基于Hough變換的指針式儀表的自動判讀

在我國的電力、石油、化工行業(yè)及交通運輸飛機、輪船、汽車中，指針式儀表由于結(jié)構(gòu)簡單，安裝維護方便，具有防塵、防水、防寒、不受電磁場干擾，可靠性高，價格便宜等優(yōu)點，目前還在大量使用。但是由于指針式儀表不是數(shù)字信號，不便于被采集進(jìn)數(shù)字計算機系統(tǒng)。如何能對指針式儀表進(jìn)行自動判讀并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，就成立自動控制、智能駕駛迫切需要解決的問題。

1 判讀系統(tǒng)組成

指針式儀表自動判讀系統(tǒng)如圖1所示。

2.1 建立儀表庫

現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)中的儀表各式各樣，形狀有方有圓，儀表盤刻度值起始位置也各不相同。若只按照一種儀表盤作為基準(zhǔn)，其應(yīng)用范圍相當(dāng)狹窄。因此建立了一個儀表庫。如圖2所示。

2.2 圖像預(yù)處理

主要包括中值濾波、圖像的增強和銳化、二值化。

采用中值濾波主要是為了抑制噪聲，圖像銳化用于增強圖像的邊緣及灰度跳變部分，由于儀表判讀系統(tǒng)正是要將儀表和背景分別開，所以銳化是很有意義且必要的一項工作。

對儀表盤的圖像進(jìn)行二值化方法有很多，包括固定閾值法和動態(tài)閾值法等。整體閾值法是指在二值化過程中只使用一個閾值；動態(tài)閾值法的閾值確定不僅取決于該象素的灰度值及其周圍象素的灰度值，而且與象素位置信號有關(guān)。

在實際判讀中，隨著被測表的環(huán)境亮度，表盤背景、表殼材質(zhì)和表殼曲率的不同，將會導(dǎo)致圖象亮度發(fā)生變化。若選用固定的閾值進(jìn)行二值化處理，不能適應(yīng)這種變化。因此選用動態(tài)閾值法，取整幅圖像中灰度值最大值和最小值的平均值作為閾值，并以此對圖像進(jìn)行二值化處理。這樣即使表殼亮度發(fā)生變化也不會影響判讀準(zhǔn)確度，大大提高了系統(tǒng)的適用性，降低了對使用環(huán)境的要求。

3 自動判讀

3.1 hough變換[1-3]

hough變換是利用圖像的全局特性而對目標(biāo)輪廓進(jìn)行直接檢查的方法，通常主要用其將離散的邊緣象素連接成區(qū)域的封閉邊界。在已知區(qū)域形狀的條件下，hough變換可以準(zhǔn)確捕獲到目標(biāo)的邊界（連續(xù)或不連續(xù)的），并最終以連續(xù)曲線的形式輸出變換結(jié)果。另外，他可以從強噪聲環(huán)境中將已知形狀的目標(biāo)準(zhǔn)確分割提取出來。其核心思想是點-線的對偶性，通過變化將圖像空間轉(zhuǎn)換到參數(shù)空間。原理如下：

直線y=kx+b用極坐標(biāo)表示為：

r=kxcos（θ）+ysin（θ）

其中（r，θ）定義了一個從原點到線上最近點的向量，這個向量與該直線垂直。考慮一個以參數(shù)r和θ定義的二維空間。x，y平面的任意一直線對應(yīng)了該空間的一個點，因此，x，y平面的任意一直線的hough變換是r，θ空間中的一個點。也就是說，在圖像空間中共線的點對應(yīng)于參數(shù)空間共點的線，反之亦然。hough變換就根據(jù)上述點-線對偶性把在圖像空間中存在的直線檢測問題轉(zhuǎn)化成參數(shù)空間中存在的點檢測問題。顯然后者的處理要比前者簡單得多，只需簡單的累加統(tǒng)計即可實現(xiàn)對邊緣的檢測。

hough變換所采用的基本策略是根據(jù)圖像在圖像空間內(nèi)的點在所對應(yīng)的參數(shù)空間里，計算出符合對偶特性的參數(shù)點的所有可能的軌跡，并通過累加參數(shù)點的數(shù)量來做出最終的決策。因此，hough變換不僅能檢測直線等一階曲線目標(biāo)，對于圓、橢圓等高階曲線是所有滿足解析式f（x，c）=0的各類曲線目標(biāo)，同樣可以進(jìn)行檢測，只是其計算量會隨著解析式階數(shù)的增加成指數(shù)增加。

直線檢測的具體算法如下：利用hough變換將原始圖像中給定直線上的所有點都集中到變換空間的某個點形成峰值，再尋找峰點累加數(shù)的最大值即可確定出指針?biāo)谥本€y=kx+b。

知道了斜率k，結(jié)合事先選定的初始化儀表模板，就可能確定指針與零刻度線的偏轉(zhuǎn)角度，從而計算出儀表的讀數(shù)。以壓力表儀表表盤為例，以表盤圓心為原點建立直角坐標(biāo)系，如圖3。壓力表量程為0-10kpa，指針與x軸的夾角為θ（-45°≤θ≤225°），設(shè)所求的指針讀數(shù)為x，則

此方法可用于各種指針式儀表的自動判讀，其精度取決于圖像的分辨率和限定處理時間及算法。

3.2 hough變換的優(yōu)點

hough變換是一種使用的方法，他有很多優(yōu)點：

（1）無論曲線是實線還是虛線，或者是缺少一部分都適用。

（2）線的寬度不均勻也沒有關(guān)系。

（3）在圖像中存在幾條線時，可同時處理。

4 實驗效果

按照上面的思路，設(shè)計了基于hough變換的儀表判讀儀系統(tǒng)。系統(tǒng)的操作界面比較簡單，如圖5所示。主窗口由菜單項、圖片文件框、結(jié)果文本框和命令按鈕組成。菜單主要包括儀表庫、查看、增強、邊緣檢測、數(shù)值形態(tài)學(xué)變換等命令，圖片框用于顯示要判讀的儀表圖片，命令按鈕負(fù)責(zé)進(jìn)行判讀，文本框用于顯示判讀結(jié)果。

用戶打開需要判讀的儀表，進(jìn)入儀表庫選擇儀表類型，確定量程最大值和判讀物理量的單位，然后進(jìn)行灰度變換、二值變換，最后就可以進(jìn)行儀表判讀了。圖4是裝載了一張圖片后的效果圖；圖5是進(jìn)行儀表判讀后的結(jié)果顯示。

圖5為了將hough變換的結(jié)果顯示清楚一些，截取了整個圖片的一部分即儀表指針，如圖6所示。當(dāng)進(jìn)行hough變換判別后，儀表指針?biāo)诘闹本€用紅線指出，如圖7。這樣就能很清楚地看到hough變換的效果了。

實驗用滿量程為10kpa的壓力表，用本文介紹的方法自動識別的指針讀數(shù)與人眼觀測值基本相符。系統(tǒng)經(jīng)過試用，結(jié)果比較穩(wěn)定。

5 結(jié)語

本文提出的方法可用于各種指針式儀表精度的自動檢測、判讀、其精度取決于圖像的分辨率和限定的處理時間。基于計算機視覺技術(shù)的自動判讀圖像可以減少從事單一、重復(fù)、復(fù)雜的工作所耗費的人力、物力和財力，并且判讀結(jié)果不受人為因素的影響。可提高儀表判讀的精度。而且，此系統(tǒng)的可視化界面使得操作非常簡單，易于掌握?？傊?，該方案判讀效果穩(wěn)定，抗干擾能力強，具有一定的實用性。