数显仪表的自动识别检测技术应用实例

数显仪表的自动识别检测技术应用实例
作者：郑小清
来源：《科技视界》2013年第21期
【摘要】在仪表图像预处理方面，采用二值化方法、采用数学形态学方法得到目标和背景分离明显的二值图像。

用大量仪表图像在不同条件下进行试验，从而验证处预处理方法是有效的。

针对数显仪表提出一定给予结构特征和模板匹配的方法，识别过程算法简单、识别速度和精度高，对各种类型的仪表处理均满足应用需求。

本课题以研究PC电脑型pH/离子计自动检定仪为切入点，采用虚拟仪器技术、图像采集和识别技术，组成以计算机为核心的一体化虚拟仪器。

具有自动采集和记录检定数据、自动进行数据处理、自动进行检定结果准确度的判别，并出具检定证书等功能。

对提高检定工作技术水平和检测工作效率，实现计量检定的自动化水平有重要的意义。

【关键词】图像预处理；数显仪表；pH/离子计自动检定仪
0 引言
由于数显仪表的直观读数性，目前广泛的应用于电力﹑石油﹑化工﹑医疗等各个行业中的测量系统中。

根据国家规定，每年国家计量检定机构都要对《计量法》指定要求的计量检定/校准的仪器仪表进行计量检定。

前些年，大部分的仪表检定工作一般都是先由人工对数显仪表进行记录，然后根据记录值对控制对象进行控制。

不但浪费大量的人力﹑物力，而且期间由于人的主观原因或外界环境因素引起的随机误差较大。

在一些环境恶劣的条件下强辐射﹑有毒﹑高温﹑低温（例如医用辐射源钴60环境下检测剂量计读数），不适合用人工的方式对仪表示值进行读数，就需要以自动的仪表读数识别系统来代替人工读数。

这样，不仅可以减少人为主观因素所造成的读数误差，而且还可以消除人工在现场操作的危险性。

因此，研究数显仪表的自动识别技术是有巨大的实用意义的。

仪表检定校验新方法一直是计量领域研究的热点课题之一。

目前标准源及其控制技术相对成熟，在解决仪表校验过程中存在的诸多问题时，例如何减少人工操作误差和提高检定效率等，其中仪表示值的自动识别也是关键研究点之一。

近几年，随着国内科学技术水平的提高，部分计量机构在数显仪表检定/校准装置使用中也配备了自动识别系统，但总体而言适用范围较窄，部分仪表的检测精度不高。

1 数显仪表自动识别研究现状
数显仪表显示字符的计算机自动识别属于模式识别﹑智能控制和数字图像处理等领域，是一门涉及数字﹑计算机科学﹑自动化技术和电子工程技术的边缘学科。

早在二十年代，德国科学家Taushek提出光学字符识别OCR概念。

五十年代，开始对印刷体（自然体）字符识别的研究，出现了一些应用软件，其识别率难以满足飞速发展的工业自动化需要。

八十年代后期，
字符快速识别成为可能。

九十年代初，大量的OCR方面的论文和系统见诸于世，以及车牌识别系统的初步成型。

现今字符识别技术随着计算机技术和人工智能研究的发展而逐步趋向成熟，并在票据识别﹑代码识别﹑计算机自动录入﹑车牌识别等很多方面取得了广泛应用。

同国外相比，我国在OCR技术方面研究起步较晚。

目前常用的数字识别方法主要有：基于结构特征的方法﹑模板匹配法﹑基于模糊理论的识别方法﹑人工神经网络方法等。

国内比较好的产品主要有汉王OCR数据加工，清华文通TH-OCR软件等，所有的这些研究为数字仪表显示的数字字符的识别提供了理论上的指导。

许多文献资料也提供了相关的识别技术的方法。

例如文献[1]就对数显仪表字符动态识别系统的研究进行叙述。

文献[2]-[5]描述了各种图像处理算法在数显仪表显示字符识别中的应用及改造。

文献[6]中对七段码数字显示仪表以未点亮数码管委特征构造分类器识别。

2 数显仪表的自动识别检测技术应用实例——pH计自动检定仪的设计基本原理
pH/离子计一般采用液晶或者LED数码管显示数值，在检定的时候需要人眼去读数并记录检定数据，检定一台pH计或离子计要近百个检定数据，人工读数比较容易出差错。

PC电脑型pH计自动检定仪，利用CCD代替人眼读数，将CCD摄入的图像传输到计算机，计算机再进行图像处理，自动识别pH（酸度）计或离子计的显示值，实现检定数据的自动采集，从而达到自动进行数据处理、自动出具检定结果的目标。

图1 检定仪总体框图
该检定装置主要由虚拟仪器软件、液晶触摸屏计算机、CCD成像系统、信号发生器和计算机接口电路组成（检定仪总体框图见图1）。

该检定仪有三种工作方式，一种是手工操作方式，用户通过计算机中的虚拟仪器界面，控制调节标准信号发生器发出各种模拟pH/离子计传感器的标准电位信号，可按常规仪表方式操作和检定，或用于被检仪器自动检定前的校准。

第二种半自动检定方式，通过检定原始数据表格界面，自动选择检定点，输出该检定点的标准信号，被检pH/离子计在接受到标准信号后，通过人眼观察，通过微调标准器信号，使被检pH/离子计的示值调到与检定点一致，按确认键将检定仪的标准信号读数自动输入计算机，计算机将自动进行数据处理、自动进行检定结果准确度判断。

（也可人工记录读数，自动处理数据。

）第三种方式是自动检定方式，虚拟仪器按照国家检定规程规定的检定点，通过设计的自动程序控制标准信号发生器发出各种模拟pH/离子计传感器的标准电位信号，通过CCD成像系统，自动采集和识别pH/离子计读数，并自动记录被检器的检定数据，自动进行数据处理和检定结果准确度判断。

本文就针对该检定装置的图像识别部分进行研究分析：
图像采集模块负责与工业相机进行底层的交互，通过USB把工业相机拍摄的图像采集到系统中来。

图像数据获取采用多线程方式，图像分辨率可达1280×1024。

系统采集、识别的对象是酸度计（或离子计）的液晶或数码管，大多数酸度计（或离子计）的液晶或数码管采用八段的显示结构（见图2），可显示的字符种类有0-9、负号和小数点12种字符。

根据以上特点我们提出了一套针对仪表数字显示特征的快速识别算法，包括图像的二值化、图像倾斜度校正、字符分割、特征提取与识别等步骤。

采集到的图像如图3所示。

图像的二值化关键是阈值分割， Otsu方法（大律方法）是经典的非参数、无监督自适应阈值选取方法。

它利用图像中的灰度直方图，以目标与背景之间的方差最大来动态地确定图像分割门限值，它不需要其他先验知识，因而应用范围很广。

该方法的基本思想如下：
设一维离散概率密度的归一化直方图为：
之后搜索遍历所有的灰度等级，当符合最大化类间方差准则：
采集到的图像包括多个数字，识别只能根据每个字符的特征来进行判断，所以要进行字符分割的步骤。

首先从上到下逐行扫描直到遇到第一个黑色像素点，即找到了图像中数字区域的上边界。

然后从下到上逐行扫描直到遇到第一个黑色像素点，即找到了图像中数字区域的下边界。

在上下边界之内，从左到右逐列进行扫描，遇到第一个黑色像素点则是图像中第一个数字的左边界，遇到没有黑色像素那列，则是第一个数字的右边界。

然后继续扫描知道找出所有的数字。

分割后的图像效果如图5所示。

从“0”、“1”到“9”，“.”，“-”十二个字符的结构可以看出，除“1”和“.”外，其他字符的结构的宽高比都在30%以上，如果发现宽高比小于30%，则可判断是“1”或“.”。

在对“1”和“.”进行判断，宽高比对于50%的是“.”，小于50%的是“1”。

“0”到“9”，“-”的判断可根据图6的黑色部分A-G的情况进行判断。

3 结论
本文以简述数显仪表自动识别技术的研究现状和本院研制的PC电脑型pH计自动检定仪（图像识别部分）的原理作为实例研究，为数显仪表自动识别技术应用做了事例表述。

总体而言，数显仪表的自动识别检测技术还存在许多技术上的问题，高效精确﹑性价比高﹑高兼容性﹑可扩展性﹑可靠的商品化系统设备还有待于进一步研究开发。

由于其自身应用非常广泛，国家计量机构每年又需要计量检定/校准大量的数显仪表。

一旦数显仪表自动识别技术成熟化，将产生巨大的经济效益，并能大大的降低测试人员和生产操作人员的劳动强度和人为因素造成
的测量不确定性和危险性，对保证仪表检定的精确可靠和提高整体计量检定效率等方面具有重要的现实意义。

对于数显仪表，根据其特点及应用需求，如何找到一种数字识别方法，使其计算量小，识别率高，仍然是一项非常有意义的研究工作。

【参考文献】
[1]申小阳，唐轶峻，姜柏军，等.仪表的数字字符识别系统[J].仪表技术与传感器，2005（6）：55-57.
[2]张海波，段会川，谢术富，等.一种数字仪表显示值识别的预处理算法[J].计算机应用研究，2005（2）：240-242.
[3]陈松，姚伯威.模式识别技术在仪器仪表数字显示系统上的应用[J].中国测试技术，2005，31（2）：73-74.
[4]申小阳，惰成华.数字仪表动态显示字符的计算机自动识别[D].浙江工业大学，2004，1.
[5]张海波，段会川，张曙光，等.一种数字仪表显示值快速识别方法[J].计算机工程与应用，2005，4：223-226.
[6]陈家翔，龙建忠，陶青川，等.数字仪表显示值的快速识别方法[J].中国测试技术，2006，32（6）：49-51.
[责任编辑：王迎迎]。