[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

说明书

本发明属于图像处理和模式识别技术领域，公开了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，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。本发明当水表图像的某个指针基部被部分水泡、光照、阴影等遮挡时，克服传统算法定位的不足，能准确拟合出该指针的回转中心，从而提高指针读数的正确识别率。

技术领域

本发明属于图像处理和模式识别技术领域，尤其涉及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。

背景技术

指针式水表读数的自动判读在水表检表工作中非常重要。指针式水表通常由圆形表盘和子表盘构成，将每一个红指针与它周围的刻度圆构成的圆形区域称之为子表盘，所有子表盘都分布在以表盘中心为圆心的圆周上。指针式水表自动读数以指针作为判读的关键，现有技术是通过对表盘、子表盘的定位，提取指针，最后识别指针读数。表盘定位是将红色指针这一目标区域从水表图像中提取出来，仅保留包含所有红色指针的圆环区域，现有技术一采用一种基于图像灰度特征的Hough分割算法，用该算法分割出一个包含所有指针的圆环区域，即水表指针信息显著区域；该方法通常要求摄像头和表盘间的相对位置大概固定，对比度低、有水泡、光照等干扰的水表图像，表盘定位的准确率降低，从而影响最终读数的准确性。现有技术二首先利用指针的彩色信息提取子表盘区域，然后利用基于轮廓信息的Hough变换定位子表盘中心，最后拟合出表盘中心，进而分割出指针圆环区域；该方法对于水表图像的质量要求较高，对红色指针周围有水泡导致指针变形或者水泡分割指针等干扰的图像，提取的指针轮廓，即边缘往往有缺失、不准确，后续采用Hough变换在这些边缘上检测圆心会降低准确性。子表盘定位即为求取各红色指针回转中心的坐标，这是指针式水表读数自动判读的最关键技术，要得到回转中心的坐标，需要提取出仅含有红色指针的区域，现有技术三提出一种基于彩色特征的表盘定位算法，该算法首先将RGB彩色空间图像归一化，即将图像的R、G、B三分量分别除以该三分量的总和得到归一化的r、g、b三分量，然后根据红色指针目标像素满足的条件：rg，rb，gratio(ratio是g的百分比阈值)二值化图像，最后提取红色指针区域；该算法采用了归一化的彩色空间模型虽然降低原始图像空间中R、G、B三分量的相关性和图像对比度的要求，但是在归一化和二值化图像过程中算法复杂度高，特别当水表图像分辨率较高时，耗时非常大；另外当水表表盘金属框含有的红色分量较多或者指针周围有水泡干扰时，二值化后的图像含有很多噪点，不利于后续准确定位红指针回转中心。采用传统的Hough变换算法检测圆心，需要先验设定检测圆的半径范围，若半径范围设置过小，则检测不到目标圆，若半径范围设置过大，则会增加搜索的时间，计算量大，该算法复杂度较高。现有技术四提出了一种基于色差变换的子表盘定位方法，对色差变换的水表图像二值化处理，结合数学形态学方法提取仅含有4个红色指针的连通区域，然后采用质心法计算指针的回转中心。该方法的优点是在只有得到4个红色指针连通区域的理想情况下才能精确的定位出各指针回转中心，并且计算量小，速度快。但是当指针周围含有大量水泡，更严重的情形是有水泡完全遮挡住某个红色指针的圆形基部，如果采用用数学形态学方法提取红指针连通域的步骤，一般将会得到一些干扰的连通域，理想情况下会得到含有3个红色指针的连通区域，质心法只能计算出三个红指针的回转中心，圆形基部被水泡遮挡的红指针回转中心会缺失，最终导致无法识别指针读数。指针提取是在精确定位的各指针回转中心的基础上单独分割出4个红色指针二值图像，提取指针图像，通常采用p-分位法，该方法根据每个子表盘图像的像素数和指针区域的像素数比值计算分割阈值，对没有水泡，光照等质量较好的水表图像可以很好的提取指针二值图像，然而对于光照不均、阴影等原因导致部分指针模糊不清或有水泡遮挡指针圆形基部引起指针边界间断等情形的水表图像，p-分位法提取的指针往往会有粘连、破损、多针尖等现象。识别指针读数，常用的指针方向识别方法有四种：圆周灰度检测法、步长法、Hough变换法、模板匹配法。由于光照不均、阴影等原因导致部分指针模糊不清或有水泡遮挡指针圆形基部引起指针边界间断，此时使用圆周灰度检测法和步长法均失效，使用Hough变换法则无法正确检测出指针边界直线的指示方向。模板匹配法对水表图像的质量要求最低，需要制作50幅三角型模板图像，并计算各指针图像与模板图像的匹配度，选择匹配度最大的模板图像作为该指针图像的最佳匹配，最后根据最佳匹配的模板值计算各指针的读数。当然，初步计算的指针读数需要校正，基本思想是根据指针之间的关联，即利用下一级指针读数是否进位来校正当前指针读数。现有技术五通过计算待测水表第一个指针回转中心与最后一个指针回转中心的连线与模板中对应两个指针回转中心的连线之间的倾角对识别结果进行校正，但有些水表的指针往往存在着机械误差，即使水平校正之后，读数依然存在误差。