數(shù)控式分析儀器讀取預(yù)設(shè)和辦法研討
1在傳統(tǒng)的數(shù)字式儀表的采集與判讀技術(shù)中，存在著采集方法通用性不強(qiáng)、判讀自動(dòng)化程度不高或精度較低的不足。首先，數(shù)據(jù)的采集大多是通過人工協(xié)作或設(shè)計(jì)硬件接口電路的方式得到各設(shè)備儀表的實(shí)時(shí)讀數(shù)，在進(jìn)行人工或自動(dòng)化的解算。這種方法首先限制了數(shù)據(jù)采集工作的自動(dòng)化程度；其次，硬件接口電路一般是針對(duì)某一設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對(duì)性很強(qiáng)，不具有通用性，在一定程度上增大了系統(tǒng)的成本，且使用不方便。其次，表盤數(shù)字或其他信息的判讀技術(shù)需要人工干預(yù)，且精度難以達(dá)到令人滿意的程度。針對(duì)這一問題，本文旨在利用視頻輸入設(shè)備的清晰成像和靈活通用性，設(shè)計(jì)一套基于視頻采集技術(shù)的數(shù)字式儀表自動(dòng)判讀設(shè)備，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)分析判讀輸入圖像，進(jìn)行各類儀表示值的判讀。
在以往的數(shù)字式儀表自動(dòng)判讀技術(shù)中，主要研究的是指針式表盤的情形，可以根據(jù)二值化后的指針指向來判斷表盤的讀數(shù)，而對(duì)某些特殊類型的表盤，由于沒有可判斷讀數(shù)的指針，只能通過表盤上的數(shù)字來讀取表盤數(shù)據(jù)，這無疑增大了判讀的難度。本文旨在針對(duì)這種類型的儀表表盤，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用背景，進(jìn)行系統(tǒng)詳細(xì)的分析。
2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備、中心處理器、結(jié)果輸出設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備等部分。
如所示。其中數(shù)據(jù)采集設(shè)備利用攝像頭進(jìn)行數(shù)據(jù)錄取，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求選擇不同分辨率的攝像頭設(shè)備。對(duì)于需要多路數(shù)據(jù)采集的情況，該單元還應(yīng)包含視頻服務(wù)器。中心處理器負(fù)責(zé)整個(gè)算法的實(shí)現(xiàn)，以及攝像頭云臺(tái)控制等。處理結(jié)果輸出設(shè)備主要由打印機(jī)、顯示器等，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備用于存儲(chǔ)處理前后的數(shù)據(jù)和圖像信息。
3軟件設(shè)計(jì)
在本研究中需要研究判讀的數(shù)據(jù)儀表類型主要有：雙表盤格式、指針式表盤格式、液晶顯示器格式以及數(shù)碼管格式。本文著重研究了雙表盤固定指針儀表的自動(dòng)判讀算法，給出了該類型儀表示值自動(dòng)判讀的軟件算法設(shè)計(jì)流程。如所示。需要注意的是，雖然算法流程圖中左表盤和右表盤的處理方法大體一致，但在具體實(shí)現(xiàn)過程中，還是有所區(qū)別的，只是在原理上是一致的。
2中的圖像二值化過程中，包含了圖像二值化閾值的自適應(yīng)取值操作。圖像傾斜校正則是通過計(jì)算圖像中左右兩半部分的重心，兩重心點(diǎn)之間連線的斜率即可看作圖像的整體傾斜度，通過一定的坐標(biāo)變換規(guī)則即可進(jìn)行圖像傾斜校正。為達(dá)到充分校正圖像整體上下傾斜和左右傾斜的目的，在第一次校正圖像上下傾斜后，將圖像旋轉(zhuǎn)90度，在進(jìn)行一次上述的操作，即可完成對(duì)圖像左右傾斜的校正，校正完畢后再旋轉(zhuǎn)回來即可得到完全校正后的目標(biāo)圖像。為右邊圖像數(shù)據(jù)處理的詳細(xì)流程。左半部分圖像的數(shù)據(jù)處理方法類似。
4關(guān)鍵技術(shù)及算法特點(diǎn)
針對(duì)研究中遇到的具體問題，在儀表數(shù)字自動(dòng)判讀算法的研究與實(shí)現(xiàn)過程中，分別就不同的處理算法進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，實(shí)際的處理效果表明，這些算法可較好的滿足本研究課題的需要。研究處理中所采用的主要技術(shù)及特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：
4.1圖像二值化閾值的自適應(yīng)選取計(jì)算
本圖像數(shù)據(jù)處理模塊中，由于不能實(shí)時(shí)得到系統(tǒng)拍攝時(shí)的亮度信息或灰度信息，故從中心處理器的數(shù)據(jù)管理模塊中讀取的圖像數(shù)據(jù)，在進(jìn)行二值化操作時(shí)閾值的選取計(jì)算就顯得非常必要。為保障和提高數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化程度，本模塊中采用自適應(yīng)閾值計(jì)算的方法，利用改進(jìn)的Ostu算法，快速實(shí)時(shí)地計(jì)算二值化閾值，取得了較好的效果。
4.2基于投影變換的數(shù)字提取技術(shù)
本數(shù)據(jù)處理模塊是針對(duì)固定指針、雙表盤的圖像，兩個(gè)表盤分別位于指針的兩側(cè)。如何快速有效地提取表盤上的數(shù)字就成為本算法模塊的關(guān)鍵技術(shù)之一。首先考慮到攝像頭視場(chǎng)為矩形區(qū)域，而表盤為圓形，而我們所關(guān)心的只是表盤中間部分的區(qū)域信息。
故通過設(shè)定一定的參數(shù)截取圖像中間部分構(gòu)成子圖像，作為后續(xù)算法處理的基礎(chǔ)。在該子圖像的基礎(chǔ)上，利用垂直投影算法將圖像分割成左右兩部分，以分別計(jì)算左右表盤的刻度數(shù)。通過交替運(yùn)用水平投影和垂直投影技術(shù)，可將表盤上的數(shù)字分割提取出來，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)字的準(zhǔn)確框化，以提高后續(xù)數(shù)字識(shí)別算法的準(zhǔn)確性。
4.3指針坐標(biāo)及表盤刻度線的確定
在實(shí)際條件下，指針并不是總指定在刻度線上，更多情況下，是位于表盤刻度線的間隔內(nèi)，因此確定指針在表盤上的點(diǎn)同所識(shí)別刻度數(shù)字的刻度線之間的相對(duì)角度關(guān)系也是本算法模塊中的關(guān)鍵所在。對(duì)于指針在表盤上的點(diǎn)的位置的確定可采用投影的方法，垂直投影可確定橫坐標(biāo)，水平投影可確定縱坐標(biāo)。對(duì)于表盤刻度線的分布，本算法模塊中提出了對(duì)圓環(huán)進(jìn)行圓弧投影的方法，并且圓弧投影的半徑和圓環(huán)的寬度均為自適應(yīng)計(jì)算得到，無需人工干預(yù)。
4.4圖像傾斜校正技術(shù)
在大多數(shù)情況下，待識(shí)別的表盤上的刻度數(shù)字并不是處于水平狀態(tài)，這就需要進(jìn)行數(shù)字區(qū)域圖像的傾斜校正。在參閱相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，采用了斜率計(jì)算校正的方法。將待校正的數(shù)字區(qū)域圖像劃分為左右兩部分，分別計(jì)算左半部分和右半部分的像素的重心，通過計(jì)算得到的兩個(gè)中心點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算左右兩半部分像素的斜率，根據(jù)此斜率進(jìn)行相應(yīng)的像素坐標(biāo)變換，以得到校正后的圖像。值得注意的是，在實(shí)際處理過程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)校正后更加傾斜的情況，研究發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是由于數(shù)字區(qū)域圖像存在著噪聲干擾引起的，因此在進(jìn)行傾斜校正前，進(jìn)行必要的濾波處理（或進(jìn)行更加準(zhǔn)確的數(shù)字區(qū)域截取，當(dāng)噪聲干擾為較大塊區(qū)域時(shí)）是必要的。
4.5基于協(xié)同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別算法的數(shù)字識(shí)別算法
數(shù)字識(shí)別技術(shù)一直是模式識(shí)別領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，各種識(shí)別算法不斷地被提出。在諸多算法當(dāng)中，協(xié)同學(xué)識(shí)別算法是近年來得到廣泛研究的方法之一，另外還有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模板匹配法等。鑒于本算法模塊中待識(shí)別的數(shù)字模式較少，數(shù)字的變形和模糊程度也相對(duì)較小，以及協(xié)同學(xué)模式識(shí)別算法中識(shí)別結(jié)果同序參量初始值相一致的特性，故選用協(xié)同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別算法作為本算法中數(shù)字識(shí)別模塊的算法，并在研究過程中針對(duì)遇到的現(xiàn)有協(xié)同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別算法中存在的問題，提出了原型模式重構(gòu)的改進(jìn)算法，以滿足計(jì)算的快速性和準(zhǔn)確性的要求。實(shí)驗(yàn)研究表明，該方法取得了較為滿意的識(shí)別效果，原型樣本庫較小，計(jì)算量較小、效率高。
5實(shí)驗(yàn)分析
利用前面介紹的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件算法，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。實(shí)驗(yàn)條件為：采集的圖像分辨率為；中心處理器采用P－III1.7G的PC機(jī)；算法實(shí)現(xiàn)采用Matlab7.01.
為采集到的實(shí)際圖像。為進(jìn)行二值化后截取中間表盤部分的圖像。由圖中可以看出經(jīng)本文方法二值化得到的數(shù)字圖像較為清晰，可以滿足數(shù)字提取與識(shí)別得到需要。中給出了數(shù)字校正技術(shù)的應(yīng)用結(jié)果。經(jīng)過校正可減小模式識(shí)別算法中樣本庫中樣本的個(gè)數(shù)，提高識(shí)別效率。采用圓弧投影技術(shù)得到的曲線中可以清晰的分辨出圖像中刻度的標(biāo)識(shí)情況和當(dāng)前指針對(duì)應(yīng)的位置。
利用基于協(xié)同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模式識(shí)別算法，得到的最終表盤刻度判讀結(jié)果為：左邊表盤為29.417，右邊表盤為45.556.可見該識(shí)別結(jié)果的識(shí)別精度同表盤最小刻度相比要低1－2個(gè)數(shù)量級(jí)，完全可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。通過多次實(shí)驗(yàn)，本文提出的算法在大多數(shù)情況下可以較好的判讀數(shù)字式表盤，總的識(shí)別率可達(dá)到95％以上。
6結(jié)論
本文在設(shè)計(jì)了數(shù)字式儀表自動(dòng)判讀系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了儀表示值自動(dòng)判讀算法的設(shè)計(jì)流程和特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法在精確度上可優(yōu)于儀表的最小刻度級(jí)，同時(shí)具有良好的實(shí)時(shí)性，可滿足當(dāng)前各領(lǐng)域中實(shí)際應(yīng)用的需求。由于本文算法的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確度均較高，而且算法可推廣到其它類型的表盤（如指針型表盤等），因此具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。http://www.18192.cn
