一种基于机器视觉的高精度标尺刻度识别方法及系统与流程

本发明涉及刻度识别，尤其涉及一种基于机器视觉的高精度标尺刻度识别方法及系统。

背景技术：

1、刻度识别技术领域主要涉及使用机器视觉系统来识别和解析物理标尺上的刻度线或其他标记，广泛应用于自动化测量和控制系统中，旨在提高读取精确度并减少人为错误。刻度识别系统通常包括图像捕获设备、图像处理软件和算法，能够从图像中检测、定位并解释刻度线，使得刻度识别系统能在各种工业、科研以及商业应用中自动进行精确测量，例如在制造业中的质量控制、实验室仪器的读数和医疗设备的精准定位。

2、其中，机器视觉的高精度标尺刻度识别方法涉及使用机器视觉技术来自动识别和解析标尺上刻度的方法，用途主要在于提供一种高效、准确的刻度读取解决方案，减少人工读取过程中的误差，提高数据处理的速度和精确性。适用于需要高精度测量数据的领域，如精密工程、科学研究和医疗检测，使得测量活动更加自动化和准确，特别是在环境恶劣或对人工操作要求较高的情况下。

3、现有技术在刻度识别系统中常见的限制包括光照条件对图像质量的影响及环境振动的处理不足。在光照条件多变的环境中，未优化的图像捕捉设备可能无法有效调整光源，导致捕捉到的图像在清晰度和对比度上存在不一致，这会直接影响图像处理软件和算法的解析效率。此外，传统技术中往往缺乏有效的振动补偿机制，使得图像易受环境振动干扰，增加了误读或错误测量的风险。限制了测量活动的自动化和精确性，尤其是在环境条件苛刻或对操作精度要求极高的场合，技术局限性显著增加了操作的复杂性和误差率。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于机器视觉的高精度标尺刻度识别方法及系统。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种基于机器视觉的高精度标尺刻度识别方法，包括以下步骤：

3、s1：基于已标定的像素坐标与实际水尺坐标，构建初始数学模型，监测环境光的强度和质量，分析刻度线在差异光照条件下的反射特性，根据分析结果自动调整光源强度和角度，匹配环境光条件变化，生成调整光源模型；

4、s2：采用所述调整光源模型，对调整后的光照条件进行验证，通过摄像机捕捉连续的图像序列，对每帧图像进行光照强度和刻度线可见度的实时分析，生成预处理图像数据；

5、s3：基于所述预处理图像数据，对连续捕捉到的图像中的刻度线进行深度观察，识别由于环境振动引起图像偏移和扭曲，根据图像偏移和扭曲识别结果通过高频率分析确定振动特征，实时调整图像处理参数进行振动补偿，生成振动补偿图像；

6、s4：利用所述振动补偿图像，分析刻度线的形态和位置，动态调整图像对比度和锐度，根据动态调整结果计算刻度的确切读数，确定实际位置，根据数据调整和优化最终输出读数，得到高精度标尺刻度识别结果。

7、作为本发明的进一步方案，所述刻度线在差异光照条件下的反射特性的分析步骤为：

8、s111：通过收集实际场景中的像素坐标和水尺坐标，应用线性回归技术构建坐标转换模型，执行像素到实际尺度的映射，生成像素到水尺坐标的转换模型；

9、s112：基于所述像素到水尺坐标的转换模型，利用光敏感器实时记录当前环境光的强度和质量，应用统计分析方法，采用公式：

10、

11、计算光照强度的平均值，生成环境光质量监测结果，其中，为单次测量的光强度，为样本总数；

12、s113：结合所述环境光质量监测结果，分析刻度线在差异光照条件下的反射率，采用公式：

13、

14、计算平均反射率，生成刻度线光反射特性分析结果，其中，是在光强下的单次反射率测量值，和是调整系数，分别代表反射率的灵敏度和基线偏移量。

15、作为本发明的进一步方案，所述调整光源模型的获取步骤为：

16、s121：基于所述刻度线光反射特性分析结果，采用公式：

17、

18、计算调整后的光源强度，生成光源调整指令，其中，表示平均光强度，表示反射率，和为调整系数；

19、s122：输入所述光源调整指令，模拟差异环境条件下光源效果，验证光源调整方案的适用性，生成模拟测试数据；

20、s123：根据所述模拟测试数据，进行实际光源控制调整，实时更新光源强度和角度，确保与环境光条件进行匹配，生成调整光源模型。

21、作为本发明的进一步方案，所述预处理图像数据的获取步骤为：

22、s211：基于所述调整光源模型，启动光照条件验证，监测实际光照与预定参数的一致性，匹配图像捕捉标准，生成验证后光照条件数据；

23、s212：基于所述验证后光照条件数据，使用摄像机捕获连续标尺图像序列，并对连续图像序列进行初步分析，确保每一帧达到预设图像质量标准，生成高质量图像序列；

24、s213：利用所述高质量图像序列，进行深度分析，采用公式：

25、

26、计算每帧图像的可见度评分，准确反映图像在当前光照条件下的清晰度和可见度，生成预处理图像数据，其中，表示从图像数据中提取的平均光照强度，表示平均刻度线信号强度，是光照强度的加权系数，用于调整光照强度在可见度评分中的影响力，是刻度线信号强度的加权系数，用于提升刻度线清晰度对可见度评分的贡献，是用于调节整体可见度计算灵敏度的系数。

27、作为本发明的进一步方案，所述图像偏移和扭曲的识别步骤为：

28、s311：导入所述预处理图像数据，进行初始化图像分析，针对连续捕捉的图像进行深度观察；剔除外部因素的干扰，生成图像序列分析初始化结果；

29、s312：利用所述图像序列分析初始化结果，对每帧图像的刻度线进行观察，运用边缘检测和形态变换识别图像中的偏移和扭曲，记录每个变动实例数据，生成图像偏移和扭曲记录；

30、s313：综合所述图像偏移和扭曲记录进行汇总和初步评估，通过比较各帧之间的变化筛选由非人为操作引起的环境振动，生成环境振动识别结果。

31、作为本发明的进一步方案，所述振动补偿图像的获取步骤为：

32、s321：基于所述环境振动识别结果，应用傅里叶变换提取关键振动频率，采用公式：

33、

34、确定并输出频率特征向量，其中，代表图像序列中第帧的位移数据，代表图像总帧数，是傅里叶变换的复指数部分，将时间序列转换为频率序列；

35、s322：根据所述频率特征向量，进行图像处理参数的实时调整，采用公式：

36、

37、计算新参数量化值，得到更新后的参数数据，其中，表示原始参数量化值，为调整系数，确保对环境振动的及时响应，表示频率特征向量中的最大值；

38、s323：利用所述更新后的参数数据，进行图像振动补偿处理，优化图像可视性和清晰度，输出振动补偿图像。

39、作为本发明的进一步方案，所述图像对比度和锐度的动态调整步骤为：

40、s411：导入所述振动补偿图像，计算补偿后图像的分辨率，确定图像的准确度，输出补偿图像评估结果；

41、s412：基于所述补偿图像评估结果，对振动补偿图像进行边缘检测，自动识别并测量刻度线形态和位置，得到刻度线形态和位置信息；

42、s413：根据所述刻度线形态和位置信息，动态调整图像的对比度和锐度，采用公式：

43、

44、和

45、

46、计算调整后的图像对比度和锐度，输出调整后的清晰图像，其中，、和是调节系数，和分别为原始图像的对比度和锐度。

47、作为本发明的进一步方案，所述高精度标尺刻度识别结果的获取步骤为：

48、s421：基于所述调整后的清晰图像，进行模式识别，分析图像中的刻度线，识别每个刻度线的特征，得到初步刻度读数数据；

49、s422：将所述初步刻度读数数据与标准刻度数据库进行比对，计算实际位置与理论位置之间的偏差，并采用公式：

50、

51、计算校正后的读数，得到修正后的确切读数，其中，是初步读数，是偏差值，是允许的最大偏差阈值，用于修正读数偏差；

52、s423：利用所述修正后的确切读数，进行数据分析优化，采用公式：

53、

54、计算修正后的标准差，评估校正后数据的一致性，生成高精度标尺刻度识别结果，其中，是单个修正读数，是修正读数的平均值，是读数的总数，用于评估读数的精度和可靠性。

55、一种基于机器视觉的高精度标尺刻度识别系统，系统包括：

56、光反射特性分析模块通过收集实际场景中的像素坐标和水尺坐标，执行像素到实际尺度的映射，实时记录当前环境光的强度和质量，分析刻度线在差异光照条件下的反射率，生成刻度线光反射特性分析结果；

57、光源调整模拟模块基于所述刻度线光反射特性分析结果，计算调整后的光源强度，模拟差异环境条件下光源效果，验证光源调整方案的适用性，实时更新光源强度和角度，生成调整光源模型；

58、图像采集预处理模块基于所述调整光源模型，监测实际光照与预定参数的一致性，使用摄像机捕获连续标尺图像序列，并对连续图像序列进行初步分析，计算每帧图像的可见度评分，生成预处理图像数据；

59、环境振动分析模块导入所述预处理图像数据，进行初始化图像分析，对每帧图像的刻度线进行观察，记录每个变动实例数据，比较各帧之间的变化，筛选由非人为操作引起的环境振动，生成环境振动识别结果；

60、振动补偿处理模块基于所述环境振动识别结果，提取关键振动频率，进行图像处理参数的实时调整，进行图像振动补偿处理，优化图像可视性和清晰度，输出振动补偿图像；

61、图像调整优化模块基于所述振动补偿图像，计算补偿后图像的分辨率，确定图像的准确度，自动识别并测量刻度线形态和位置，动态调整图像的对比度和锐度，输出调整后的清晰图像 ；

62、模式识别与偏差分析模块基于所述调整后的清晰图像，进行模式识别，分析图像中的刻度线，与标准刻度数据库进行比对，计算实际位置与理论位置之间的偏差，进行数据分析优化并计算修正后的标准差，评估校正后数据的一致性，生成高精度标尺刻度识别结果。

63、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

64、本发明中，通过精细调整光源以适应环境变化，增强图像在不同光照条件下的清晰度和一致性，保证数据的准确性，对图像中刻度线进行深度观察，并通过振动特征分析实时调整图像处理参数，大幅减少由环境振动引起的图像偏移和扭曲，确保测量的准确性和稳定性，通过动态调整图像对比度和锐度，根据实时图像分析结果计算刻度的确切读数，提升操作的稳定性和数据处理速度，显著降低因环境因素和机械误差导致的测量偏差。