基于改進(jìn)Hough變換的指針儀表表盤(pán)識(shí)讀系統(tǒng)研究

廣東白云學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院 王佳穎 柳貴東 謝曉亮 鄒潔瑩

為了更好地對(duì)指針式儀表進(jìn)行自動(dòng)檢定，本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于改進(jìn)Hough變換的指針儀表表盤(pán)識(shí)讀系統(tǒng)。首先，系統(tǒng)將相機(jī)采集的彩色圖像進(jìn)行預(yù)處理。其次，利用灰度重心算法與數(shù)據(jù)擬合方法獲取表盤(pán)光學(xué)重心和直徑。再次，通過(guò)改進(jìn)后的Hough算法，提取表盤(pán)刻度指針特征并分析。最后，整理并輸出檢定結(jié)果。研究成果表明，該系統(tǒng)具有較高的可靠性和實(shí)用價(jià)值。

概述：指針式儀表是檢測(cè)工具中不可或缺的一種，其具有直觀(guān)的讀數(shù)指示，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在生產(chǎn)實(shí)踐中被廣泛的使用，為滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，儀表必需定期進(jìn)行檢定。目前，儀表檢定主要由人工完成，由于儀表數(shù)量龐大，檢定過(guò)程繁瑣，同時(shí)存在儀表檢定效率低，檢定精度差等問(wèn)題。因此，自動(dòng)儀表檢定具有重要意義。

隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展，研究人員對(duì)自動(dòng)儀表檢定進(jìn)行了研究（G.N.Miller.Automated Facility for Testing and Calibration of Differential Pressure Transmitters.Instrumentation in the Aerospace Industry.1981,27(2):443-445;J.L.Waldeck. The Development of Portable Pressure Source for the Static and Dynamic Calibration of Pressure Transducers.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics.1987,26(6):213-230;A.Barwicz. Calibration of an Electronic Measuring System for Ultrasonic Analysis of Solutions.IEEE Trans.Instrum.Meas,1990,39(12):1030-1033;G.J.Rosasco.A Proposed Dynamic Pressure and Temperature Primary Standard.J.Res.NIST,1990,95(1):33-47;S.Huang.Calibration of an Electronically Scanned White Light Interferometric Transducer for Measurement of High Pressure.IEEE Transaction of Instrument and Measurement,1995,44(3):698-703; A.Bache.Pressure Gauges.C&I,1991,23(9):35）。T.G.Keating與H.A.Martin（T.G.Keating.The Design of a Pneumatic Pressure Reference Source with Automatic Control.Measure and Control,1980,13(9):305-309）基于自重測(cè)試儀的準(zhǔn)確性和可靠性，描述了具有自動(dòng)控制的氣動(dòng)壓力參考源的設(shè)計(jì)。李沛玲和丁慶生（李沛玲.基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的指針式儀表自動(dòng)檢定系統(tǒng)[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào),2006,4(2):145-148）設(shè)計(jì)了基于計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)的指針式儀表自動(dòng)檢定系統(tǒng)。劉薇（基于彩色區(qū)域識(shí)別快速報(bào)警指針識(shí)別算法[J].電測(cè)與儀表,2014,51(20):25-30）等人提出了一種基于彩色區(qū)域識(shí)別的快速報(bào)警指針識(shí)別算法，該算法效率高，但算法的準(zhǔn)確度依賴(lài)于事先采集好的模版，在表盤(pán)附著少量污漬或刻度標(biāo)識(shí)具有不同顏色時(shí)，表盤(pán)判讀誤差率較高。王延華等（結(jié)合HSV與局部Hough變換的指針式儀表識(shí)別算法[J].電子設(shè)計(jì)工程,2017,25(2):110-113）人提出一種結(jié)合HSV與局部Hough變換的指針式儀表識(shí)別算法，該算法的陰影消除效果明顯，儀表讀數(shù)的相對(duì)誤差在0.3%以?xún)?nèi)。裴利強(qiáng)（基于機(jī)器視覺(jué)的高精度指針式儀表自動(dòng)檢定系統(tǒng)研制[J].測(cè)控技術(shù),2016,35(9):153-156）等人研發(fā)了基于機(jī)器視覺(jué)的高精度指針式儀表自動(dòng)檢定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)儀表檢定功能，但需外加補(bǔ)光等裝置，設(shè)備較為復(fù)雜。唐夢(mèng)婷（基于機(jī)器視覺(jué)的儀表示值識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].新疆大學(xué),2014）設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺(jué)的儀表示值識(shí)別系統(tǒng)，能夠在一定環(huán)境下達(dá)到自動(dòng)識(shí)別示值的目的，但算法易受環(huán)境影響，無(wú)法被大規(guī)模推廣。

針對(duì)指針式儀表在自動(dòng)識(shí)讀過(guò)程中所出現(xiàn)的問(wèn)題，本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于改進(jìn)Hough變換的指針儀表表盤(pán)識(shí)讀系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用CCD工業(yè)攝像頭獲取圖像，通過(guò)基于加權(quán)平均的灰度轉(zhuǎn)換算法（彭溦汐.基于圖像識(shí)別系統(tǒng)的灰度化算法研究與效率分析[J].電子世界,2014(7):105-105;劉慶祥.彩色與灰度圖像間轉(zhuǎn)換算法的研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2003,27(3):344-346），圖像降噪，以及二值化，對(duì)所得圖像進(jìn)行預(yù)處理。根據(jù)表盤(pán)的邊界和灰度重心算法，計(jì)算出表盤(pán)的光學(xué)重心，用表盤(pán)的光學(xué)重心作為表盤(pán)的中心，再通過(guò)數(shù)據(jù)擬合計(jì)算出表盤(pán)直徑。每個(gè)刻度都需根據(jù)其相對(duì)于表盤(pán)中心的角度進(jìn)行區(qū)分。且有些刻度間距很小，很容易將一個(gè)刻度和另外一個(gè)刻度混疊，需要將鑒別后的刻度位置進(jìn)行校正。因此，本文利用指針式儀表表盤(pán)內(nèi)部固有特性對(duì)傳統(tǒng)的Hough算法進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)表盤(pán)刻度指針特征進(jìn)行提取并校正。最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化處理并輸出儀表檢定結(jié)果。

1 算法描述

系統(tǒng)的核心是儀表表盤(pán)信息識(shí)讀算法。如圖1所示，工業(yè)相機(jī)采集的儀表表盤(pán)圖像經(jīng)過(guò)預(yù)處理、圓心標(biāo)定及表盤(pán)直徑計(jì)算、提取刻度指針特征、數(shù)據(jù)處理分析、儀表檢定等5個(gè)功能模塊進(jìn)行處理。

圖1 算法流程圖

1.1 預(yù)處理

所有的攝像機(jī)都存在讓圖像質(zhì)量下降的問(wèn)題。為改善圖像質(zhì)量，減少圖像中的無(wú)用信息，圖像的預(yù)處理是有必要的。本文預(yù)處理共有三個(gè)步驟，分別是：灰度化，降噪，和二值化。

1.1.1 灰度化

彩色圖片信息量大，往往需要通過(guò)灰度化進(jìn)行簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)。根據(jù)重要性及其它指標(biāo)，將三個(gè)分量進(jìn)行加權(quán)平均。傳統(tǒng)灰度轉(zhuǎn)換公式如式(1)所示：

式中：(x,y)為像素點(diǎn)坐標(biāo)；R、G、B為三通道分量信息；Gray為灰度圖。

但實(shí)際應(yīng)用中，大量的浮點(diǎn)運(yùn)算會(huì)降低算法的運(yùn)行時(shí)間，且作用微乎其微。為了避免低速的浮點(diǎn)運(yùn)算，本文采用式(2)對(duì)RGB三分量進(jìn)行加權(quán)計(jì)算。

1.1.2 降噪

降噪的目的是去除圖像的噪聲，提高圖像質(zhì)量。而濾波是降噪的一種方法，在圖像濾波中，高斯濾波可用于“模糊”圖像并去除細(xì)節(jié)和噪聲，可使像素灰度平滑。其二階高斯公式如式(3)所示。

從式(3)中我們可以看出：高斯濾波模板的生成最重要的參數(shù)就是標(biāo)準(zhǔn)偏差σ。將合適的二維高斯內(nèi)核與灰度圖像進(jìn)行卷積處理，即可獲得降噪后的圖像，公式如式(4)所示。

1.1.3 閾值選取及二值化

要想從多值的數(shù)字圖像中提取出目標(biāo)物體，最常用的方法就是圖像的二值化。首先需要設(shè)定一個(gè)閾值T，用T將圖像的數(shù)據(jù)分成兩部分，大于T的像素群則為前景目標(biāo)，小于T的像素群則為背景。其表達(dá)式如式(5)所示。

式中：B(x, y)為二值化后相應(yīng)的圖像像素值；T為一個(gè)非負(fù)數(shù)。

對(duì)圖像進(jìn)行二值化，其作用就是將圖像分成黑和白，有利于圖像的處理。但二值化算法的效果依賴(lài)于閾值的選擇。

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，市面上絕大多數(shù)采用的是圓形指針式儀表。根據(jù)Haralick和Shapiro提出的算法（Haralick R M.Image segmentation techniques[J].Computer Vision,Graphics and Image Processing,1985,29(1):100-132）：區(qū)域需和灰度調(diào)統(tǒng)一；區(qū)域內(nèi)部應(yīng)該簡(jiǎn)單，沒(méi)有過(guò)多的小孔；相鄰的區(qū)域應(yīng)該有顯著的不同值；每個(gè)部分的邊緣也應(yīng)該簡(jiǎn)單，不應(yīng)凹凸不平，其空間上要準(zhǔn)確。因此，本文采用自適應(yīng)閾值法來(lái)獲取閾值，其表達(dá)式如式(6)所示。

1.2 圓心標(biāo)定及表盤(pán)直徑算法

由于刻度分布在以表盤(pán)中心為圓心的圓上，確定表盤(pán)中心是識(shí)別刻度的前提。確定表盤(pán)中心的流程分為兩步。首先，提取表盤(pán)邊界。其次，根據(jù)表盤(pán)的邊界計(jì)算表盤(pán)的光學(xué)重心，作為表盤(pán)的中心。

本文通過(guò)灰度重心算法能夠方便的獲得表盤(pán)的光學(xué)重心，其公式如式(7)。

式中：S為目標(biāo)區(qū)域集合，(x0,y0)是區(qū)域重心坐標(biāo)。

其圓心標(biāo)記效果如圖2所示，圖像中心附近十字架交叉處的坐標(biāo)即為表盤(pán)的光學(xué)重心。對(duì)于大多數(shù)圓形指針式儀表來(lái)說(shuō)，刻度線(xiàn)位于表盤(pán)邊緣內(nèi)側(cè)。在獲得儀表重心位置后，若能定位表盤(pán)直徑，則可以迅速查找刻度位置。實(shí)際上，表盤(pán)直徑就是表盤(pán)邊緣距離儀表光學(xué)中心的距離。但單純地計(jì)算無(wú)法得到正確的表盤(pán)直徑，因此需要對(duì)表盤(pán)相關(guān)數(shù)值進(jìn)行擬合處理，以獲取最優(yōu)解。由于預(yù)處理效果較好，本文可把圖像中目標(biāo)區(qū)域集合的前景像素點(diǎn)的總和等效于圓的面積值，其表達(dá)式如式(8)所示。

結(jié)合圓面積公式與式(8)，可得出表盤(pán)直徑擬合公式，如(9)所示。

通過(guò)圓心標(biāo)定及表盤(pán)直徑算法，我們得出表盤(pán)圓心以及表盤(pán)的直徑。

圖2 圓心標(biāo)定及擬合圓

1.3 刻度指針特征識(shí)讀算法

為了獲得刻度指針特征，本文先通過(guò)Canny算子對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，以減少被遍歷的像素點(diǎn)。提取直線(xiàn)的方法有很多，其中Hough變換是提取直線(xiàn)的常用方法，其優(yōu)點(diǎn)在于抗噪性能好。Hough變換的核心思想是點(diǎn)-線(xiàn)的對(duì)偶性，將圖像空間中的任意一點(diǎn)利用直線(xiàn)極坐標(biāo)公式變換到極坐標(biāo)空間中對(duì)應(yīng)的(ρ, θ)，轉(zhuǎn)換公式如式(10)。

式中：ρ為極徑，即原點(diǎn)到直線(xiàn)的最短距離；θ為極角，即ρ與x軸的夾角；x為圖像的行坐標(biāo)；y為圖像的列坐標(biāo)。

通過(guò)合并同類(lèi)項(xiàng)，化簡(jiǎn)等過(guò)程，解得：

結(jié)合式(10)和式(12)，得出θ的取值范圍為[0, 180]度。在實(shí)際環(huán)境中，為了提高識(shí)讀的精度，圖像的像素點(diǎn)往往會(huì)較多，以至于Hough變換的計(jì)算量較大，不僅如此，指針式儀表的刻度范圍超出了傳統(tǒng)Hough變換的θ取值范圍，還容易造成近似角度不同位置的刻度線(xiàn)誤檢，漏檢等情況發(fā)生。為此，本文利用了表盤(pán)圓心與直徑信息，表盤(pán)刻度的對(duì)稱(chēng)特性以及刻度與刻度之間間隔距離相等的特征。將表盤(pán)圖像豎直分為兩部分并確定表盤(pán)刻度區(qū)域，在傳統(tǒng)的Hough直線(xiàn)檢測(cè)算法的基礎(chǔ)上，修改表盤(pán)兩部分的θ取值范圍和減少運(yùn)算區(qū)域。最后根據(jù)每個(gè)刻度相對(duì)于表盤(pán)圓心的角度，對(duì)檢測(cè)后的結(jié)果進(jìn)行后處理，從而提取出準(zhǔn)確的刻度值。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)指針儀表鑒定的要求，設(shè)計(jì)了如圖3所示的自動(dòng)檢定系統(tǒng)平臺(tái)。硬件構(gòu)成包括邁德威視MV-GED32M-T型工業(yè)相機(jī)、Think-Pad X230t型筆記本電腦和輔助系統(tǒng)，其中輔助系統(tǒng)包括：儀表背板、相機(jī)支架和機(jī)械滑臺(tái)。

為了有效的驗(yàn)證該儀表檢定系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與快速性，本文利用60mm壓力表表盤(pán)，100mm壓力表表盤(pán)和100mm防震壓力表表盤(pán)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。將傳統(tǒng)的Hough算法與改進(jìn)后的Hough算法在同一實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行測(cè)試比較。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 60mm壓力表表盤(pán)識(shí)讀測(cè)試

實(shí)驗(yàn)條件：光照強(qiáng)度1000lx，室內(nèi)，鏡頭焦距和60mm壓力表表盤(pán)在同一平面。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖4 60mm壓力表原圖

圖5 60mm壓力表邊緣檢測(cè)圖

圖6 60mm壓力表刻度區(qū)域圖

圖7 60mm壓力表傳統(tǒng)Hough檢測(cè)結(jié)果

圖8 60mm壓力表改進(jìn)Hough檢測(cè)結(jié)果圖

實(shí)驗(yàn)分析：圖7是利用傳統(tǒng)的Hough算法在圖5的基礎(chǔ)上進(jìn)行全局檢測(cè)后的結(jié)果圖，從圖7中可以看出在“4”刻度線(xiàn)的附近有一處誤判斷，以及部分判斷結(jié)果略偏移刻度線(xiàn)，其原因在于圖5中摻雜著無(wú)用的信息，致使傳統(tǒng)的Hough算法出現(xiàn)誤檢測(cè)以及檢測(cè)精度低的問(wèn)題。而圖8是采用本文改進(jìn)后的Hough算法，在刻度區(qū)域內(nèi)進(jìn)行識(shí)別，利用表盤(pán)內(nèi)固有的特征信息對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正，進(jìn)而消除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，且沒(méi)有誤消除。

2.2 100mm壓力表表盤(pán)識(shí)讀測(cè)試

實(shí)驗(yàn)條件：光照強(qiáng)度1000lx，室內(nèi)，鏡頭焦距和100mm壓力表表盤(pán)在同一平面。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖9 100mm壓力表原圖

圖10 100mm壓力表邊緣檢測(cè)圖

圖11 100mm壓力表刻度區(qū)域圖

圖12 100mm壓力表傳統(tǒng)Hough檢測(cè)結(jié)果

圖13 100mm壓力表改進(jìn)Hough檢測(cè)結(jié)果圖

實(shí)驗(yàn)分析：在圖12的零刻度處，由于表盤(pán)指針的影響，造成附近的刻度無(wú)法被識(shí)別出來(lái)。另外，刻度線(xiàn)的有用數(shù)據(jù)部分缺失，使得檢測(cè)結(jié)果參差不齊，出現(xiàn)誤檢，漏檢等問(wèn)題。而本文加入了表盤(pán)固有的特征信息，使得刻度線(xiàn)完整精確的被提取出。不僅如此，因檢測(cè)區(qū)域的減少，致使改進(jìn)后的特征提取算法比傳統(tǒng)的Hough算法在檢測(cè)時(shí)間上要快得多。

2.3 100mm防震壓力表表盤(pán)識(shí)讀測(cè)試

實(shí)驗(yàn)條件：光照強(qiáng)度1000lx，室內(nèi)，鏡頭焦距和100mm防震壓力表表盤(pán)在同一平面。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖14 100mm防震壓力表原

圖15 100mm防震壓力表邊緣檢測(cè)結(jié)果

圖16 100mm防震壓力表刻度區(qū)域圖

圖17 傳統(tǒng)Hough算法檢測(cè)100mm防震壓力表結(jié)果

圖18 100mm防震壓力表改進(jìn)Hough檢測(cè)結(jié)果圖

實(shí)驗(yàn)分析：由于防震油老化變黃，表盤(pán)下部分的刻度線(xiàn)和背景的灰度差較小，而表盤(pán)上面由空氣填充的部分中，刻度線(xiàn)和背景的灰度差較大，導(dǎo)致背景閾值前后不一致。另外，分界線(xiàn)在灰度、形狀、寬度尺寸等方面和刻度線(xiàn)有一定的可比性，容易造成混淆。在檢測(cè)過(guò)程中，由于上述原因，使得采用傳統(tǒng)的Hough算法得出的結(jié)果出現(xiàn)大量的誤檢現(xiàn)象以及漏檢測(cè)現(xiàn)象。表盤(pán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且有規(guī)律而言，利用這些前提條件，將原有的Hough算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使得檢測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確無(wú)誤地標(biāo)定在各個(gè)刻度線(xiàn)上。

3 結(jié)論

本文針對(duì)指針儀表在人工檢定過(guò)程中出現(xiàn)的效率低、精度差，以及現(xiàn)有自動(dòng)儀表檢定系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出基于指針式儀表表盤(pán)內(nèi)部固有特性的改進(jìn)Hough算法，開(kāi)發(fā)了一種基于改進(jìn)Hough變換的指針儀表表盤(pán)識(shí)讀系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。利用60毫米、100毫米壓力表以及100毫米防震壓力表進(jìn)行測(cè)試，得到如下結(jié)論：

（1）在光照強(qiáng)度1000lx，室內(nèi)，鏡頭焦距和表盤(pán)在同一平面的條件下，采用改進(jìn)后的Hough算法識(shí)讀表盤(pán)數(shù)據(jù)較之傳統(tǒng)的Hough算法識(shí)讀表盤(pán)數(shù)據(jù)，所得到的結(jié)果更為精確且無(wú)誤讀數(shù)。其讀數(shù)可精確到表盤(pán)刻度值的1/20（人眼極限為1/4刻度值），讀數(shù)均在之內(nèi)。

（2）因確定好刻度區(qū)域，使得計(jì)算范圍大大減小，5毫秒內(nèi)即可完成識(shí)讀，遠(yuǎn)高于人眼識(shí)別儀表表盤(pán)的速度。

目前的研究工作仍然存在許多改進(jìn)之處，在今后的研究中可以從以下兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)一步完善系統(tǒng)：

（1）本文只對(duì)圓形指針式儀表表盤(pán)進(jìn)行了深入的分析研究，而實(shí)現(xiàn)其他儀表表盤(pán)的自動(dòng)檢定是未來(lái)研究的一個(gè)重要方向。

（2）為進(jìn)一步提高儀表檢測(cè)效率，多個(gè)儀表同時(shí)進(jìn)行檢定是個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。