摘 要

指针式仪表目前在我国各行各业普遍使用，凭借其防尘、抗干扰等优势具有不可替代的地位。但是目前大量的指针表处于人工读数状态，存在人力资源消耗大，效率低，不可在线等问题。随着数字图像处理技术的高速发展，基于数字图像处理的指针式仪表的自动化读数系统成为解决问题的有效途径。

本文以刻度均匀的指针式仪表为研究对象，基于数字图像处理理论，以opencv为工具，设计了指针式仪表的自动化读数系统。首先获取目标仪表的不包含指针的模板图像，利用模板图像获取模板的先验信息，比如仪表圆形轮廓的圆心坐标和半径、起始刻度和终止刻度的角度值信息等；然后将实时获取的仪表图像和模板图像进行特征检测、特征匹配和图像配准等，获得配准后的实时图像；最后使用中心投影法对配准的图像进行中心投影，获取指针角度，利用指针和刻度间的角度关系计算出指针示数。

本设计将复杂情形下获取实时图像的刻度信息转化为获取先验信息，大大降低了系统的复杂程度，提高了系统的稳定性和准确率，同时扩大系统的适用范围，使系统有能力对不同型号的指针仪表实现自动化读数。

关键词：指针式仪表；数字图像处理；图像配准；中心投影法

Abstract

The pointer instrument is wildly used in our country in all works of life. Because of its dustproof and anti-interference advantages, it’s irreplaceable. But at present, a large number of pointer meters are still in the state of manual reading, causing many problems, such as large consumption of human resources, low efficiency and can’t be online. With the rapid development of digital image processing technology, the automatic reading system of pointer instrument based on digital image processing becomes an effective way to solve the problem.

In this paper，the pointer instrument with uniform scale is used as the research object. Based on digital image processing theory，using OpenCV as tool，this paper designs the automatic reading system of pointer instrument. First, target pointer instrument that does not contain pointer is grabbed as template image，and the template image is used to calculate its priori information，such as center coordinates , radius of the circular contour of the pointer instrument and angle information of starting and ending scale. Then, the real time image and the template image are used for feature detection, feature matching and image registration. Last, center projection method is used to get the pointer angle of the image registered. Angle relationship between the pointer and the scale is used to calculate the result.

In this design, obtaining the scale information in a complex situation is converted to get its priori information, reducing the complexity of the system greatly and improving the stability and the accuracy of the system a lot. At the same time, the scope of application of the system is expanded，enabling the system to automatically read different types of pointer instruments.

Key Words：pointer instrument；digital image processing；image registration；center projection method

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.2 课题研究的国内外现状 2

1.2.1 指针的识别定位 2

1.2.2 刻度的识别定位 3

1.2.3 读数方法 3

1.2.4 图像配准 4

1.3 课题研究的主要内容及章节安排 4

第2章 总体设计方案 6

第3章 获取表盘信息 8

3.1 获取表盘模板 8

3.2 获取先验信息前的准备 9

3.2.1 图像二值化 9

3.2.2 边缘检测 10

3.2.3 连通域特征 11

3.2.4 最小二乘拟合圆 11

3.3 获取仪表圆心信息 12

3.4 获取仪表刻度信息 15

3.4.1 中心投影法 15

3.4.2 获取角度 15

第4章 图像配准 18

4.1 特征点检测 18

4.2 描述子计算 19

4.3 特征匹配 20

4.4 几何变换 20

4.4.1 仿射变换 20

4.4.2 透视变换 21

第5章 指针定位和读数 23

5.1 指针的识别定位 23

5.2 读数 25

5.2.1 距离法 26

5.2.2 角度法 26

5.3 整体实验结果 27

第6章 总结 29

参考文献 31

附录A 33

致谢 34

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

据有关统计，仅2012年前10个月，我国仪器仪表生产量大概一亿八千七百万台，自动化仪表生产量约有六千九百万台，比上年同期增长7.12%^[1]。

从巨大的生产量和较大的增长幅度推测，仪表广泛应用于我国各行各业。

仪表按照表示方式分为两大类：指针式和数字式。所谓指针式仪表，是指通过仪表的指针所指示的刻度来表示测量值的仪表；数字式仪表是指仪表的测量值直接通过显示屏以数字形式显示的仪表。随着电子技术、信息技术和计算机技术的快速发展，数字式仪表在各行业得到越来越广泛的使用，但是，相比数字式仪表，指针式仪表有其独特的优势，使其具有不可替代的地位，具体有如下几点^[2]：

（1）工艺简洁、成本低廉，符合企业降低成本的理念；

（2）在指针的偏转过程中，指针可以反应被测量的变化速度、变化趋势和变化范围，直观表达预警信息，数字式仪表在这方面不具优势；

（3）指针式仪表对环境的敏感程度小，适应性更强，而数字式仪表在高温、潮湿等环境下很可能无法正常使用。

指针式仪表具有防尘、抗干扰等诸多优点，在我国众多行业，尤其是石油、化工、电力等，指针表依旧是首选。

根据国家规定以及企业生产需求，指针式仪表需要定期检测以保证仪表示数正常，或者在某些情况下需要对指针表进行监控，指针仪表的读数成为一项十分单调频繁，但又不可或缺的任务^[3]。目前大部分指针表的读数方式采用人工读数，这种方式具有如下几个问题^[4]：

（1）人力资源消耗巨大。我国指针表的使用量巨大，采用人工读数势必造成大量的劳动力需求。

（2）效率低，错误率高。简单重复的枯燥工作容易造成工作人员疲劳，降低工作效率，而且人员疲劳可能造成一些数据的读数和记录出现误差，造成损失。

（3）人工不可达。在某些情况下，比如辐射、高噪声、高温、高空等，传统人工方法无法完成读数任务。

（4）不可在线。在网络高速发展的今天，人工方法不能实现在线读数。

指针式仪表的传统人工读数方法面临日益严峻的挑战，针对指针式仪表传统人工读数方法存在的各种不足之处，研究设计一种具有广泛适应性的指针式仪表的自动化读数识别系统，不仅具有理论研究层面的意义，还具有改进、创新，降低成本的重要实践价值。数字图像处理技术和计算机视觉技术的飞速发展，为这一问题的解决提供的新的思路和方法。近年来，数字图像处理技术发展势头迅猛，后劲大，成为一门具有强大生命力的学科，特别是与计算机技术相结合，两者相辅相成，广泛应用于各行各业，比如人工智能、人脸识别、医学研究、工业检测监控等，也为指针式仪表的自动化读数研究指明了一条路，基于数字图像处理的指针式仪表读数识别是解决问题的热点方向^[5]。

数字图像处理通过计算机对图像进行去除噪声、增强、分割、提取特征等处理，它是将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的一系列过程^[6]。数字图像处理和计算机视觉既有区别，又联系紧密。计算机视觉是指利用计算机来模拟人类的视觉功能，计算机采集外界图像信息，利用相关算法分割出目标图像，并像人类一样能够在一定程度上理解图像中的事物，代替人工完成检测、控制等任务^[7]。如今各种电子设备都在朝着自动化、网络化、高效化、智能化方向发展，计算机视觉系统在整个系统中是实现最终目标的不可或缺的模块。

在指针式仪表的自动识别中引入数字图像处理技术，用一个摄像头就可以实现对仪表进行监控，并且是全天候的监控，而不是间隔的检查，这大大解放了人力资源，而且，没有人工的读数、记录和输入输出，取而代之的是实时的自动化过程，大大提高了整个系统的工作效率，实现在线读取数据，同时提高了数据的正确率，减少错误判断。在人力成本不断上升的今天，在信息化、自动化的今天，指针式仪表的自动化读数识别系统这一设计的实现无疑是企业所追求的。

1.2 课题研究的国内外现状

基于数字图像处理的指针式仪表读数识别的主要任务是指针的识别定位、刻度的识别定位、图像配准和读数等。

1.2.1 指针的识别定位

指针的识别有中心投影法、差影法等，指针的定位有Hough变换和最小二乘等方法。

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