Метод распознавания показаний стрелочных индикаторов

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ

УДК 004.932

Е. В. Головенков, С. В. Дегтярев МЕТОД РАСПОЗНАВАНИЯ ПОКАЗАНИЙ СТРЕЛОЧНЫХ ИНДИКАТОРОВ

Описана математическая модель распознавания показаний стрелочного индикатора; представлены алгоритмы вычисления показаний стрелочного индикатора и угла отклонения стрелки. Проведены расчет вычислительной сложности описанных алгоритмов и оценка точности разработанного метода.

Ключевые слова: распознавание изображений, контрольно-измерительный прибор, указатель, стрелочный индикатор.

Введение. Результаты исследований Р. Саблатнига [1], Д. Б. Волегова, Д. В. Юрина [2], Ю. Г. Свинолупова [3], М. С. Ройтмана, В. П. Войтко, Д. Л. Удута, Э. Н. Седова, С. К. Киселева [4], посвященные автоматизации контроля производства стрелочных индикаторов с помощью оптико-электронных систем, распознающих показания на передней панели прибора, выявляют высокий уровень развития технических и алгоритмических средств, которые, однако, не удовлетворяют требованиям быстродействия.

Так, в работе [1] рассмотрен метод распознавания показаний стрелочного индикатора, основанный на применении модифицированного преобразования Хафа над бинаризованным изображением указателя. В [2] применяются алгоритмы вычисления контурного изображения указателя, преобразования в полярную систему координат, свертки полученного изображения при помощи преобразования Хартли. Наиболее быстродействующим является метод распознавания показаний стрелочного индикатора [3], основанный на вычислении угла наклона стрелочного указателя с помощью метода наименьших квадратов. Однако перечисленные методы обладают высокой вычислительной сложностью, таким образом, актуальной является задача сокращения времени распознавания показаний стрелочного индикатора.

Математическая модель распознавания показаний стрелочного индикатора содержит:

— бинарное изображение шкалы стрелочного индикатора

I

где к и ^ — соответственно высота и ширина изображения в пикселах. Массив пикселов черного цвета I (/,]) = 1 определяет область на изображении, принадлежащую объекту указателя; массив пикселов белого цвета I (/,7 ) = 0 определяет область на изображении, принадлежащую иным объектам, например, фону, штриховым и числовым отметкам. Алгоритм получения бинарного изображения аналогичен описанному в работе [3], он характеризуется

тем, что в процессе вычитания формируются два изображения /0 (/, .), /^ (/, .), первое из

которых соответствует начальному показанию стрелочного индикатора, второе — конечному;

— функцию преобразования £ (/, ф) массива пикселов / (г, .) = 1 в угол отклонения указателя ф;

— функцию преобразования Р (ф, V) угла ф в показания индикатора V .

Для определения показаний необходимо распознавать изображения шкалы индикатора. При этом числовое значение показания индикатора определяется на основе двух изображений ¡0 ( . ) ¡Г (, . ).

Определение угла отклонения указателя. Следующие ниже операции описывают функцию преобразования £ (/, ф) .

Сначала изображение шкалы стрелочного индикатора / (г, .) сканируется, определяются координаты О ( ,У0 ) центра стрелочного указателя по следующим формулам:

Хп =

2

г п;

V/. =1; г=0,И-1; .=0,^-1

Уо =

2

. п,

V/. =1; г=0,й-1; .=0,^-1

где п — число черных пикселов на изображении /(г,.) .

п

Далее изображение шкалы стрелочного индикатора / (г,.) сканируется, определяются координаты хА,уА , хв,ув центров образованных отрезков по следующим формулам:

ха = 2 _г 1к;

V/гj=1; г=0,У0;.=0,х0 /

Уа = 2 . 1к,

=1; I=0,У0; =0,х0

хв =

2

г ;

=1;г=У0,А-1; .=х0.

Ув =

2

Щ,- =1; г=У0»к-1; .=х0,

где к и ^ — число черных пикселов в первом и во втором отрезках изображения указателя, причем

к + 8 = п.

Угол наклона указателя вычисляется по координатам двух точек А(ха,Уа), В(хв,Ув) по формуле:

18

хВ - хА

Полученные значения (ф0 ) и (ф у ), соответствующие начальному ф0 и конечному ф у углу отклонения указателя, запоминаются.

Определение численного значения показаний. По характеру зависимости линейных или угловых расстояний между соседними отметками шкалы от измеряемой величины различают равномерные и неравномерные шкалы. Равномерная шкала характеризуется одинаковым

38 Е. В. Головенков, С. В. Дегтярев

расстоянием между отметками, в то время как на неравномерной шкале расстояние между отметками изменяется по определенному закону.

Необходимо найти функции преобразования Р (ф, V) угла ф отклонения указателя в

показания индикатора V, т.е. определить вид функции 2 (ф) = V.

Для случая равномерной шкалы имеем:

2 (ф) = кф;

2

к= 4 =——- = - =-;ф <ф2 <-<ф,;чеы,

ф1 ф2 ф,

где к — постоянный коэффициент.

Для случая неравномерной шкалы имеем:

2(ф«) = {2(ф1) 2(ф2), 2(фа)}, ф« ={фьф2, • • •,фа}, « = 1,а,

2

* ... ; ф1 <ф2 <^<ф. ; а е N,

ф1 ф2 фа

где 2 (ф«) — дискретная функция, заданная таблично.

Каждому значению ф«,« = 1, а соответствует показание стрелочного указателя 2 (ф«) .

Значение а зависит от количества делений I на шкале стрелочного указателя; очевидно а < I. Угол отклонения указателя относительно начального положения рассчитывается по формуле:

ф = фу

где фо и ф у — угол начального и конечного отклонения указателя.

Таким образом, в зависимости от типа шкалы стрелочного указателя выбирается функция 2 (ф), найденное значение (фо) сравнивается с заранее определенными табличными значениями, запоминается начальный угол ф( отклонения указателя, найденное значение (фу) сравнивается с заранее определенными табличными значениями, запоминается конечный угол фу отклонения указателя, вычисляется угол отклонения указателя по формуле

(9), выполняется преобразование Р (ф^), значение V запоминается.

Расчет вычислительной сложности. Формула для оценки вычислительной сложности будет иметь следующий вид:

V = {а

где а а), а т), а а) — соответственно число операций сложения, умножения, деления.

Вычислительная сложность

в

разработанного метода рассчитывается по следующим

формулам:

в

а<0) = {<}, а<0)},

а

где а(0) — вычислительная сложность алгоритма бинаризации; а(1) — вычислительная сложность алгоритмов, описанных выше. По сравнению с существующим методом [3] вы-

числительная сложность разработанного метода уменьшена за счет исключения из формул (2)—(6) операций умножения.

Эксперимент. По результатам исследования была написана программа для ЭВМ, моделирующая процесс распознавания показаний стрелочного индикатора предлагаемым и существующим методом [3]. На рисунке проиллюстрировано вычисление угла отклонения указателя; показано окно с результатами распознавания, на котором отображены начальное и конечное положения стрелочного указателя, точки с координатами, вычисленными по формулам (2)—(4), прямые, проходящие через данные точки.

Экспериментально рассчитанная абсолютная погрешность распознавания показаний стрелочного индикатора разработанным методом по сравнению с методом, приведенным в [3], составляет А <1°.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Sablatnig R., Kropatsch W.G. Automatic Reading of Analog Display Instruments // Proc. of the 12th IAPR International Conference on Pattern Recognition. Jerusalem, 1994. Vol. 1. P. 794—797.

2. Волегов Д. Б., Юрин Д. В. Считывание показаний стрелочного прибора при помощи web-камеры // ГрафиКон2008. М., 2008. С. 242—247.

3. А. с. 1383242 СССР, МКИ 4 G 01 R 35/00. Способ автоматической поверки стрелочных измерительных приборов и устройство для его осуществления / Ю. Г. Свинолупов, В. П. Войтко, Н. М. Степаненко, Д. Л. Удут. Заявл. 21.10.86; опубл. 23.03.88. Бюл. № 11. 5 с.

4. Киселев С. К. Система автоматизации поверки электроизмерительных приборов // Датчики и системы. 2003. № 6. С. 33—37.

Сведения об авторах

Евгений Владимирович Головенков — аспирант; Юго-Западный государственный университет, кафедра

информационных систем и технологий, Курск; E-mail: theaswert@yandex.ru — д-р техн. наук, профессор; Юго-Западный государственный университет, кафедра информационных систем и технологий, Курск; E-mail: sergeyd12@gmail.com

Поступила в редакцию 24.10.11 г.

Сергей Викторович Дегтярев

Рекомендована Юго-Западным государственным университетом