一文了解數(shù)碼管的識(shí)別方式

由于七段數(shù)碼管顯示數(shù)字和字符比較直觀、清晰、響應(yīng)速度快，所以它被廣泛應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表中。通過(guò)攝像頭獲取數(shù)碼管數(shù)字圖片，也可以根據(jù)數(shù)碼管編碼方式比較容易識(shí)別出其中的數(shù)字。

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計(jì)數(shù)器、頻率計(jì)上的數(shù)碼管顯示動(dòng)態(tài)變化的數(shù)字

根據(jù)不同的顯示原理，七段數(shù)碼管可以使用 LED、LCD、OLED、場(chǎng)致發(fā)光管等制作，顏色也有很多種類。其中紅色 LED 的數(shù)碼管比較常見(jiàn)。

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紅色七段數(shù)碼管 0~9 顯示的圖片

數(shù)碼管的七個(gè)筆畫(huà)根據(jù)不同的點(diǎn)亮組合，可以形成不同的數(shù)字、字母以及字符。理論上可以總共有 127（2^7-1）個(gè)不同的編碼組合。下面的表示是常見(jiàn)的字符、數(shù)字編碼方式。在不同的場(chǎng)合，下面的編碼會(huì)有略微調(diào)整。

七段數(shù)碼管顯示不同數(shù)字和字符

識(shí)別數(shù)碼管的數(shù)字、字母，只要根據(jù)圖片的灰度信息即可。根據(jù)每個(gè)筆畫(huà)段的亮度，判斷對(duì)應(yīng)的 LED 段是否點(diǎn)亮，進(jìn)而可以確定所對(duì)應(yīng)的數(shù)字或者字母。

有的時(shí)候數(shù)碼管的右下角還有一個(gè)小數(shù)點(diǎn)位，用于顯示數(shù)字的小數(shù)點(diǎn)的位置。它也可以配合字符、數(shù)字來(lái)表達(dá)其他的含義。

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七段數(shù)碼管灰度圖像

相比于漢字、英文字符的印刷體，七段數(shù)碼管的字體并沒(méi)有太多的變化。它會(huì)在尺寸、比例、筆畫(huà)的粗細(xì)、字體的傾角方面有差異。

如果已知數(shù)碼管的字體，可以比較方便在歸一化之后的圖像中確定下每個(gè)筆畫(huà)段所占具的圖像位置。

下圖顯示了常見(jiàn)到的七段數(shù)碼段各個(gè)筆畫(huà)對(duì)應(yīng)的序列位置，以及 0~9 數(shù)字對(duì)應(yīng)的七段點(diǎn)亮編碼。

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七段數(shù)碼管 0~9 數(shù)字編碼

根據(jù)數(shù)碼管灰度圖像的亮度統(tǒng)計(jì)直方圖，可以確定下背景和點(diǎn)亮字段所對(duì)應(yīng)的亮度值。根據(jù)這兩個(gè)是數(shù)字可以確定下一個(gè)閾值，用于確定筆畫(huà)是否被點(diǎn)亮。

下圖顯示了 0~9 個(gè)數(shù)字對(duì)應(yīng)的圖像灰度圖的直方圖統(tǒng)計(jì)，他們大體呈現(xiàn)相似的分布。

0~9 數(shù)字圖片亮度值的直方圖

通過(guò)灰度圖上每個(gè)筆畫(huà)段的平均亮度，求出數(shù)碼管的筆畫(huà)編碼，在通過(guò)查表可以確定圖片中數(shù)碼管所對(duì)應(yīng)的數(shù)字。

通過(guò)每個(gè)筆畫(huà)段亮度來(lái)確定數(shù)碼管的編碼

對(duì)于靜態(tài)圖像，利用先驗(yàn)知識(shí)來(lái)講數(shù)字進(jìn)行定位、分割，形成歸一化之后的灰度數(shù)字圖像。通過(guò)上面的方法可以簡(jiǎn)便快速確定下每個(gè)數(shù)碼管所對(duì)應(yīng)的數(shù)字，進(jìn)而可以獲得儀表所顯示的數(shù)值。

這種方法所需要的計(jì)算量比較小。當(dāng)圖像比較清晰的時(shí)候，識(shí)別的準(zhǔn)確性非常高。

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計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)結(jié)果

在有些場(chǎng)景下，數(shù)碼管顯示內(nèi)容是動(dòng)態(tài)變化的，由于設(shè)備更新數(shù)字與攝像頭沒(méi)有同步，所以拍攝到的圖像中可能包含有數(shù)碼管在前后兩個(gè)數(shù)字變化的過(guò)度圖像，即前后兩個(gè)數(shù)字的疊加狀態(tài)。此時(shí)，就會(huì)對(duì)上面識(shí)別方法造成干擾。

使用一臺(tái)計(jì)數(shù)器，對(duì)于不同頻率的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。數(shù)碼管動(dòng)態(tài)變化，使用攝像頭獲得序列圖像之后，利用上面的方法所識(shí)別的數(shù)字序列如下圖所示：

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六組不同頻率脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)結(jié)果曲線

由于是對(duì)不同頻率的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，所得的序列原則上應(yīng)該是一個(gè)直線。直線的斜率與脈沖的頻率成正比。

但是上面所顯示的六組不同頻率的脈沖技術(shù)結(jié)果中，可以看到存在著一些數(shù)據(jù)的跳動(dòng)值。這說(shuō)明前面算法對(duì)于出現(xiàn)疊加狀態(tài)的數(shù)字識(shí)別存在錯(cuò)誤。

下面是另外一組時(shí)間，計(jì)數(shù)器對(duì)蓋革管輸出的放射性檢測(cè)脈沖計(jì)數(shù)。結(jié)果應(yīng)該是一個(gè)單調(diào)遞增的曲線。其中仍然存在著數(shù)據(jù)的抖動(dòng)。

計(jì)數(shù)器對(duì)蓋革管脈沖計(jì)數(shù)，圖像識(shí)別后的數(shù)據(jù)曲線

對(duì)于前面實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，識(shí)別錯(cuò)誤的圖像進(jìn)行分析，可以看到這些錯(cuò)誤都是由于攝像頭所拍攝到的數(shù)碼管在前后過(guò)渡過(guò)程所形成的錯(cuò)誤圖像引起的。

下圖顯示了一些識(shí)別錯(cuò)誤時(shí)，所采集到數(shù)碼管圖像序列連續(xù)三幀所對(duì)應(yīng)的數(shù)字最后一位數(shù)字圖像。圖片下面數(shù)字對(duì)應(yīng)的圖像識(shí)別的結(jié)果。

識(shí)別錯(cuò)誤時(shí)，連續(xù)三幀圖片對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管的圖像

由于數(shù)碼管本身發(fā)光的亮度與驅(qū)動(dòng)電流之間不是線性關(guān)系，所以過(guò)渡過(guò)程的圖片并不是兩個(gè)數(shù)字簡(jiǎn)單的線性疊加，因此獲得過(guò)渡過(guò)程的數(shù)碼管的識(shí)別具有一定的難度。

解決圖片中數(shù)碼管圖像識(shí)別錯(cuò)誤的問(wèn)題，可以通過(guò)以下三個(gè)方面來(lái)解決：

（1）盡可能縮小攝像頭的曝光時(shí)間，這樣可以大大減少所獲得圖片中存在前后兩個(gè)數(shù)字疊加的情形。但這樣會(huì)造成圖像亮度減低，從而增加所獲得圖像的噪聲；

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計(jì)數(shù)器在記錄蓋革管輸出的脈沖信號(hào)

（2）對(duì)所獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，比如使用中值濾波這種非線性濾波方法，可以有效將數(shù)據(jù)序列中的抖動(dòng)噪聲消除。也可以利用所測(cè)量數(shù)據(jù)的本身特性，來(lái)對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行提出，比如脈沖計(jì)數(shù)應(yīng)該是對(duì)應(yīng)遞增的序列；

（3）利用所獲得圖像前后相鄰的序列信息，直接訓(xùn)練一個(gè)動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，來(lái)識(shí)別過(guò)渡圖像中的數(shù)字信息。這對(duì)于在一個(gè)曝光時(shí)間內(nèi)，數(shù)碼管僅僅跳動(dòng)一次的情況是有效果的。如果在攝像頭一個(gè)曝光時(shí)間內(nèi)，數(shù)碼管的是誰(shuí)出跳動(dòng)兩次以上，則大大增加了過(guò)渡圖片空間的復(fù)雜性，對(duì)于機(jī)器學(xué)習(xí)所需要的網(wǎng)絡(luò)模型和訓(xùn)練數(shù)據(jù)都提出了更高的要求。

由于攝像頭對(duì)于數(shù)碼管是離散時(shí)間圖片采樣，并存在一個(gè)采樣時(shí)間，因此上存在著一個(gè)最高變化速率。當(dāng)數(shù)碼管的跳動(dòng)高于這個(gè)速率的時(shí)候，是無(wú)法從圖片中準(zhǔn)確獲得數(shù)碼管數(shù)字信息的。