指针仪表读数识别技术研究

马景利

（天津维迪科技有限公司，天津 300354）

0 引言

在技术的成熟下，各类数字式、电子式仪表在工业生产中得到了广泛应用，这类仪表应用便利、精度高。但是，由于生产中需要面临严峻的环境，这类仪表在应用中会出现一系列的问题，在这一背景下，指针仪表诞生，指针仪表具有传统数字式、电子式仪表的防水、抗干扰、耐油污特性，在应用早期，人们对指针仪表读数的识别采用的多是肉眼判断方式，不可避免的会产生各类问题，为了提高指针仪表读数识别的精度，发展自动识别技术势在必行。

1 指针仪表读数的识别准则

保证指针仪表读数的识别精度是识别技术的重点。在以往的人工识别中，人眼睛需要与指针尖端构成直线、仪表表盘平面保持垂直，若三者不垂直，那么读出结果必然会与真实值之间出现误差。自动识别系统采集到的仪表图像，会出现几何变形或者其他畸变。目前常用的固定视点指针读数识别系统，仪表、摄像头位置是固定的，采集到的图像也很少会出现形变问题，因此，在具体的识别中，只要补偿误差即可满足要求[1]。

2 常见指针仪表读数识别系统分析

2.1 精度检测系统

在指针仪表的制造和生产上，需要借助指针仪表精度检测系统来分析仪表精度，看指针仪表合格与否，在计量工作中，也需要通过该种方式来检测计量单位。在指针仪表精度检测系统的设计中，考虑到检测仪表、被检设备之间是分离的，可以按照认为设定的方式来检测，提高系统的稳定性与识别率。精度检测系统主要为固定视点读数，研究的内容集中在图像噪声去除、光照成像原理、刻度线提取识别、刻度线分割几个方面。

2.2 设备状态检修系统

利用设备状态检修系统能记录设备各类运行状态的变化，如果物理量超过额定值，那么就会发出警报，设备状态检修系统有基于云台系统，也有基于固定视点的识别系统。其中，基于云台的系统更加灵活，在指针仪表数量较多的情况下，可以将其设置在不同的位置，有效降低了系统的研发、施工与维护成本。

3 指针仪表读数识别

在指针仪表读数识别技术中，最关键的内容就是指针的识别，只有精准识别出仪表图像指针刻度角度和指向，才能精准计算出指针读数。

3.1 指针分割

指针分割不同于传统的表盘分割，在分割方式上，采用的是边缘检测法。在具体的检测中，受到光照因素的影响，会给仪表图片指针带来阴影，传统的阈值分割法，无法充分将阴影和指针区分开来；同时，指针所在表盘中有大量的仪表字符符号，这类符号常常与指针位于相同位置，阈值分割法无法将两者中分分割出来。考虑到上述因素，在指针的分割上，需要优先使用边缘检测分割法。在具体的应用上，需要采用滞后阈值法来确定阈值与边缘点，即高阈值、低阈值，标记好灰度值高于高阈值的梯度向度，再标出低阈值像素，该种方法对图像产生的影响非常小，有效避免了阈值偏高或者虚假边缘的问题[2]。

3.2 指针识别

在仪表中观察的指针与从表面看到的指针是不同的，如果可以将指针分割出来，即可得到具体的角度，表盘上的指针会受到符号、数字、螺钉等因素的影响，在单独分割上，难度较高，基于此，可以根据特征点的不同来进行识别。

3.3 指针针尖识别

在指针识别完成后，即可分析出大概的指针范围，针对指针针尖的识别，只要利用形态学处理方式，即可提取出指针边缘。

4 仪表刻度线识别方式

在指针仪表读数的识别中，仪表刻度线的识别也是一个重要内容，在已经知晓指针角度与方向时，对于仪表刻度线的识别，可以分为两种方式。第一种即通过夹角比例的计算来得出刻度总数；第二种是分析仪表刻度角度来对指针角度也与其他刻度角度来对比，判断出指针位置对应的读数，无论是采用哪一种方法，必须要做好刻度的分割与识别工作[3]。

4.1 刻度圈的分割方式

在图像的分割上，包括基于边界、基于区域两种方式，利用基于边界的方式，可以分析出边缘轮廓，得到完整性闭合边界。基于区域的分割方式，能得到闭合性边界，在图像阈值选择问题、噪声问题的限制下，会影响目标分割的效果。

4.2 刻度圈的细化方式

所谓图像细化，即将图像像素连续删除，剩下骨架，在图像细化的过程中，要保证骨架连通性。通过对刻度圈的细化，可以简化数字图像线条，将其简化为简单的数据和结构，细化冗余信息。对于刻度圈细化的目的并不是为了简单得到骨架，还要改善图像，确保得到的骨架大小和形状与图像保持一致。

在细化算法的设置上，要保证目标的连通性，看像素被删除后，连通性是不是会发生改变，基于此，要从全局角度来分析、考虑，同时，在细化算法时，比需要关注噪声对于图像产生的影响，如果图像中有噪声，不会影响细化像素，那么在细化的过程中，即可将其保存，如果无法做出准确的判断，就需要将其删除[4]。

4.3 图像细化的要求

对于图像的细化，需要遵循如下几个原则：

①在细化结束后，其骨架连通性需要与原有图像保持一致；

②维持好原图像的细节特征；

③禁止删除线条端点；

④对于原图线条的交叉点，在细化结束后，不能改变位置，且依然要保持其为交叉点；

⑤保证细化算法的使用性，控制好所用时间。

5 指针仪表读数的计算方式分析

在指针识别完成，位置确定完毕，且刻度圈识别完成后，即可对刻度圈做出细化操作，应用分支提取算法来将刻度圈、刻度线之间分离开来，这样，即可获取到仪表的具体读数。

5.1 确定刻度线位置

为了精确的确定好刻度线位置，需要利用参数类表述出具体位置，目前常用的方式就是向量夹角的方式，将向量起点设为回转中心，向量夹角处于0°-180°之间，并确定好指针、刻度的象限。

关于刻度点象限的确认方式上，可以采用这样的方式：

如果回转中心坐标是（x0，y0），那么对应的刻度点坐标就是（x，y），此时，即可以回转中心为基础建立好原点，成立坐标系，x轴与图像坐标系一致，y轴则与之相反。

如果 x＞x0，y＜y0，（x，y）处于第一象限；

如果x＜x0，y＜y0，那么坐标处于第二象限；

如果x＜x0，y＞y0，那么坐标处于第三象限；

如果x＞x0，y＞y0，那么坐标处于第四象限。

5.2 刻度点方向的计算方式

刻度点方向的计算属于指针仪表读数识别技术的难点，在计算时，需要应用向量法，如果假设x轴向量是vecx，刻度向量是vecScale，那么即可采用这样的公式来进行计算：

5.3 刻度位置的识别方式分析

一般情况下，零刻度处于第三象限，满刻度则位于第四象限， 两者的位置不同，但是，如果仪表出现旋转位置，那么在零刻度、满刻度的识别上，往往会出现偏差。根据仪表图像的显示来看，在其他的刻度显示中，都是紧密联系在一起，满刻度、零刻度之间具有显著的偏差，在识别满刻度、零刻度的位置时，即可根据两者的距离来进行判断。

5.4 指针读数的计算方式

关于指针读数的计算，可以采用两种方法。在第一种计算方式上，看指针是处于哪两个刻度见，确定好具体的读数范围，再看看哪个刻度与零刻度更加接近，以此来判断具体的指针读数。

6 结论

在人工智能的迅速发展下，与之相关的技术也不断成熟，指针仪表技术的应用，显著提高了仪表的工作效率，有效减轻了工作人员的负担。在指针仪表的应用中，指针仪表读数识别技术是一个重点内容，这涉及诸多内容，为了提高指针仪表读数识别的精确性，可以应用角度比值的方式来进行计算，对各个刻度进行精确的分割，看指针落在哪两个刻度间[5-9]。本文研究最后得出的是指针距零刻度线的距离，最后仪表的真正数值并没有给出。以后需要识别仪表表盘上的符号，包括数字、单位，从而完全自动得出仪表数值。