基于顏色提取方法的儀表彩色指針識別

冀辰宇，闞一凡，焦圣喜

(東北電力大學自動化工程學院，吉林吉林132012)

隨著人們對便捷生活方式的追求，私人汽車已經被廣泛的使用，汽車儀表指針識別技術的研究也更具意義。同時，指針式儀表也廣泛應用于工業生產中，此技術可對各類指針式儀表進行檢測，不但可以應用于儀表讀數的實時監測還可以用于儀表生產時的校驗。

表盤指針位置識別就是利用視頻監控系統對儀表指針進行實時監控并截取圖片，利用圖像處理技術，確定指針位置和角度，計算指針讀數［1］?，F有的大多數關于儀表指針的研究對象都是儀表的灰度圖［2－4］，將其轉換成二值圖以用于后續的指針刻度識別。在二值圖的轉換過程中，由于灰度圖像中已經丟失了色彩信息，因此分割閾值的選擇將會變的十分困難。而本文將指針顏色特征比較明顯的表盤作為研究重點，主要論述了如何利用顏色提取及圖像分割的方法對該類指針表盤圖像進行分析處理，達到準確定位待識別指針的目的，為正確識別指針讀數奠定基礎。下面將介紹對于紅色指針表盤的識別處理方法。

1 顏色提取原理及方法

圖1為本論文將要進行識別處理的汽車轉速表圖像。儀表圖片在自然光源的條件下獲取，但是反光或陰影等因素并不影響后期處理。由圖1可以看出，汽車轉速表主要由紅色讀數指針及報警區域、白色的刻度值以及黑色的表盤底色組成。由于紅色的指針為真正需要識別的讀數指針，因此表盤的指針位置識別的關鍵是要正確定位待識別的紅色指針，避免其他顏色的干擾。

圖1 汽車轉速表

紅色指針儀表盤圖像識別處理算法的原理是首先利用顏色提取技術確定紅色界限指針區域，然后通過圖像分割的方法提取紅色指針并將指針圖像轉換為一般灰度圖，最后對指針的二值圖像進行處理，識別指針讀數。

1 .1HIS顏色空間的坐標區域表示法

顏色提取是彩色圖像處理技術中的一種，需要對圖像的顏色特征和色彩信息進行分析、比較以及處理，選擇一個合適的顏色空間將大大簡化分析處理中的步驟和過程，并且使彩色圖像處理更加直觀和方便［5］。HIS顏色空間是視覺顏色模擬系統中的一種，可以直接面向圖像處理和運算，從RGB顏色空間到HIS顏色空間只是一個非常簡單的非線性變換，同時由于視覺顏色模型系統是與人眼對顏色感知的視覺模型相似的，所以HIS顏色空間與人眼符合著很好的視覺一致性，并且HIS中I分量(色調值)可以無差錯的定義一種顏色。因此本論文將利用HIS顏色空間作為基本的顏色空間進行接下來的顏色提取及圖像分割。

分析表明，(H)色調由紅，黃，綠，青，藍，品紅的順序變化。(I)亮度值越接近于0，顏色越趨近于黑色。(S)飽和度值越小，彩色信息越少，圖像越趨近于灰度圖像［6］。根據HIS顏色模型的特性作如下特殊處理:

(1)黑色區域:所有I＜15%的顏色均歸入黑色，即令H=0，I=0，S=0;

(2)自色區域:所有S＜10%且I＞80%的顏色歸入白色，即令H=0，I=1，S=0;

(3)灰色區域:所有S＜10%，15%＜I＜80%的顏色歸入灰色;

(4)彩色區域:位于黑色區域和白色區域以外的顏色;

這里所提到的黑色以及白色都是近似的，為近純黑色以及近純白色，灰度值是連續變化的。

1 .2直接色調匹配法

根據上面對HIS顏色空間所作的特殊處理，所有I＜15%的點和所有S＜10%的點都可看作為背景，通過逐個掃描圖像像素點的方法將滿足這兩個條件之一的像素點全部置為黑色。

再次逐個掃描圖像像素點確定紅色指針區域。像素點{X1，X2，…，Xn}對應像素點色調為{H1，H2，…，Hn}，以某點XS的色調HS為標準色，只要滿足式(1)的像素點即與XS的顏色相同或相近。

其中a為色調閾值。

因為儀表指針為紅色，所以取標準色HS=0，令色調閾值a=30，逐個掃描圖像像素點，滿足條件Hi－0＜30即被作為紅色指針區域予以保留，其余像素點全部置為黑色，如圖2所示。圖2中不但保留了指針還保留了報警區域，接下來可以將圖像二值化并進行連通域的提取，如圖3所示。然后定位提取指針的連通區域，只留下指針圖像方便后續處理，如圖4所示。到此為止，紅色指針已經被提取，指針圖像已經可以等同于單指針表盤模型進行后續的灰度圖像處理。

圖2 紅色像素點被提取保留

圖3 二值圖像連通域提取

圖4 定點連通域提取的指針

2 指針讀數判定

2.1 直線提取

Hough變換提取直線時受直線中的間隙和噪聲影響較小，所以采用Hough變換提取指針直線。它是一種變換域提取直線的方法，它將直角坐標系中的線變為極坐標系中的點，基本策略是:由圖像空間中的邊緣數據點去計算參數空間中的參考點的可能軌跡，并在一個累加器中給計算出的參考點計數，最后選出峰值。

變換后的直線可以用參數表示為

其中ρ為從原點到直線的垂直距離，θ為從x軸算起的角度，這條直線在ρ－θ平面中為一點，而通過xy平面上一點的一簇直線變換到ρ－θ平面時，將形成一條類似正弦狀的軌跡，也即x－y平面上一點對應ρ－θ平面上一條曲線。若在x－y平面上有三個共線點，它們變換到ρ－θ平面上為有一公共交點的三條曲線，交點的ρ－θ參數就是三點共線直線之參數。根據這個原理，可以用Hough變換抽取直線。通常將x－y稱為圖像平面，ρ－θ稱為參數平面。

Hough變換后得到的直線如圖5所示。

圖5 Hough變換后的指針直線

2.2 確定指針讀數

表針旋轉中心的確定是表盤讀數識別技術的關鍵，由于存在這樣一種情況，儀表指針的指向相反，但位置處于同一條直線上，通過Hough變換提取出的指針直線方程是一樣的，我們還無法通過這個方程來判斷指針是指向下方還是上方，這就需要確定指針中心的位置，因為只有確定表盤中心，才能確定指針的指示方向，并進行進一步的讀數識別。本文采用交線法確定表盤中心，即取兩張指針指向不同角度的圖像(如零刻度和滿刻度)，分別提取直線，兩直線方程聯立，求取兩條直線的交點為表盤的中心。

在運用角度法進行讀數確定之前，需提取零刻度和滿刻度時指針直線，根據表盤實際情況建立角度與讀數之間的對應關系，在通過Hough變換提取出指針直線方程后，可由斜率得出直線傾斜角度，由對應關系確定讀數。

首先，確定指針所在區域。逐點掃描指針圖像水平投影圖，將第一個黑色像素點所在的行看作為第一行，將最后一個黑色像素點所在的行看作為最后一行。第一行與最后一行之間即為黑色像素點的分布區域，水平等分該分布區域，令上半部黑色像素點數目為A1，下半部黑色像素點數目為A2，再逐點掃描指針圖像垂直投影圖，將第一個黑色像素點所處列看作為第一列，將最后一個黑色像素點所處列看作為最后一列。第一列與最后一列之間即為黑色像素點的分布區域，垂直等分該分布區域，令左半部黑色像素點數目為B1，右半部黑色像素點數目為B2。

根據投影圖的黑色像素點投影規律，可得表1。

表1 指針區域劃分

根據該結論，在Hough變換之前，需要根據指針二值圖像的水平和垂直投影圖，逐點掃描黑色像素點，判斷指針基本指向，避免發生歧義。確定指針指向是正確計算指針角度的關鍵一步。

然后，確定指針角度讀數。逐點掃描Hough變換結果圖，令第一個掃描到的白色像素點的坐標為(x1，x2)，最后一個掃描到的白色像素點的坐標為(y1，y2)，令直線與直角坐標系中x軸正方向的夾角為α，直線斜率為k。

斜率k以及夾角的計算如下式(3)所示:

儀表指針距離零刻度線的實際角度為β，零刻度線到垂直的y軸的角度為θ(θ=53°)。根據己經判斷得到的指針基本指向，可以得到角度讀數數據如表2所示。

表2 指針位置對應角度讀數

儀表指針的實際讀數n用式4求出:

3 實驗結果

本文中，讀取6張汽車轉速表表盤的圖像，得到讀數結果如表3所示。

表3 實驗檢測結果

本系統軟件讀數與人工讀數相對誤差最大為2.5%，相對誤差均值為0.81%，實際上人眼讀數，只能精確到表盤的最小刻度線，從這個意義上說，本軟件精度已達到人眼讀數精度，基本達到實際測量需要。

4 結論

本文以紅色指針提取為例，成功實現了對彩色指針的提取與識別，彩色提取技術亦可以提取不同顏色指針，它不但可以簡化單色指針儀表的識別過程，還可以應用在多顏色多指針儀表的識別中，利用彩色提取及圖像分割技術過濾掉不需要的指針，留下讀數指針進行進一步的識別。此外，如果要更好的將此識別系統應用于生產實踐中，還需要更快的識別速度和更高的識別精度，有待于進一步研究。

［1］崔行臣.數顯與指針儀表示值識別技術的研究與應用［D］.曲阜:山東師范大學，2011.

［2］張艷玲，汪仁煌.基于文理分析的儀表讀數區域定位方法［J］.計算機應用，2009，26(6):235－237.

［3］程慶國.指針式儀表信息采集系統研究［D］.廣州:廣東工業大學，2011.

［4］F.Correa Alegria，A.Cruz Serra.Computer Vision Applied to The Automatic Calibration of Measuring Instruments［J］.Measurement，2000，28(3):185－195.

［5］高成.Matlab圖像處理與應用［M］.北京:國防工業出版社，2007.

［6］韓九強，胡懷中，張新曼.機器視覺技術及應用［M］.北京:高等教育出版社，2009.