基于指针图像识别的自动读数软件的设计

(南宁学院 广西 南宁 530200)

一、引言

指针式仪表因其结构简单、使用方便、价格便宜的优点仍然广泛应用于工业以及农业领域。但指针式仪表有着读数过程繁琐，读数容易产生误差等缺点。对指针式仪表读数采用肉眼识别易受到诸多人为因素的影响，检测效率低且精度不高，特别是长时间持续判读，容易引起视觉疲劳，从而导致误差的产生，另外还有一些无法采用人工判读的场合。而图像识别技术利用数字图像处理技术对图像进行转换、偏差检测、结果显示实现自动化过程。

二、自动读数的整体结构和流程

图像识别的基本顺序流程为：表盘图像采集—图像预处理-图像分割-表盘图像归一化-指针示值判读。分为图像采集部分、图像处理部分、结果显示部分。图像采集分为两种，一是使用手机APP直接拍摄，二是在不能使用手机场合通过图像采集模块进行传输到手机，例如OV7620图像传感器。图像处理部分是机器内部程序算法，对图像进行处理，然后根据人工预设参数值计算出结果，结果可以在手机APP上读数。

三、图像处理技术实现

(一)图像预处理

由于指针式仪表盘属于“明背景，暗目标”的灰度图，指针信息集中在低灰度区，指针周围背景处于中间灰度区。因此要将指针的信息凸显出来，从背景分离。基于灰度期望确定区间。设从图像中取一像素点，灰度值为LJ,则该点周围的背景平均灰度随其统计规律趋近于灰度期望∝。对于指针目标来说，由于指针为低灰度，当灰度期望值小时指针与背景的对比度小。当期望小到接近指针灰度时，指针被背景完全湮没，因此根据灰度值的大小，可以将图像分为三种状态：湮没、增强、显著。若用-1，0，1分别表示这三种状态，则仪表的图像可记为：当S[f(x,y)]=-1时，指针与背景不可分离，不能进行处理和识别，为废图像，应舍去；当S[f(x,y)]=1时，指针与背景对比度显著，无需作增强处理；当S[f(x,y)]=0时需对图像进行对比度增强处理。

(二)图像分割

由于仪表指针和刻度线的共性是灰度值较小，选用动态阈值法，可以有效解决偏心误差。获取的图像都是以矩形的形式存在，矩形对应直角坐标中的形式为I(x，y)，因此要将图像从直角坐标系变换到极坐标系中。根据表盘图像特征，先将表盘图像I(x，y)进行坐标平移，指针的回转中心为(x，y)，使指针的回转中心为坐标原点，平移后的图像为I′(x-X，y-Y)，将平移后的图像进行翻转得到图像I″(-(x-X)，y-Y)，在经坐标系变换到极坐标中的图像I‴(θ，ρ)。

(三)图像直线扫描

利用图像直线扫描法可以有效解决圆扫描圆心偏心带来的稳定性的问题。直角坐标系中表盘图像两侧的刻度线像素点的y值较大，而中间部分刻度线像素点的y值较小，根据(y-Y)2-(y-Y+ΔY)2=ΔY(2y-Y)，其中ΔY为扫描圆心Y的误差，可以看出，在同一误差下，y值越大对ρ的影响越大，变换后的表盘图像会出现凹凸不平的现象，而当圆心横坐标X出现误差时，直角坐标系中的表盘图像的刻度线像素点x值是逐渐增大的，X的误差对ρ的影响是由大变小的，因此变换后的表盘图像会出现倾斜的情况。由于扫描圆心的误差对θ的影响很小，刻度线总是垂直于横坐标轴，因此对变化后的图像扫描可以获得准确的信息。

四、APP操作界面讲解

一开始，点击获取图片，APP会打开手机内部相机拍摄图片，拍摄完成后，选择好电压、电流或者是电阻，之后会跳出选择单位选项，选择好输入的单位后，键入最大最小值，点击确认，然后内部的解析程序就会开始运行，对图片进行加工处理后，再分析刻度，判断出指针位置，由键入的最小最大值判断出位置所指的读数，然后在APP中显示出读数。

五、总结

本次项目的实现说明了使用图像分析技术在指针式仪表数据读取上是可行的方案，虽然功能实现了准确读取，但读取精度上还是会因为环境的影响导致极大的读取误差，这是需要改进的方面，在这个科技日渐发展的时代，虽然现在这项技术还只是实验，但是当它成熟的时候一定会给社会带来很大的改变。