[发明专利]基于机器视觉系统的指针式仪表读数识别测量方法

摘要

本发明涉及一种基于机器视觉系统的指针式仪表读数识别测量方法，属于仪表测量技术领域。建立测量多个指针式仪表的视觉成像系统模型；使用CCD摄像机平面标定法，标定摄像机内部参数、畸变系数和指针式仪表表盘的外参；利用指针式仪表表盘的外参，旋转指针式仪表图像到平行于指针式仪表表盘的位置；平移各个指针式仪表图像到光学中心附近，再利用图像处理技术提取仪表图像上的刻度、指针及其中心的位置；运用角度法通过计算获得指针式仪表的读数。优点在于：采用视觉测量技术，通过图像旋转消除透视投影畸变，提高测量精度，适合用一台摄像机同时测量多个仪表的读数。实现了高精度智能检测，提高了仪表读数效率，提高了摄像机标定效率。

主权项

1.一种基于机器视觉系统的指针式仪表读数识别测量方法，其特征在于：基于机器视觉成像系统，建立多个指针式仪表的测量模型，结合数字图像处理技术和摄像机标定技术实现多个指针式仪表读数的测量，其包括以下步骤：1)标定CCD摄像机的内部参数和镜头的畸变系数；2)提取指针式仪表图像上的刻度线中心，计算指针式仪表表盘在该刻度线中心位置下的外部参数；3)利用指针式仪表表盘的外部参数，旋转仪表图像到平行于指针式仪表表盘的位置；4)平移各个指针式仪表图像到光学中心附近，计算指针式仪表的读数；步骤2)中所述的提取指针式仪表图像上的刻度线中心，计算指针式仪表表盘在该刻度线中心位置下的外部参数，具体过程包括以下步骤：2.1)保持CCD摄像机位置不变，将多个指针式仪表固定在同一墙面上，使得多个指针式仪表是在同一平面上；用CCD摄像机采集多个指针式仪表图像时，CCD摄像机(2)与镜头(3)的组合以及同一平面上的多个指针式仪表(4)呈非平行放置；2.2)将采集到的多个指针式仪表图像送到计算机(1)系统里，采用3×3中值滤波器进行降噪处理，对降噪后的灰度图像利用阈值分割法转化为二值图像，有效地划分开仪表表盘与背景；针对二值图像进行连通域标记，计算仪表表盘中各个连通区域的面积；根据连通区域面积的大小保留仪表表盘轮廓、刻度线和指针，去除仪表表盘背景；结合数学形态学的理论，通过膨胀腐蚀运算和骨架细化提取出一个仪表表盘轮廓以及刻度线区域；2.3)根据仪表表盘的量程，利用质心法对提取出来的刻度线连通区域的中心进行定位，从起始刻度到终止刻度依次标记刻度线中心点的亚像素坐标(x_p,y_p)，以及仪表表盘刻度线的个数n_p；若目标像素点分布在一个矩形窗口内，窗口左上角像素坐标为(p₁,q₁)，右下角像素坐标为(p₂,q₂)，则它的中心位置计算公式如下：式(8)中，(x_n,y_n)为目标像素点质心坐标估计值；I(i,j)为(i,j)处像素点的灰度值；2.4)根据指针式仪表本身刻度线的分布规律，用游标卡尺分别测量仪表表盘圆心到长、短刻度线中心点的实际距离r₁和r₂，依据仪表表盘刻度线的个数n_p，分别获得仪表的长、短刻度线中心点的世界坐标(X_n⁽¹⁾,Y_n⁽¹⁾,Z_n⁽¹⁾)和(X_n⁽²⁾,Y_n⁽²⁾,Z_n⁽²⁾)；由于指针式仪表表盘中的刻度线都是均匀分布的，式(9)中η＝(θ×π)/(180×n_p)是指相邻刻度线之间的弧度，θ是指起始刻度线逆时针到终止刻度线的角度，并将长、短刻度线的世界坐标重新排序整合成世界坐标(X_n,Y_n,Z_n)；2.5)基于张正友的平面标定法，利用检测得到的仪表表盘刻度线中心点的像素坐标和世界坐标求解仪表表盘的外部参数，建立仪表表盘平面上被测点的世界坐标与摄像机坐标系之间的变换关系，即两坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵；在已知摄像机内部参数和畸变系数的条件下，根据奇异值分解SVD解得单应性矩阵，即仪表表盘的摄像机外部参数；步骤3)中所述的利用指针式仪表表盘的外部参数，旋转指针式仪表图像到平行于指针式仪表表盘的位置，从而消除透视投影畸变，具体过程包括以下步骤：3.1)使用通过步骤2.3)计算得到的刻度线中心点的亚像素坐标(x_p,y_p)，利用步骤2.5)获得的指针式仪表表盘的外部参数，计算旋转后仪表表盘上的刻度线中心点在世界坐标系下的坐标；将刻度线中心点坐标(x_p,y_p)带入公式(6)，并通过公式(5)、(4)和(2)确定目标点在世界坐标系下的坐标；在标定摄像机内部参数、外部参数以及畸变系数的过程中，涉及的四个坐标系如下：PCS像素坐标系O₀uv；ICS图像坐标系Oxy；CCS摄像机坐标系O_CX_CY_CZ_C；WCS世界坐标系O_WX_WY_WZ_W；其中t＝(T_x,T_y,T_z)^T是一个3×1的平移向量，是一个3×3的单位正交旋转矩阵；对于针孔摄像机模型，从CCS到ICS的变换是透视投影，则图像投影点在ICS中的坐标可表示为：由于实际摄像机成像时，光学镜头几何畸变的存在，需要考虑到镜头的径向畸变系数k₁，k₂和切向畸变系数p₁,p₂；其中，(x_u,y_u)和(x_d,y_d)分别为理想图像坐标和实际图像坐标；由数字图像的产生原理可得，从ICS到PCS的变换是数字化图像过程，矩阵A中的参数α，β，γ，u₀,v₀称为摄像机线性成像模型的内部参数；3.2)通过步骤3.1)计算得到的旋转后仪表盘上刻度线中心点对应的目标点，利用双线性插值法使得旋转之后仪表表盘图像的像素坐标是整数，得到旋转后平行于指针式仪表表盘的仪表表盘图像；3.3)提取出旋转后的仪表表盘图像中每一个表盘的轮廓和刻度线区域；3.4)提取出旋转后的仪表表盘图像中每一个表盘的刻度线中心点的亚像素坐标；3.5)采用霍夫变换方法检测出旋转后的仪表表盘图像中每一个表盘的指针直线，并确定每一个仪表表盘指针针尖的亚像素坐标和表盘旋转中心亚像素坐标。