摘 要

当前，虽然各类电子仪表发展迅猛，快速进入社会生活的方方面面，但是机械式指针仪表因为其在使用上的简单可靠，价格成本上的低廉，以及维护上的方便等诸多优点仍广泛应用于许多大型工矿企业和电力等部门的生产生活中。本文借助OPENCV和MATLAB软件对指针式模拟表盘进行读数识别，并将结果传输至计算机保存，便于统一管理与分析。

论文主要研究了模拟高低机械表盘在使用过程中的指针自动识别读数功能。针对识别精度的要求，提出一种粗精读表盘结合的设计与实现，详细介绍了系统中所采用的指针定位及读数识别的算法。对表盘图像识别中的图像预处理算法进行了初步研究，介绍了表盘识别的意义，及图像的边缘检测和二值化的方法，并通过程序运行得到了图像处理后的结果。实验结果证明了文中的图像识别在模拟表头读数中的有效性。

本文的特色：采用一种通过获取指针偏转角再通过设计的算法获取表盘读数的方法，能自动获取任意时刻表盘的读数；表盘的选择上采用粗读与精度相结合的方法，二者分开读数，最终结果为二者相加，与传统的单一表盘读数而言，读数误差进一步缩小。

关键字：指针式模拟表盘 识别 数字图像处理

Abstract

At present, although the rapid development of various types of electronic instruments, quick access to all aspects of social life, but mechanical pointer instrument are still widely used in many large industrial and mining and power sector production and life because of its simplicity in the use of reliable, affordable cost, and ease of maintenance of the many advantages.

Recognition accuracy requirements for proposed crude Intensive Design and implementation of a combination of dial, detailing the pointer positioning and reading system employed in the recognition algorithm. To dial image recognition image preprocessing algorithm were studied, it describes the meaning of the dial edge recognition, and detection and image binarization method and the results obtained through the program to run after the image processing. Experimental results show the effectiveness of the text in the image recognition in the analog meter readings.

Features of Text: reacquisition uses a dial readings by designing an algorithm method to obtain a pointer deflection angle, which can automatically obtain an arbitrary timetable disk reading; read coarse and precision method of combining dial choice, the two separate readings the final result is the sum of both, with the traditional single dial readings, the reading error is further reduced.

Key words:Analog dial Recognition Digital Image Processing

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 国外研究现状 1

1.3 国内研究现状 2

第2章 图像处理概述 3

2.1 图像处理的分类 3

2.2 数字图像处理的主要内容 3

2.3 数字图像处理的主要特点 4

第3章 Windows环境下的视频接收、显示 6

3.1 OpenCV构成特点与使用方法 6

3.2 OpenCV2.4.9 VS2013开发环境配置 7

3.3 OpenCV读取摄像头并显示 9

3.4 MATLAB构成特点与使用方法 9

3.5 图像采集及传输装置设计 10

3.5.1 图像采集 10

3.5.2 图像传输系统 11

3.5.3图像采集与传输系统的设计 12

第4章 图像处理与仪表数据的读取 13

4.1 图像预处理 14

4.1.1 图像去噪处理 14

4.1.2 图像增强 14

4.1.3 灰度变换 15

4.1.4 图像二值化 16

4.1.5边缘检测 17

4.2 指针识别 18

4.3 读数识别 20

第5章 全文总结 22

致 谢 23

参考文献 24

附录A：表盘数据粗读程序 25

附录B：表盘数据精读程序 28

附录C：主程序 31

第1章 绪论

随着工业系统自动化，智能仪表等设备的迅猛发展，自动读表及远程传送已经成为当下人们研究的热点。本文的基于图像识别的表盘读数系统是一种通过摄像头获取所需识别的图像，然后远程传送至计算机，计算机接收后通过图像处理和模式识别的方法自动获取读数值的系统。本文以高差测量盘为研究对象，其识别原理对其他机械式仪表同样适用。

本文分析了自动仪表读数的现状和发展趋势，针对摄像直读仪表系统的研究给出了其实现的硬件系统和使其实现的软件平台。图像采集方面，首先利用摄像头输出模拟表盘的模拟图像，再通过CPU的视频解码调制器获取表盘的数字图像，再通过模式识别技术得到表盘读数。在算法识别过程中，综合运用了边缘检测，形态学处理，及快速Hough变换等方法完成随机角度刻度指针识别及定位。

1.1 研究的目的及意义

对于绝大多数的指针式仪表而言，人工识别仍是当前使用较多的读数方法，尤其是一些对精读要求较高的仪表，人眼虽能很直观的读出仪表的示数，但是这种方法夹杂了太多的人为产生的不确定因素，即不同的人面对同一台仪表可能会得到不同的读数结果，于是在某些精读要求较高的场合，这种差别就会产生较大的误差，而且人长时间面对同一个对象通常会出现视觉疲劳，使得数值被读错的可能性大大增加，容易造成人为的误差。于是，人们就在想能否通过设计出一种自动获取图像并获取读数的系统，这样不但有效降低了工作强度，减轻了工作量，而且读数的准确度也大幅提升，工作效率也就上来了。当工业设备的能耗参数指标体系建立以后，通过计算机的实时监控就可以清楚的了解到各设备的能耗情况以及工作状态以便及时准确的发现问题，这样可以一定程度上减少能源的消耗，提高能源利用率，优化能源结构，提高生产效率，具有良好的经济效益和社会效益。

电子技术的迅速发展，使得机械式仪表的自动化读数成为人们研究的重点，该设计给出了一种基于VS和MATLAB软件图像自动获取指针读数的方案，一方面代替人眼完成了仪表盘的检测，使得读数的准度和效率得到有效提升。用图像识别的概念判读指针式仪表读数的研究已经取得了相当多的成果。其中大部分都是利用指针的偏转角度来识别仪表读数：先计算出零刻线与满刻线直接的角度，再计算出指针与零刻线之间的夹角，二者比值与满量程的乘积即为表盘此时读数。

1.2 国外研究现状

国外对于图像处理的研究相较国内而言起步更早，技术也相对成熟。比如德国的mahr公司上世纪80年代已经研究出针对指针式仪表的自动检定系统（如875自动刻度表检定机）。该仪器采用高清摄像头来进行图像的采集，之后运用数字图像处理技术来确定刻度表指针的角度及位置等参数，之后进行分析和判定，能够实现快速、精确的检测。但这类仪器的价格相对较贵，对于普通使用者而言，投入成本相当大。随后，sablatnig等人提出了利用霍夫变换来检测指针式仪表读数的方法。90年代中期，以韩国的Kyong-Ho Kim为代表的团队最终完成了在核基地使用的数字仪表盘分割，应用到比较热门的阈值和区域分割法，在经过一整套的措施后，实现了仪表的全自动识别方法。Correa Alegria团队则先利用摄像头采集到的图像，经无线传输设备传输到计算机后，经过特定的方法处理和保存图像，初步完成指针仪表检测，再通过霍夫变换检测图像中的直线，定出指针的位置，识别出指针所指角度，然后根据已经制定的算法计算出指针的读数。

1.3 国内研究现状

我国的图像识别技术起步较晚，目前使用的仍然是机械式的表盘自动检测系统，需要人眼去识别和记录。近几年，虽然国内也有相关的研究开发成果，但产品大都处在改进、成熟和推广的初级阶段。华电的李宝树教授所带的研究团队对指针仪表的识别在学术方面的研究颇深，他们在原有的指针角度识别的基础上采用一种距离判定的方法，对指针识别技术产生了深远影响。孙凤杰团队考虑到光线可能对图像识别产生的影响因而在前人研究的基础上，提出了一种新的提取方法，克服了天气等原因对读数的影响，并且也取得了较好的效果。在对飞机座舱内仪表的读数识别系统中，以王后枢为代表的研究团队采用了直接对图像进行二值化的方法，然后通过一定的变换来获取指针和刻度的位置，该种方法有效滤掉了光线变化和可能的噪声对整个读数系统的影响，一旦检测到刻度和指针的位置，便可以通过确定表盘的圆心来确定指针偏转角，由这种固定的角度关系可以提取出此时的读数值，尽管这种识别方法目前已知会存在误差，但完全在可控范围内，对精读的要求还是有保证的，并且这种识别方法相较于人眼的直接识别已经有了很大的提高，出厂测试也获得了成功。在此后，以钟明慧为代表的研究团队克服了传统读数识别在距离上的限制，提出一种机械式仪表的表盘数据自动读取，它不但突破了读数识别在距离上的限制，成功地将图像通过无线传输设备输送到计算机后读取仪表数据，而且延迟较小，读数也相对准确，在线测试也获得成功，这种识别方法所需要的设备简单，安装上也并不复杂，适用于某些危险场合而又不得不使用的仪表盘识别。到本世纪，以杨晓梅为代表的研究团队提出原理类似于车牌识别的新的识别方法，它是一种基于高斯模型的混合型识别方法。到现在，何智杰等人又提出设计一种较新的表盘读数的识别方法，这种方法基于霍夫变换和中心投影分析方法，比较适合当前对精读要求比较高的场合，它已经完全实现了表盘的全自动识别，并且在不论速度还是精读上都有较大提升。宁志刚团队则提出一种基于脊波的高精度指针仪表的读数法，也是先提取出整个表盘中的直线，然后全自动跟踪读取数据。