CC BY
90
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(¡,]) = {0,1} ; / = 0к-1, 7 = 0^-1, (1)
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,
(2)
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,
(3)
=1; I=0,У0; =0,х0
хв =
2
г ;
=1;г=У0,А-1; .=х0.
Ув =
2
(4)
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. (5)
Угол наклона указателя вычисляется по координатам двух точек А(ха,Уа), В(хв,Ув) по формуле:
18 (ф) = . (6)
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 (ф) 2 (ф2) 2 (ф,) д (7)
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) 2 (ф2) 2 (фа) (8)
* ... ; 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 (9)
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(а» ¿{ту а(а)} , (10)
где а а), а т), а а) — соответственно число операций сложения, умножения, деления.
Вычислительная сложность
в(1)
разработанного метода рассчитывается по следующим
формулам:
в(1) = а <0) + а(1), (11)
а<0) = {<}, а<0)}, (12)
а(1) = №• а»}, (13)
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: [email protected] — д-р техн. наук, профессор; Юго-Западный государственный университет, кафедра информационных систем и технологий, Курск; E-mail: [email protected]
Поступила в редакцию 24.10.11 г.
Сергей Викторович Дегтярев
Рекомендована Юго-Западным государственным университетом
