基于Hough变换的指针式仪表的自动判读

发布时间：2020-02-03 05:08:38 阅读：次来源：滑板车厂家

在我国的电力、石油、化工行业及交通运输飞机、轮船、汽车中，指针式仪表由于结构简单，安装维护方便，具有防尘、防水、防寒、不受电磁场干扰，可靠性高，价格便宜等优点，目前还在大量使用。但是由于指针式仪表不是数字信号，不便于被采集进数字计算机系统。如何能对指针式仪表进行自动判读并转换为数字信号，就成立自动控制、智能驾驶迫切需要解决的问题。

本文引用地址： 1 判读系统组成

指针式仪表自动判读系统如图1所示。

ccd摄像机由自动扫描装置控制经云台带动，完成对被判读仪表的瞄准及摄像。监视器用以实时显示被判读仪表的图像处理过程，并可远程监控。而表盘图像的数据处理由主机完成，自动判读系统完成对仪表表盘的摄像和读数的识别。 2 表盘图像处理 2.1 建立仪表库

现实工业生产中的仪表各式各样，形状有方有圆，仪表盘刻度值起始位置也各不相同。若只按照一种仪表盘作为基准，其应用范围相当狭窄。因此建立了一个仪表库。如图2所示。

将工业上应用广泛的各种仪表盘收集起来，具体用哪一种仪表时就将他们调出，作为初始模板，其各个参数作为系统的初始参数。这样使得算法比较简单。 2.2 图像预处理

主要包括中值滤波、图像的增强和锐化、二值化。

采用中值滤波主要是为了抑制噪声，图像锐化用于增强图像的边缘及灰度跳变部分，由于仪表判读系统正是要将仪表和背景分别开，所以锐化是很有意义且必要的一项工作。对仪表盘的图像进行二值化方法有很多，包括固定阈值法和动态阈值法等。整体阈值法是指在二值化过程中只使用一个阈值；动态阈值法的阈值确定不仅取决于该象素的灰度值及其周围象素的灰度值，而且与象素位置信号有关。在实际判读中，随着被测表的环境亮度，表盘背景、表壳材质和表壳曲率的不同，将会导致图象亮度发生变化。若选用固定的阈值进行二值化处理，不能适应这种变化。因此选用动态阈值法，取整幅图像中灰度值最大值和最小值的平均值作为阈值，并以此对图像进行二值化处理。这样即使表壳亮度发生变化也不会影响判读准确度，大大提高了系统的适用性，降低了对使用环境的要求。

3 自动判读

3.1 hough变换[1-3]

hough变换是利用图像的全局特性而对目标轮廓进行直接检查的方法，通常主要用其将离散的边缘象素连接成区域的封闭边界。在已知区域形状的条件下，hough变换可以准确捕获到目标的边界（连续或不连续的），并最终以连续曲线的形式输出变换结果。另外，他可以从强噪声环境中将已知形状的目标准确分割提取出来。其核心思想是点-线的对偶性，通过变化将图像空间转换到参数空间。原理如下：直线y=kx+b用极坐标表示为：

r=kxcos（θ）+ysin（θ）其中（r，θ）定义了一个从原点到线上最近点的向量，这个向量与该直线垂直。考虑一个以参数r和θ定义的二维空间。x，y平面的任意一直线对应了该空间的一个点，因此，x，y平面的任意一直线的hough变换是r，θ空间中的一个点。也就是说，在图像空间中共线的点对应于参数空间共点的线，反之亦然。hough变换就根据上述点-线对偶性把在图像空间中存在的直线检测问题转化成参数空间中存在的点检测问题。显然后者的处理要比前者简单得多，只需简单的累加统计即可实现对边缘的检测。 hough变换所采用的基本策略是根据图像在图像空间内的点在所对应的参数空间里，计算出符合对偶特性的参数点的所有可能的轨迹，并通过累加参数点的数量来做出最终的决策。因此，hough变换不仅能检测直线等一阶曲线目标，对于圆、椭圆等高阶曲线是所有满足解析式f（x，c）=0的各类曲线目标，同样可以进行检测，只是其计算量会随着解析式阶数的增加成指数增加。直线检测的具体算法如下：利用hough变换将原始图像中给定直线上的所有点都集中到变换空间的某个点形成峰值，再寻找峰点累加数的最大值即可确定出指针所在直线y=kx+b。知道了斜率k，结合事先选定的初始化仪表模板，就可能确定指针与零刻度线的偏转角度，从而计算出仪表的读数。以压力表仪表表盘为例，以表盘圆心为原点建立直角坐标系，如图3。压力表量程为0-10kpa，指针与x轴的夹角为θ（-45°≤θ≤225°），设所求的指针读数为x，则

此方法可用于各种指针式仪表的自动判读，其精度取决于图像的分辨率和限定处理时间及算法。

3.2 hough变换的优点

hough变换是一种使用的方法，他有很多优点：

（1）无论曲线是实线还是虚线，或者是缺少一部分都适用。

（2）线的宽度不均匀也没有关系。

（3）在图像中存在几条线时，可同时处理。 4 实验效果

按照上面的思路，设计了基于hough变换的仪表判读仪系统。系统的操作界面比较简单，如图5所示。主窗口由菜单项、图片文件框、结果文本框和命令按钮组成。菜单主要包括仪表库、查看、增强、边缘检测、数值形态学变换等命令，图片框用于显示要判读的仪表图片，命令按钮负责进行判读，文本框用于显示判读结果。用户打开需要判读的仪表，进入仪表库选择仪表类型，确定量程最大值和判读物理量的单位，然后进行灰度变换、二值变换，最后就可以进行仪表判读了。图4是装载了一张图片后的效果图；图5是进行仪表判读后的结果显示。

图5为了将hough变换的结果显示清楚一些，截取了整个图片的一部分即仪表指针，如图6所示。当进行hough变换判别后，仪表指针所在的直线用红线指出，如图7。这样就能很清楚地看到hough变换的效果了。实验用满量程为10kpa的压力表，用本文介绍的方法自动识别的指针读数与人眼观测值基本相符。系统经过试用，结果比较稳定。

5 结语

本文提出的方法可用于各种指针式仪表精度的自动检测、判读、其精度取决于图像的分辨率和限定的处理时间。基于计算机视觉技术的自动判读图像可以减少从事单一、重复、复杂的工作所耗费的人力、物力和财力，并且判读结果不受人为因素的影响。可提高仪表判读的精度。而且，此系统的可视化界面使得操作非常简单，易于掌握。总之，该方案判读效果稳定，抗干扰能力强，具有一定的实用性。

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