一種基于圖像識(shí)別的表針時(shí)間判斷方法

皮禮明

(派博生命科技(深圳)有限公司，深圳 518000)

1 引言

智能手表的發(fā)展日新月異，從蘋果iwatch到華為的血壓手表Watch D，功能多種多樣，在智能手機(jī)市場(chǎng)趨于飽和同質(zhì)化的背景下，可穿戴設(shè)備作為結(jié)合了智能性和便攜性的產(chǎn)物，是消費(fèi)電子市場(chǎng)的下一個(gè)發(fā)展契機(jī)[1]。尤其是智能手表為代表的穿戴式設(shè)備，發(fā)展日新月異，但智能手表作為結(jié)合傳統(tǒng)手表的升級(jí)，目前更多是充當(dāng)手機(jī)的配件，且手表唯一不變的永恒屬性就是時(shí)間。輕智能手表就是結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)體表針和表盤，融合智能芯片，既有傳統(tǒng)手表的機(jī)械感，又可以連接手機(jī)與之交互，包括接收手表的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，手表網(wǎng)絡(luò)校時(shí)、倒計(jì)時(shí)等。但智能化的手表由于復(fù)雜度提升，非機(jī)芯專用驅(qū)動(dòng)芯片、整體工藝不成熟等原因，導(dǎo)致會(huì)出現(xiàn)走時(shí)誤差，這個(gè)誤差相對(duì)傳統(tǒng)手表要大得多，所以需要解決校時(shí)的問題。

在這一類手表中，由于硬件設(shè)計(jì)的不同，有的調(diào)時(shí)通過表冠手動(dòng)調(diào)整指針，有的通過手機(jī)App 設(shè)置好時(shí)間，無線發(fā)送給手表，手表控制機(jī)芯調(diào)整指針到準(zhǔn)確的時(shí)間。針對(duì)后者，通常會(huì)有三種方式校準(zhǔn)：

(1)在校準(zhǔn)前，讓手表時(shí)分秒針都?xì)w到12點(diǎn)，手機(jī)App再把當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)時(shí)間發(fā)送到手表，手表計(jì)算時(shí)分秒針需要移動(dòng)的度數(shù)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是手機(jī)App端可以一鍵操作，缺點(diǎn)是手表的調(diào)整時(shí)間由于每次都需要“歸零”,導(dǎo)致調(diào)整用時(shí)會(huì)大大增加。

(2)人工在手機(jī)App端輸入手表當(dāng)前的時(shí)間，手機(jī)App計(jì)算手表當(dāng)前時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的偏差之后，發(fā)送偏差到手表，手表依據(jù)偏差調(diào)整當(dāng)前的表針，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是表針運(yùn)動(dòng)時(shí)間少，缺點(diǎn)是還需要人工在手機(jī)App端輸入手表的當(dāng)前時(shí)間。

(3)在App 端設(shè)置一個(gè)虛擬表盤，通過手動(dòng)順時(shí)針或逆時(shí)針滑動(dòng)表盤，手表指針跟隨順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過人眼識(shí)別手表指針指到了標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間位置，停止滑動(dòng)即可，此方案的問題是需要手動(dòng)不斷觸摸虛擬表盤，且人眼同時(shí)緊緊盯住手表表針，用戶操作體驗(yàn)差、效率低，還不及傳統(tǒng)表利用表冠來調(diào)試。手表最終停止的位置依據(jù)人眼和虛擬表盤，誤差可能較大。

針對(duì)目前輕智能手表自動(dòng)校時(shí)的不足，在方法(2)的基礎(chǔ)上提出了一種基于圖像識(shí)別的方式來自動(dòng)快速校時(shí)。可以利用手機(jī)的攝像頭快速采集當(dāng)前表盤的圖像，替代人工輸入當(dāng)前表盤時(shí)間，繼而手機(jī)App 解析出表盤上面表針的時(shí)間，本方法自動(dòng)化程度更高，準(zhǔn)確度高，滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

2 算法實(shí)現(xiàn)流程

實(shí)現(xiàn)表針的識(shí)別關(guān)鍵在于圖像分割，圖像分割是指將圖像劃分成互不相交的、有意義的子區(qū)域，在同一個(gè)區(qū)域的像素點(diǎn)具有一定的相關(guān)性，不同區(qū)域的像素點(diǎn)存在一定的差異性，即是對(duì)圖片中有相同性質(zhì)的像素賦予相同標(biāo)簽的過程[2]。通過圖像識(shí)別的方式來識(shí)別表針時(shí)間，需要做表盤、時(shí)針、分針和/或秒針的目標(biāo)識(shí)別，再計(jì)算出各表針相對(duì)表盤上參考時(shí)刻刻度線的偏移角度，最后轉(zhuǎn)換為當(dāng)前智能手表的時(shí)間信息。算法處理流程如圖1。

圖1 算法處理流程

圖像的輸入可以采用掃一掃的方式而不是拍照識(shí)別，一個(gè)主要原因是拍照識(shí)別需要用戶主動(dòng)觸發(fā)，而用戶主動(dòng)觸發(fā)的情況下，只會(huì)進(jìn)行一次識(shí)別嘗試，一旦沒有識(shí)別清楚，用戶的感受就會(huì)很差，另外由于手表一般是戴在手上的，用戶另一只手操作手機(jī)，面對(duì)手機(jī)屏幕越來越大，幾乎不可能單手操作聚焦、拍照等情況下，采用掃一掃方式可以大幅提高用戶體驗(yàn)和智能程度?？傮w實(shí)現(xiàn)步驟如下：

2.1 獲取圖像

用戶的掃一掃界面對(duì)準(zhǔn)手表刻度盤掃描，盡量把表盤的圓心和12 點(diǎn)位置和手機(jī)端的虛擬位置重合，智能手機(jī)端會(huì)自動(dòng)選取一張圖像清晰的圖片送入后續(xù)程序進(jìn)行處理。其中，掃描過程結(jié)束，智能手機(jī)呈現(xiàn)給用戶的是等待片刻校正進(jìn)度條。這里我們選取市面常用的一款智能手表，其表盤圖像如圖2(a)所示。

圖2 表針的分割

2.2 灰度化和頂帽變換

由于彩色圖像包含R、G、B 三個(gè)分量，而灰度化是使得R、G、B三個(gè)分量相等的過程，灰度圖像中的一個(gè)像素僅有一種采樣顏色，其灰度是位于黑色與白色之間的灰度顏色，灰度值大的像素點(diǎn)比較亮，反之比較暗，像素值最大為255(表示白色)，像素值最小為0(表示黑色)。輸入圖像灰度化之后，用于不均勻光照的影響，為了后面二值化處理更方便，這里需要對(duì)灰度圖像進(jìn)行增強(qiáng)，圖像增強(qiáng)在預(yù)處理過程中一直占據(jù)著重要地位[3]。這里我們可以采用頂帽變換(即灰度圖像減去開運(yùn)算后的圖像)的方法，增強(qiáng)黑背景下的亮圖像。

2.3 二值化和最大連通域

二值化是圖像分割的一種最簡(jiǎn)單的方法。圖像二值化就是將數(shù)字圖像轉(zhuǎn)化為二值黑白像素的矩陣形式，將某些區(qū)域從背景中分離出來，為后續(xù)圖像的邊緣提取及其他圖像處理奠定基礎(chǔ)[4]。二值化可以把灰度圖像轉(zhuǎn)換成二值圖像，每一個(gè)像素的取值只有0 或1，把大于某個(gè)臨界灰度值的像素灰度設(shè)為1(黑色)，把小于這個(gè)臨界值的像素灰度設(shè)為0(白色)，這樣就可以得到一個(gè)黑白圖像，二值化后的效果如圖2(b)所示。為了把表針從圖像中分割出來，采用的方法是計(jì)算圖像中最大連通域方法，因?yàn)闀r(shí)分秒針是圍繞一個(gè)軸心連接的，最大連通域是一種常用的圖像分割方法，一般方法是對(duì)圖形查找輪廓，這里找到表針為最大輪廓，也就是最大連通域，這樣就把表針單獨(dú)分離出來，去除了圖像中一些背景噪聲，依據(jù)表針軸得到表的圓心，這個(gè)圓心就是表針坐標(biāo)系的圓心，對(duì)后續(xù)的表針的角度的準(zhǔn)確計(jì)算有重要作用，同時(shí)對(duì)直線的判斷有作用，計(jì)算了最大連通域后的效果如圖2(c)所示。

2.4 直線檢測(cè)及時(shí)分秒針判斷

利用霍夫變換檢測(cè)圖像的直線，霍夫變化尋找直線可以更好地減少圖像背景噪聲。霍夫變換也可以檢測(cè)圓弧、拋物線等。圖像空間的一個(gè)點(diǎn)(x0,y0)，可以通過y0=kx0+b來表示，轉(zhuǎn)換到參數(shù)空間就是：b=y0-kx0，圖像空間的一個(gè)點(diǎn)就和參數(shù)空間的一條直線一一對(duì)應(yīng)，假如圖像空間中有兩條直線，那么對(duì)應(yīng)參數(shù)空間就有兩個(gè)峰值點(diǎn)。在參數(shù)空間相交的直線最多的點(diǎn)，就是需要找的對(duì)應(yīng)圖像空間的直線。一般我們用極坐標(biāo)方式來表示這個(gè)參數(shù)空間：r=xcosθ+ysinθ，這樣圖像空間的每個(gè)點(diǎn)(x,y)就對(duì)應(yīng)極坐標(biāo)空間(r,θ)的正弦曲線，在極坐標(biāo)空間中檢測(cè)曲線相交的點(diǎn)來確定圖像空間中的直線。圖3 是經(jīng)過霍夫變化檢測(cè)到三條直線，同時(shí)標(biāo)記檢測(cè)出來的直線的首尾兩點(diǎn)。根據(jù)直線的長(zhǎng)短判斷出時(shí)針、分針和秒針。

圖3 時(shí)分秒針判斷

2.5 時(shí)分秒時(shí)間計(jì)算

依據(jù)霍夫變換得到的三條直線方程，可以利用反三角計(jì)算出相應(yīng)的角度，利用角度就可以推算出時(shí)間，市針、分針、秒針對(duì)應(yīng)的時(shí)間。計(jì)算公式分表為：

小時(shí)計(jì)算公式：

分針計(jì)算公式：

秒針計(jì)算公式：

輸入圖像得到的三條直線方程，反三角計(jì)算得到時(shí)針是275°，分鐘228°，秒針108°，繼而通過時(shí)證、分鐘和秒針計(jì)算公式得到時(shí)間是9點(diǎn)38分18秒。注意這里的時(shí)分秒取整各不相同，時(shí)針最小分辨率是1，計(jì)算得到的結(jié)果直接向下取整，分針和秒針最小分辨率是0.5，計(jì)算得到的結(jié)果直接四舍五入。

3 結(jié)束語

通過圖像識(shí)別的方式快速準(zhǔn)確識(shí)別出常規(guī)表盤的指針的實(shí)際時(shí)間，相當(dāng)于把傳統(tǒng)的手表進(jìn)行了數(shù)字和信息化升級(jí)，這種識(shí)別方法可以拓展更廣泛的應(yīng)用，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，底層數(shù)字化是必經(jīng)之路，目前進(jìn)行更多是把傳統(tǒng)的設(shè)備升級(jí)改造成智能化的設(shè)備，但智能設(shè)備帶來的可能是頻繁的充電、質(zhì)感的下降等，所以智能化的升級(jí)需要考慮交互及用戶的使用，未來在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展浪潮中，會(huì)有更多基于圖像識(shí)別的方法，來提升用戶的交互體驗(yàn)。