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摘要：设计了一种利用图像识别技术对指针式仪表的数据进行自动采集方法，该方法无须对现有仪表更换和管线改造，信号采集稳定可靠、使用简单方便。
关键词：指针仪表、图像识别、采集
Abstract: the design of image recognition technology to pointer type instrument data automatic acquisition method, this method does not need to change to the existing instrument and pipeline transformation, signal acquisition stable and simple to use convenient.
Keywords: pointer instrument, image recognition, collection
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
1 引 言
视频监控系统在电力、通信、交通和水利等领域及银行、工厂、博物馆、宾馆中得到了广泛应用，以实现生产过程监控、调度、防盗、防火等功能，在监控过程中利用声、光、电进行综合报警；图像识别技术在文字识别、指纹识别、人脸识别、产品检测、军事侦察、气象分析、病理分析、自然灾害预测等方面也得到了应用。
在我国的电力、石油化工行业中都安装了视频监控系统，可以实现监视现场设备。但这些视频监控系统只有视频监视功能，没有视频图像识别功能，为了充分发挥视频监控系统的功能，将数字图像处理技术运用在仪表读数的识别中，包括设备信号灯的亮与灭、指针位置、七段式数字、开关位置和变压器油液面进行识别和监控。
指针式仪表具有结构简单、维护方便，具有防尘、防水、防冻措施，不受电磁场干扰，可靠性高，价格便宜等优点但是指针式仪表不是数字仪表，不利于被数字系统采集。对某些老旧设备不方便进行数字化改造，尤其在要求必须采用非电量、非接触式的易燃、易爆场合。比如煤气站，如何对指针式仪表在生产过程中进行自动监控、读取其数值就成为一个迫切需要解决的问题。本文主要利用图像传感器的图像识别技术对指针式仪表的数据进行采集。
2 数字图像识别技术
在数字视频监控与图像识别系统中，首先要对视频流进行实时截取并保存，然后进行图像预处理、图像特征提取和事件判决等图像识别工作，图像识别的处理过程如图1所示。
图1图像识别的处理过程
图像信息的获取是指从接收的视频流中截取视频图像信息，截取的彩色图像一般用红、绿和蓝3基色的8位亮度值（0~255）表示，称为R、G、B值。
图像预处理的目的是去除干扰、噪声及差异，将原始图像变成适于计算机进行特征提取的形式，它包括图像的变换、增强和滤波等。图像的变换通常是利用傅立叶变换、余弦（正弦）变换、沃尔什变换、小波变换等的性质和特点，将图像转换到频域中进行处理，以改善图像质量，同时还能提高运算处理速度。图像增强主要是利用各种数学方法和变换手段提高图像中人们感兴趣部分的清晰度，突出一幅图像中的某些信息，同时削弱另一些无用信息。
图像特征提取的作用是对视频图像信息进行整理、分析、归纳。得到能反映图像本质的特征，得到可用于判决的参量。
判决是指通过特征量与阈值进行计算、比较和分析，判断出图像的状态得到最终的输出结果。
3 图像识别技术实现数据采集仪的结构和工作原理
数据采集仪主要包括摄像系统CCD传感器、仪表图像采集、压缩、存储系统和仪表读数识别系统三部分组成。摄像系统和仪表图像采集、压缩、存储系统之间采用数据线或视频线连接，并进行信号传输，仪表图像采集、压缩、存储系统和仪表读数识别系统之间通过通信接口连接进行数据传输。摄像系统摄取仪表的表盘图像，所摄取图像的数字信号或视频信号，由仪表图像采集、压缩、存储系统进行采集、压缩、存储，然后将存储的所有图像传送给仪表读书识别系统集中进行读书的自动识别，得出并记录仪表的计量值。
3．1指针位置的识别
指针式仪表主要有电压表、电流表、气压表和温度表等，指针及指针图像的处理过程如图2所示。
图 2指针及图像的处理过程
指针的位置识别方法一是采用告警区域指针查找法，即首先设定告警区域，然后对目标图像进行坐标变换，查找指针圆心，确定指针的临界告警斜率，这样即可在告警区域内查找有无指针，若发现有指针即发出告警，否则继续监控不告警；二是在确定指针圆心后对指针进行识别，然后计算指针的角度，用计算出的角度与设定的告警角度进行比较，确定是否发出告警。
3．2采集系统的硬件设计
采集系统通过CCD摄像头光学传感器获得指针指示表的视频图像，其为标准的电视信号PAL格式，然后通过A/D转换将标准视频图像数字化，采用Philips公司的解码芯片SAA7113。SAA7113是可编程的数字图像处理芯片,它不仅可以完成图像数字化,而且可以实现行场同步信号的自动检测和分离,这样就可以省去同步分离电路的设计。将数字化后的视频数据的一帧或多帧存入双口RAM中去，然后使用FPGA对送过来的图像数据进行预处理，同时FPGA还将产生系统程序和数据存储器写和读的时序逻辑信号以及给DSP处理器产生中断。FPGA预处理之后将数据送往核心DSP处理器进行压缩处理和数字识别。DSP将压缩后的数据送往静态SRAM，同时将指示表的识别结果送往主控制器ARM芯片。控制器ARM主要完成的工作有：开始时对A/D芯片SAA7113进行初始化，控制DSP和FPGA的工作，输出识别数据，同时把SRAM中存储的压缩原始指示表图像输出到显示部分，以供人工检查。系统输出的部分可以在嵌入式系统上，也可以在PC机上，传输的途径可以通过USB、Internet或者无线传输，这样整个系统可以进行扩展进而组成大的监控抄表系统，整个系统的硬件如图3所示。
图3采集系统的硬件图
随着电子技术的飞速发展，各种功能强、功耗低的嵌入式微处理器不断涌现。基于此类微处理器的嵌入式系统由于实用性强、便携方便和功耗低的特点占据了越来越多的市场，其重要性也凸现出来。嵌入式系统在多媒体技术上的应用是其应用的一个重要方面，基于嵌入式系统的数字图像处理和识别又是当前的一个热点。
目前，国内外研究者通常采用微机对摄入的仪表图像进行识别和控制，或者使用单片机进行控制，以上系统将图像传送到PC上，然后在PC上通过软件运行各种图像识别程序，这种方案存在一定的局限性：(1)识别程序缺乏并行性，限制了很多识别效果不错但时间复杂度较大的算法的实际应用。(2)PC负担过重，即PC将承担所有的识别工作和其他的数据读取、存储操作。如果识别的结果还要完成网络传输和数据库操作，系统的运行速度将受到严重影响。(3)PC机软件的防盗版能力差。(4)整个系统的成本无疑代价昂贵。与此同时，也有少数基于嵌入式系统的图像识别抄表的例子，如采用DSP进行识别的系统，但其识别错误率仍有些高，输出、显示部分不够完善，比照结果不方便。
在嵌入式系统中将模式识别技术应用于图像处理中，采用德州仪器的DSP作为图像处理和识别的核心，系统再辅以输入、输出、控制等其他单元。在图像识别上对现有的一些算法进行了改造，使之更加适合在嵌入式系统中应用，能够满足实时性的要求。如在Hough变化的基础上提出改进的Hough变化算法，也将结合神经网络的知识对指针图像进行识别。整个嵌入式系统既可单独使用，也可作为节点与计算机形成主从系统，计算机只是作为结果显示的界面和必要的人机交互工具。
3．3系统的软件设计
获得数字化的图像数据后，接着在传统方法上对图像进行增强运算，平滑滤波，锐化处理、图像分割、二值化、腐蚀和细化的一系列预处理，最后将数据送往DSP，利用指针位置和指示表读数的对应关系结合Hough算法得到识别结果，同时DSP按照JPEG200压缩算法对图像进行压缩，以获得原始基准图片。最后通过ARM芯片将得到的识别结果送到本地或远地的显示部分。
下面是数字图像识别的具体步骤：
（1）图像平滑
在通过输入设备得到指示表的数字图像后，使用邻域平均法，对图像进行平滑。通过平滑滤波可有效抑制图像采集时随机噪声的干擾，提高识别的稳定性。为使平滑后图像没有太大的模糊，利用较小的模板进行平滑。
（2）图像二值化
为了提取图像中我们感兴趣的区域，必须对图像进行分割，将背景和物体分割开来。最常用的图像分割方法是把灰度分成不同的等级，然后用设置灰度门限的将图像二值化，分割出有意义的区域。
（3） 图像的细化
为了提高识别的速度，有必要对图像进行细化处理。对图像进行细化有助于突出形状特点和减少冗余的信息量。
（4） 指针读数的识别
在DSP处理器中采用Hough变换进行图像识别。Hough变换是一种线描述方法。它可以将笛卡儿坐标空间中的点变换为极坐标空间中的曲线。通过Hough变换找到直线指针的位置，将其读数计算出来。
4结论
由于本设备是在现有的装置上的附加设备，不须对现有仪表更换和管线改造，无须不间断地采集信号，不须持续供电，信号采集稳定可靠，无人工因素，真实可信，成本低，应用简单。
参考文献
[1]朱秀昌.数字图像处理与图像通信.北京：北京邮电大学出版社，2002.
[2]唐惠明、张健.变电站远程图像监控系统设计[J] .电力系统自动化，2001，25（56-58）.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：指针仪表、图像识别、采集
Abstract: the design of image recognition technology to pointer type instrument data automatic acquisition method, this method does not need to change to the existing instrument and pipeline transformation, signal acquisition stable and simple to use convenient.
Keywords: pointer instrument, image recognition, collection
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
1 引 言
视频监控系统在电力、通信、交通和水利等领域及银行、工厂、博物馆、宾馆中得到了广泛应用，以实现生产过程监控、调度、防盗、防火等功能，在监控过程中利用声、光、电进行综合报警；图像识别技术在文字识别、指纹识别、人脸识别、产品检测、军事侦察、气象分析、病理分析、自然灾害预测等方面也得到了应用。
在我国的电力、石油化工行业中都安装了视频监控系统，可以实现监视现场设备。但这些视频监控系统只有视频监视功能，没有视频图像识别功能，为了充分发挥视频监控系统的功能，将数字图像处理技术运用在仪表读数的识别中，包括设备信号灯的亮与灭、指针位置、七段式数字、开关位置和变压器油液面进行识别和监控。
指针式仪表具有结构简单、维护方便，具有防尘、防水、防冻措施，不受电磁场干扰，可靠性高，价格便宜等优点但是指针式仪表不是数字仪表，不利于被数字系统采集。对某些老旧设备不方便进行数字化改造，尤其在要求必须采用非电量、非接触式的易燃、易爆场合。比如煤气站，如何对指针式仪表在生产过程中进行自动监控、读取其数值就成为一个迫切需要解决的问题。本文主要利用图像传感器的图像识别技术对指针式仪表的数据进行采集。
2 数字图像识别技术
在数字视频监控与图像识别系统中，首先要对视频流进行实时截取并保存，然后进行图像预处理、图像特征提取和事件判决等图像识别工作，图像识别的处理过程如图1所示。
图1图像识别的处理过程
图像信息的获取是指从接收的视频流中截取视频图像信息，截取的彩色图像一般用红、绿和蓝3基色的8位亮度值（0~255）表示，称为R、G、B值。
图像预处理的目的是去除干扰、噪声及差异，将原始图像变成适于计算机进行特征提取的形式，它包括图像的变换、增强和滤波等。图像的变换通常是利用傅立叶变换、余弦（正弦）变换、沃尔什变换、小波变换等的性质和特点，将图像转换到频域中进行处理，以改善图像质量，同时还能提高运算处理速度。图像增强主要是利用各种数学方法和变换手段提高图像中人们感兴趣部分的清晰度，突出一幅图像中的某些信息，同时削弱另一些无用信息。
图像特征提取的作用是对视频图像信息进行整理、分析、归纳。得到能反映图像本质的特征，得到可用于判决的参量。
判决是指通过特征量与阈值进行计算、比较和分析，判断出图像的状态得到最终的输出结果。
3 图像识别技术实现数据采集仪的结构和工作原理
数据采集仪主要包括摄像系统CCD传感器、仪表图像采集、压缩、存储系统和仪表读数识别系统三部分组成。摄像系统和仪表图像采集、压缩、存储系统之间采用数据线或视频线连接，并进行信号传输，仪表图像采集、压缩、存储系统和仪表读数识别系统之间通过通信接口连接进行数据传输。摄像系统摄取仪表的表盘图像，所摄取图像的数字信号或视频信号，由仪表图像采集、压缩、存储系统进行采集、压缩、存储，然后将存储的所有图像传送给仪表读书识别系统集中进行读书的自动识别，得出并记录仪表的计量值。
3．1指针位置的识别
指针式仪表主要有电压表、电流表、气压表和温度表等，指针及指针图像的处理过程如图2所示。
图 2指针及图像的处理过程
指针的位置识别方法一是采用告警区域指针查找法，即首先设定告警区域，然后对目标图像进行坐标变换，查找指针圆心，确定指针的临界告警斜率，这样即可在告警区域内查找有无指针，若发现有指针即发出告警，否则继续监控不告警；二是在确定指针圆心后对指针进行识别，然后计算指针的角度，用计算出的角度与设定的告警角度进行比较，确定是否发出告警。
3．2采集系统的硬件设计
采集系统通过CCD摄像头光学传感器获得指针指示表的视频图像，其为标准的电视信号PAL格式，然后通过A/D转换将标准视频图像数字化，采用Philips公司的解码芯片SAA7113。SAA7113是可编程的数字图像处理芯片,它不仅可以完成图像数字化,而且可以实现行场同步信号的自动检测和分离,这样就可以省去同步分离电路的设计。将数字化后的视频数据的一帧或多帧存入双口RAM中去，然后使用FPGA对送过来的图像数据进行预处理，同时FPGA还将产生系统程序和数据存储器写和读的时序逻辑信号以及给DSP处理器产生中断。FPGA预处理之后将数据送往核心DSP处理器进行压缩处理和数字识别。DSP将压缩后的数据送往静态SRAM，同时将指示表的识别结果送往主控制器ARM芯片。控制器ARM主要完成的工作有：开始时对A/D芯片SAA7113进行初始化，控制DSP和FPGA的工作，输出识别数据，同时把SRAM中存储的压缩原始指示表图像输出到显示部分，以供人工检查。系统输出的部分可以在嵌入式系统上，也可以在PC机上，传输的途径可以通过USB、Internet或者无线传输，这样整个系统可以进行扩展进而组成大的监控抄表系统，整个系统的硬件如图3所示。
图3采集系统的硬件图
随着电子技术的飞速发展，各种功能强、功耗低的嵌入式微处理器不断涌现。基于此类微处理器的嵌入式系统由于实用性强、便携方便和功耗低的特点占据了越来越多的市场，其重要性也凸现出来。嵌入式系统在多媒体技术上的应用是其应用的一个重要方面，基于嵌入式系统的数字图像处理和识别又是当前的一个热点。
目前，国内外研究者通常采用微机对摄入的仪表图像进行识别和控制，或者使用单片机进行控制，以上系统将图像传送到PC上，然后在PC上通过软件运行各种图像识别程序，这种方案存在一定的局限性：(1)识别程序缺乏并行性，限制了很多识别效果不错但时间复杂度较大的算法的实际应用。(2)PC负担过重，即PC将承担所有的识别工作和其他的数据读取、存储操作。如果识别的结果还要完成网络传输和数据库操作，系统的运行速度将受到严重影响。(3)PC机软件的防盗版能力差。(4)整个系统的成本无疑代价昂贵。与此同时，也有少数基于嵌入式系统的图像识别抄表的例子，如采用DSP进行识别的系统，但其识别错误率仍有些高，输出、显示部分不够完善，比照结果不方便。
在嵌入式系统中将模式识别技术应用于图像处理中，采用德州仪器的DSP作为图像处理和识别的核心，系统再辅以输入、输出、控制等其他单元。在图像识别上对现有的一些算法进行了改造，使之更加适合在嵌入式系统中应用，能够满足实时性的要求。如在Hough变化的基础上提出改进的Hough变化算法，也将结合神经网络的知识对指针图像进行识别。整个嵌入式系统既可单独使用，也可作为节点与计算机形成主从系统，计算机只是作为结果显示的界面和必要的人机交互工具。
3．3系统的软件设计
获得数字化的图像数据后，接着在传统方法上对图像进行增强运算，平滑滤波，锐化处理、图像分割、二值化、腐蚀和细化的一系列预处理，最后将数据送往DSP，利用指针位置和指示表读数的对应关系结合Hough算法得到识别结果，同时DSP按照JPEG200压缩算法对图像进行压缩，以获得原始基准图片。最后通过ARM芯片将得到的识别结果送到本地或远地的显示部分。
下面是数字图像识别的具体步骤：
（1）图像平滑
在通过输入设备得到指示表的数字图像后，使用邻域平均法，对图像进行平滑。通过平滑滤波可有效抑制图像采集时随机噪声的干擾，提高识别的稳定性。为使平滑后图像没有太大的模糊，利用较小的模板进行平滑。
（2）图像二值化
为了提取图像中我们感兴趣的区域，必须对图像进行分割，将背景和物体分割开来。最常用的图像分割方法是把灰度分成不同的等级，然后用设置灰度门限的将图像二值化，分割出有意义的区域。
（3） 图像的细化
为了提高识别的速度，有必要对图像进行细化处理。对图像进行细化有助于突出形状特点和减少冗余的信息量。
（4） 指针读数的识别
在DSP处理器中采用Hough变换进行图像识别。Hough变换是一种线描述方法。它可以将笛卡儿坐标空间中的点变换为极坐标空间中的曲线。通过Hough变换找到直线指针的位置，将其读数计算出来。
4结论
由于本设备是在现有的装置上的附加设备，不须对现有仪表更换和管线改造，无须不间断地采集信号，不须持续供电，信号采集稳定可靠，无人工因素，真实可信，成本低，应用简单。
参考文献
[1]朱秀昌.数字图像处理与图像通信.北京：北京邮电大学出版社，2002.
[2]唐惠明、张健.变电站远程图像监控系统设计[J] .电力系统自动化，2001，25（56-58）.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。