一种双金属温度计视觉读数方法

1.本发明涉及一种双金属温度计读数方法，尤其涉及一种计算机视觉领域中基于图像处理技术的双金属温度计自动读数方法。


背景技术：

2.双金属温度计是一种适合中、低温测量的计量仪表，具有防水、耐震动、易读数、无汞害、价格低廉等优点，广泛应用于各行业中。双金属温度计把两种线膨胀系数不同的金属组合在一起，一端固定，当温度变化时，两种金属热膨胀不同，带动细轴上的指针产生角度变化，在标度盘上指示对应的温度。
3.人工读取双金属温度计指针所指向的温度示数是传统的读数方法，但由于工业流程中通常有大量的双金属温度计待读数，且双金属温度计的分度值大，长时间的人工主观读数容易导致读数精度低、读数时间长等多种问题。而且，当今世界对这些信息的处理方式也要求有更多的智能化功能，尽量减少人工的干预，提高自动化程度和工作效率。但到目前为止，国内外对双金属温度计的视觉读数方法的研究成果非常少。


技术实现要素：

4.针对背景技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于图像处理技术对双金属温度计示数进行自动读取的方法，提高读数效率和读数精度。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是，一种双金属温度计视觉读数方法，具体按照下述步骤实施：
6.步骤1：对原始图像进行图像二值化处理。
7.步骤2：获取标度盘上的短刻度线，并计算短刻度线的中心和平均长度。
8.步骤3：构建掩膜图像并获取感兴趣区域图像。
9.步骤4：对感兴趣区域图像进行极坐标变换并获取刻度线区域图像。
10.步骤5：在刻度线区域图像中获取刻度线中心横坐标、指针中心横坐标以及指针左右相邻的两条刻度线。
11.步骤6：根据温度计的分度值、温度计量程下限值以及指针与各刻度线的位置关系计算得到温度计读数。
12.与背景技术相比，本发明的增益效果为：
13.1.本发明利用温度计标度盘上刻度线的几何特征提取包含局部指针和刻度线的感兴趣区域图像，不需要提取整个指针，也不需要提取指针的旋转中心，提高了感兴趣区域图像的提取效率。
14.2.本发明对提取的包含局部指针和刻度线的感兴趣区域图像进行极坐标变换，将指针在刻度线间的角度比例关系转换为指针在刻度线间的间距长度比例关系，可有效解决指针旋转中心定位不准引起的刻度线角度以及指针角度误差大对温度计读数结果影响较大的问题，提高了读数精度。
15.3.本发明只需提供温度计量程的下限值也就是第一个主刻度线的刻度值以及温度计的分度值，不需要对刻度值进行字符识别就可读取温度计温度示数，可简化读数方法的流程，提高了读数效率。
附图说明
16.图1是本发明的双金属温度计读数识别整体流程图。
17.图2是本发明的待进行读数识别的双金属温度计原始图像。
18.图3是本发明的预处理后的双金属温度计二值图像。
19.图4是本发明的初选刻度线图像。
20.图5是本发明的短刻度线及其中心图像。
21.图6是本发明的掩膜图像。
22.图7是本发明的感兴趣区域图像。
23.图8是本发明的极坐标变换结果图像。
24.图9是本发明的刻度线区域图像。
25.图10是本发明的刻度线中心标记图像。
26.图11是本发明的指针图像。
27.图12是本发明的指针中心线及左右刻度线示意图。
28.图13是本发明的温度计读数结果图像。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施方式(实施例)对本发明作进一步说明，但并不作为对本发明限制的依据。
30.如图1所示，本发明方法的步骤是：
31.步骤1：对原始图像进行图像二值化处理
32.读取如图2所示事先采集的包含有双金属温度计标度盘和指针的原始图像src，对原始图像采用经实验确定的固定阈值进行二值化分割处理，得到二值图像bw，如图3所示。
33.步骤2：获取标度盘上的短刻度线，并计算短刻度线的中心和平均长度
34.对二值图像bw进行轮廓提取，计算每个轮廓ci的最小外接矩形的高度hi以及轮廓ci的高度hi和宽度wi的比值即高宽比ri，i＝1,2,3,
…
,n1，n1为轮廓个数。当某个轮廓ci的最小外接矩形高度hi大于阈值h
low
且该轮廓的高宽比ri大于r
low
时，则判定该轮廓ci在二值图像bw对应的区域为初选刻度线，轮廓ci的最小外接矩形高度hi则为该初选刻度线的长度li，h
low
和r
low
通过实验得到，本实施例中h
low
＝20和r
low
＝10。所有轮廓判定后，得到的初选刻度线如图4所示。对所有初选刻度线按长度进行升序排序，计算初选刻度线总数的前30％～70％的刻度线的平均长度，此平均长度则为短刻度线长度的均值l
mean
。从初选刻度线中，依据各初选刻度线的长度将其值处于区间[l
mean-a,l
mean
a]范围内的初选刻度线判定为短刻度线并获取短刻度线的中心坐标，其中a根据实验确定，本实施例中a＝5。对所有初选刻度线判定后，得到的短刻度线及其中心图像sslcimg，如图5所示。
[0035]
步骤3：构建掩膜图像并获取感兴趣区域图像
[0036]
将短刻度线及其中心图像sslcimg中的刻度线的中心坐标进行最小二乘圆拟合得
到拟合圆circle的半径radius及其圆心cen(cx,cy)。然后创建一个与二值图像bw尺寸相同的全黑图像，在此全黑图像中画一个以拟合圆circle的圆心cen为圆心、以外圆半径为radius l
mean
/2、以内圆半径为radius-l
mean
/2的白色圆环，得到掩膜图像mask，如图6所示。将掩膜图像mask与二值图像bw进行按位与计算得到一个新的二值图像bw2，在图像bw2中截取掩膜图像中白色圆环外接矩形区域内的图像，得到感兴趣区域图像roiimg。如果原始图像src中的温度计标度盘上的温度量程上下限的刻度线不处于刻度盘中心水平线的上下两侧，则需将感兴趣区域图像按逆时针方向旋转90
°
。本实施例中，由于温度计标度盘上的温度量程上下限的刻度线为满足居于刻度盘中心水平线的上下两侧的条件，故对感兴趣区域进行了逆时针方向旋转90
°
的处理，得到的感兴趣区域图像roiimg如图7所示。
[0037]
步骤4：对感兴趣区域图像进行极坐标变换并获取刻度线区域图像
[0038]
以感兴趣区域图像roiimg中心为原点、以感兴趣区域图像roiimg高度的一半为边界圆半径，对感兴趣区域图像roiimg进行极坐标变换，并顺时针旋转90
°
，得到极坐标变换结果图像ploarimg。经过极坐标变换并旋转处理后，指针和刻度线由原来指向标度盘中心变为平行分布于极坐标变换结果图像ploarimg的上边缘，如图8所示。对极坐标变换结果图像ploarimg进行轮廓提取，对每个轮廓ccj的外接矩形rectj的高度hj做如下判断：若高度hj与步骤2获得的短刻度线长度的均值l
mean
接近，则判定该轮廓ccj为刻度线轮廓，其中j＝1,2,3,
…
,n2，n2为ploarimg图像中的轮廓数。构建一个以ploarimg图像中最左侧的刻度线的外接矩形的左上角顶点为左上角顶点、以ploarimg图像中最右侧的刻度线的外接矩形的右下角顶点为右下角顶点的矩形slrect，然后从ploarimg图像中截取矩形slrect内区域图像得到刻度线区域图像slimg，如图9所示。
[0039]
步骤5：在刻度线区域图像中获取刻度线中心横坐标、指针中心横坐标以及指针左右相邻的两条刻度线
[0040]
按从左到右的顺序统计刻度线区域图像slimg前20行中每列像素中非0像素个数并存入长度为刻度线区域图像slimg列数的数组，按数组元素索引号从小到大的顺序搜索各数组元素值，如果数组元素值大于0，则此数组元素索引号即为第一条刻度线的左侧横坐标，继续向后搜索，直到数组元素值等于0，则此数组元素的前一个元素对应的索引号为第一条刻度线的右侧坐标，求取第一条刻度线的左侧横坐标和右侧横坐标的均值，得到第一条刻度线的中心横坐标，依照求取第一条刻度线的中心横坐标的方法依次向后搜索，直到遍历数组所有元素，得到刻度线中心标记图像censimg如图10所示。在计算刻度线中心横坐标的同时，在刻度线区域图像slimg中将刻度线左侧横坐标和右侧横坐标范围内的所有列像素置0，然后进行轮廓提取，其中面积最大的轮廓则为指针轮廓，从而得到指针图像needleimg，如图11所示。指针的外接矩形的中心横坐标即为指针中心横坐标，将指针中心横坐标与刻度线中心横坐标一一对比，其中刻度线中心横坐标小于指针中心横坐标且与指针中心横坐标最接近的刻度线即为左刻度线line1，刻度线中心横坐标大于指针中心横坐标且与指针中心横坐标最近的刻度线则为右刻度线line2。指针中心线及其最邻近的左右刻度线示意图如图12所示。
[0041]
步骤6：根据温度计的分度值、温度计量程下限值以及指针与各刻度线的位置关系计算得到温度计读数
[0042]
温度计读数t可通过下式计算得到：
[0043]
t＝sv dv
×
(tip tdp)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0044]
其中，sv为温度计量程下限值；dv为温度计分度值；tip为与指针邻近的左刻度线line1与最左侧的刻度线line0的序号差值；tdp为指针到左刻度线line1的水平距离与指针左右相邻的两条刻度线line1和line2水平距离的比值。
[0045]
将读取的温度计示值叠加在原始图像上的温度计读数结果如图13所示。
[0046]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。