[發明專利]基于機器視覺系統的指針式儀表讀數識別測量方法

有效

• 申請號: 201710532391.5
• 申請日: 2017-07-03
• 公開（公告）號: CN107167169B
• 公開（公告）日: 2019-04-26
• 發明（設計）人: 譚慶昌;包昊菁;劉思遠;張雅超;原敏喬;周曉東
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01D9/42
• 分類號: G01D9/42;G01D13/00
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 王怡敏

1.一種基于機器視覺系統的指針式儀表讀數識別測量方法，其特征在于：基于機器視覺成像系統，建立多個指針式儀表的測量模型，結合數字圖像處理技術和攝像機標定技術實現多個指針式儀表讀數的測量，其包括以下步驟：

1)標定CCD攝像機的內部參數和鏡頭的畸變系數；

2)提取指針式儀表圖像上的刻度線中心，計算指針式儀表表盤在該刻度線中心位置下的外部參數；

3)利用指針式儀表表盤的外部參數，旋轉儀表圖像到平行于指針式儀表表盤的位置；

4)平移各個指針式儀表圖像到光學中心附近，計算指針式儀表的讀數；

步驟2)中所述的提取指針式儀表圖像上的刻度線中心，計算指針式儀表表盤在該刻度線中心位置下的外部參數，具體過程包括以下步驟：

2.1)保持CCD攝像機位置不變，將多個指針式儀表固定在同一墻面上，使得多個指針式儀表是在同一平面上；用CCD攝像機采集多個指針式儀表圖像時，CCD攝像機(2)與鏡頭(3)的組合以及同一平面上的多個指針式儀表(4)呈非平行放置；

2.2)將采集到的多個指針式儀表圖像送到計算機(1)系統里，采用3×3中值濾波器進行降噪處理，對降噪后的灰度圖像利用閾值分割法轉化為二值圖像，有效地劃分開儀表表盤與背景；針對二值圖像進行連通域標記，計算儀表表盤中各個連通區域的面積；根據連通區域面積的大小保留儀表表盤輪廓、刻度線和指針，去除儀表表盤背景；結合數學形態學的理論，通過膨脹腐蝕運算和骨架細化提取出一個儀表表盤輪廓以及刻度線區域；

2.3)根據儀表表盤的量程，利用質心法對提取出來的刻度線連通區域的中心進行定位，從起始刻度到終止刻度依次標記刻度線中心點的亞像素坐標(x_p,y_p)，以及儀表表盤刻度線的個數n_p；若目標像素點分布在一個矩形窗口內，窗口左上角像素坐標為(p₁,q₁)，右下角像素坐標為(p₂,q₂)，則它的中心位置計算公式如下：

式(8)中，(x_n,y_n)為目標像素點質心坐標估計值；I(i,j)為(i,j)處像素點的灰度值；

2.4)根據指針式儀表本身刻度線的分布規律，用游標卡尺分別測量儀表表盤圓心到長、短刻度線中心點的實際距離r₁和r₂，依據儀表表盤刻度線的個數n_p，分別獲得儀表的長、短刻度線中心點的世界坐標(X_n⁽¹⁾,Y_n⁽¹⁾,Z_n⁽¹⁾)和(X_n⁽²⁾,Y_n⁽²⁾,Z_n⁽²⁾)；

由于指針式儀表表盤中的刻度線都是均勻分布的，式(9)中η＝(θ×π)/(180×n_p)是指相鄰刻度線之間的弧度，θ是指起始刻度線逆時針到終止刻度線的角度，并將長、短刻度線的世界坐標重新排序整合成世界坐標(X_n,Y_n,Z_n)；

2.5)基于張正友的平面標定法，利用檢測得到的儀表表盤刻度線中心點的像素坐標和世界坐標求解儀表表盤的外部參數，建立儀表表盤平面上被測點的世界坐標與攝像機坐標系之間的變換關系，即兩坐標系之間的旋轉矩陣和平移矩陣；在已知攝像機內部參數和畸變系數的條件下，根據奇異值分解SVD解得單應性矩陣，即儀表表盤的攝像機外部參數；

步驟3)中所述的利用指針式儀表表盤的外部參數，旋轉指針式儀表圖像到平行于指針式儀表表盤的位置，從而消除透視投影畸變，具體過程包括以下步驟：

3.1)使用通過步驟2.3)計算得到的刻度線中心點的亞像素坐標(x_p,y_p)，利用步驟2.5)獲得的指針式儀表表盤的外部參數，計算旋轉后儀表表盤上的刻度線中心點在世界坐標系下的坐標；將刻度線中心點坐標(x_p,y_p)帶入公式(6)，并通過公式(5)、(4)和(2)確定目標點在世界坐標系下的坐標；

在標定攝像機內部參數、外部參數以及畸變系數的過程中，涉及的四個坐標系如下：PCS像素坐標系O₀uv；ICS圖像坐標系Oxy；CCS攝像機坐標系O_CX_CY_CZ_C；WCS世界坐標系O_WX_WY_WZ_W；

其中t＝(T_x,T_y,T_z)^T是一個3×1的平移向量，是一個3×3的單位正交旋轉矩陣；對于針孔攝像機模型，從CCS到ICS的變換是透視投影，則圖像投影點在ICS中的坐標可表示為：

由于實際攝像機成像時，光學鏡頭幾何畸變的存在，需要考慮到鏡頭的徑向畸變系數k₁，k₂和切向畸變系數p₁,p₂；

其中，(x_u,y_u)和(x_d,y_d)分別為理想圖像坐標和實際圖像坐標；由數字圖像的產生原理可得，從ICS到PCS的變換是數字化圖像過程，

矩陣A中的參數α，β，γ，u₀,v₀稱為攝像機線性成像模型的內部參數；

3.2)通過步驟3.1)計算得到的旋轉后儀表盤上刻度線中心點對應的目標點，利用雙線性插值法使得旋轉之后儀表表盤圖像的像素坐標是整數，得到旋轉后平行于指針式儀表表盤的儀表表盤圖像；

3.3)提取出旋轉后的儀表表盤圖像中每一個表盤的輪廓和刻度線區域；

3.4)提取出旋轉后的儀表表盤圖像中每一個表盤的刻度線中心點的亞像素坐標；

3.5)采用霍夫變換方法檢測出旋轉后的儀表表盤圖像中每一個表盤的指針直線，并確定每一個儀表表盤指針針尖的亞像素坐標和表盤旋轉中心亞像素坐標。