LabVIEW儀表盤(pán)識別（實(shí)戰篇—6）

機器視覺(jué)系統中常需要從各類(lèi)儀表的顯示屏圖像中提取其讀數。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(guān)察模擬儀表可以發(fā)現，它們的刻度被標記在一個(gè)由初始值和滿(mǎn)量程值限定的圓弧范圍內，儀表的指針基于圓弧的圓心旋轉以指示當前值。由此不難想到先使用兩條標記初始值和滿(mǎn)量程值的線(xiàn)段，加上一個(gè)標記圓心位置的點(diǎn)來(lái)校準儀表，然后就可以檢測指針的位置，并通過(guò)該位置占滿(mǎn)量程的比例來(lái)確定當前讀數。三點(diǎn)法是另一種校準此類(lèi)儀表的方法。它在儀表初始值、滿(mǎn)量程值位置上分別選擇一點(diǎn)，再選擇指針旋轉的圓心，這樣圓心點(diǎn)即可與其他兩點(diǎn)分別構成線(xiàn)段來(lái)實(shí)現儀表校準。

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包含單個(gè)或多個(gè)七段數碼管類(lèi)型數字的區域，并讀取包括小數點(diǎn)等分隔符的數值。

LCD/LED顯示屏則常采用7段數碼管來(lái)顯示數據，如下所示：

Nl Vision提供了讀取上述幾種儀表顯示的函數，它們對復雜的算法進(jìn)行了封裝，位于LabVIEW的視覺(jué)與運動(dòng)→Machine Vision→Instrument Readers函數選板中，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，IMAQ Get LCD ROI、IMAQ Read LCD和IMAQRead Single Digit用于讀取使用7段數碼管類(lèi)型的LCD/LED儀表的讀數。

函數說(shuō)明及使用可參見(jiàn)幫助手冊： 

1、模擬儀表識別

基于NI Vision的儀表讀取函數可快速構建需要讀取儀表值的機器視覺(jué)系統。通過(guò)一個(gè)儀表讀取函數讀取油表顯示值的實(shí)例，了解模擬儀表識別的應用。

整個(gè)過(guò)程可分為學(xué)習和讀數兩個(gè)階段。在學(xué)習階段，程序先使用兩個(gè)IMAQ Convert Line to ROI函數指定了儀表的初始值和滿(mǎn)量程值位置。隨后IMAQ Group ROI對兩個(gè)線(xiàn)段ROI進(jìn)行組合，作為儀表學(xué)習函數IMAQ Get Meter的輸入。學(xué)習過(guò)程完成后，會(huì )輸出儀表指針的旋轉中心位置和一個(gè)數組。其中數組元素代表儀表初始值和滿(mǎn)量程值之間一條沿著(zhù)刻度的弧線(xiàn)上各點(diǎn)的位置，這些點(diǎn)將用于在讀數階段計算儀表的讀數。

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

程序設計如下所示：

程序運行結果中，除了顯示讀數值，還在圖像中顯示了ROI、學(xué)習過(guò)程所返回數組中的各點(diǎn)以及指針指向的位置，效果如下所示：

2、LCD/LED顯示屏識別

IMAQ Get LCDROI、IMAQ Read LCD可檢測包含多個(gè)七段數碼管類(lèi)型數字的區域，并讀取包括小數點(diǎn)等分隔符在內的數值。IMAQ Read Single Digit則用于讀取單個(gè)七段數碼管類(lèi)型的數值。與讀取模擬儀表數值的過(guò)程類(lèi)似，讀取LCD儀表數值的過(guò)程也包括學(xué)習和讀數兩個(gè)階段。

學(xué)習階段需要基于所有數字的七段數碼管全部打開(kāi)時(shí)的圖像（全部為數字8）來(lái)定位各個(gè)數字所在的矩形范圍。讀數階段則通過(guò)分析7段數碼管數字各段的線(xiàn)灰度分布以確定讀數結果。

下圖顯示了儀表讀取函數基于線(xiàn)灰度分布識別LCD/LED數碼管顯示的原理，其中數字為各段數碼管的索引。

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

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

標準差可用來(lái)衡量一組數據的分散程度，因此通過(guò)計算線(xiàn)ROI上像素灰度的標準差，并為其設置閾值即可判斷數碼管的開(kāi)閉。綜合考慮7個(gè)數碼管的各種開(kāi)閉組合，就能得到其顯示的數值。而重復該過(guò)程就能讀取LCD顯示屏中的多個(gè)數字。

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

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

• 程序總體上可分為使用IMAQ Get LCDROI的學(xué)習和使用IMAQ Read LCD的讀數兩大部分。

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

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

• 儀表學(xué)習和讀取過(guò)程均使用線(xiàn)灰度分布的標準差閾值Threshold來(lái)判斷數碼管的開(kāi)閉，而且IMAQ Read LCD還支持數字的+/-符號和小數點(diǎn)的讀??；

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

程序實(shí)現如下所示：

 程序運行效果如下所示：

儀表和條碼讀取是機器視覺(jué)系統的常用功能。常見(jiàn)的各類(lèi)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(lèi)。

機器視覺(jué)系統可以使用雙線(xiàn)法或三點(diǎn)法，對模擬顯示屏類(lèi)型的儀表進(jìn)行校準和讀取。對七段數碼管類(lèi)型顯示數字的LCD/LED儀表的讀取，可以通過(guò)分析數字所在區域的線(xiàn)灰度分布來(lái)實(shí)現。數碼管關(guān)閉時(shí)，灰度曲線(xiàn)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，應考慮圖像的亮度漂移、對比度、噪聲和分辨率對讀數準確性的影響。