[发明专利]基于动态图像处理的水表识别方法

权利要求书

1.基于动态图像处理的水表识别方法，其特征在于包括如下步骤：

A、在水表上方安装摄像头，摄像头垂直水表上方安装，摄像头安装高度满足其拍摄界面包括水表表盘所有示值标盘，所述水表为包含红色指针的指针式水表；

B、摄像头在水表检定阶段以一定时间间隔被触发拍摄水表表盘图像，通过图像采集卡传输至计算机；水表表盘图像为水表指针自始至终的动态图像，摄像头的最小帧数大于水表处于过载流量时最低量级的流量标盘上指针每秒转过圈数的2倍，所述一定时间间隔小于最低量级流量标盘上指针在过载流量下转一整圈所需时间的1/2，即至少捕捉指针转一圈过程中两张图像，上述一定时间间隔计算式为s＝(36000×N)/(Q₄×2)，其中Q₄为水表的过载流量，根据计算式Q₄＝1.25×Q₃获得，所述Q₃为水表的常用流量，N为上述流量标盘对应的量级；

C、对步骤B中拍摄的水表表盘图像进行预处理，进行去除图像中的白色区域和黄色区域操作；具体方法如下：

步骤C1、对上述传输至计算机的水表表盘图像进行去除白色区域操作扫描水表表盘图像，对每个像素点进行如下运算：

if[src(i,j).R)＞120src(i,j).G＞120src(i,j).B＞120]

dst(i,j)＝0

其中src(i,j).R、src(i,j).G、src(i,j).B分别依次代表水表表盘图像上像素src(i,j)的红色、绿色和蓝色分量值，120是像素src(i,j)的RGB红色、绿色和蓝色分量值阈值，当像素src(i,j)的红色、绿色及蓝色分量值同时大于阈值120时，将该像素点赋值0并显示为黑色，获得去除白色区域后的图像dst(i,j)；

步骤C2、对上述去除白色区域后的图像进行去除黄色区域操作

利于以下计算公式去除水表表盘图像中黄色区域：

if[dst(i,j).R)＞50dst(i,j).G＞50]

dst1(i,j)＝0

50是像素dst(i,j)的红色分量dst(i,j).R和绿色分量dst1(i,j).G的阈值，dst1为去除黄色区域后的水表表盘图像,当像素dst(i,j)的红色和绿色分量值同时大于阈值50时，将该像素点赋值0并显示为黑色，获得去除黄色区域后的图像dst1(i,j)；

D、对步骤C中经过预处理后的图片进行灰度化及图像的二值化处理，使用八连通域算法对二值化后的图片进行去噪点处理，获得只包含有效红色指针区域的指针图；包括如下步骤：

步骤D1、对预处理后的图片进行灰度化处理

利用红色通道分量值减去绿色通道分量值的差值作为灰度图的灰度值，其计算公式如下：

dst2(i,j)＝dst1(i,j).R-dst1(i,j).G

dst2为水表表盘图像的灰度图

步骤D2、对步骤D1中的灰度图通过适当的阈值选取获得仍可反映图像特征的二值化图像

利用Otsu全局阈值法来获得图像分割阈值，阈值T使目标与背景两类的类间方差最大，所有灰度大于或等于阈值T的像素被判定为红色指针，其灰度值为255，所有小于阈值T的像素点判定为背景，灰度值为0；阈值分割表达式如下:

dst3为分割后的二值图像；

步骤D3、利用八连通域算法提取水表表盘中红色指针区域

利用八连通域算法统计每个连通域的面积，再根据面积大小提取有效红色指针区域；根据所选摄像头分辨率大小，保留连通域面积大于1000的连通域，其余部分像素赋值0，获得只包含有效红色指针区域的指针图；

E、对步骤D中获得的只包含有效红色指针区域的指针图进行处理，利用投影法定位最低量级的流量标盘上的指针位置，计算其转过的相对角度；步骤E包括如下步骤：

步骤E1、利用Canny算子提取上述指针图的边缘，并通过霍夫变换圆检测算法找出指针圆；霍夫变换圆检测算法需设置待识别圆半径范围参数，通过观测水表指针圆半径与整幅图像的宽度比将圆半径最小值设置为整幅图像宽度的1/20，最大值设置为整幅图像宽度的1/15; 继续选择有可能的最低量级的流量标盘上的指针区域，对检测出的指针圆圆心位置排序，找出圆心列坐标最低圆，然后以其圆心为中心，并选择该圆半径5倍的正方形区域作为指针区域，进一步精确定位上述指针位置，利用投影法分割获得只包含最低量级的流量标盘上的指针区域，即对上述指针为白色、背景为黑色的水表指针区域先进行垂直投影，即列白色像素个数统计，记录列白色像素个数由无变有及由有变无的对应列数，并且两列间距大于水表指针区域宽度1/6时，该列便为指针区域分界列；在两列间对图像进行水平投影，即行白色像素个数统计，记录行白色像素个数由无变有及由有变无的对应行数，并且两行间距大于水表指针区域高度1/8时，该行即为指针区域分界行；将上述行列数作为指针分割位置，完成指针区域的精确定位，获得只包含最低量级的流量标盘上的指针区域图dst4；

步骤E2、计算最低量级的流量标盘上的指针的回转中心，水表指针质心坐标(center.x，center.y)由以下公式获得：

dst4(i,j)为在(i,j)位置处像素的灰度值大小，m、n分别代表dst4图像中识别出的指针像素点在方向i,j上的个数，center.x、center.y分别代表质心位置横纵坐标，由于指针区域图dst4上像素点的像素值非0即255，而属于指针的像素点其像素值为255，因此求取指针质心的过程即分别求取属于指针像素点的横纵坐标均值的过程；

步骤E3、确定指针指向，利用逐点扫描法获得指针上距离指针回转中心最远的距离distance，其计算如下：

其中point为指针上像素点，point.x及point.y为point点所对应的横坐标和纵坐标，max为所求距离中最大值，以指针圆回转中心为圆心，以指针上所有像素点为搜索对象，寻找指针上像素点到回转中心距离为[0.9*distance,distance]的像素，计算符合条件的像素点的质心，该质心与指针回转中心连线方向即为指针方向；

步骤E4、计算指针转过的相对角度θ；以图像坐标系Y轴正向为参考零向量，以顺时针方向为正方向，通过计算指针方向与参考零向量夹角来获取指针转过的相对角度，其计算公式如下:

△x＝point.x-center.x

△y＝point.y-center.y

tanθ＝△x/△y

当△x＞0，△y＞0时，θ＝2π-arctan(△x/△y)；当△x＞0，△y＜0时，θ＝π-arctan(△x/△y)；当△x＝0，△y＜0时θ＝π，当△x＝0，△y＞0时θ＝0；当△x＜0，△y＜0时，θ＝π-arctan(△x/△y)；当△x＜0，△y＞0时，θ＝-arctan(△x/△y)；当△x＞0，△y＝0时θ＝3π/2，当△x＜0，△y＝0时θ＝π/2；

F、通过触发信号控制摄像头获取水表表盘图像，计算每个图像中水表指针转过的相对角度，通过比较法计算水表用水量；

所述的步骤F具体为：水表检定期间摄像头不断被触发拍照，按照步骤C-E识别出每张图像中水表指针转过的相对角度θ_i，其中0≤i≤m，m为自然数，判断连续两张图像中当前图像水表指针的相对角度相对于上一张图像中水表指针的相对角度，若两次角度作差差值绝对值小于5°，说明水表指针没有转动；若两次角度作差差值大于5°，则说明水表指针正常转动，水表总圈数n保持不变；若两次角度作差差值小于-5°，则说明水表指针已经转过一圈，令水表转过圈数n＝n+1，且不需要保留两次角度差值；

具体计算过程如下：

for(i＝1；i≤m；i++)

{if[(θ_i-θ_i-1)＜-5]n＝n+1}

其中n为摄像头最后一次触发拍照指针转过的整圈数，水表用水量用以下公式求得：

C＝[n+(θ_m-θ₀)/360]×N×10

其中C为水表检定过程中水表的总用水量，N为流量标盘对应的量级。