LabVIEW儀表盤(pán)識(shí)別（實(shí)戰(zhàn)篇—6）

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中常需要從各類儀表的顯示屏圖像中提取其讀數(shù)。這些儀表的顯示屏可以分為模擬指針顯示屏、LCD顯示屏和LED顯示屏等。

觀察模擬儀表可以發(fā)現(xiàn)，它們的刻度被標(biāo)記在一個(gè)由初始值和滿量程值限定的圓弧范圍內(nèi)，儀表的指針基于圓弧的圓心旋轉(zhuǎn)以指示當(dāng)前值。由此不難想到先使用兩條標(biāo)記初始值和滿量程值的線段，加上一個(gè)標(biāo)記圓心位置的點(diǎn)來(lái)校準(zhǔn)儀表，然后就可以檢測(cè)指針的位置，并通過(guò)該位置占滿量程的比例來(lái)確定當(dāng)前讀數(shù)。三點(diǎn)法是另一種校準(zhǔn)此類儀表的方法。它在儀表初始值、滿量程值位置上分別選擇一點(diǎn)，再選擇指針旋轉(zhuǎn)的圓心，這樣圓心點(diǎn)即可與其他兩點(diǎn)分別構(gòu)成線段來(lái)實(shí)現(xiàn)儀表校準(zhǔn)。

指針型顯示屏常用于速度表、流量表、電壓和電流表等，如下所示：

儀表讀取功能還能從具有LCD/LED顯示屏的儀表中檢測(cè)包含單個(gè)或多個(gè)七段數(shù)碼管類型數(shù)字的區(qū)域，并讀取包括小數(shù)點(diǎn)等分隔符的數(shù)值。

LCD/LED顯示屏則常采用7段數(shù)碼管來(lái)顯示數(shù)據(jù)，如下所示：

Nl Vision提供了讀取上述幾種儀表顯示的函數(shù)，它們對(duì)復(fù)雜的算法進(jìn)行了封裝，位于LabVIEW的視覺(jué)與運(yùn)動(dòng)→Machine Vision→Instrument Readers函數(shù)選板中，如下圖所示：

其中IMAQ Get Meter、IMAQ Get Meter 2和IMAQ ReadMeter用于讀取模擬儀表的讀數(shù)，IMAQ Get LCD ROI、IMAQ Read LCD和IMAQRead Single Digit用于讀取使用7段數(shù)碼管類型的LCD/LED儀表的讀數(shù)。

函數(shù)說(shuō)明及使用可參見(jiàn)幫助手冊(cè)： 

1、模擬儀表識(shí)別

基于NI Vision的儀表讀取函數(shù)可快速構(gòu)建需要讀取儀表值的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)。通過(guò)一個(gè)儀表讀取函數(shù)讀取油表顯示值的實(shí)例，了解模擬儀表識(shí)別的應(yīng)用。

整個(gè)過(guò)程可分為學(xué)習(xí)和讀數(shù)兩個(gè)階段。在學(xué)習(xí)階段，程序先使用兩個(gè)IMAQ Convert Line to ROI函數(shù)指定了儀表的初始值和滿量程值位置。隨后IMAQ Group ROI對(duì)兩個(gè)線段ROI進(jìn)行組合，作為儀表學(xué)習(xí)函數(shù)IMAQ Get Meter的輸入。學(xué)習(xí)過(guò)程完成后，會(huì)輸出儀表指針的旋轉(zhuǎn)中心位置和一個(gè)數(shù)組。其中數(shù)組元素代表儀表初始值和滿量程值之間一條沿著刻度的弧線上各點(diǎn)的位置，這些點(diǎn)將用于在讀數(shù)階段計(jì)算儀表的讀數(shù)。

讀數(shù)階段基于學(xué)習(xí)階段的輸出來(lái)完成，IMAQ Read Meter可以通過(guò)檢測(cè)儀表指針的位置來(lái)確定當(dāng)前讀數(shù)所在位置占滿量程的百分比。而基于該百分比和滿量程值，就可以計(jì)算儀表的真實(shí)讀數(shù)。

程序設(shè)計(jì)如下所示：

程序運(yùn)行結(jié)果中，除了顯示讀數(shù)值，還在圖像中顯示了ROI、學(xué)習(xí)過(guò)程所返回?cái)?shù)組中的各點(diǎn)以及指針指向的位置，效果如下所示：

2、LCD/LED顯示屏識(shí)別

IMAQ Get LCDROI、IMAQ Read LCD可檢測(cè)包含多個(gè)七段數(shù)碼管類型數(shù)字的區(qū)域，并讀取包括小數(shù)點(diǎn)等分隔符在內(nèi)的數(shù)值。IMAQ Read Single Digit則用于讀取單個(gè)七段數(shù)碼管類型的數(shù)值。與讀取模擬儀表數(shù)值的過(guò)程類似，讀取LCD儀表數(shù)值的過(guò)程也包括學(xué)習(xí)和讀數(shù)兩個(gè)階段。

學(xué)習(xí)階段需要基于所有數(shù)字的七段數(shù)碼管全部打開(kāi)時(shí)的圖像（全部為數(shù)字8）來(lái)定位各個(gè)數(shù)字所在的矩形范圍。讀數(shù)階段則通過(guò)分析7段數(shù)碼管數(shù)字各段的線灰度分布以確定讀數(shù)結(jié)果。

下圖顯示了儀表讀取函數(shù)基于線灰度分布識(shí)別LCD/LED數(shù)碼管顯示的原理，其中數(shù)字為各段數(shù)碼管的索引。

上圖（a）顯示了背景為白色且七段數(shù)碼管全部打開(kāi)時(shí)的情況，其中數(shù)字為各段數(shù)碼管的索引。假定已在學(xué)習(xí)階段從圖像中確定了各個(gè)數(shù)字所在的矩形位置，就可以在水平和豎直方向上設(shè)置與各段數(shù)碼管交叉的線段型ROI，用于后續(xù)分析。

由于數(shù)碼管關(guān)閉時(shí)，其圖像灰度與背景灰度接近，因此線ROI灰度曲線上的像素值分布較為集中。而數(shù)碼管打開(kāi)時(shí)，因數(shù)碼段圖像灰度與背景反差較大，線ROI灰度曲線上的像素值分布較為分散，如上圖（b）所示。

標(biāo)準(zhǔn)差可用來(lái)衡量一組數(shù)據(jù)的分散程度，因此通過(guò)計(jì)算線ROI上像素灰度的標(biāo)準(zhǔn)差，并為其設(shè)置閾值即可判斷數(shù)碼管的開(kāi)閉。綜合考慮7個(gè)數(shù)碼管的各種開(kāi)閉組合，就能得到其顯示的數(shù)值。而重復(fù)該過(guò)程就能讀取LCD顯示屏中的多個(gè)數(shù)字。

由于LCD/LED儀表讀取函數(shù)基于線灰度分布來(lái)判斷數(shù)碼管的開(kāi)閉，因此圖像的亮度漂移（Light Drift）、對(duì)比度、噪聲和分辨率將直接影響其讀數(shù)的準(zhǔn)確性。

通過(guò)一個(gè)讀取LCD儀表顯示值的實(shí)例，了解LCD/LED顯示屏識(shí)別的應(yīng)用方法，程序設(shè)計(jì)思路如下所示：

• 程序總體上可分為使用IMAQ Get LCDROI的學(xué)習(xí)和使用IMAQ Read LCD的讀數(shù)兩大部分。

• 程序開(kāi)始先讀入儀表所有數(shù)字均為8時(shí)的圖像LCD0.jpg，并調(diào)用IMAQ Get LCD ROI，從指定的矩形ROI中搜索各個(gè)7段數(shù)碼管數(shù)字所在的矩形位置；

• 一旦獲得各個(gè)數(shù)字位置所在的范圍，程序就讀取待測(cè)圖像LCD1.jpg，調(diào)用IMAQ Read LCD分析各個(gè)數(shù)字所在的范圍內(nèi)7個(gè)數(shù)碼管的顯示情況，以判斷最終讀數(shù)；

• 儀表學(xué)習(xí)和讀取過(guò)程均使用線灰度分布的標(biāo)準(zhǔn)差閾值Threshold來(lái)判斷數(shù)碼管的開(kāi)閉，而且IMAQ Read LCD還支持?jǐn)?shù)字的+/-符號(hào)和小數(shù)點(diǎn)的讀?。?/p>

• IMAQ Read LCD以浮點(diǎn)數(shù)、字符串以及元素為圖形的數(shù)組返回所讀取到的值，其中字符串中的每個(gè)字符用小數(shù)點(diǎn)進(jìn)行分割。

程序?qū)崿F(xiàn)如下所示：

 程序運(yùn)行效果如下所示：

儀表和條碼讀取是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的常用功能。常見(jiàn)的各類儀表可按顯示方式分為模擬指針顯示屏、LCD顯示屏和LED顯示屏等幾大類。

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以使用雙線法或三點(diǎn)法，對(duì)模擬顯示屏類型的儀表進(jìn)行校準(zhǔn)和讀取。對(duì)七段數(shù)碼管類型顯示數(shù)字的LCD/LED儀表的讀取，可以通過(guò)分析數(shù)字所在區(qū)域的線灰度分布來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)碼管關(guān)閉時(shí)，灰度曲線上的像素值分布較為集中，反之則分布較為分散。在讀取儀表過(guò)程中，應(yīng)考慮圖像的亮度漂移、對(duì)比度、噪聲和分辨率對(duì)讀數(shù)準(zhǔn)確性的影響。