一种电能表图像自动识别方法及系统与流程

本发明涉及电能表图像识别，具体为一种电能表图像自动识别方法及系统。

背景技术：

1、在对机械式电能表进行自动化抄表时，常通过拍摄表盘图像并利用图像识别技术获取用电读数。针对带有数字轮和指针的混合显示电能表，一种传统的识别方式是先定位表盘区域，再直接对图像进行二值化与投影分割，提取数字轮上的字符区域进行识别。这种方式在光照均匀、表盘无倾斜且背景洁净的理想条件下可以达到识别目的。

2、然而，实际现场采集的电能表图像背景复杂，表盘表面可能存在污渍、锈蚀、贴纸或光影干扰，这些元素在图像二值化后会形成与数字轮字符区域相似的连通域，导致直接投影分割会产生大量的伪候选区域。定位算法无法有效区分真实的数字轮显示区与表盘刻度线或其他背景图案，使得区域筛选鲁棒性差，容易出现漏检或误检。

3、此外，由于安装位置限制或手持拍摄，采集到的电能表图像普遍存在不同程度的拍摄视角倾斜。这种倾斜使得图像中的数字轮显示区产生透视形变，字符不再沿水平方向规则排列。常规识别流程中，视角倾斜问题会干扰后续的字符分割步骤，导致原本独立的数字字符在投影方向上发生粘连，或者一个完整字符被错误地切分为多个部分，严重降低字符分割与识别的准确率。

技术实现思路

1、本发明提供一种电能表图像自动识别方法及系统，旨在解决复杂表盘背景下数字轮显示区定位受背景污渍、光影等干扰导致候选区域误检率高的问题，同时解决拍摄视角倾斜造成图像中数字轮字符产生形变，导致后续字符分割时出现粘连或断裂进而影响识别准确率的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明提供一种电能表图像自动识别方法，用于解决现有技术中电能表读数识别易受表盘倾斜、光照不均及字符粘连影响的问题。所述方法包括：获取待识别电能表的表盘区域图像，对所述表盘区域图像执行基于边缘曲率分布的刻度特征映射操作，生成包含多个候选读数区域的第一特征图谱；根据所述第一特征图谱中各个候选读数区域的局部梯度主方向，对所述第一特征图谱执行区域合并与过滤操作，得到第二特征图谱；从所述第二特征图谱中提取每个候选读数区域的指针轴心相对偏移量，并根据所述指针轴心相对偏移量对所述第二特征图谱进行仿射校正，获得标准表盘特征图；从所述标准表盘特征图中分割出数字轮显示区，并对所述数字轮显示区执行字符骨架提取操作，获得多个数字字符骨架；根据所述多个数字字符骨架各自的分叉点密度值，对所述多个数字字符骨架进行筛选和拼接，得到电能表读数识别结果。该方法通过提取刻度边缘曲率特征与指针轴心位置，结合梯度方向一致性进行区域归并和自适应校正，能够有效区分表盘中的有效读数区域与背景干扰，并将倾斜表盘恢复为标准视角，在此基础上利用字符骨架的分叉点密度特性去除噪点并进行字符拼接，实现了对数字轮读数的准确识别。

3、作为本发明的一个技术方案，对表盘区域图像执行基于边缘曲率分布的刻度特征映射操作，生成包含多个候选读数区域的第一特征图谱时，对表盘区域图像进行边缘检测得到表盘边缘二值图，沿每条边缘像素链计算每个像素点处的曲率值；根据各像素点的曲率值统计该条边缘像素链的曲率分布直方图，并与预设的刻度曲率模板进行匹配，获得各条边缘像素链的刻度匹配得分；将刻度匹配得分超过预设匹配阈值的边缘像素链所围成的图像区域标记为候选读数区域，将所有候选读数区域的标记结果叠加至表盘区域图像上，生成第一特征图谱。优选的，根据第一特征图谱中各个候选读数区域的局部梯度主方向，对第一特征图谱执行区域合并与过滤操作以得到第二特征图谱时，针对每个候选读数区域计算区域内各像素点的梯度方向，统计梯度方向直方图并将峰值对应的梯度方向作为该候选读数区域的局部梯度主方向；将局部梯度主方向之间的夹角小于预设角度阈值的相邻候选读数区域合并为一个合并读数区域，并计算合并读数区域的面积；将面积小于预设面积阈值的候选读数区域或合并读数区域从第一特征图谱中删除，将删除后剩余的区域标记在第一特征图谱上，得到第二特征图谱。通过基于刻度曲率模板的匹配和梯度主方向一致性约束，可滤除非刻度类边缘形成的伪读数区域，并完成相邻同向区域的融合，使得候选区域更贴近数字轮的实际分布范围。

4、作为本发明的进一步改进，从第二特征图谱中提取每个候选读数区域的指针轴心相对偏移量并进行仿射校正时，针对第二特征图谱中的每个候选读数区域检测其直线段集合，根据所有直线段的交点分布密度确定指针轴心候选点；计算指针轴心候选点与该候选读数区域的几何中心之间的像素坐标差值作为指针轴心相对偏移量；根据指针轴心相对偏移量构建仿射变换矩阵，利用该仿射变换矩阵对第二特征图谱中的全部候选读数区域进行旋转和平移变换，使每个候选读数区域的指针轴心候选点移动至其几何中心位置，获得标准表盘特征图。优选的，检测直线段集合并确定指针轴心候选点的方式为：对候选读数区域执行霍夫直线检测，提取所有直线段及端点坐标；计算任意两条非平行直线段的交点坐标，统计所有交点坐标在候选读数区域内的分布密度，将分布密度最大的交点坐标位置作为指针轴心候选点。上述校正过程以指针轴心位置为基准，将倾斜表盘重映射至正视角度，消除了拍摄角度偏差引起的读数区域畸变，保障了后续字符分割与识别的几何一致性。

5、标准表盘特征图生成后，从中分割数字轮显示区并进行字符骨架提取。本发明的一个技术方案为：对标准表盘特征图执行灰度化处理和二值化处理，得到标准表盘二值图，对标准表盘二值图执行水平方向投影，根据水平投影值的波谷位置确定数字轮显示区的上边界和下边界；对上边界和下边界之间的图像区域执行垂直方向投影，根据垂直投影值的波谷位置将数字轮显示区分割为多个独立的数字字符子区；对每个独立的数字字符子区内的二值化像素执行细化算法，迭代删除满足预设删除条件的边界像素直至剩余像素宽度为一个像素，得到每个数字字符子区对应的数字字符骨架。优选的，标准表盘二值图的获取方式为：将标准表盘特征图转换至灰度色彩空间，采用大津法计算全局二值化阈值并转换为二值图；对上边界和下边界的确定方式为：对标准表盘二值图中每一行像素的白色像素数量进行累加得到水平投影值序列，查找其中的局部极小值位置，将第一个和最后一个局部极小值分别作为上边界和下边界；垂直分割方式为：裁剪出上边界和下边界之间的数字轮带区，对每一列像素的白色像素累加得到垂直投影值序列，查找连续低于预设空白阈值的波谷区间，以每个波谷区间的中心列作为字符分割线进行垂直切割，得到独立的数字字符子区。该过程利用投影分析法自适应确定数字轮区域的边界与字符间距，字符骨架提取则保留了字符拓扑结构，有利于突破不同字型粘连问题。

6、进一步的，基于分叉点密度的字符筛选与拼接过程如下：针对每个数字字符骨架检测其像素点的八邻域连接数大于等于三的像素点作为分叉点，统计分叉点总数除以该数字字符骨架的像素点总数得到分叉点密度值；将分叉点密度值小于预设密度阈值的数字字符骨架判定为有效字符骨架，大于等于阈值的判定为噪点骨架并予以删除；按照每个有效字符骨架在标准表盘特征图中的水平位置顺序，将各有效字符骨架依次拼接成字符序列，并根据该字符序列中各字符骨架的拓扑结构匹配对应的数字符号，得到电能表读数识别结果。优选的，区域合并过程中，计算任意两个相邻候选读数区域的局部梯度主方向之间的夹角值，当夹角值小于预设角度阈值时，将该两个相邻候选读数区域的外接矩形的并集区域确定为合并读数区域的边界，并将并集区域的像素数量作为合并读数区域的面积。上述方案通过分叉点密度有效区分有效字符与随机噪点或表盘涂覆缺陷，字符依次拼接匹配后直接输出完整的电量读数，整个流程无需人工标定指针位置或预设数字轮几何模板，提高了自动识别的鲁棒性与实用精度。

7、本发明还提供一种电能表图像自动识别系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤，通过上述方案能够适应复杂表盘背景，并纠正拍摄视角引起的图像畸变。

8、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

9、通过基于边缘曲率分布的刻度特征映射操作生成包含候选读数区域的第一特征图谱，方案不再依赖图像灰度或颜色信息来直接定位数字轮区域。对表盘区域图像执行边缘检测后，沿每条边缘像素链计算曲率值并统计曲率分布直方图，将曲率分布直方图与预存的刻度曲率模板进行匹配。由于真实数字轮窗口周围必然存在固定结构的刻度线，且这些刻度线的圆弧或直线形态具有特定的曲率分布模式，而与污渍、贴纸等随机背景的边缘曲率分布有显著差异，因此通过匹配得分可准确锁定被刻度线环绕或邻接的真实读数区域。将匹配得分超过阈值的边缘链所围成区域标记为候选读数区域，有效排除了复杂背景中非刻度结构造成的干扰，实现从杂乱表盘中准确定位到数字轮所在位置。

10、通过提取指针轴心相对偏移量对第二特征图谱进行仿射校正，获得标准表盘特征图。在检测到候选读数区域内的直线段集合后，依据所有直线段的交点分布密度确定指针轴心位置，并计算指针轴心与区域几何中心的像素坐标差值作为相对偏移量。指针轴心的位置直接反映了拍摄视角相对于表盘正面的倾斜程度与方向。利用该偏移量构建仿射变换矩阵，对图谱中的全部候选读数区域进行旋转与平移变换，将偏移的指针轴心校正至几何中心。这一变换过程补偿了因拍摄角度偏转造成的透视畸变，使校正后图像中的数字轮显示区恢复为规则的矩形布局。后续对校正后的标准表盘特征图执行水平与垂直方向投影来分割字符时，波谷位置能够准确对应字符间的空白间隙，不会因图像形变而出现字符断裂或粘连，从而获得准确的数字字符子区。