复杂环境下数显式仪表数码管定位与识别方法.pdf

第第44卷 第卷 第4期期 2018年年4月月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 4 Apr 2018 文 章 编 号 文 章 编 号 6 7 1 -2 51X 201804-0085-05 D O I10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2017100053 复 杂 环 境 下 数 显 式 仪 表 数 码 管 定 位 与 识 别 方 法 张历S 刘斌S 桂军国S 金运玉张程杜兵刘博2 1 .贵 州 电 网 有 限 责 任 公 司 电 力 科 学 研 究 院 ，贵州贵阳贵 州 电 网 有 限 责 任 公 司 电 力 科 学 研 究 院 ，贵州贵阳550002 2. W uhan Z hongyuan H uadian Science and Technology C o. ，. ， L td .， W uhan 430223, C hina A bstract Lor problem that digital tube of digital display instrum ent is difficult to locate and accurately recognize in robot inspection system of m ine equipm ent high-voltage distribution room，， a location and recognition m ethod of digital tube of digital display instrum ent under com plex environm ent w as proposed. In aspect of digital tube location，， feature graph and m ark-based w atershed algorithm are used to roughly locate digital tube. T hen binary im age is obtained by use of O tsu threshold m ethod and m ark-based 收稿日期收稿日期2017-10-17;修回日期修回日期2018-03-23;责任编辑 盛男。责任编辑 盛男。 基金项目 中国南方电网重点科技项目（基金项目 中国南方电网重点科技项目（GZKJQQ00000164。。 作者筒介 张历作者筒介 张历（1990 ） ， 男 ， 贵州贵阳人， 工程师， 硕士， 主要从事电网自动化方面的研究工作，） ， 男 ， 贵州贵阳人， 工程师， 硕士， 主要从事电网自动化方面的研究工作，E-mail498143049qq com。。 引用格式 张 历 ， 刘 斌 ， 桂军国， 等引用格式 张 历 ， 刘 斌 ， 桂军国， 等.复 杂 环 境 下 数 显 式 仪 表 数 码 管 定 位 与 识 别 方 法 工 矿 自 动 化 ，复 杂 环 境 下 数 显 式 仪 表 数 码 管 定 位 与 识 别 方 法 工 矿 自 动 化 ，2018,4445-89. ZHANG Li， LIU Bin, GUIJunguoet al. Location and recognition of digital tube of digital display instrument under complex environ.ment[J]. Industry and Mine Automation,2018,444 85-89. [14] MAKAINO Y, SONG H,DOKI S A position sensorless control for IPMSM at low speed based on current response at zero voltage vector withoutany additional signal injection [C ]// IEEE Symposium on Sensorless Control for Electricll Drives,Nadi,2016 1-4. 2012,277 139-145. LIU Ying , ZHOU Bo , FENG Ying , et al Sensorless control of SPMSM based on high frequency current signal injection in the direct axis at low and zero speed [J]. Transactions of China Electrotechnical Society , 2012，，2 7 “ 139-145. [ 5 ]刘 颖 ，周 波 ，冯 瑛 ，等刘 颖 ，周 波 ，冯 瑛 ，等.基 于 脉 振 高 频 电 流 注 入基 于 脉 振 高 频 电 流 注 入 SPMSM低 速 无 位 置 传 感 器 控 制 电 工 技 术 学 报 ，低 速 无 位 置 传 感 器 控 制 电 工 技 术 学 报 ， 86 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 w atershed algorithm and split by projection, so as to get digital tube character. N on-digital tube area is excluded by local binary pattern feature and support vector m achine classification algorithm , w hich can im prove location accuracy of digital tube. In aspect of digital tube character recognition, self-adaptive C anny algorithm is used to extract edge of digital tube character. T hen R adon trans is adopted to estim ate tilt angle of digital tube character, and filter tem plate is used to rem ove noise. Finally, threading m ethod is introduced to recognize digital tube character. T he experim ental results show that the m ethod has high location and recognition accuracy, w hich can adapt to different lighting, digital tube size and tilt angle. Key w ords robot inspection system of high-voltoge distribution ro o m；； digital display instrum ent; digital tube location；； character recognition; O tsu threshold m ethod; m ark-based w atershed algorithm ; R adon trans ation；； threading m ethod 〇引 言〇引 言 随 着 矿 山 自 动 化 的 发 展 ， 在 矿 山 设 备 高 压 配 电随 着 矿 山 自 动 化 的 发 展 ， 在 矿 山 设 备 高 压 配 电 室 机 器 人 巡 检 系 统 中 ， 数 显 式 仪 表 数 码 管 定 位 和 识室 机 器 人 巡 检 系 统 中 ， 数 显 式 仪 表 数 码 管 定 位 和 识 别 是 一 个 重 要 的 研 究 内 容别 是 一 个 重 要 的 研 究 内 容[12]。 数 码 管 定 位 的 常 见。 数 码 管 定 位 的 常 见 方 法 是 通 过 边 缘 或 颜 色 特 征 定 位 数 码 管 区 域 。方 法 是 通 过 边 缘 或 颜 色 特 征 定 位 数 码 管 区 域 。 但 实 际 上 数 码 管 嵌 人 在 复 杂 的 设 备 中 ， 其 字 符 的 发但 实 际 上 数 码 管 嵌 人 在 复 杂 的 设 备 中 ， 其 字 符 的 发 光 程 度 、 颜 色 、 大 小 并 不 全 部 相 同 ， 因 此 使 用 常 见 的光 程 度 、 颜 色 、 大 小 并 不 全 部 相 同 ， 因 此 使 用 常 见 的 水 平 灰 度 变 化 特 征 法 、 边 缘 检 测 法 、 颜 色 特 征 法 、 最水 平 灰 度 变 化 特 征 法 、 边 缘 检 测 法 、 颜 色 特 征 法 、 最 大 稳 定 极 值 区 域 法 和 笔 画 宽 度 变 换 法 均 不 能 有 效 确大 稳 定 极 值 区 域 法 和 笔 画 宽 度 变 换 法 均 不 能 有 效 确 定 数 码 管 区 域 。 数 码 管 字 符 识 别 的 常 用 方 法 有 穿 线定 数 码 管 区 域 。 数 码 管 字 符 识 别 的 常 用 方 法 有 穿 线 法 ）法 ）; ]， 但 光 照 不 均 勻 或 数 码 管 字 符 倾 斜 会 导 致 穿 线， 但 光 照 不 均 勻 或 数 码 管 字 符 倾 斜 会 导 致 穿 线 法 识 别 错 误 。 鉴 此 ， 本 文 提 出 了 一 种 复 杂 环 境 下 数法 识 别 错 误 。 鉴 此 ， 本 文 提 出 了 一 种 复 杂 环 境 下 数 显 式 仪 表 数 码 管 定 位 与 识 别 方 法 ， 并 通 过 试 验 验 证显 式 仪 表 数 码 管 定 位 与 识 别 方 法 ， 并 通 过 试 验 验 证 了 该 方 法 的 有 效 性 。了 该 方 法 的 有 效 性 。 1数 码 管 定 位数 码 管 定 位 1.1 数码管初步定位 首 先 根 据 数 码 管 的首 先 根 据 数 码 管 的R G B颜 色 空 间 得 到 显 著 特颜 色 空 间 得 到 显 著 特 征 图 征 图 / dif ， m a x /r ， ， / g ， ， / b ， ， 一一 m i n / r ，，/ g ，/ b ， ） ）（， ） ）（1 式 中 式 中 / r ， ） ， /g ， ） ， /b ， ）分 别 为 图 像 中， ）分 别 为 图 像 中 RG B 3个 通 道 的 分 量 ； （个 通 道 的 分 量 ； （ 为 图 像 像 素 坐 标 。为 图 像 像 素 坐 标 。 然 后 根 据 特 征 图 像 素 值 大 小 ， 采 用 标 记 分 水 岭然 后 根 据 特 征 图 像 素 值 大 小 ， 采 用 标 记 分 水 岭 算 法 ）算 法 ）]对 特 征 图 像 进 行 标 记 ， 其 中 像 素 值 越 大 的 区对 特 征 图 像 进 行 标 记 ， 其 中 像 素 值 越 大 的 区 域 属 于 数 码 管 区 域 的 可 能 性 越 大 。 最 后 ， 通 过 连 通域 属 于 数 码 管 区 域 的 可 能 性 越 大 。 最 后 ， 通 过 连 通 域 查 找 算 法 得 到 数 码 管 区 域 。域 查 找 算 法 得 到 数 码 管 区 域 。 1.2 数码管字符分割 数 码 管 区 域 含 有 多 个 数 码 管 字 符 ， 因 此 需 要 根数 码 管 区 域 含 有 多 个 数 码 管 字 符 ， 因 此 需 要 根 据 颜 色 和 边 缘 特 征 进 行 分 割 。 首 先 将 图 像 灰 度 化 ，据 颜 色 和 边 缘 特 征 进 行 分 割 。 首 先 将 图 像 灰 度 化 ， 通 过 合 理 选 择 一 般 灰 度 化 或 最 大 值 灰 度 化 的 方 法通 过 合 理 选 择 一 般 灰 度 化 或 最 大 值 灰 度 化 的 方 法 式 （式 （2 ， 防 止 数 码 管 亮 度 过 暗 而 造 成 边 缘 丢 失 。， 防 止 数 码 管 亮 度 过 暗 而 造 成 边 缘 丢 失 。 f Lx,y {/G.x，y m e a n /G ，，y 5 3 ⑵⑵ lm a x /r , y , / gx，y ，/ bx，y 其 他其 他 式 中式 中/l ，，y 为 最 佳 灰 度 化 图 像为 最 佳 灰 度 化 图 像； /g ，，y 为 一 般 为 一 般 灰 度 化 后 的 图 像灰 度 化 后 的 图 像， /g ，，y 0 99/r , y l 0. 5 8 7 /g ，，y 0 . 1 1 4 /b , y ;M 为 设 定 的 阈 值 ，为 设 定 的 阈 值 ， 一 般 取一 般 取190。。 得 到 灰 度 图 像 后 ， 不 是 所 有 图 像 都 具 有 相 同 灰得 到 灰 度 图 像 后 ， 不 是 所 有 图 像 都 具 有 相 同 灰 度 级 范 围 ， 因 此 对 数 码 管 的 初 步 定 位 区 域 进 行 灰 度度 级 范 围 ， 因 此 对 数 码 管 的 初 步 定 位 区 域 进 行 灰 度 拉 伸拉 伸） ]， 将， 将8位 灰 度 图 像 的 灰 度 级 归 一 化 到位 灰 度 图 像 的 灰 度 级 归 一 化 到0〜〜255。。 实 际 数 码 管 图 像 样 本 中 前 景 区 域 和 背 景 区 域 之实 际 数 码 管 图 像 样 本 中 前 景 区 域 和 背 景 区 域 之 间 会 存 在 由 数 码 管 光 晕 造 成 的 过 渡 区 域 ， 且 不 同 数间 会 存 在 由 数 码 管 光 晕 造 成 的 过 渡 区 域 ， 且 不 同 数 码 管 区 域 的 字 符 大 小 也 不 相 同 ， 采 用 大 津 阈 值 法 对码 管 区 域 的 字 符 大 小 也 不 相 同 ， 采 用 大 津 阈 值 法 对 灰 度 图 像 进 行 二 值 化 处 理 时 ， 对 于 清 晰 和 较 大 的 数灰 度 图 像 进 行 二 值 化 处 理 时 ， 对 于 清 晰 和 较 大 的 数 码 管 字 符 有 较 好 的 处 理 效 果 ， 而 对 模 糊 或 较 小 的 数码 管 字 符 有 较 好 的 处 理 效 果 ， 而 对 模 糊 或 较 小 的 数 码 管 字 符 则 处 理 效 果 不 佳码 管 字 符 则 处 理 效 果 不 佳[10]。 因 此 ， 将 大 津 阈 值 法。 因 此 ， 将 大 津 阈 值 法 与 标 记 分 水 岭 算 法 相 结 合 ， 即 在 大 津 阈 值 法 求 出 的与 标 记 分 水 岭 算 法 相 结 合 ， 即 在 大 津 阈 值 法 求 出 的 图 像 分 割 阈 值 基 础 上 ， 加 上 一 个 适 当 的 固 定 值 作 为图 像 分 割 阈 值 基 础 上 ， 加 上 一 个 适 当 的 固 定 值 作 为 上 界 ， 减 去 一 个 适 当 的 固 定 值 作 为 下 界 ， 以 此 作 为 标上 界 ， 减 去 一 个 适 当 的 固 定 值 作 为 下 界 ， 以 此 作 为 标 分 水分 水 法 的 标法 的 标 标标 分 水分 水 法法 到到 二二 值 图 像 。 之 后 对 二 值 图 像 进 行 投 影 分 割 ， 得 到 单 个值 图 像 。 之 后 对 二 值 图 像 进 行 投 影 分 割 ， 得 到 单 个 。。 1.3 非数码管区域排除 局 部 二 值 模 式 （局 部 二 值 模 式 （Local B inary P attern , L B P 是 是 一 种 用 来 描 述 图 像 局 部 特 征 的 算 子 ， 具 有 灰 度 不 变一 种 用 来 描 述 图 像 局 部 特 征 的 算 子 ， 具 有 灰 度 不 变 性 和 旋 转 不 变 性 等 优 点性 和 旋 转 不 变 性 等 优 点，L B P特 征 提 取 流 程 如 图特 征 提 取 流 程 如 图1 所 示 。所 示 。 采 用 支 持 向 量 机 （采 用 支 持 向 量 机 （Support V ector M achine，， SV M 对 对L B P特 征 进 行 二 元 分 类特 征 进 行 二 元 分 类[11]， 从 而 排 除 非 数， 从 而 排 除 非 数 码 区 域 。 由 于 图 像 样 本 数 量 有 限 ， 为 防 止 过 拟 合 情码 区 域 。 由 于 图 像 样 本 数 量 有 限 ， 为 防 止 过 拟 合 情 况 发 生 ， 选 择况 发 生 ， 选 择SV M核 函 数 为 线 性 核 函 数 ， 此 外 ， 为核 函 数 为 线 性 核 函 数 ， 此 外 ， 为 2 0 1 8 年 第 期张 历 等 复 杂 环 境 下 数 显 式 仪 表 数 码 管 定 位 与 识 别 方 法 87 丨图像缩放固定大小丨 |图像划分为全干个子区域 |计算每个子区域中每个像素的LBP值1 对子区域中每个像素的LBP值统计 直方图并归一化， 形成直方图向量 |连接所有子区域的直f图向量， 形成LBP特征| 图图1 LBP特 征 提 取 流 程特 征 提 取 流 程 Fig. 1 LBP feature extraction flow 使使S V M分 类 算 法 具 有 很 好 的 泛 化 能 力 ， 采 用 交 叉分 类 算 法 具 有 很 好 的 泛 化 能 力 ， 采 用 交 叉 验 证 和 网 格验 证 和 网 格 [1213]。[1213]。 2数 码 管 字 符 识 别数 码 管 字 符 识 别 2. 1 字 符 倾 斜 角 度 估 计字 符 倾 斜 角 度 估 计 用用C anny 取 数 码 管 字 符 边 缘 [14]。取 数 码 管 字 符 边 缘 [14]。 由 于 数 码 管 字 符 的 亮 度 不 同 ， 不 同 图 像 中 数 码 管 字由 于 数 码 管 字 符 的 亮 度 不 同 ， 不 同 图 像 中 数 码 管 字 强 弱 并强 弱 并 致 ， 所 以 需 要 自 适 应致 ， 所 以 需 要 自 适 应 C anny 法 的 高法 的 高 ， 流 程 如 图， 流 程 如 图2所 示 。所 示 。 I计算图像水平和垂直方向的梯度I ♦ [“将水平和垂直方向的梯度相加， 得到梯度直方图I 高阈值为/lgmax/255,其中/ 为累计梯度 直方图达到95时所对应的梯度级,gmaxS 图像梯度最大值;低阈值为高阈值的40 图图2自 适 应自 适 应Canny算 法 阈 值 参 数 获 取 流 程算 法 阈 值 参 数 获 取 流 程 Fig. 2 Acquisition flow of threshold parameters of self-adaptive Canny algorithm 管 字 符 倾 斜 角 度管 字 符 倾 斜 角 度。 2. 2 字 符 识 别字 符 识 别 于 数 码 管 的 发 光 特 性 ， 数 码 管 字 符 图 像 会 存于 数 码 管 的 发 光 特 性 ， 数 码 管 字 符 图 像 会 存 的 噪 点 ， 所 以 采 用的 噪 点 ， 所 以 采 用 模模 除 噪 点 ， 滤 波 模除 噪 点 ， 滤 波 模 板 如 图板 如 图3所 示所 示。将将 模模 放 到放 到 码 管码 管 一 一 样 大 小 ， 然 后 对 模样 大 小 ， 然 后 对 模 码 管码 管 与与 ， 再 使， 再 使 用 图 像 形 态 学 的用 图 像 形 态 学 的 消 除 噪 点消 除 噪 点。数 码 管数 码 管 图图 后 ， 采 用 穿 线 法后 ， 采 用 穿 线 法 别 如 口 图别 如 口 图4 所 示 ， 其 中所 示 ， 其 中H为 图 像 高 度 ，为 图 像 高 度 ，W为 图为 图 度度。穿 线 法穿 线 法 检 测 竖 直 的检 测 竖 直 的1条 二 等 分 线 和 水 平 的条 二 等 分 线 和 水 平 的2 等 分等 分 线 是 否 与 数 码 管线 是 否 与 数 码 管 7条 线 段 （条 线 段 （a，，b，，c，，d，，e，，f，，g 到 数 码 管到 数 码 管 二二 码 （ 相 交 为码 （ 相 交 为0,不 相 交,不 相 交 为为1， 见 表， 见 表1， 进 而 识 别 出 数 码 管， 进 而 识 别 出 数 码 管 。数 字数 字“ 1”由由 于 其 特于 其 特 ， 可 利 用 图， 可 利 用 图 与 高 的与 高 的 判 断判 断。 图图3滤 波 模 板滤 波 模 板 Fig. 3 Filter template 图图4穿 线 法 原 理穿 线 法 原 理 Fig. 4 Principle of threading 表表1数 码 管 字 符 二 进 制 编 码数 码 管 字 符 二 进 制 编 码 Table 1 Binary coding of digital tube character 然然 后后 用用 R adon 变变 计计 码码 管管 倾倾 角角字符字符相相 二二字符字符相相二二 度 。度 。R ad o n变 换 是 将变 换 是 将 图 像 矩图 像 矩 角 度角 度2abdeg0010010Aabcefg0001000 线 方 向 上 做 投 影 变 换线 方 向 上 做 投 影 变 换[15]， 即 将 图 像， 即 将 图 像/ x，，y 在 任在 任3abcdg0000110Bcdefg1100000 意 角 度 为意 角 度 为0的 直 线 上 的 投的 直 线 上 的 投 为 沿为 沿 该 直 线 方该 直 线 方4bcfg1001100Cadef0110001 向 上 的 线 积 分 。向 上 的 线 积 分 。/ x，y 的的R ad o n变 换 为变 换 为5acdfg0100100D bcdeg1000010 p Rdx \ /x cos 6 sin dx sin d 2 6acdefg0100000Eadefg0110000 p 7abc0001111F aefg 0111000 cos 6d 3 8abcdefg0000000Pabefg0011000 式 中 式 中 R /x y abcdfgbcefg _ / _ 90000100H1001000 为（为（X，，y 旋转旋转6后的坐标，后的坐标， x / 0abcdef0000001- g1111110 L y」」 R ad o n变 换 用 于 计 算 数 码 管 字 符 边 缘 在 某 一 角变 换 用 于 计 算 数 码 管 字 符 边 缘 在 某 一 角 度 的 投 影 积 分 ， 积 分 最 大 值 所 对 应 的 角 度 即 为 数 码度 的 投 影 积 分 ， 积 分 最 大 值 所 对 应 的 角 度 即 为 数 码 c o s6s in6x - s i n6c o s6y 1试 验 结 果试 验 结 果 在 矿 山 设 备 高 压 配 电 室 随 机 拍 摄在 矿 山 设 备 高 压 配 电 室 随 机 拍 摄3 0张 图 像 样张 图 像 样 本 ， 图 像 尺 寸 为本 ， 图 像 尺 寸 为2 976 乂乂 3 968。在 配 置 为 丨在 配 置 为 丨7 -5 5 0 0 88 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 的C PU和 4G B内存的计算机上对复杂环境下数 显式 码管 与识别方法 试验， 结果见 表 2。可看出该方法 率 为 98. 6 ， 识别准 确率达100。 表表2试 验 结 果试 验 结 果 Table 2 Experimental result 码管码管 72 数码管字符个数数码管字符个数261 码管码管1 漏定位数码管个数漏定位数码管个数0 正正 别 码 管别 码 管261 不同光照、 数码管大小和数码管字符倾斜情况 下的数码管 与识别结果分别如图5图 ；所 示 ， 可看出该方法能在复杂环境下有效定位数码管 区域并 别数码管 。 光照正常光照正常 （（b 光照弱光照弱 图图5不 同 光 照 下 数 码 管 定 位 与 识 别 结 果不 同 光 照 下 数 码 管 定 位 与 识 别 结 果 Fig. 5 Location and recognition results of digital tube under different lighting 图图6不 同 大 小 数 码 管 定 位 与 识 别 结 果不 同 大 小 数 码 管 定 位 与 识 别 结 果 Fig. 6 Location and recognition results of digital tube with different size ATC230M10Z Q Q 真特达 图图7数 码 管 字 符 倾 斜 时 定 位 与 识 别 结 果数 码 管 字 符 倾 斜 时 定 位 与 识 别 结 果 Fig. 7 Location and recognition result under tilted digital tube character 4结 语结 语 提出了一种复杂环境下数显式仪表 数码管定位 与识别方法。针对数码管 ％ 用特征 图 标记分水 法 码管 ， 然后 使用大津 法和标记分水 法得到二值图像并 投影分割 ， 最后提取图像L B P特征并采用 SVM分类算法对非数码管 除;针对数码 管 别， ， 用自适应Canny算法稳定获取 码管 ， 在此基础上运用Radon变 E估 计数码管 的倾斜角度， 然后用滤 波模 除由 光照不同所 的噪点， 最后使用穿线法完 码 管 别。试验结果表明， 该方法能在复杂环境 下 与识别不同光照、 数码管大小 码管 倾 下的数码管％ 别 率高％ 交 高的实际工程应用价值。 参 考 文 献 （参 考 文 献 （References 1 * GHOSH S SHIT S. 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