[發明專利]基于模版匹配的指針式儀表多情況自動化讀數方法

在審

• 申請號: 201911043306.4
• 申請日: 2019-10-30
• 公開（公告）號: CN110852213A
• 公開（公告）日: 2020-02-28
• 發明（設計）人: 侯春萍;許世盾;王致芃;李北辰;曹凱鑫;田海瑞;王霄聰
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00;G06K9/46;G06K9/62
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

本發明涉及一種基于模版匹配的指針式儀表多情況自動化讀數方法，包括下列步驟：第一步，基于角點匹配與透視變換的表盤姿態矯正；第二步，基于兩步法的模板匹配定位指針中心；第三步，基于Zernike圖像矩的指針旋轉角度估計。

技術領域

本發明屬于模式識別與圖像處理領域，主要涉及圖像配準，圖像視角糾正，以及環境光照變化以及小物體遮擋情況下的指針式儀表自動化準確讀數。

背景技術

在變電站，配電站等電力系統場景中，由于指針式儀表具有結構簡單，性能穩定，低成本，和較強抗干擾性的特點，相比于數字式儀表，環境變化對于它有較小的影響，所以指針式儀表被廣泛應用。但是指針式儀表沒有電子接口，在數據讀取上需要人工巡檢，效率與準確率不高，并且人工讀數可能對工作人員造成人身安全問題。所以設計一種適合于機器人自動巡檢的算法對于實現智能化電網具有重要作用。

在實現變電站機器人自動化巡檢過程中也遇到了許多技術難點：

首先，表計識別的理想情況是在圖像采集過程中，攝像機鏡頭始終平行正對目標表盤，但是在實際應用中機器人一般距離待檢測表計有一段距離，并且有一定的傾角，這將必然導致圖像識別算法讀數有難以消除的嚴重視覺誤差。針對這樣的問題，Zheng等^[1]提出一種用于矩形指針式儀表的偏轉姿態矯正算法，利用多邊形擬合的方式提取圖像中的四邊形表盤邊緣，然后使用不規則四邊形與矩形的透視變換矩陣糾正表盤的偏轉，這種方法的缺點是需要提前標定正對表盤的四個角點，且在儀表輪廓不是四邊形情況下算法失去作用。另外Fu等^[2]提出人工角點標定后利用透視變換糾正表盤偏轉的方法，Xing等^[3]提出利用橢圓擬合得到長短軸兩端點的坐標作為計算透視變換的依據，然后使用透視變換糾正表盤偏轉。人工角點標定的方式適用于固定設備固定視角的場景，很難適用于自動巡檢機器人；而橢圓擬合的方式誤差較大，且對于表盤自身存在中心旋轉的情況下，此算法將有較大誤差。上述算法只能解決特定情景的表盤圖像矯正問題，且未考慮環境變化的影響，所以提出一種準確率高，魯棒性強的表盤糾正方法對于自動化識別表計十分重要。

其次，目前在無偏轉的指針儀表讀數領域，總體上可分為角度法和距離法，角度法主要著眼于指針旋轉中心和指針的定位，距離法則著眼于表盤刻度線的提取，兩種方式的讀數算法均需要面對環境光照變化，小物體遮擋的問題。角度法是通過識別表針與表盤0刻度線的旋轉角度，利用旋轉角度與刻度關系計算出讀數，這種方式依賴于指針旋轉中心與指針的精確定位；距離法通過計算指針的末端距離指針兩側刻度線的距離得到讀數，此算法嚴重依賴于刻度線的完整準確提取。關于這兩種識別方式許多的研究者也提出了各種優秀的經典算法。例如，國外F.Corrêa Alegria等人利用減影法與Hough直線檢測提取表針位置，使用角度法獲得表盤度數，這種算法缺點是一般需要亞像素級的精確定位或者表盤配準，不適用于露天環境干擾較大的場景；距離法是指將表盤的刻度部分極線展開成直角坐標形式，然后利用垂直投影的方式進行表針與刻度交點的定位，典型的算法如Zheng等^[4]使用極線展開算法結合投影算法的識別算法。這種以刻度線為參考的距離法基于表盤刻度線完整提取，在光照不均勻、異物遮擋情況下刻度線可能出現損失，導致距離法無法進行。另外對于距離法中的刻度線缺失問題，Li等^[5]提出一種刻度線延伸的方式修復缺失的刻度線，這種算法較為依賴未缺失部分刻度線的提取準確性，未從根本上解決光照變化與小物體遮擋的問題。

綜上所述，目前的指針式儀表讀數算法，未能系統的解決指針式儀表自動化識別過程可能出現的光照情況復雜、角度傾斜、小物體遮擋等因素的干擾，魯棒性較差。

參考文獻：