[发明专利]一种基于模板匹配的指针式水表自动读数识别系统及方法

权利要求书

1.一种基于模板匹配的指针式水表自动读数识别方法，其特征在于，所述基于模板匹配的指针式水表自动读数识别方法将彩色水表图像转化成灰度图像，并依次进行中值滤波、灰度拉伸、色差处理、迭代二值化、腐蚀膨胀交替处理，得到指针所在连通区域，用质心法定位指针回转中心；在色差变换图像上根据指针回转中心采用阈值法分割出指针，并对分割的指针做腐蚀膨胀交替变换得到精确的指针，用模板匹配算法得到指针读数；进行读数校正，得出精准的水表指针读数；

所述基于模板匹配的指针式水表自动读数识别方法包括以下步骤：

步骤一，对RGB格式水表源图像I采用加权平均法灰度化；

其中，R，G，B分别为I的红绿蓝分量，g为灰度化后图像；

步骤二，对灰度图像g进行中值滤波和线性灰度拉伸；

h(x,y)＝Median[T[g(x,y)]|0＜x＜N,0＜y＜N]；

其中T灰度拉伸变换函数，N为中值滤波模板大小，取奇数；

步骤三，对水表图像h作LRCD变换；

步骤四，二值化LRCD变换后水表图像k，并做腐蚀膨胀交替变换去除指针区域周围的干扰，得到指针所在连通区域；

步骤五，精确定位红色指针回转中心；具体步骤如下：

(1)根据步骤四，如果二值图像bw6仅含有4个连通区域，则利用质心法求取指针回转中心；

其中，x_i，y_i为第i个连通域各点的坐标向量，N_i为第i个连通域的像素总数；

(2)根据步骤四，如果二值图像bw6仅含有3个连通区域，则计算这3个连通区域的质心，然后用最小二乘拟合这3个质心所在的圆心，即表盘圆心，计算3个子表盘中心的距离和表盘圆心到3个子表盘中心连线的斜率，判断缺失的子表盘，最后确定缺失子表盘的中心；

1)计算3个连通区域的质心，即指针回转中心，分别记为(x₁,y₁)，(x₂,y₂)，(x₃,y₃)，并据此拟合圆心，记为(x₀,y₀)，半径为r₀；

2)计算3个子表盘中心间的距离：

3)计算表盘中心到3个子表盘中心连线的斜率：

4)判断缺失子表盘，并拟合出缺失的指针回转中心：

按照从上至下，从右至左的顺序，将4个红色指针依次标号为第1、2、3和4枚红色指针，4个红色指针的回转中心所在的圆心到它们的连线的斜率取值范围分别为，[min k₁,maxk₁]、[min k₂,max k₂]、[min k₃,max k₃]和[min k₄,max k₄]，具体判断和计算如下：

若k₁∈[min k₂,max k₂]∩k₂∈[min k₃,max k₃]∩k₃∈[min k₄,max k₄]，则判断为第1枚红色指针缺失，设红色指针回转中心为(x,y)，它的回转中心到第2枚红色指针回转中心的距离取为d＝(d₁₂+d₂₃)/2，它到表盘圆心的距离为r₀，求解如下二元二次方程组：

得解为

得到所缺失的第1枚红色指针回转中心为(max(x_a,x_b),min(y_a,y_b))；

若k₁∈[min k₁,max k₁]∩k₂∈[min k₃,max k₃]∩k₃∈[min k₄,max k₄]，则判断为第2枚红色指针缺失，设红色指针回转中心为(x,y)，它的回转中心到第1枚红色指针回转中心的距离取为d＝d₂₃，它到表盘圆心的距离为r₀，求解如下二元二次方程组：

得解为

得到所缺失的第2枚红色指针回转中心为(min(x_a,x_b),max(y_a,y_b))；

若k₁∈[min k₁,max k₁]∩k₂∈[min k₂,max k₂]∩k₃∈[min k₄,max k₄]，则判断为第3枚红色指针缺失，设红色指针回转中心为(x,y)，它的回转中心到第4枚红色指针回转中心的距离取为d＝d₁₂，它到表盘圆心的距离为r₀，求解如下二元二次方程组：

得解为

得到所缺失的第3枚红色指针回转中心为(max(x_a,x_b),max(y_a,y_b))；

若k₁∈[min k₁,max k₁]∩k₂∈[min k₂,max k₂]∩k₃∈[min k₃,max k₃]，则判断为第4枚红色指针缺失，设红色指针回转中心为(x,y)，它的回转中心到第3枚红色指针回转中心的距离取为d＝(d₁₂+d₂₃)/2，它到表盘圆心的距离为r₀，求解如下二元二次方程组：

得解为

得到所缺失的第4枚红色指针回转中心为(min(x_a,x_b),min(y_a,y_b))；

步骤六，分割出红色指针；

步骤七，生成50幅M×M大小的模板图像，标号为0～49，并保存至大小为M×M×50的imgModel数组中；

步骤八，用模板匹配法识别红色指针读数；初始化一个累加器，红色指针图像ff_i(i＝1,2,3,4)与50幅模板图像进行逐一匹配，如果红色指针图像与模板图像在相同位置处对应的像素灰度值为0，则累加器增1，当与全部模板图像匹配完成后，累加器取值最大的模板就是待测指针指向的最佳匹配，记为P_ij(i＝1,2,3,4 j＝0,1,2,...,49)，则红色指针读数为其中10^-c(c＝1,2,3,4)为指针精度，int为下取整；

步骤九，根据指针之间的相互关联，进行指针读数校正，得到精确的指针读数，需要校正的模板为：