浅谈膜式燃气表的数字识别方法

2017-10-10董志强李荣书胡桂青

科技与创新 2017年19期

关键词：图像识别像素模块

董志强，李荣书，胡桂青

（威海拙诚燃气安全设备有限公司，山东威海264209）

浅谈膜式燃气表的数字识别方法

董志强，李荣书，胡桂青

（威海拙诚燃气安全设备有限公司，山东威海264209）

基于数字识别模块的直读燃气表，其直读设计是在不改变原有燃气表结构的前提下加装数字识别模块来实现对燃气表的抄表。该直读模块采用特征比较的数字识别方法，对0～9这10个数字进行识别，总体识别率可以达到99%以上。此方法具有识别算法简单、识别速度快、容易实现且识别效果好的优点。

膜式燃气表；数字识别模块；特征提取；识别率

近年来，随着西气东输工程的建成投产及燃气普及率的不断提高，燃气逐渐成为人们生活不可缺少的资源。目前，国内普遍使用的仍为机械式膜式燃气表，其抄表收费方式还是入户抄表，不仅人工成本较高，而且工作效率低下；数据实时性较差，不能够及时反映用户使用燃气量的变化，因此每月抄表的数据统计远远不能满足公司深层次的分析和决策要求。

基于此种情况，我公司研发了直读燃气表，在普通膜式燃气表的外部加装数字识别模块，在不改变原有燃气表结构的前提下实现对燃气表的抄表。主要设计思路如下：在现有的燃气表上安装数字识别模块对燃气表的字轮进行图像采集与识别，然后将数据传输到终端管理系统，实现燃气表自动抄表和燃气公司用气管理的功能，有效避免了对原有燃气表的机械改造。目前，随着人们对图像识别方法的不断研究，数字识别方法的种类也越来越多，例如基于最小距离法的数字图像识别[1]、基于穿线法的数字图像识别[2]、基于模板匹配的数字图像识别[3]等。本文主要采用特征提取的方法将0～9这10个不同数字分别识别出来，并对逐渐缩小范围中的数字特征进行分析，算法简单、识别效率高、识别效果好。

1 数字识别模块设计

数字识别模块的主要功能是对燃气表的数字图像进行采集、识别和远程传输，硬件组成如图1所示。电源模块提供3.3 V和1.8 V电压，为降低功耗，电路大部分时间处于休眠状态，定时对燃气表的图像进行采集和发送。摄像头模组采用30万像素的CMOS微型摄像头，并通过图像传感器将其转换成数字信号，传送到单片机，图像识别算法将字轮图片信息转换成数字流量信息。为了达到光线统一的目的，需要将摄像头部分放置在全黑的环境，利用LED补光灯对图像进行补光处理。通过Lora与集中器进行数据通信，将采集到的流量信息通过集中器发送给服务器，实现数据远程抄读功能。图像采集模块的组成如图1所示。

图1 图像采集模块组成图

2 数字识别算法设计

数字识别算法部分由数据采集处理、图像识别算法2部分组成。其组成部分如图2所示。

图2 数字识别算法

2.1 数字采集处理

数据采集的图片如图3所示，图3（a）为采集的原始数据图片，（b）为处理后的图片，具体的步骤如下：①有效图像采集。通过图像传感器进行有效图像采集，并保存为RGB565格式。②对图像进行二值化处理[4-6]。此过程是图像预处理中的一个重要环节，目的是将目标数字和背景分离，以便对数字进行分割和识别。③对图像进行滤波操作。主要是滤除属于杂波的图像数据，对杂波进行滤除（清零处理）。④寻找数字边界。在整幅图像数据中，找到每个数字的边界。找到数字的4个边界后，根据上、下边界计算这个数字的高度。如果该高度小于设置的整个数字的高度，则该字为半字；否则，为整字。

图3 图像处理结果

2.2 图像识别算法

图像识别算法主要是对采集取得的数据来进行半字识别或者全字识别，通过数字特征来识别每个数字，其特征识别方法主要有数字宽度、特殊位置、长条位置、竖条位置及斜条位置。数字识别算法如图4所示。

2.2.1 全字识别

全字识别步骤如下：

步骤1：采用数字宽度的识别方式，若整个字的宽度小于或等于设定的像素X，则可以判断数字为“1”；否则，执行步骤2.

步骤2：采用特殊位置的识别方式，若数字底部有效像素部分宽度较窄，则可判断为数字“4”“7”，并执行步骤3；否则，执行步骤4.

步骤3：采用长条位置的识别方式，若从数字下边界往上找Y行有一长条，则识别出该数字为“4”；否则，该数字为“7”。

步骤4：采用竖条位置的识别方式，若在靠近左边框位置有一个高的竖条，则识别出数字为“0”或“6”或“8”，执行步骤5；否则，执行步骤7.

步骤5：根据竖条位置，若在靠近数字的右边界位置有一个高的竖条，则该数字为“0”或“8”，并执行步骤6，否则，该数字为“6”。

图4 数字识别算法

步骤6：根据竖条位置，若在数字的中间位置有一个长的横条，则该数字为“8”；否则，该数字为“0”。

步骤7：根据竖条位置，若靠近数字的右边边界位置有一个高的竖条，则该数字为“3”或者“9”，并执行步骤8；否则，执行步骤9.

步骤8：根据竖条位置，若在数字的中间位置有一个长的横条则该数字为“9”；否则，为数字“3”。

步骤9：根据竖条位置，若在数字的中间靠上位置有一个长的横条，则该数字为“5”；否则，该数字为“2”。

通过上面步骤1～9完成整字识别。

2.2.2 半字识别

半字识别步骤如下：

步骤1：数字“1”“4”“7”的半字识别步骤与整字识别相同，见整字识别步骤1～3.

步骤2：根据斜条位置，若最底部为一个长横，且往上从长横的左边有一个倾斜长条，则可判断为数字2；否则，执行步骤3.

步骤3：若数字中间空白部分的高度要比其他数字高很多，则可判断为数字“0”；否则，执行步骤4.

步骤4：若数字的下半部分是一个封闭的圈，则可判断为数字“6”或“8”，并执行步骤5；否则，执行步骤6.

步骤5：若封闭圈的右上部分存在有效像素，则可判断为“8”；否则，为数字“6”。

步骤6：若数字上下长横的纵坐标差值大于设定值Z，则该数字为“3”；否则，为“5”或者“9”，并执行步骤7.

步骤7：若数字第二个长横上面一行的靠右边存在有效像素，则为数字“9”；否则，为数字“5”。

通过上面步骤1～7完成半字识别。

3 结果与结论

通过此种特征信息提取方式对0～9这10组数据进行数字识别，不论是半字，还是全字，每一个数字分别进行100次识别，实验结果如表1所示。由上述结果可知，数字“0”“1”“2”“4”“7”本身结构简单，容易识别，识别率可达到100%；对于“6”“8”的识别，虽然结构比较复杂，但是特征明显，只需要区别右上部分有效像素即可，因此识别错误次数较少。“3”“5”“9”则因为特征相似点较多，当出现半字时判断误差较大。总之，总体识别结果来看，此类特征识别方法其总体识别率为99.6%，基本接近100%.

4 结论

燃气直读表头是一种利用摄像头对燃气表字轮进行图像采集、识别、远传的摄像直读式无线抄表器。燃气直读表头对于目前的旧式燃气表改造，实现全自动化抄表，它不需要改变现有的燃气表，用户无需换表即可实现抄表。本论文所提出的方法对数字图像的总体识别率可以达到99%以上。此方法具有识别算法简单、识别速度快、识别效果好的特点。