雷海軍，謝蓮花，何業(yè)軍，李靈敏

(1.深圳大學(xué)計算機與軟件學(xué)院，廣東 深圳 518060;2.深圳大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東 深圳 518060)

0 引言

近年來，數(shù)字式儀表因其精度高、讀取方便、易設(shè)置、功能全等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)測控領(lǐng)域［1］。雖然目前較高檔的數(shù)字儀表已具有了無線通信接口，但在相當一部分應(yīng)用環(huán)境下如科學(xué)實驗、測量控制、電表計費等，仍需要對儀表讀數(shù)進行人工記錄，然后再轉(zhuǎn)錄到計算機中進行處理。這種方法不僅費時費力、工作效率低，而且容易因人為因素導(dǎo)致讀數(shù)出錯［2］。因此利用圖像處理及識別技術(shù)，對數(shù)字式儀表讀數(shù)的自動提取進行研究具有較高的應(yīng)用價值。

在儀表讀數(shù)定位方法研究中，現(xiàn)有的數(shù)字式儀表讀數(shù)區(qū)域的定位方法主要有2種，一種是基于視頻圖像［1-2］，根據(jù)儀表的示數(shù)在一定時間內(nèi)會發(fā)生變化的特點，采用幀間差求得變化區(qū)域從而定位儀表讀數(shù)，但這一方法顯然不適用于靜態(tài)的儀表圖像定位;另一種則是從灰度圖像出發(fā)［3］，利用字符串的邊緣細節(jié)進行定位。但這種方法只適用于儀表表盤較為簡潔的情況，在實際使用中，許多儀表在其表盤中存在大量用來說明儀表的規(guī)格、參數(shù)等信息的字符，這些字符信息會形成許多邊緣細節(jié)，可能對字符串區(qū)域的定位形成較大的干擾，從而影響定位精度。因此無法應(yīng)用于表盤背景較復(fù)雜的情況。數(shù)字式儀表的一個明顯的特征是采用液晶屏(liquid crystal display，LCD)作為讀數(shù)顯示區(qū)域，而現(xiàn)有的2種方法均跳過了對液晶屏區(qū)域的定位，直接對儀表讀數(shù)字符進行分割。雖然減少了一個環(huán)節(jié)，但因?qū)嶋H儀表圖像中讀數(shù)的細節(jié)特征如投影特征等并不明顯，且易受復(fù)雜背景干擾，所以導(dǎo)致定位失敗。針對這一問題，本文提出了一種基于顏色特征的數(shù)字式儀表讀數(shù)定位算法。

1 液晶屏顯示原理及顏色特征分析

液晶屏是以液晶體為材料制成的顯示屏。常見的液晶屏主要有:扭轉(zhuǎn)式向列型(twisted nematic，TN)、超扭轉(zhuǎn)式向列型(super twisted nematic，STN)以及薄膜式晶體管型(thin film transistor，TFT)。在工業(yè)用數(shù)字式儀表中，因為表盤設(shè)計上不存在統(tǒng)一的標準，不同的生產(chǎn)廠家使用的液晶屏也各不相同，所以電表液晶屏的顏色并無明確而統(tǒng)一的特征。不過基于成本、顯示功能、耗電量、技術(shù)成熟度等因素的考量，各廠家多采用TN或STN型單色液晶屏用于數(shù)顯式電表的讀數(shù)顯示，而且均采用正向顯示模式，即其背景顯示為某種較淡的色彩，而所顯示的內(nèi)容則呈現(xiàn)為黑色。

TN型以及STN型液晶屏的顯示原理均是基于一種被稱為扭轉(zhuǎn)式向列場效應(yīng)［4］的物理現(xiàn)象。液晶屏的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，液晶屏主要由垂直與水平方向的偏光板［5］、具有細紋凹槽的配向膜、液晶分子和導(dǎo)電的玻璃基板組成。偏光板上下各有一層，且其偏振的方向相互垂直，液晶分子則沿著配向膜的方向排列，從上至下旋轉(zhuǎn)90°。在不施加電場的情況下，光線從上層的偏光板進入液晶層，并沿著液晶分子的排列方向逐漸旋轉(zhuǎn)90°，離開液晶層時恰好與下層偏光板方向一致，因此能順利穿過。此時液晶屏呈明亮的顏色。而當施加電場時，液晶分子排列方向迅速變?yōu)榕c電場方向平行，不再具有旋光的能力，光線在穿過液晶層時，其方向與下層偏光板方向互相垂直，無法穿過，此時液晶屏也就呈現(xiàn)為黑色。

受扭轉(zhuǎn)式向列場效應(yīng)以及液晶體材料本身顏色和光線干涉現(xiàn)象的影響，TN型液晶屏背景顯示的色調(diào)以淡綠色、灰綠色和橘黃色為主，又因為液晶屏本身并不發(fā)光，因此在外部光照正常的情況下自身亮度較低。而在液晶屏外，數(shù)顯式電表的表盤多采用白色、銀灰色等較為明亮的色彩來區(qū)分表盤與液晶屏。由色飽和度的定義可知，電表液晶屏區(qū)域的色飽和度較高，而電表表盤的色飽和度則較低。

圖1 液晶屏顯示原理圖Fig.1 LCD displaying elementary diagram

2 數(shù)字式儀表讀數(shù)定位算法

本文提出的儀表讀數(shù)定位算法主要包括2個步驟，首先是對液晶屏進行定位，即粗定位。然后通過一系列預(yù)處理得到液晶屏的二值圖，并在此基礎(chǔ)上利用儀表讀數(shù)字符串的投影特征對其進行定位，即精確定位。通過對液晶屏進行定位，大量的非讀數(shù)字符干擾將被排除，使得儀表讀數(shù)的邊緣及投影特征得到凸顯，明顯提高儀表讀數(shù)定位的準確性，因此液晶屏定位結(jié)果對儀表讀數(shù)的精確定位具有決定性影響。

2.1 液晶屏定位算法

由前述分析可知，儀表液晶屏的色飽和度較高，且呈現(xiàn)為偏綠或橘黃的色彩。因此利用液晶屏的這一顏色特征，將儀表彩色圖像從RGB彩色空間轉(zhuǎn)換到特定的顏色空間，即可將液晶屏與表盤大部分區(qū)域區(qū)分開來，再結(jié)合液晶屏的形狀、尺寸等特征，即可實現(xiàn)對液晶屏的粗定位。該算法實現(xiàn)過程如下。

步驟1 對輸入圖像IMA(x，y)進行采樣。輸入圖像一般有上百萬的像素，直接對其進行處理會使計算量過大，時間復(fù)雜度過高，因此需首先對圖像進行采樣處理。

步驟2 對圖像IMA1(x，y)進行特征變換。變換函數(shù)Fi(x，y)為

(1)式中:S(x，y)為圖像的色飽和度，可用(2)式求得;k1，k2為變換系數(shù)，滿足條件k1+k2=1，本文取k1=k2=0.5;Ti為R，G，B分量所滿足的條件;fi(x，y)為基于RGB空間的變換函數(shù);變換次數(shù)i控制變換函數(shù)fi(x，y)與條件Ti的選擇。在本文中，根據(jù)常見儀表所用液晶屏的顏色種類，最大變換次數(shù)N=2，在絕大多數(shù)情況下，液晶屏呈現(xiàn)淡綠色與暗灰色，因此可計算電表圖像的綠色特征值。此時，變換函數(shù)與條件分別為

當i=2時，適用于液晶屏為橘黃色的情況，此時的變換函數(shù)與條件分別為

(5)式中，系數(shù)k用于調(diào)節(jié)黃色的變換范圍。當k較小時，部分偏紅或偏綠的淡黃色區(qū)域也會被認定為黃色而凸顯出來?？紤]到液晶屏本身可能存在老化或者受拍攝時光照的影響，k的值需設(shè)定為較小的值，本文設(shè)定為0.7。

步驟3 對變換后的圖像進行二值化和形態(tài)學(xué)濾波。

步驟4 對二值圖像進行連通區(qū)域標記并對標記過的連通區(qū)域進行篩選。雖然各種電表所用的液晶屏尺寸因儀表種類和生產(chǎn)廠家的不同而存在區(qū)別，但均為矩形，寬高比大于1，再結(jié)合矩形區(qū)域的寬、高與圖像的寬、高之比等先驗知識即可完成連通區(qū)域的篩選。

步驟5 判斷篩選結(jié)果，若篩選后有且僅有一個連通區(qū)域，則定位成功，進入下一步預(yù)處理;若篩選后沒有符合條件的連通區(qū)域，變換次數(shù)i加1，返回步驟2。若變換次數(shù)i大于2，則說明圖像中不存在液晶屏區(qū)域，跳出定位流程。

2.2 儀表字符串的定位

在完成液晶屏的定位之后，可根據(jù)文獻［6］的預(yù)處理方法將液晶屏區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)槎祱D像。為便于數(shù)據(jù)的讀取，儀表中的讀數(shù)字符串一般位于液晶屏中心的位置，或者其字符尺寸明顯要大于其余字符。因此可以采用下述步驟來實現(xiàn)儀表字符串的精確定位:首先對圖像進行水平投影，通過水平投影獲得字符串的行起始位置，在此基礎(chǔ)上再利用形態(tài)學(xué)濾波和連通區(qū)域分析方法確定字符串的列起始位置。

3 實驗結(jié)果及分析

本文實驗所用的計算機系統(tǒng)，其硬件配置主要包括主頻為2.2 GHz的INTEL Core2中央處理器以及2條1G 800 MHz DDR2內(nèi)存條，軟件配置則包括Windows XP SP2操作系統(tǒng)以及Matlab 7.0。

為使所選擇的圖片集能較好地測試所提出的定位算法的準確度，本文選用深圳市供電局提供的抄表工人在實際工作場景中采集的110張數(shù)顯式電表圖像作為實驗圖像，圖像尺寸均為2 304×3 072。這些圖像中包含國內(nèi)主要電表生產(chǎn)廠家的近10種不同類型的數(shù)顯式電表，而且各圖片拍攝的角度、外部光照、液晶表盤反光等情況各有不同。本文以其中一張圖片為例，分析本文提出的定位算法的實現(xiàn)過程。

圖2給出了一幅對實際抄表過程中采集的電能表圖像直接進行二值化處理和邊緣提取處理后得到的結(jié)果。在圖2a中可以看到所采集的電表圖像表盤存在著大量的字符、條碼等背景，而且由于閃光燈的影響，存在光照不均勻的現(xiàn)象。因此從圖2b和圖2c中可以看到，在直接二值化的圖像中，液晶屏區(qū)域受自身亮度不高和外部不均勻光照的影響，與周圍的表盤區(qū)域結(jié)合在一起。而在邊緣特征圖像中可以看到，表盤下方的非讀數(shù)字符邊緣較為豐富，而儀表讀數(shù)區(qū)域的邊緣細節(jié)反而較為稀少，邊緣特征不明顯。因此無法通過直接進行二值投影或者邊緣投影對具有復(fù)雜背景的儀表讀數(shù)進行精確定位。

圖2 原始圖像及2種圖像處理后的結(jié)果Fig.2 Original image and the results processed by the two kinds of methods

圖3則給出了本文提出的儀表讀數(shù)定位算法及各個步驟的結(jié)果。從圖3中可以看到，通過顏色特征變換，儀表的液晶屏區(qū)域與表盤的其他區(qū)域被很好地區(qū)分，液晶屏的邊界較為清晰，而且液晶屏區(qū)域的灰度值基本均勻，說明特征變換較好地將液晶屏區(qū)域與表盤其余部分區(qū)分開來，同時避免了光照不均勻現(xiàn)象的干擾。圖3c則說明經(jīng)過二值化以后，更多的非液晶屏區(qū)域的細節(jié)被進一步過濾，使得液晶屏區(qū)域的尺寸及形狀特征更為凸顯。因此從圖3c－e中可以看到，在實現(xiàn)液晶屏準確定位和二值化處理以后，由于儀表設(shè)計的特點，儀表讀數(shù)具有較為明顯的特征，通過水平方向和垂直方向的二值投影即可以實現(xiàn)讀數(shù)的精確定位。

圖3 本文提出的定位算法的各個步驟的處理結(jié)果Fig.3 Results of each steps of proposed locating algorithm

對110幅現(xiàn)場采集的圖像進行定位實驗，其定位效果數(shù)據(jù)如表1所示，實驗結(jié)果表明直接用二值投影或者邊緣投影幾乎無法對具有復(fù)雜背景的儀表讀數(shù)進行準確定位，而采用本文算法可以對108幅圖片中的儀表讀數(shù)進行準確定位，定位準確率達到98.2%。另外本文還對定位耗時進行了測試，考慮到文章篇幅，本文只列出了前10幅圖像的定位耗時情況，見表2。在對總共110張電表圖像的定位測試結(jié)果中，定位耗時最短為0.5 s，耗時最長為0.78 s，平均耗時為0.576 s，在可承受的范圍之內(nèi)。因此先利用顏色特征將儀表中的液晶屏區(qū)域分割出來，然后對液晶屏圖像進行二值化，最后利用讀數(shù)字符串的投影特征對字符串進行精確定位的數(shù)字式儀表讀數(shù)定位方法是有效并且必要的。

表1 增加粗定位前后的定位效果數(shù)據(jù)Tab.1 Comparison of the effect data before and after the coarse location

表2 數(shù)字式儀表圖像定位算法測試耗時情況Tab.2 Location time of the digital meter by the algorithm

4 結(jié)論

通過對數(shù)字式儀表所用液晶屏的顯示原理以及顏色特征進行分析，本文提出了一種基于顏色特征的數(shù)字式儀表讀數(shù)定位算法，該方法將定位過程分為對液晶屏的粗定位和對屏內(nèi)讀數(shù)的精確定位。通過對液晶屏的定位，有效避免了表盤內(nèi)各類字符所產(chǎn)生的投影或邊緣細節(jié)的干擾，從而凸顯了儀表讀數(shù)的投影特征，為屏內(nèi)讀數(shù)的精確定位奠定了基礎(chǔ)，實現(xiàn)了靜態(tài)圖像中儀表讀數(shù)的準確定位。同時利用現(xiàn)場實際采集的儀表圖像對該算法進行了實驗。實驗結(jié)果表明，該算法能較好地避免拍攝現(xiàn)場不均勻光照的干擾，對復(fù)雜背景具有較好的適應(yīng)能力，具有較高的定位準確率。

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