要

本发明公开了一种基于图像的指针式仪表圆弧标尺刻度的自动检测方法。用单台数码照相机构建图像采集系统并进行标定；在对应于20％和80％满量程的激励信号下拍摄两幅表头图像；经阈值化和形态学处理获得标尺线与刻度线区域；提取骨架并经骨架分段法向投影确定候选标尺盘心；用霍夫变换圆检测确定粗略标尺盘心与标尺线半径；利用双点移除截断最小二乘拟合确定标尺线精确圆心与半径；用径向投影法确定标尺线上刻度线朝向角，获得候选刻度基点；用共域性确定检测所得刻度基点；合并两幅图像的结果为最终的刻度基点集。本发明能完成圆弧标尺线指针式仪表刻度位置的自动检测，可应用于仪表的自动校准和自动读数中，提高读数准确度，减轻劳动强度。

主权项

一种基于图像的、针对具有圆弧标尺线的指针式仪表自动校准或自动读数的刻度检测方法；所述的指针式仪表，其表头上具有一条或多条同心的圆弧标尺线，每条圆弧标尺线上以均匀或不均匀间距分布着短直线段刻度，这些刻度与圆弧标尺线正交，且一端落在圆弧标尺线上；称所述的圆弧标尺线的圆心为标尺盘心；称所述的刻度与圆弧标尺线的交点为刻度基点；所述方法包括以下步骤：i.确定一个放置待检测刻度的指针式仪表的固定平面；安装一台数码照相机，使其成像光轴垂直朝向于仪表表头平面；调整数码照相机的位置和焦距，使得数码照相机恰好聚焦于仪表表头平面，并使得圆弧标尺线、刻度以及标尺盘心所在的范围能够占据图像中按长宽尺寸计算的90％的部分；利用现有标准的照相机标定方法对数码照相机进行标定，确定如上构成的视觉系统的径向畸变因子κ和比例因子s，κ无量纲，s的单位为像素/mm；s描述了被拍摄对象的实际物理尺寸和它在图像中的尺寸之间的比例关系，被拍摄对象的实际物理尺寸的单位为mm，被拍摄对象在图像中的尺寸的单位为像素；在下述的整个检测过程中，如上构成的视觉系统不得再进行调整；ii.将待检测刻度的指针式仪表放置在上述平面上，接入适用于该表的激励信号源，调整输入大小为满量程的20％；利用数码照相机拍摄得到仪表表头的灰度图像，并根据径向畸变因子κ，利用现有标准的径向畸变矫正方法对其进行图像矫正后得到灰度图像IA；iii.利用固定阈值对IA进行二值化，得到二值图像B，其中，包含刻度和圆弧标尺线的前景区域中的点为特征点；当对同一型号的多个仪表进行检测且环境光照条件稳定时，可通过实验方式获得合适的阈值，并用于这一整批待检测仪表；iv.根据用户给定的刻度及圆弧标尺线最大宽度wline_max计算提取刻度与圆弧标尺线的结构元素半径rdetect_line：rdetect_line＝wline_max×s，单位：像素wline_max在[0.1,1.0]区间上取值，单位为mm；利用半径为rdetect_line的圆盘形结构元素对B进行数学形态学开运算，得到二值图像Bnon_line；利用Bnon_line和B进行二值图像的异或操作，得到刻度与圆弧标尺线候选区域二值图像Bline；v.利用现有标准的区域骨架化方法提取Bline的区域骨架K；vi.对K利用骨架分段法向投影方法确定包含标尺盘心的候选图像区域，并得到候选标尺盘心点集其中，表示候选标尺盘心的x坐标，表示候选标尺盘心的y坐标，Nc,cand表示候选标尺盘心的数量；vii.根据骨架K和候选标尺盘心点集Ccand，利用霍夫变换圆检测算法确定标尺盘心粗略位置(xc,coarse,yc,coarse)及各条圆弧标尺线的粗略半径其中，xc,coarse为标尺盘心的粗略x坐标，yc,coarse为标尺盘心的粗略y坐标，Nline为圆弧标尺线的数量，Nline由用户给定；viii.对每条圆弧标尺线j，根据(xc,coarse,yc,coarse)和确定出K中的圆弧标尺线候选点，然后利用双点移除截断最小二乘圆拟合方法确定各条圆弧标尺线的圆参数其中，为第j条圆弧标尺线圆心的x坐标，为第j条圆弧标尺线圆心的y坐标，为第j条圆弧标尺线圆心的半径；ix.根据viii中获得的每条圆弧标尺线j的圆参数在Bline中确定该条圆弧标尺线候选点，并利用径向投影法确定该条圆弧标尺线上各候选刻度的朝向角其中，为第j条圆弧标尺线上的候选刻度数量，进而确定该条圆弧标尺线上的各候选刻度的刻度基点其中，为候选刻度的刻度基点的x坐标，为候选刻度的刻度基点的y坐标；x.利用共域性对每条圆弧标尺线j上的候选刻度的刻度基点进行筛选，获得每条圆弧标尺线j上检测得到的刻度基点其中，为检测得到的刻度基点的x坐标，为检测得到的刻度基点的y坐标，为检测得到的刻度数量；xi.调整激励信号源输入大小至满量程的80％；拍摄并矫正得到仪表盘面的灰度图像IB；重复步骤iv～x，得到另一组刻度基点其中，为根据IB检测得到的刻度基点的x坐标，为根据IB检测得到的刻度基点的y坐标，为根据IB检测得到的刻度数量；xii.对每条圆弧标尺线j，将上述所得的两组刻度基点合并为一个刻度基点集合，并按各个刻度基点至该条圆弧标尺线圆心连线的朝向角由小到大对刻度基点进行排序；依次考察排序后位置相邻的刻度基点对之间的距离，如果某两个相邻刻度基点之间的距离不大于一个给定的阈值εrepeat，则以这两个刻度基点连线的中点坐标代替它们作为相应刻度的刻度基点，εrepeat设为0.1×s；以由此得到的刻度基点集以及它们各自所对应的量值υj,k作为刻度检测的结果，其中，为最终确定的刻度基点的x坐标，为最终确定的刻度基点的y坐标，Nj为最终确定的刻度数量。