一種基于合成濾波器的儀表圖像定位方法與流程

本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)圖像處理領(lǐng)域，涉及一種儀表圖像定位方法，具體地，涉及一種基于合成濾波器的儀表圖像定位方法。

背景技術(shù)：

電力巡檢機(jī)器人在進(jìn)行儀表圖像設(shè)備識(shí)別過程中，首先需要在全景圖像中定位到設(shè)備區(qū)域，再根據(jù)定位到的設(shè)備區(qū)域進(jìn)行相機(jī)變倍操作以獲取清晰的儀表設(shè)備圖像，便于圖像識(shí)別。若全景圖像中設(shè)備定位失敗，則后續(xù)所有操作均將無效，因而，設(shè)計(jì)一種準(zhǔn)確高效的全景圖儀表圖像定位方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

儀表圖像定位方法主要包括模板匹配法，特征點(diǎn)匹配法等等。模板匹配法根據(jù)標(biāo)定的儀表設(shè)備模板圖像，利用某些相似度評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算待匹配圖像與模板圖像的相似度，相似度越高則說明是儀表區(qū)域的可能性越高，通常情況下，模板匹配法可以準(zhǔn)確定位儀表設(shè)備區(qū)域，但當(dāng)光線變化或者背景復(fù)雜時(shí)，模板匹配法往往會(huì)給出多個(gè)峰值，無法準(zhǔn)確定位目標(biāo)位置；特征點(diǎn)匹配法首先檢測(cè)儀表設(shè)備圖像與全景圖像中所有特征點(diǎn)，再進(jìn)行兩兩匹配并進(jìn)行匹配驗(yàn)證，最終得到匹配的目標(biāo)位置，在光線變化較大、背景復(fù)雜的情況下，特征點(diǎn)匹配法依然可以取得很好的效果，但當(dāng)儀表設(shè)備本身不存在特征點(diǎn)或者特征點(diǎn)比較稀疏時(shí)，該方法就會(huì)失效，而且特征點(diǎn)匹配法通常計(jì)算量較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種高效準(zhǔn)確的儀表設(shè)備圖像定位方法，該方法對(duì)不同儀表設(shè)備、不同環(huán)境變化及不同背景條件，均可準(zhǔn)確獲取儀表設(shè)備在全景圖像中的位置。

本發(fā)明提供的基于合成濾波器的儀表圖像定位方法，包括以下步驟；

儀表設(shè)備模型訓(xùn)練：

定義二維高斯響應(yīng)函數(shù)其中，p(x0,y0)為儀表設(shè)備在全景圖f(x,y)中的中心坐標(biāo)，σ為高斯響應(yīng)半徑，0≤x≤m-1,0≤y≤n-1，m,n分別為圖像的寬度與高度。二維高斯響應(yīng)函數(shù)g(x,y)的離散傅里葉變換可以表示為

其中exp是以自然常數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù)，j為虛數(shù)單位，x＝0,1,…,m-1,y＝0,1,…,n-1；u＝0,1,…,m-1,v＝0,1,…,n-1；u、v為非負(fù)整數(shù)；定義卷積核h(x,y)，使得成立

則其中f,h分別為f、h的二維傅里葉變換，為二維逆傅里葉變換操作，“·”為二維矩陣元素點(diǎn)乘操作；

用相關(guān)操作替換卷積操作，則g(u,v)＝f(u,v)·h^*(u,v)，其中*為矩陣的共軛操作，由此合成濾波器定義為h^*(u,v)即為儀表設(shè)備圖像的訓(xùn)練模型參數(shù)；

儀表設(shè)備定位：

對(duì)于待定位的全景圖fe，其對(duì)應(yīng)的二維高斯響應(yīng)表示為ge(u,v)＝fe(u,v)·h^*(u,v)；將頻率域ge(u,v)變換到空間域ge(x,y)，ge(x,y)最大值對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)即為儀表設(shè)備在全景圖fe的中心位置。

為了獲取更加準(zhǔn)確的模型參數(shù)，在儀表設(shè)備模型訓(xùn)練步驟中，通常將不同圖像訓(xùn)練得到的訓(xùn)練模型參數(shù)進(jìn)行平均操作，具體為，設(shè)訓(xùn)練圖片序列為fi(1≤i≤l)，其中l(wèi)為圖片數(shù)，即樣本總數(shù)，圖片fi對(duì)應(yīng)的儀表設(shè)備中心坐標(biāo)為pi(x0,y0)(1≤i≤l)，對(duì)應(yīng)的二維高斯響應(yīng)為gi(1≤i≤l)，則平均合成濾波器定義為

在儀表設(shè)備定位步驟中，利用平均合成濾波器得到全景圖fe的二維高斯響應(yīng)，即

為了增加平均合成濾波器的魯棒性，使其更加穩(wěn)定，通常增加一正則系數(shù)ε，即，平均合成濾波器表示為正則系數(shù)的作用是避免分母為0導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算不穩(wěn)定。

為了減少在傅里葉變換過程中的圖像邊界效應(yīng)，在儀表設(shè)備模型訓(xùn)練前，需對(duì)全景圖f(x,y)進(jìn)行加余弦窗處理，即f(x,y)←f(x,y)·w(x,y)，其中，

為了減少光線等因素干擾，需對(duì)原始全景圖像進(jìn)行一些預(yù)處理，即，fe(x,y)←log(fe(x,y)+1)，其中為圖像的均值。在儀表設(shè)備模型訓(xùn)練步驟中，也需要對(duì)全景圖f(x,y)進(jìn)行預(yù)處理即，f(x,y)←log(f(x,y)+1)，f(x,y)←f(x,y)-μf，其中μf為圖像的均值。

儀表設(shè)備模型訓(xùn)練需要大量全景圖，本發(fā)明利用巡檢機(jī)器人自帶的相機(jī)抓拍全景圖，進(jìn)行儀表設(shè)備圖像標(biāo)定，具體為，利用相機(jī)抓拍不同時(shí)間段含儀表設(shè)備的全景圖，獲取儀表設(shè)備在全景圖像中的中心坐標(biāo)，其中，相機(jī)的光心在全景圖像中的坐標(biāo)與全景圖像中心坐標(biāo)重合，并且，儀表設(shè)備在全景圖像中的中心坐標(biāo)與圖像中心坐標(biāo)重合。

本發(fā)明具有以下有益效果：(1)基于平均合成精確濾波器的儀表圖像定位方法可以更加準(zhǔn)確、高效的定位到儀表設(shè)備在圖像中位置；(2)能夠克服光線變化、背景復(fù)雜等環(huán)境因素干擾，實(shí)現(xiàn)儀表設(shè)備穩(wěn)定而準(zhǔn)確的定位；(3)可以大大增強(qiáng)巡檢機(jī)器人儀表設(shè)備識(shí)別率。

附圖說明

圖1全景圖儀表設(shè)備標(biāo)定示意圖；

圖2全景圖定位結(jié)果圖；

圖3全景圖定位響應(yīng)圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖闡述本發(fā)明的最優(yōu)實(shí)施例：

以某變電站中某指針型儀表設(shè)備為例，基于平均合成濾波器的儀表圖像定位方法，按以下步驟進(jìn)行：

1)儀表設(shè)備圖像標(biāo)定：事先對(duì)標(biāo)定相機(jī)光心進(jìn)行矯準(zhǔn)，確保相機(jī)光心在圖像中的坐標(biāo)與圖像中心坐標(biāo)重合。巡檢機(jī)器人在巡檢任務(wù)過程中，通過調(diào)整云臺(tái)參數(shù)，使得儀表設(shè)備的中心坐標(biāo)移動(dòng)至圖像中心，再進(jìn)行相機(jī)變倍使得目標(biāo)清晰，細(xì)節(jié)可見。在整個(gè)變倍過程中，只需獲取儀表設(shè)備圖像的中心坐標(biāo)，因而在儀表設(shè)備圖像標(biāo)定過程中只需標(biāo)定儀表設(shè)備圖像的中心坐標(biāo)，而無需儀表的尺寸信息。

儀表設(shè)備圖像標(biāo)定就是收集不同時(shí)間段巡檢機(jī)器人抓拍的全景圖，并獲取設(shè)備在圖像中的中心坐標(biāo)，如圖1所示。

2)儀表設(shè)備模型訓(xùn)練：全景圖f(x,y)(0≤x≤m-1,0≤y≤n-1)，其中m,n分別為圖像的寬度與高度，全景圖中儀表設(shè)備在圖像中的中心坐標(biāo)為p(x0,y0)，即步驟1)中的標(biāo)定的中心坐標(biāo)。定義二維高斯響應(yīng)函數(shù)g(x,y)(0≤x≤m-1,0≤y≤n-1)，

σ代表高斯響應(yīng)半徑，值越大，響應(yīng)半徑越大，對(duì)噪聲的容忍度越高，σ的值依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取，本領(lǐng)域技術(shù)人員知道通過試驗(yàn)的方式獲取合適的值，本實(shí)施例中選取σ＝2，二維高斯響應(yīng)函數(shù)g(x,y)在中心坐標(biāo)p(x0,y0)處的函數(shù)值達(dá)到最大值1，在遠(yuǎn)離p(x0,y0)處的函數(shù)值接近于0；二維高斯響應(yīng)函數(shù)g(x,y)的離散傅里葉變換可以表示為

其中exp是以自然常數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù)，j為虛數(shù)單位，x＝0,1,…,m-1,y＝0,1,…,n-1；u＝0,1,…,m-1,v＝0,1,…,n-1；u、v為非負(fù)整數(shù)。定義卷積核h(x,y)(0≤x≤m-1,0≤y≤n-1)，使得成立其中為二維卷積操作符。我們期望全景圖f(x,y)通過卷積核h(x,y)操作后輸出一個(gè)二維高斯響應(yīng)，該響應(yīng)在儀表設(shè)備的中心坐標(biāo)點(diǎn)達(dá)到最高值，遠(yuǎn)離中心點(diǎn)的響應(yīng)接近于0。根據(jù)二維卷積定理，成立其中f,h分別為f與h的二維傅里葉變換，為二維逆傅里葉變換操作，·為二維矩陣元素點(diǎn)乘操作。

用相關(guān)操作替換卷積操作，則成立g(u,v)＝f(u,v)·h^*(u,v)，其中g(shù)為g的二維傅里葉變換，*為矩陣的共軛操作，據(jù)此，合成濾波器可定義為

h^*(u,v)即為該儀表設(shè)備圖像的訓(xùn)練模型參數(shù)。

在本實(shí)施例中，為了減少在傅里葉變換過程中的圖像邊界效應(yīng)，在儀表設(shè)備模型訓(xùn)練前，需對(duì)全景圖進(jìn)行加余弦窗處理，即

f(x,y)←f(x,y)·w(x,y)，

其中，

在本實(shí)施例中，為了減少光線等因素干擾，需對(duì)全景圖像f(x,y)進(jìn)行一些預(yù)處理，即，

f(x,y)←log(f(x,y)+1)，

f(x,y)←f(x,y)-μf，

其中μf為圖像的均值。

在實(shí)際情況中，為了獲取更加準(zhǔn)確的模型參數(shù)，通常將不同圖像訓(xùn)練得到的模型參數(shù)進(jìn)行平均操作，具體地，設(shè)訓(xùn)練圖片序列為fi(1≤i≤l)，其中l(wèi)為圖片數(shù)，本實(shí)施例選取l＝8，即樣本總數(shù)為8，圖片fi對(duì)應(yīng)的儀表設(shè)備中心坐標(biāo)為pi(x0,y0)(1≤i≤l)，對(duì)應(yīng)的二維高斯響應(yīng)為gi(1≤i≤l)，則平均合成濾波器定義為

為了增加平均合成濾波器的魯棒性，使其更加穩(wěn)定，通常增加一正則系數(shù)ε，即成立

正則系數(shù)的作用是避免分母為0導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算不穩(wěn)定，本領(lǐng)域技術(shù)人員知道根據(jù)需要進(jìn)行選取，通過試驗(yàn)選取合適的值，本實(shí)施例選取ε＝0.1。

3)儀表設(shè)備定位：在得到儀表設(shè)備圖像的訓(xùn)練模型參數(shù)后，對(duì)于待定位的全景圖fe，其對(duì)應(yīng)的二維響應(yīng)可表示為

在本實(shí)施例中，為了減少光線等因素干擾，需對(duì)原始全景圖像fe進(jìn)行一些預(yù)處理，即，

fe(x,y)←log(fe(x,y)+1)，

其中為圖像的均值。

再將ge(u,v)變換到空間域ge(x,y)，

ge(x,y)最大值對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)即為儀表設(shè)備在全景圖fe的中心位置，全景圖定位結(jié)果如圖2所示，對(duì)應(yīng)的響應(yīng)如圖3所示。儀表設(shè)備定位完成后，即可對(duì)儀表設(shè)備上的數(shù)值進(jìn)行讀取。