基于投影分割法的膜式燃气表读数识别方法及装置与流程

1.本发明涉及计量技术领域，尤其涉及一种基于投影分割法的膜式燃气表读数识别方法及装置。


背景技术：

2.用于燃气贸易结算的燃气表属于强制检定计量器具，其量值准确与否直接关系到消费者和燃气公司双方的利益。燃气表的检定工作是检查燃气表计量准确性是否合格的基本手段，包括5个检定项目，即外观、密封性、压力损失、示值误差以及附加装置功能检测。
3.目前，大部分燃气表生产厂家和法定计量检定机构采用人工操作或者半自动方式检定燃气表，人工抄录燃气表读数，工作量较大；检定人员主观误差难以控制，导致计量准确性不高。在燃气表示值误差检定项目的累积流量读数环节，自动检测方式不太理想；现有的自动检测方式主要是对被检表计数器末位字轮进行光电采样和对计数器字轮字符进行图像识别。
4.计数器末位字轮光电采样方式原理为：在燃气表计数器末位字轮贴上一个感光亮片，配备光电采样器照射到末位字轮并感应亮片，以此完成被检表累积体积自动采集，即随着末位字轮转动，亮片也跟着转动，字轮每转动一圈，光电采样器感应到一次亮片，并采一次样或输出一个脉冲（代表燃气表末位字轮转一圈对应的固定体积值，如10 l），直至完成被检表体积数累计，从而实现自动检测。该自动检测方式的缺点是检定开始时必须等到末位字轮感光片转到表盘正面进行照射采样，而感光片刚从正面转走时则要花较多的空走时间等待其走回正面位置才能开始检定，尤其是在小流量检定点会浪费很多时间，大大降低了检定效率。
5.计数器字轮图像识别自动检测有两种方式：
①
检定前拍摄计数器末位字轮图像并建立模板，检定时高速拍摄转动的末位字轮的图像并与模板匹配，判定是否一致，当末位字轮转动一圈时，自动判定与模板图像一致，并实时发出一个脉冲；检定继续进行，末位字轮每转动一圈发出一次脉冲，直至字轮完成整数圈的转动且被检表通气量或检定时间达到预置数为止，整个过程实现自动检定。该方式对图像识别的准确性和采样间隔要求较高，因一个脉冲代表末位字轮转动一圈的体积值（固定值，如10 l），检定过程中一旦丢失一个脉冲，记录的被检表累积体积将会与实际值相差较大，直接导致检定结果出错。
②
在检定开始时，拍摄计数器字轮图像并识别转化为累积体积初始数值，当检定装置通气量或检定时间达到预置数时，再次拍摄计数器字轮图像、识别转化为累积体积终止数值，初始、终止两个累积体积数值之差即为被检表体积示值，与标准装置测得的通过燃气表气体量实际值比较，即可算出示值误差，实现自动检定。由于检定过程中计数器字轮不停转动，拍摄的字轮数字可能是相邻2个半字符而不是一个完整的字符（表盘跳表间隙上下数字不全），难以与字符库进行字符匹配，因此给图像识别带来了较大的难度,可能会降低识别准确率，而现有的半字符检测识别算法较为复杂，总体效率和成功率不高，另外图像拍摄时存在的外界干扰如亮度不均等会影响图像识别的成功率。
6.综上，现有的燃气表自动检定装置还存在不足之处，检定质量和效率还有待提高，亟需研制准确度更高、抗干扰能力更强、自动化程度更高的检定方法和装置，以实现燃气表的高效精准检定。
7.例如，中国专利cn201711279556.9公开了一种具备智能识别功能的燃气表远程抄表系统及方法，通过命令发送模块发送对一个区域燃气表的抄表指令，通过应用服务器以及中继设备将读数指令发送至信号收发器，从而使得信号收发器读取对应识别标志的燃气表的读数，达到远程抄表的目的，然而，其采用的图像识别自动检测依然存在读数误差大的问题。


技术实现要素：

8.本发明主要解决现有的技术中燃气表的读数识别准确度低的问题；提供一种基于投影分割法的膜式燃气表读数识别方法及装置，利用燃气表字符部分和其余部位的颜色差异进行转过的字符识别，从而计算出燃气表累积体积读数，准确度高。
9.本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：基于投影分割法的膜式燃气表读数识别方法，包括以下步骤：获取燃气表的初始读数图像，判断摄像装置的扫描线是否对准末位字轮的水平中线；利用机器视觉算法检测末位字轮的水平中线，对摄像装置进行调节；利用调节后的摄像装置获取末位字轮图像；对末位字轮图像进行图像预处理；对预处理后的末位字轮图像采用投影分割法进行计数；根据计数结果计算燃气表累积流量示值。利用投影分割法进行末位字轮字符计数，根据像素投影值的不同，检测是否有字符经过，每检测到一个字符就输出一个脉冲，根据累计的脉冲个数可以计算出燃气表的累积体积示值，相比于传统的图像检测和光电检测，具有更好的准确度，减少读数误差。
10.作为优选，所述的图像预处理包括图像均值滤波、图像膨胀、图像灰度化和二值化。经过图像均值滤波处理，由于拍摄原因造成的一些噪点和末位字轮右侧宽度较窄的刻度线被平滑处理；经过图像膨胀处理，字符的线条变得更粗，更易于图像识别；经过图像灰度化处理，采集到的三通道图像被简化为单通道图像；经过图像二值化处理，字符变为白色，字轮底盘其余部分变为黑色，方便后续的字符识别。
11.作为优选，所述的投影分割法包括：经过图像预处理后，字符为白色，其他区域为黑色，摄像装置固定扫描末位字轮中线，获取末位字轮转动时中线上各点的像素值，当字符经过水平中线时，摄像装置从扫描行中获取到白色像素点，像素值为255，字符间隙经过水平中线时摄像装置从扫描行中获取到的均为黑色像素点，像素值为0；根据像素垂直投影值判断是否有字符通过，当上一扫描行均为黑色像素值而当前扫描行出现白色像素值时，即上一扫描行像素垂直投影值均为0而当前扫描行像素垂直投影值出现255，则当前扫描行判定为字符上边界；当上一扫描行出现白色像素值而当前扫描行均为黑色像素值时，即上一扫描行像素垂直投影值出现255而当前扫描行像素垂直投影值均为0，则上一扫描行判定为字符下边界，根据检测到的字符下边界进行脉冲计数。通过摄像机沿着末位字轮水平中线
（二维坐标系中x方向）进行扫描，所获取的图像经过预处理后像素值统计直方图呈现波峰状，即字符的像素值为255，而其间隙像素点经二值化转为0，当沿着字轮中线检测到的像素值均为0时，可判断为字符间隙，当中线上检测到像素值为255时，可判断为字符。即燃气表以一定的速度运转，流量稳定在检定流量点后开始检定，摄像机开始识别末位字轮正面水平中线，当检测到上一帧的扫描行中存在字符而当前扫描行不存在字符时，判定上一扫描行为字符下边界，置为高电平，通过信号线向脉冲计数器发送一个计数脉冲，否则不发送脉冲；检定过程不断累积脉冲数直至完成检定，通过投影分割法进行字符分割识别，末位字轮无需转动一圈才去进行计数，而是转动一个字符进行一次计数，降低了误差，提高了读数的准确率。
12.作为优选，计算燃气表累积流量示值的具体方法为：其中，为被检表通气累积流量示值；为机械计数器末位字轮转动一圈的体积值；为累计脉冲数。
13.本发明还提供一种基于投影分割法的膜式燃气表读数识别装置，包括：视觉检测模块，用于获取末位字轮图像、完成字符识别并进行脉冲计数，与上位机连接；定位模块，对视觉检测模块进行位置调整，与上位机连接；上位机，获取视觉检测模块的末位字轮图像，并将每一帧的末位字轮图像与初始读数图像进行对比后控制定位模块工作，并根据脉冲计数结果输出燃气表累积流量示值。设置定位模块对视觉检测模块进行水平方向和竖直方向的调节，如果摄像头的扫描线在竖直方向上偏离末位字轮水平中线，则通过旋转竖直方向位置调节旋钮来调整摄像头上下位置；如果摄像头的扫描线在水平方向上偏离末位字轮水平中线，则通过旋转水平方向位置调节旋钮来调整摄像头左右位置，减少检测过程中出现的误差，提高准确度。
14.作为优选，所述的视觉检测模块包括摄像头、图像处理模块和脉冲计数器，所述摄像头通过安装轴安装在燃气表的上方，所述摄像头用于拍摄末位字轮图像和初始读数图像，所述摄像头分别与图像处理模块和上位机连接，所述图像处理模块对末位字轮图像进行图像处理并发送脉冲信号给脉冲计数器，所述脉冲计数器根据接收到的脉冲信号进行计数并将计数结果传递给上位机。
15.作为优选，所述的定位模块包括第一调节按钮和第二调节按钮，所述第一调节按钮安装在摄像头的一侧，用于调节摄像头进行左右移动，所述第二调节按钮安装在摄像头的安装轴上，用于调节安装轴与燃气表的上下距离。
16.作为优选，还包括通讯模块，所述通讯模块包括gprs模块、电池单元和补光灯，所述视觉检测模块通过gprs模块与远程终端连接，所述电池单元给视觉检测模块、gprs模块和补光灯供电，所述补光灯与gprs模块连接。配置gprs模块进行远程无线通信，将检测结果进行远程传递，实现远程抄表功能，更加方便，通过补光灯以提高摄像质量。
17.本发明的有益效果是：通过投影特征分析的分割原理，创新性提出检测燃气表计数器末位字轮转过的字符并计数的方式，根据燃气表末位字轮中字符与间隙存在的明显色彩差异，采用投影特征分析方法进行检测，能够准确统计燃气表运转时计数器末位字轮转过的字符个数，且无需识别出来具体字符类型，节省了图像识别的时间；比起传统的燃气表
读数检测末位字轮转动一圈才发送一个脉冲，本发明的末位字轮每转一圈能发送10个脉冲，其识别精度大大提高，因而检定误差将大大减小，检定结果更加准确。
附图说明
18.图1是本发明实施例的读数识别方法的流程图。
19.图2是本发明实施例的读数识别装置的结构示意图。
20.图中1、工作台，2、摄像头，3、安装轴，4、燃气表，5、燃气表载台，6、第一调节按钮，7、第二调节按钮，8、燃气表通气孔，9、燃气表末位字轮。
具体实施方式
21.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
22.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，通过下述实施例并结合附图，对本发明实施例中的技术方案进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
23.实施例一：基于投影分割法的膜式燃气表读数识别方法，如图1所示，在检测之前，需要对摄像头的位置进行定位，通过获取燃气表的初始读数图像，判断摄像装置的扫描线是否对准末位字轮的水平中线，利用机器视觉算法检测末位字轮的水平中线，若摄像装置的扫描线对准了末位字轮的水平中线，则开始后续的读数识别检测，若摄像装置的扫描线没有对准末位字轮的水平中线，则对摄像头进行上、下、左或右方向调节再开始后续的读数识别检测，本发明的水平中线的定位方法为：在图像预处理之后，先利用findcontours函数进行边缘检测，再用boundingrect函数寻找字轮轮廓的外接矩形，再根据面积和长宽比进行筛选，最后用rectangle函数绘制符合条件的矩形，并根据矩形的几何信息用line函数绘制出字轮水平中线。在摄像装置扫描计数前获取末位字轮水平中线，然后再根据水平中线调整摄像装置和燃气表的距离，使扫描线与水平中线重合。
24.读数识别步骤具体包括以下步骤：s1：利用调节后的摄像装置获取末位字轮图像；当燃气表通气开始运转时，其机械计数器字轮转动计数，末位字轮上字符和刻度线为白色，而其他部分为红色，根据颜色差异可以从字轮上分割出字符并识别转过的字符数量，末位字轮转动一圈共计10个字符，获取的图像信息只需要能识别颜色差异，无需识别字符形状。
25.s2：对末位字轮图像进行图像预处理；图像预处理包括图像均值滤波、图像膨胀、图像灰度化和二值化，经过图像均值滤波处理，由于拍摄原因造成的一些噪点和末位字轮右侧宽度较窄的刻度线被平滑处理；经过图像膨胀处理，字符的线条变得更粗，更易于图像识别；经过图像灰度化处理，采集到的三通道图像被简化为单通道图像；经过图像二值化处理，字符变为白色，字轮底盘其余部分变为黑色，方便后续的字符识别。
26.s3：对预处理后的末位字轮图像采用投影分割法进行计数；投影分割法包括：经过
图像预处理后，字符为白色，其他区域为黑色，摄像装置固定扫描末位字轮中线，获取末位字轮转动时中线上各点的像素值，当字符经过水平中线时，摄像装置从扫描行中获取到白色像素点，像素值为255，字符间隙经过水平中线时摄像装置从扫描行中获取到的均为黑色像素点，像素值为0；根据像素垂直投影值判断是否有字符通过，当上一扫描行均为黑色像素值而当前扫描行出现白色像素值时，即上一扫描行像素垂直投影值均为0而当前扫描行像素垂直投影值出现255，则当前扫描行判定为字符上边界；当上一扫描行出现白色像素值而当前扫描行均为黑色像素值时，即上一扫描行像素垂直投影值出现255而当前扫描行像素垂直投影值均为0，则上一扫描行判定为字符下边界，根据检测到的字符下边界进行脉冲计数；通过摄像机沿着末位字轮水平中线（二维坐标系中x方向）进行扫描，所获取的图像经过预处理后像素值统计直方图呈现波峰状，即字符的像素值经二值化转为255，而其间隙像素点经二值化转为0，当沿着字轮中线检测到的像素值均为0时，可判断为字符间隙，当中线上检测到有一点像素值为255时，可判断为字符。即燃气表以一定的速度运转，流量稳定在检定流量点后开始检定，摄像机开始识别末位字轮正面水平中线，当检测到上一帧的扫描行中存在字符而当前扫描行不存在字符时，判定上一扫描行为字符下边界，置为高电平，通过信号线向脉冲计数器发送一个计数脉冲，否则不发送脉冲；检定过程不断累积脉冲数直至完成检定，通过投影分割法进行字符分割识别，末位字轮无需转动一圈才去进行计数，而是转动一个字符进行一次计数，降低了误差，提高了读数的准确率。
27.例如，末位字轮中，存在数字0-9，当扫描数字0时，扫描线经过数字0的顶点时，中线上检测到有一点的像素值为255，继续扫描，出现两个点的像素值为255，到达数字的下边界时，回到一点的像素值为255，而下一个扫描行的像素值为零，此时，即可判断为一个字符的检测完毕，进行一个脉冲发送，同理，对于数字1-9进行同样的检测，无需对数字进行具体识别，只需检测出字符即可。
28.s4：根据计数结果计算燃气表累积流量示值；计算燃气表累积流量示值的具体方法为：其中，为被检表通气累积流量示值；为机械计数器末位字轮转动一圈的体积值；为累计脉冲数。脉冲累积计数每达到10个，就意味着完成燃气表末位字轮0-9一圈数字的识别，末位字轮完成一圈转动，被检表通气体积示值累加一固定值（如10 l）。现有的自动检测方式比如识别末位字轮的感光片和识别末位字轮同一字符的转动圈数，都是末位字轮每转一圈才发送一个脉冲；而本读数方法及装置采用识别末位字轮中字符转过个数的方式进行脉冲计数（因末位字轮含有10个字符，字轮每转一圈能发送10个脉冲），识别精度更高、误差更小、结果更加准确。采集检定过程中所获得的脉冲数并发送到上位机，通过上述计算公式，计算出被检表累积流量示值v，具有更强的抗干扰性，提高准确度。
29.本发明还提供一种基于投影分割法的膜式燃气表读数识别装置，如图2所示，包括用于获取末位字轮图像、完成字符识别并进行脉冲计数的视觉检测模块，对视觉检测模块进行位置调整的定位模块，视觉检测模块和定位模块均与上位机连接；上位机用于获取视觉检测模块的末位字轮图像，将每一帧的末位字轮图像与初始读数图像进行对比后控制定位模块工作，并根据脉冲计数结果输出燃气表累积流量示值。
30.视觉检测模块包括摄像头2、图像处理模块和脉冲计数器，摄像头通过安装轴安装在燃气表的上方，摄像头用于拍摄末位字轮图像和初始读数图像，摄像头分别与图像处理模块和上位机连接，图像处理模块对末位字轮图像进行图像处理并发送脉冲信号给脉冲计数器，脉冲计数器根据接收到的脉冲信号进行计数并将计数结果传递给上位机。
31.定位模块包括第一调节按钮6和第二调节按钮7，第一调节按钮安装在摄像头的一侧，用于调节摄像头进行左右移动，第二调节按钮安装在摄像头的安装轴上，用于调节安装轴与燃气表的上下距离。
32.上位机设置在工作台1内，工作台上设置有用于安装燃气表的燃气表载台5，燃气表载台的一端与工作台固定连接，燃气表载台的另一端与燃气表4连接，燃气表载台包括存放架和升降杆，升降可进行伸缩，带动存放架靠近或远离安装轴，存放架用于存放燃气表，在燃气表的上方设置安装轴，安装轴滑动安装在工作台上，摄像头安装在安装轴3上，安装轴通过第二调节按钮进行上下微调，确保摄像头对准燃气表末位字轮9的水平中线，燃气表载台设置有多个，摄像头可多个设置在安装轴上，每个摄像头对应一个燃气表，安装轴的下端设置有气路进气口，燃气表通气孔8与气路进气口连接方便燃气表的气体流通。
33.检定员安装好待检定的膜式燃气表后，在上位机启动检定，收到驱动信号后，安装轴下放，燃气表载台带动被检表上升至检测区域，摄像头垂直照射在被检燃气表正面，摄像头拍摄被检燃气表的图像，确认扫描线是否在计数器末位字轮9的水平中线，因对检测精度要求较高，容错率在1~2mm之间，需要摄像头拍摄燃气表的图像，实时把位置信号反馈给控制系统，若位置存在偏差，可调节第一调节按钮和第二调节按钮直至摄像头的扫描线与计数器末位字轮水平中线重合，满足检测的精度要求，实现高精度的定位调控。
34.当被检燃气表通气量或检定时间达到设定数，完成相应流量点的检定；当完成小流量、中流量和大流量三个流量点检定后，检定结束，控制安装轴上升，读数装置收起，以便检定员进行拆表作业。
35.当燃气表通气运转时，其机械计数器字轮转动计数，末位字轮字符经过正面几何水平中线时，线段上存在最少一个白色像素点；字符间隙经过时则无白色像素点，依据像素垂直投影值的不同判定是否有字符转过，通过统计转过的字符个数即可计算出燃气表累积体积示值。本发明利用摄像机拍摄被检表末位字轮正面水平中线所在线段并进行图像预处理，当字符转到水平中线时，摄像头在该线段上获取到白色像素值，字符的行间隙转到水平中线时，摄像头未获取到白色像素值，则可以根据像素投影值的不同，检测是否有字符经过，每检测到一个字符就输出一个脉冲，根据累计的脉冲个数可以计算出燃气表的累积体积示值。
36.采用机器视觉的投影分割技术，字轮转动时摄像头在水平中线位置所采集的像素值交替变化，经过软件系统图像处理之后，检测到有字符时，扫描行内出现白色像素点（需要说明的是，燃气表末位字轮上有一感光亮片，其通常覆盖了一整个字符，如字符数字“6”；其不影响本图像识别方法和装置的效果，因为在图像预处理后，亮片与其它字符颜色一样均为白色），检测到字符空隙时，扫描行内无白色像素点，利用色彩分割原理，可区分是否检测到字符。即燃气表以一定的速度运转，流量稳定在检定流量点后开始检定，控制系统发送指令给摄像机和脉冲计数器，摄像机开始高速识别末位字轮正面水平中线，当检测到上一帧的扫描行中存在字符而当前扫描行不存在字符时，判定上一扫描行为字符下边界，置为
高电平，通过信号线向脉冲计数器发送一个计数脉冲，否则不发送脉冲（也可以在检测到第一个字符上边界时开始检定并发送计数脉冲，检定过程中每识别到字符上边界一次就发送一次脉冲，直至检定完成）。
37.本读数识别装置具有安装方便和易操作的特点，在读数装置的基础上加装通讯模块，通讯模块包括gprs模块、电池盒和补光灯，安装在无远传功能燃气表上可实现远程抄表，即基于机器视觉的投影分割技术的膜式燃气表读数自动远传方法及装置。在安装使用前，摄像头拍摄照片上传到远程上位机，进行机械计数器字轮的图像识别或人工识别，所识别转化的流量值为初始值，计费周期末进行燃气费结算时，根据计费周期内脉冲计数器累计的脉冲数，转化得到的累积流量值为用户本周期的用气量，初始值和本周期用气量之和为下一周期的燃气量初始值。所有的图像和数据均通过通讯模块进行无线远传，传输到燃气公司后台服务器系统和用户移动终端。无需入户即可定期获得燃气表的用气量值，实现远程抄表功能，便于燃气公司掌握用户用气量和对用气情况进行科学智能化管理，解决入户抄表难、工作量大等问题。用户也可以通过移动端随时随地查看自身的燃气用气情况。
38.实施例二，本实施例与实施例一的区别在于，本实施例的定位模块包括基体、橡胶块、第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧、第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关、电控变阻器和供电模块，基体设置有开口，基体安装在安装轴上，橡胶块固定设置在基体的开口处，橡胶块设置有用于摄像头穿过的通孔，摄像头安装在基体内时头部穿过橡胶块露出基体外部，摄像头的头部与橡胶块滑动连接，第一弹簧的一端与摄像头的左侧连接，第一弹簧的另一端与基体内壁连接，第一弹簧通过第一电子开关与供电模块连接，第二弹簧的一端与摄像头的右侧连接，第二弹簧的另一端与基体内壁连接，第二弹簧通过第二电子开关与供电模块连接，第三弹簧的一端与摄像头的上侧连接，第三弹簧的另一端与基体内壁连接，第三弹簧与第三电子开关连接，第三电子开关通过电控变阻器与供电模块连接，第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关和电控变阻器的控制端均与上位机连接，根据上位机的指令进行开闭。
39.通过对第一弹簧通电，使得第一弹簧收缩，弹力克服橡胶块的阻力做功，使得橡胶块发生形变，但不会产生太大的形变，带动摄像头左移，同理，通过对第二弹簧通过带动摄像头右移，对第三弹簧进行预设的电流通电，使得第三弹簧进行预收缩，通过加大或减小电流使得第三弹簧进一步收缩或伸长，实现摄像头的上下调节。
40.本实施例的定位模块区别于实施例一的定位模块，采用上位机指令输出的自动控制定位，而不是实施例一的手动调节，提高了装置的远程可控性。
41.实施例三，本实施例在实施例一的基础上，加入了第一电机和第二电机，第一电机和第二电机的控制端与上位机连接，第一电机驱动第一调节按钮转动，第二电机驱动第二调节按钮转动，使得实施例一的手动定位调节变为上位机控制的自动调节和远程调节。
42.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。