（通信与信息系统专业论文）基于arm直读水表的远程抄表系统设计.pdf

硕上论文 基于a p , i 直读水表的远程抄表系统设计 摘要 本论文分析了国内外直读水表远程抄表的发展和现状，根据目前水表的使用现状以 及南京l g 工厂提出的要求，设计了一种直读水表的远程抄表系统。该系统的抄表软件 通过i n t e m e t 网络来控制直读水表一端的嵌入式抄表模块，来对直读水表进行抄表，水表 端的抄表装置接收到来自控制端的抄表命令时，便对水表进行水表表盘图像的采集，并 进行格式的转化、滤波、二值化、边缘检测、字符切割和识别等一系列的处理，最后把 识别的水表读数经过网络发送到远程的抄表终端控制界面，并保存到数据库。 论文主要围绕抄表装置的软硬件设计展开，分析研究了在抄表过程中用到的方法， 包括抄表装嚣对图片的处理、识别算法及在l i n u x 下用c 语言编程实现，同时对t c p i p 协议中s o c k e t s 编程做了介绍，实现了网络发送的功能。抄表终端界面采用可视化的语 言编写，同时与数据库相连接，把水表读数保存到数据库中，便于对水表读数的管理。 本文的研究结果在直读水表的远程抄表中有实用价值，对于模式识别式的抄表方案 设计中有一定的参考价值。 关键词：嵌入式l i n u x 图像处理模式识别网络传输数据库 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed e v e l o p m e n ta n dc u r r e n ts t a t u so fr e m o t em e t e rr e a d i n gs y s t e m i nt h es o c i e t y a c c o r d i n gt ot h eu s eo fw a t e rm e t e r ss i t u a t i o na n dn a n j i n gl gf a c t o r y r e q u i r e m e n t s ，w ed e s i g n e d ar e m o t ed i r e c t - r e a d i n gm e t e rr e a d i n g s y s t e m a c c o r d i n g t h e i n t e m e tn e t w o r k ，t h i ss y s t e mc a nc o n t r o lr e a d i n gm o d u l ei nt h ee n do ft h es y s t e mb yt h e s o f t w a r eo nr e m o t e c o m p u t e r o n c et h e t e r m i n a lm o d u l er e c e i v e dc o m m a n d sf r o mt h e c o n t r o ls i d e ，i tw i l l p r o c e s s i n gt h ep i c t r u el i k ec o l l e c t i o n 、t a n s f o r m a t i o n 、f i l t e r i n g 、 b i n a r i a t i o n 、e d g ed e t e c t i o n 、c h a r a c t e rr e c o g n i t o na n dss e r i e sp r o c e s s i n gi nt h ee m b e d d e d l i n u xs y s t e m f i n a l l y , w et r a n s m i tm e t e rr e a d i n gc h a r a c t e rt oc o n t r o ls o f t w a r et h r o u g ht h e n e t w o r ka n ds a v e dt h i sc h a r a c t e rt ot h ed a t a b a s e t h e s i sf o c u so nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h em e t e rr e a d i n gd e v i c e ，a n a l y s i s t h em e t h o d su s e di nt h em e t e rr e a d i n gs y s t e m ，i n c l u d i n gt h ev a r i o u sa l g o r i t h m su s e di nt h e p r o c e s s i n ga n da c h i e v e m e n ti nt h ee m b e d d e dl i n u xs y s t e mw i t hcl a n g u a g e w h i l em a d e i n t r o d u c t i o na b o u t t c p i p p r o t o c o l i ns o c k e t s p r o g r a m m i n g ，t h e n r e a l i z e ds e n t f u n c t i o n a l i t y t h ec o n t r o ls o f t w a r ei sp r o g r a m m e db yv i s u a ll a n g u a g e ，w h i c hc o n n e c tt ot h e d a t a b a s e t h es o f t w a r ec a ns a v e da n dq u e r ym e t e rd a t a , t h e nr e a l i z e dt h em a n a g e m e n to fm e t e r r e a d i n gi n f o r m a t i o n t h i sp a p e r ss t u d yr e s u l t sh a v ep r a c t i c a lv a l u ei nt h ed i r e c t - r e a d 啦w a t e rm e t e r s r e a d i n gs y s t e m ，i t 、sh e l p f u lf o rp a t t e r nr e c o g n i t i o n - b a s e dm e t e rr e a d i n gs y s t e md e s i g n k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m l i n u x i m a g ep r o c e s s i n g p a t t e mr e c o g n i t i o nn e t t r a n s m i s s i o nd a t a b a s e i i 硕士论文基于a r m 直读水表的远程抄表系统设计 1 绪论 1 1 课题背景 水表的自动抄表系统集合了现代信息技术与水表计量技术，集水表用水量的计量、 读数数据的采集、数据处理为一体，将用水信息加以管理的综合系统，从而可以减小人 工抄表的劳动强度【l j 。 课题来源于南京l g 化学工厂，工厂建于2 0 0 3 年，各个厂房内部有很多供水管道， 水表的位置也是随机分布，为了不影响正常的生产，水表一般分布在屋内高出或者地下 室内。由于建设较早，厂房内使用的水表为老式直读式水表，不具有远传功能，每次抄 表都是人工用梯子攀爬到高处记录水表的读数，抄表过程极其不便并且危险，用户希望 在不影响正常生产的前提下，通过厂内值班室的计算机终端对水表进行抄表，从而实现 远程抄表，提高抄表人员的工作效率。如果把这些老式直读水表全部更换为具有远传功 能的智能水表，则需要对供水管道进行一系列的改装，工程量极大，且影响正常的生产。 为了满足l g 工厂的需求，论文做出了研究。 1 2 水表自动抄表国内外现状 目前主要的水表自动抄表系统有四种： 1 、总线制智能抄表，即水表上直接安装用水量采集模块，通过联网抄表的方式， 此方式方便简洁 2 1 。总线制智能抄表系统开发比较早，只是由于成本较高，没有大量使 用。然而实力比较强的公司凭借自己的市场和技术优势，已经开始大规模使用这种水表。 由于量产的需求，这些公司把芯片和采集及存储传输电路集成在一起，做成成品并装配 在表体上。正是因为如此，水表的数据的采集、数据的处理、读数的存储等工作全都由 智能水表自身来完成，抄表器等不参与水表读数数据的采集，只进行与水表的通讯，消 除t 多 1 - 界因素对抄表结果的干扰。智能水表的另一个优点是，其引出的总线通断与否不 会影响到单个水表数据的采集和保存，也不会影响其它水表数据的采集，即使读数时该 表的总线出现故障，只需修理好总线，不需要重新设置参数，水表的实际读数仍可以读 出，可见其安全性及稳定性都是很高的。 2 、无线发射式水表，就是利用无线传播技术实现数据远程发射与接收。 德国m e i l e k 公司研发的数据无线发射水表，除了安装常规的模块外，另外安装 了无线发射模块，通过接收模块远程接收信号，此种水表避免了再次铺设管道，并且安 装方便。由于单表表体费用较高，占用频带资源，且需长期交付一定的费用，这种水表 抄表方式我国暂时难以实行。 l 绪论硕士论文 3 、智能卡水表，就是i c 卡水表，用户可以在充值点定期充值，然后通过预付费管 理方式用水 3 1 。智能卡水表因为其性价比高，智能卡技术与应用得到很快的发展。它可 以限制用水量，并且可以避免收费纠纷等，这是普通水表上门抄表方式所不具有的优点， 并且智能卡水表和普通水表相似，不需要再次铺设水管，具有安装方便、维护简单等优 点，另外智能卡水表单表本身具备了采集、电源、电磁阀控制等模块，可以由智能卡读 入可用水量。这种方式实现起来比较简单，所以国内智能卡水表模式有了一定的发展。 4 、分线制集中抄表，就是多个用户水表数据通过线路与抄表器连接，然后再通过 网线连接到供水公司收费控制中心。分线制集中抄表方式由抄表器定时按顺序依次采集 来自多个分线连接的水表信号并进行相关的数据处理，各抄表器之间采用无线传输至集 线器，集线器再连接至i n t e m e t ，最后传输至监控计算机 4 1 。其特点是各用户水表通过 分户线连接至集线器。目前国内市场上各个抄表开发的公司用此方式的较多。分线制集 中抄表系统方案如图1 1 所示。 r 图1 1 分线制集中抄表系统 以上四种抄表系统各有特点，应根据不同情况进行选择。例如，对于较早建设的房 屋，智能卡式的水表是首选；对于单独开发、比较分散的楼宇，可以以楼为单位，通过 一台单元管理机将该楼内所有水表读数迸行记录；对于成片的新建智能楼房，可以构建 抄表网络，在小区物业管理中心通过控制计算机对辖区内所有水表数据进行收集，至于 用哪种方式的抄表系统，可以根据安装和成本而定。 另外，对于上述四种抄表系统都会对水表本身有一定的要求，比如说用智能表，包 括电阻式智能水表和光电式智能水表，采用这种水表必须要更换掉老式的非智能直读水 表，然而目前生活中大部分的工厂和老的建筑里用的都是老式的非智能水表，要更换所 有的这种水表无疑是很困难的，量大且很不方便替换，面对这种情况，2 0 0 3 年1 1 月1 3 一1 4 日由建设部科技促进中心、中国城镇供水协会主办，北京自来水团体公司协办，召开了 “滴水计量水表 和“摄像直读式远传收费系统研讨推广会【4 1 。会上突出提出了摄 像直读式远传的先进实用性。其主要方式是在水表表盘上方安装一个微型摄像头，抄表 时把采集到的图片通过一定的方式发送到上位计算机，然后再通过人工识别的方式来抄 2 硕士论文 基于a r m 直读水表的远程抄表系统设计 表，该方式虽然解决了不用人工上门抄表，但是却存在一些问题，比如说图片的数据量 很大，传输不容易，再就是还是人工识别水表的读数，并未脱离人工抄表的方式。 1 3 论文的主要内容及各章节安排 针对l g 化学工厂的要求，根据目前水表抄表现状及存在的问题，本论文给出了一 种解决方案，并对此进行了验证与设计，论文主要研究了以下内容： ( 1 ) 根据课题背景，给出水表抄表的解决方案； ( 2 ) 研究抄表装置硬件部分及软件的处理步骤和算法； ( 3 ) 网络发送程序及抄表终端界面的设计； ( 4 ) 系统软硬件的整合测试； 各章节安排如下： 第一章：绪论；介绍了直读水表抄表的背景、国内外目前抄表的现状以及各种方案 的比较。 第二章：抄表系统的设计方案；针对用户要求提出了解决方案。 第三章：水表表盘图像处理：主要对水表表盘图像逐步的进行各种处理，包括采集、 滤波、二值化、边缘检测及识别等。 第四章：抄表装置的设计；简单介绍了抄表装置用到的硬件部分，并介绍了图片采 集、t c p i p 协议和s o c k e t s 编程实现。 第五章：抄表终端的软件设计；设计了简单的抄表界面，包括与简单数据库的连接， 实现读数的保存等一系列的操作等。 第六章：系统整合与调试；将整个系统进行整合，并进行系统测试。 第七章：总结；分析了系统存在的问题和可以改进的空间，并做出展望。 2 抄表系统的设计方案硕l 论文 2 抄表系统的设计方案 根据课题的背景，用户希望在不影响正常生产的前提下，通过厂内值班室的计算机 终端对水表进行抄表。对于l g 工厂厂房内的直读非远传水表，如果要更换为具有远传 功能的智能水表，会影响到正常的生产，并且代价较大。为了实现远程抄表，要对水表 进行一些改装。一种方法是读取直读水表表盘图片，把图片传到计算机，由人工识别读 数，但这样数据传输量大，抄表没有脱离人工识别读数的束缚，而且保存需要大量的存 储资源，鉴于此，本论文提出在水表表盘的正上方安装一个抄表装置，由抄表装置提取 水表表盘图像，并对图像进行处理、识别，把水表读数识别出来，再把该读数( 厂房内 水表读数为5 个数字字符) 通过i n t e m e t 网络传输到远程的控制计算机，然后保存到数据 库里。 2 1 整体方案 方案的设计思路如下：在水表的表盘上方加装一个抄表装置，抄表装置由摄像头和 抄表器组成。由摄像头提取水表表盘的图像数据，并通过接口与抄表器相连接，把采集 到的图像数据传输至抄表器，并由抄表器对该图片数据进行一系列的处理，最后识别出 水表的读数。多个抄表器与交换机相连接，最后交换机通过i n t e m e t 连接至抄表终端。 一旦抄表终端发出抄表的命令，抄表器就会向摄像头发出图像采集的指令，摄像头把采 集到的图片存放在抄表器中，然后对这张图片进行处理和识别，最后识别出表盘的读数， 并把这5 个字符存放在抄表器中，然后传输模块把这5 个字符通过交换机经i n t e m e t 发 送到远端的抄表终端，抄表终端把数据进行保存。系统方案如图2 1 所示。 4 图2 1 系统方案框图 硕士论文 基于a r m 直读水表的远程抄表系统设计 2 2 方案说明 在设计方案中，抄表装置是抄表系统的核心部分，安装在水表上方，由摄像头和抄 表器组成。根据实际情况，系统不要求实时监控，抄表时只提取水表图片即可，而水表 的表盘图像很小，故摄像头可以采用市面上常见的c m o s 摄像头，这类摄像头采用u s b 接口的插头，从而可以方便的与抄表器相连接。抄表器由微处理器、存储芯片、网络芯 片组成，功能是把由摄像头采集进来的水表表盘图片进行处理并识别，把识别的读数进 行保存，以便于发送给抄表终端。抄表终端为一台通用的p c 机，通过局域网接收交换 机传送来的抄表数据。在抄表终端上安装抄表系统管理软件，其主要功能是完成用户信 息配置、数据处理、数据显示、数据存储、数据查询等功能。 2 3 本章总结 本章介绍了方案的具体情况，通过用户的要求，给出了厂房内远程抄表解决方案， 并对方案进行了说明。 3 水表表盘图像处理硕士论文 3 水表表盘图像处理 根据设计方案，摄像头把表盘图像数据采集进来以后，需要把该数据在抄表器内进 行处理及识别，识别出读数以后再进行传输。所以表盘图像数据的处理是在抄表器内进 行的。表盘图像通过摄像头采集进抄表器以后，需对图片进行一系列的处理，最终才能 识别出字符读数，一般的处理流程如图3 1 所示。 网 凶 灰 度 化 边 缘 检 测 倾 斜 矫 正 秀l 剖鎏 筢l 叫霾 定 位 、 分 割 字 符 识 别 后 续 处 理 图3 1 图像识别处理流程 由摄像头采集的水表图片是2 4 位真彩图，而2 4 位位图信息存储量大，处理速度较 慢，所以在不影响处理结果的前提下，需要把2 4 位位图转化为8 位位图，即灰度化处 理，然后再经过边缘检测、倾斜矫正、二值化、中值滤波、定位、分割等一系列的操作， 最终识别出字符的读数。 3 1 图片预处理 3 1 1 灰度化处理 图片处理中，一般是对位图图像进行各种处理。位图图像( b i t m a p ) ，也称之为点阵 图像或绘制图像，是由称作像素的单个点组成的【5 1 。整个b m p 位图由四个部分组成， 第一部分是b m p 的文件头，它概述了整个b m p 文件的基本信息。文件构成如下： t y p e d e f s t r u c tt a g b i t m a p f i l e h e a d e r w o r d b f f y p e ；文件类型说明标志 d w o r d b f s i z e ；文件的大小 w o r d b f r e s e r v e d l ：保留字l w o r d b f r e s e r v e d 2 ；保留字2 d w o r d b f o f f b i t s ；数据区距离头文件的偏移量 ) b i t m a p f i l e h e a d e r , 木p b i t m a p f i l e h e a d e r ； 第一个b t t y p e 表示图片的类型，若是b m p 文件，则这个位置的值一定是“b m 即 值为0 x 4 d 4 2 。第二个b f s i z e 为整个图片文件的字节数。第三、四个参数无意义，最后 一个参数表示位图的数据信息离文件头的偏移量，单位是字节。 第二部分为位图信息头区，包括此位图的详细信息，整个位图文件的基本结构由其 来描述，结构组成如下： 6 硕士论文 基于a r m 直读水表的远程抄表系统设计 t y p e d e fs t r u c tt a g b i t m a p i n f o h e a d e r d w o r db i s i z e ；表示信息头区域的大小，占4 字节，值为4 0 l o n g b i w i d t l l ；代表的是位图的宽度，以像素为单位，占4 字节 l o n g b i h e i g h t ；代表的是位图的高度，以像素为单位，占4 字节 w o r d b i p l a n e s ；代表的位图的平面数，平面数不同，r g b 各分量所排列的 顺序不一样。一般常见的是1 ，也就是r g b 各分量是按照b g r 的顺序在像素数据中排 列的。 w o r db i b i t c o u n t ；位图的位数分为l482 4 ，占2 字节 d w o r db i c o m p r e s s i o n ；佩表的是位图的宽度，以像素为单位 d w o r db i s i z e l m a g e ；代表的是位图像素数据的大小，就是高度乘上每行像素 所占的字节数，占4 字节 l o n g b i x p e l s p e r m e t e r ；目标设备的水平分辨率，占4 字节 l o n g b i y p e l s p e r m e t e r ；目标设备的垂直分辨率，占4 字节 d w o r db i c l r u s e d ；位图用到的颜色数，可以设置为o ，表示全部用到了 d w o r db i c m m p o r t a n t ；是位图中重要的颜色数，可以设置为0 ，代表的是全 部都很重要，占4 字节 ) b i t m a p i n f 0 脏a d e 木p b i t m a p l n f o h e a d e r ； b m p 文件与其他图像文件不同的是，对于其数据区域来说，每行的数据必须凑满 不小于本身的4 的倍数字节，如果不是4 的倍数，就用多余的数据来补齐这行。 第三部分是调色盘结构。对于2 5 6 色b m p 位图，颜色位数为8 ，需要2 8 = 2 5 6 个 调色盘，对于2 4 b i tb m p 位图，各象素r g b 值直接保存在图像数据区，不需要调色盘， 不存在调色盘区，r g b b l u e 、r g b g r e e n 、r g b r e d ：分别为该颜色的蓝色、绿色、红色分 量。 最后一部分是图像的数据区，对于2 4 位的真彩图，图像数据就是r 、g 、b 各个 分量的值。用1 位能够表示出2 色图象素的颜色，所以1 个字节表示2 色图的8 个象素 点。用4 位表示一个1 6 色图象素的颜色，所以用1 个字节表示1 6 色图的2 个象素点。 对于2 5 6 色图来说，1 个字节刚好表示1 个象素点。但对于真彩色图，要用2 4 位来表 示，即用3 个字节表示图像的1 个象素点。 了解了位图的结构，就要根据其结构对图片进行流程中的处理。 系统用3 个字节来表示2 4 位真彩图图像中的一个像素点，这三个字节，一个字节 代表红( r ) 色分量，一个字节代表绿( g ) 色分量，最后一个字节代表蓝( b ) 色分量。根据不 同类型图像之间的存储特点及关系，可以将2 4 位真彩色位图转化为8 位的灰度图像， 即用一个字节( 8 b i t ) 来表示一个像素点。图像灰度化的方法主要是最大值法、平均值法 7 3 水表表盘图像处理硕士论文 和加权平均法： ( 1 ) 最大值法：取像素点三个分量中灰度值最大的一点做为像素点g r a y 的值，即： g r a y 2 m a x ( e ，g ，召) ( 3 1 ) ( 2 ) 平均值法：使g r a y 的值等于三个分量值的和的平均值，即： 一 r + g + b t r a y = = _ 一 3 ( 3 2 ) ( 3 ) 加权平均值法：根据人眼对颜色的敏感度给r 、g 、b 赋予不同的权值、 ，并使g r a y 等于三个分量值的加权的和的平均，即： g r a y = 宰r + 宰g + 木b 根据人眼识别颜色的特点，即对绿色的敏感度为最高，对红色的敏感度居中，对蓝 色的敏感度最低，所以通常选用加权平均值法来计算，其中红色分量的权重为1 1 ，绿 色分量的权重为5 9 ，蓝色分量的权重为3 0 。转化后像素的灰度值g r a y 和r 、g 、b 三个分量的关系是： g r a y 2 0 1 1 毒r + 0 5 9 木g + 0 3 幸b ( 3 4 ) 此公式保留了图片的亮度信息，削弱了色饱和度与色调，这种结果正符合图像灰度 化处理的要求。在软件设计过程中采用第三种方法对水表表盘图像进行灰度化处理，根 据( 3 4 ) 式描述的灰度值g r a y 与2 4 位真彩图r o b 三个分量的换算方法，将真彩色图像 转换为8 位的灰度图。 灰度化处理的关键代码如下： f o r ( i = 0 ；i h e i g h t ；i + + ) f o r 0 2 0 ；j w i d t h ；j + + ) b = s o u r c e b u t i l i n e b y t e s 2 4 木i + j 宰3 1 ；像素点b 分量 g = s o u r c e b u f 1 i n e b y t e s 2 4 幸i + j 3 + l 】；像素点g 分量 r = s o u r c c b u f 1 i n e _ b y t e s 2 4 宰i + j 宰3 + 2 】；像素点r 分量 t a r g e t b u f i 宰l i n e b y t e s s + j = ( b 掌ll + g 木5 9 + r 宰3 0 ) 10 0 ；将各分量进行加 权相加得到该像素点的灰度值 ) 处理效果如图3 2 所示。 硕士论文 基于a r m 直读水表的远程抄表系统设计 凌。偷，魏施 图3 2 图像灰度化前( 左) 后( 右) 对比 3 1 2 灰度直方图处理 根据南京l g 工厂的特殊环境，水表的位置在高处，拍摄有可能收到光线因素很大 的影响，所拍摄的图片有可能会一边亮，一边暗，灰度分布不均匀，这会对后续处理和 识别造成很大的影响。对于光线因素造成的识别障碍，可以对其灰度值进行调整，即把 亮的部分变暗一些，暗的部分变的亮一些，使整幅图像灰度值看起来是均匀分布。另外， 为了增强图像的对比度，增加灰度值的变换范围，一般要对图像的灰度范围进行扩大， 这样可以重点显示出所关心的区域，使字符更加清晰的显示，这就是灰度拉伸的过程。 通俗的讲，直方图灰度拉伸就是将表盘图像上各个像素点的灰度值9 1 ，按某个函 数f ( ) 变换到蛇。设输入图像中的一个像素的灰度值为g 1 ，经过灰度拉伸函数处理后， 对应输出图像的灰度值为g 2 ，不论变换前还是变换后，图像的灰度值都要在灰度级别 范围之内，即0 - - , 2 5 5 之间，根据f ( ) 形式，对图像进行直方图灰度拉伸有线性变换和非 线性变换两种形式。 线性变换：设原图像灰度值为f ( m ，厅) e a ，b 】，变换后的取值为g ( m ，以) e c ，d 】，则 通过该变换可以把需要的灰度范围的像素点扩展，而对其他范围的灰度值进行压缩，变 换关系如下所示： 变换函数为： 9 3 水表表盘图像处理硕士论文 g ( m ，刀) = c f ( m ，甩) 0 f ( m ，玎) 口 c + 拿_ 二兰 ( ，竹，力一口】口厂( m ，疗) 6 d + 而n - d 删6 厂( 历，刀) 钏 ( 3 5 ) 非线性变换又分为两种方法，一种是对数变换，另一种是指数变换。 对数变换的一般表达式为： g ( m ，刀) = 九l o g ( 1 + 厂( 所，栉) )( 3 6 ) 为了准确的处理图像，加入了权重九来调节变换以后图像的灰度值。因为对数变换 把图像低灰度值部分进行了扩展，把高灰度值部分进行了抑制，所以图像各级灰度值变 得均匀分布，这正符合视觉的要求。 与对数变换效果相反，指数变换使得高灰度值的范围得到拉伸，而缩小了低灰度值 的范围，表达式为： g ( m ，刀) = g ( f ( m ，z ) + ) t( 3 7 ) 其中九和y 为常数。偏移量是为了避免公式中底数为0 时的情况。九值是加入对 灰度值进行调整的参数，当九 1 时灰度值 向低灰度值部分扩展，而当九= 1 时为正比变换。 根据计算量的大小和合理性，论文采用直方图均衡化对图像进行处理。图像的灰度 直方图指的是数字图像中各个灰度级与其在整幅图像出现的次数间的统计关系，反映了 图像的清晰程度。大量的数据表明，图像是最清晰的时候也是直方图分布最均匀的时候。 为了使图像变的清晰，就要使原图像的直方图成均匀分布状态，直方图均衡化就是一种 方法，它能够增加图像灰度值的动态范围，使图像整体对比度增大，从而图像变得清晰。 为此，可以对图像的灰度值进行非线性变换，设原始表盘图像像素点总个数为n ， 则变换的计算步骤如下： ( 1 ) 列出原始表盘图像和变换后图像的灰度值： 并计算出图像中各个灰度值的像素点的个数吩； ( 2 ) 计算原始图像中各个灰度值出现的概率p ： p ，( f ) = 生，i 0 ，l - 1 n ( 3 ) 计算出累积归一化直方图c 为： f c ( f ) - - x p ，( ) 1 0 f ，歹= o 1 “l 一1 ，( 其中l 是灰度值) ( 3 8 ) ( 3 9 ) 硕士论文基于a r m 直读水表的远程抄表系统设计 ( 4 ) 利用上述灰度变换函数计算出变换后的灰度值，并取整： j = i n t ( l 一1 ) 木相+ o 5 o ) ( 5 ) 确定出各个灰度之间的变换关系，将原表盘图像的灰度值f ( m ，n ) = i 修改为 g ( m ，z ) = ，； ( 6 ) 计算变换后各个灰度值的像素点的个数刀j ，并绘制变换以后的直方图： c ( 歹) = 生 玎 ( 3 1 1 ) 根据上述关系编写c 程序将图片进行直方图均衡化处理。 处理前后对比如图3 3 所示。 图3 3 图像均衡化处理前( 左) 后( 右) 对比 3 1 3 边缘检测 所谓边缘就是图像中灰度发生突变或者不连续的微小区域( 一组相连的像素集合) ， 即是两个具有相对不同灰度值特性的区域的边界线。在一幅图像中，边缘有方向和幅度 两个特性，一般认为平行于边缘走向的灰度变化较为平缓，而垂直于边缘走向的灰度变 化剧烈，即灰度梯度指向边缘的垂直方向。边缘主要存在于目标与目标、目标与背景、 区域与区域之间，是图像分割、纹理特征提取和形状特征提取等图像分析的重要基础。 边缘一般有以下几种： 厂 斜坡边缘 厂 _ _ 一 阶跃边缘线边缘 房顶边缘 常见的灰度变化类型 本论文中用到边缘检测的地方有两个，一个是在倾斜矫正的时候用到边缘检测的图 片，另一个是在图像投影的时候用到，边缘检测是对灰度图像进行。边缘检测有多种算 3 水表表盘图像处理 硕士论文 三= 雕小州 说= 础= b ? 习 位 成，设厂( x ，y ) 是输入图像坐标的像素点，则有： g f ( x ，y ) 】2x f ( x ，力一f ( x 一1 , y - 1 ) 2 + 【厂( x l ，j ，) 一f ( x ，y 1 ) 】2 3 ) r 2 二习尺：= 三二 。3 。4 ， 令g ( x ，y ) 为平滑后的图像，用h ( x ，y ，o ) 对图像厂( x ，y ) 的平滑可以表示为： g ( x ，y ) = h ( x ，y ，o ) 术( z ，y ) ，木代表卷积。 且= _ i 1 - ：1 日z = ：一- 。1 。3 。6 ， 1 2 硕士论文基于a r m 直读水表的远程抄表系统设计 0 。：t a n 一1 螋 ( p z ，p 是原始图像被滤波器h - ，h 2 沿着行和列作用的结果； s = 三三司是= 三三三 b ，8 ， 2f 亍罩羽 s 。2 二! 三三 。3 。9 ， 3 水表表盘图像处理硕士论文 麓 “i 一 吨c i 穗；k 。藏：热毹 图3 4 边缘检测图像前( 左) 后( 右) 对比 3 1 4 图像倾斜矫正 图像采集的模块安装到表盘上后，摄像头拍摄的图片上下边缘线与表盘读数字符区 域的边缘线平行的概率很低，也就是说，图片可能会存在一定倾斜，所以在字符识别之 前要对拍摄的图片进行倾斜矫正，使得图片字符“正对 镜头。 倾斜一般分为水平倾斜、垂直倾斜、旋转倾斜以及上述倾斜的各种组合，根据实际 的表盘图像，倾斜一般是旋转倾斜，即字符区域法线和镜头的法线呈现一定的角度，设 ，为图片正面视图，风为水平倾斜变换函数，为倾斜后的视图，r 为旋转倾斜变换 函数，k 为垂直倾斜变换函数，e 为倾斜角度，一般遇到的情况如下： 图像的旋转倾斜就是图像垂直倾斜后，又来了一次水平倾斜，即尾啦( 纠， 所以，倾斜矫正的函数步骤可以表示成i = 瞄1 蚝1 ( ，) 】，其中h i l 和瞄1 分别为1 - i o 和v o 的反函数，即水平校正函数和倾斜校正函数。 对于倾斜的图片，一般用到的校正方法有基于图片投影的检测校正方法、h o u g h 变 换方法等等。 基于投影基本理论是根据图像中目标投影的宽度来计算倾斜角度。在图片中，字符 间的间隔和高度都是已知的，倾斜的图像进行水平和垂直投影后，会导致目标投影的宽 度不同，当图像“正对”时，其水平投影宽度会最小，所以可以对图片先进行正负角度 的小范围旋转，分别进行投影，当投影宽度最小时就可以求出倾斜的角度，然后进行逆 向旋转该角度。该算法原理简单，运算量不是太大，但是对噪声敏感，对处理结果影响 较大。 h o u g h 变换法是图像处理中一种从图像中识别出几何曲线的方法，它利用点与线的 1 4 硕士论文 基于a r m 直读水表的远程抄表系统设计 空间对应关系，把原图像的像素点组成的曲线由一定的转换函数转化为对应参数空间的 一个点，这样如果要求图像中的一条曲线，就相当于求参数空间中点的峰值。 其基本的思想是：假如一个图像上具有一条直线，此直线的方程可以用y = k * x + b 的形式来表示仪、b 分别为斜率和截距) ，过点( x o ，y o ) 的所有直线的参数都满足上述方 程，即由点( x o ，y o ) 确定了一族直线。y o = k x o + b 在k b 平面上为一条直线，而图像x y 平面上的一个像素点就对应到参数k b 平面上的一条直线。设图像上的直线为洱，取 上面的三个点：a ( o ，o ) ，b ( i ，1 ) ，c ( 2 ，2 ) 。可以求出，过c 点的直线的参数要满足 方程2 = 2 k + b 过b 点的直线的参数要满足方程1 = k + b ，过a 点的直线的参数要满足方程 b = 0 ， 这三个直线方程分别对应了参数平面上的三条直线，并且这三条直线相交于点 忙1 ，b = o ) 。同样，原图像上直线用上的其它点在对应参数平面上的直线也会通过点 ( k = 1 ，t - - - 0 ) 。根据这个特性，就可以把图像平面上的点来对应到参数平面上的线，最后 通过计算参数空间中点的最大个数来查找原图像中的曲线【l o l 。 简而言之，h o u g h 变换思想为：原始图像坐标系中的一个像素点对应着参数坐标系 中的一条曲线，对于原始坐标系下呈现直线的像素点，都有相同的斜率以及截距，所以 在参数坐标系下都对应相同的点。将原始坐标系中的每个点全部投影到参数坐标系中 后，聚集点即对应了原坐标系中的直线。实际上，直线方程y = k * x + b 不能表示x - 常数 形式的直线，因为这时直线斜率为无穷大，所以在实际应用中，是采用参数方程 p - - x 木c o s ( t h e t a ) + y * s i n ( t h e m ) 来做为直线的参数方程。鉴于h o u g h 变换的灵活性，本论 文采用该算法计算字符区域的倾斜角度，故公式采用p - - x * c o s ( t h e t a ) + y * s i n ( t h e m ) 形式。 计算在给定范围角度( m i n t h e t a - m a x t h e t a ) 之间循环，并映射到参数空间。然后通过计算 参数空间中的各个点的数量来求出倾斜角度，数量最大的点所对应坐标t h e t a 就是所求 的倾斜角度。 在水表的表盘上，有一个边框，其边缘可以为我们提供一段直线，从而根据这段直 线来检测倾斜角度。在上一节的边缘检测的图像中可以明显的看到这个直线。在m a t l a b 中得到的结果如图3 5 所示，h o u g h 变换图中的白色是由很多的曲线组成，并且在改图 的仿真下，对应像素点最大的值为1 2 5 ，对应的列是7 ，说明倾斜角度t h e t a 为7 度。 图3 5 边缘检测图像( 左) 及对应的h o u g h 变换图像( 右) 3 水表表盘图像处理 硕士论文 i 刁= 墨；c 儿y c 吉o s o e 京暑筝 刍 彳 i ，3 2 。， y = x s i n o + y c o s o b s i n o b c o s o + d f 3 2 1 ) i 赫赢一一”一 灌k 孙、热露 图3 6 图像旋转前( 左) 后( 右) 对比 3 1 5 二值化处理 图像的二值化是指将灰度值在0 - 2 5 5 之间的灰度图像转换为只有黑和白两种颜色 的图像的过程。图像经过二值化以后，只用0 和1 两种值来表示像素点的像素值。在数 字图像处理中，二值图像处理速度快且简单，所以在灰度图片倾斜矫正以后，一般要把 灰度化处理后的图像进行二值化处理，以便后续处理。二值化的公式为： ，、f0f ( x ，y ) t g z ，y 2t l 厂( x ，y ) 丁 f 3 2 2 1 其中，f ( x ，y ) 是原图片中坐标为( x ，y ) 像素点的灰度值，g ( x ，y ) 为二值化后该像素 点的灰度值，t 是阂值。若该点的灰度值大于等于t ，则对应输出该点的像素值为1 ； 若该点的灰度值小于t ，则对应输出该点的像素值为0 。 阈值t 的选择对图片的后续处理有很大的影响，阈值太小会把不需要的噪声提取出 1 6 硕士论文基于a r m 直读水表的远程抄表系统设计 来，阈值过大则会滤掉一些目标物体。因此，阈值的选取是二值化的关键。 目前有多种二值化阈值算法，应用最广的是全局阈值法和局部阈值法两种，全局阈 值法根据整个图像的灰度直方图的分布来确定一个阈值，根据此阈值进行转化，局部阈 值算法按照一定的规则将整幅图像划分为n 个窗口，对这n 个窗口中的每一个窗口再 按照一个统一的阈值t 将该窗口内的像素划分为两部分，进行二值化处理。一般有以下 几种为常用算法： ( 1 ) ：b e r n s e n 算法 算法的中心思想是：设当前像素为p ，计算以p 为中心的大小在一定范围的方阵窗 口内的所有像素的最大值与最小值，两者的均值为t ，如果最大值与最小值的差值大于 某个数s ，则当前点p 的阈值为t ，否则当前窗口所在区域的灰度级差别较小，那么窗 口在目标区或在背景区。 b e r n s e n 算法是一种局部阈值算法，没有确定的阈值，阈值由目标点邻域的灰度值 来确定，因此具有更广的适应性。 b e m s e n 算法缺点是要寻找每个目标点邻域的最大值和最小值，所以处理速度慢， 而且目标区域容易出现阴影和曲线断裂的现象。 ( 2 ) ：直方图双峰法 直方图双峰法是p r e w i t t 在6 0 年代提出的，如果一幅图像灰度值较大，其中有一个 灰度值很小的物体，则该图像的灰度分布如图3 7 所示。 0t 2 5 5 廖壤馑 图3 7 直方图双峰 图像中前景的灰度值较小的像素形成上图的左峰，灰度值大的背景像素点形成上图 的右峰。两者之间的灰度值较少，形成了低谷。选取两峰之间的最低点所对应的灰度值 作为二值化阈值，可以得到合适的物体边界。 若用直方图双峰法来分割图像的前景与背景，在直方图上只展示了此图像中每个灰 度级上有多少个像素点，根本不能指出这些像素点的具体位置，所以同一个直方图可能 对应着多个根本不同的图像。可见，该方法对于单峰或多峰直方图的情况不适用，那时 会有多个低谷，常常会选取错误的阈值，是否用该法确定阈值，还要结合图像的先验知 1 7 3 水表表盘图像处理硕十论文 识来确定。 ( 3 ) ：大律法最优阈值算法 大律法( o t s u ) 即最大类间方差法，算法是基于最小二乘法的原理，运算相对比较简 单，有比较广的使用范围，因此此法一直受到关注。 对于一张图像，记t 为目标与背景的分割阈值，目标所在区域的像素点数占总像素 点数的比例为q 0 ，目标区域平均灰度为p 0 ；背景像素点数占总像素点数的比例为q 1 ， 背景区域的平均灰度为p 1 。则图像总的像素点平均灰度为：z p = q o 木p o + q l 枣p l 。从最小 灰度值到最大灰度值遍历t ，当t 使得值g = q o * ( p o z p ) 2 + q l * ( p l - z p ) 2 最大时的t 即为 分割的最佳阈值。 对大津法可作如下理解：由阈值t 分割出的目标区域与背景区域构成原表盘图像， 设目标区域的灰度取值p o ，概率为q o ，背景区域灰度取值p 1 ，概率为q l ，图像总灰 度均值为z p ，由方差定义可以得到g = q 0 宰( p o - z p ) 2 + q l 宰( p l z p ) 2 。方差是灰度值分布的 均匀性的一种度量方法，值越大，说明构成图像的目标区域与背景区域差别就越大，当 部分目标与背景相互错分时，都会导致方差值变小。由公式可看出，大津法计算量较大， 因此我们在实现过程中采用等价的公式g = q 0 宰q l 宰( p o p 1 ) 2 来代替上式。 鉴于前两种算法的缺点，本论文采用的是大律法最优阈值算法。由o t s u 算法求出 阂值t ，然后遍历图像的每个像素点，当该像素值大于t 时，设置像素值为1 ，反之为 o 。 图像二值化以后图像如图3 8 所示。 81 玉誓形 一 图3 8 图像二值化前( 左) 后( 右) 对比 3 1 6 滤波 前面对图像进行倾斜矫正并且二值化以后，还可以看到框框的线条和一些黑点噪 声，为了提高识别的准确率，还要对图像进行滤波处理，以便出去这些无用的噪声。图 像滤波指的是在图像中提取出空间尺度信息，突出图像的空间信息，减少或者去除图像 中无关的信息，恢复重要的信息。图像滤波可分为频率域滤波和空间域滤波两种方法。 1 8 r u 硕士论文 基于a r m 直读水表的远程抄表系统设计 空间域滤波法是当前主要的滤波方法，它通过窗口的卷积和来计算，根据相邻像素 的灰度值改变某一个像素的灰度值。空间域滤波也就是对图像进行平滑或锐化处理，它 展现某点像素与其相邻像素之间的关系，常用的方法为卷积运算。频率域滤波是对图像 进行傅立叶变换，然后对变换后的频率域图像中的频谱进行滤波。常见的滤波方法主要 有中值滤波、均值滤波等。 ( 1 ) 均值滤波 均值滤波是线性低通滤波方式，它对每个像素灰度值进行相同的计算。对于图像中 的每个像素点，取其邻域像素点的灰度值的平均值作为该像素的新值。从频率域的角度 说，就是对图像进行了低通滤波处