一、简介
1 灰度化 （grayscale）
将彩色图像转化为灰度图像的过程称为图像灰度化。彩色图像中的像素值由RGB三个分量决定，每个分量都有0-255（256种）选择，这样一个像素点的像素值可以有1600万种可能（256256256），而灰度图的像素点的像素值是RGB三个分量值相同的一种特殊的彩色图像， 只有256种可能。所以在图像处理中，往往将各种图像首先灰度化成灰度图像以便后续处理，降低计算量。灰度是指只含亮度信息，不含色彩信息的图像。黑白照片就是灰度图，特点是亮度由暗到明，变化是连续的。灰度图像的描述与彩色图像一样仍然反映了整幅图像的整体和局部的色度和亮度等级的分布和特征，
使用灰度图的好处：
① RGB的值都一样。
② 图像数据即调色板索引值，就是实际的RGB值，也就是亮度值。
③ 因为是256色调色板，所以图像数据中一个字节代表一个像素，很整齐。
所以，做图像处理时一般都采用灰度图。
要表示灰度图，就需要把亮度值进行量化，有四种方法：
（1）分量法
将彩色图像中的三分量的亮度作为三个灰度图像的灰度值，可根据应用需要选取一种灰度图像。
（2）最大值法
将彩色图像中的三分量亮度的最大值作为灰度图的灰度值。
（3）均值法
将彩色图像中的三分量亮度求平均得到灰度图的灰度值。
（4）加权平均法
根据重要性及其它指标，将三个分量以不同的权值进行加权平均。由于人眼对绿色的敏感最高，对蓝色敏感最低，因此，按下式对RGB三分量进行加权平均能得到较合理的灰度图像，f(i,j)=0.30R(i,j)+0.59G(i,j)+0.11B(i,j))。
2 二值化（binaryzation）
图像的二值化是将图像上的像素点的灰度值设置为0或255，也就是将整个图像呈现出明显的黑白效果。将256个亮度等级的灰度图像通过适当的阀值选取而获得仍然可以反映图像整体和局部特征的二值化图像。所有灰度大于或等于阀值的像素被判定为属于特定物体，其灰度值为255，否则这些像素点被排除在物体区域以外，灰度值为0，表示背景或者例外的物体区域。在数字图像处理中，二值图像占有非常重要的地位，首先，图像的二值化有利于图像的进一步处理，使图像变得简单，而且数据量减小，能凸显出感兴趣的目标的轮廓。其次，要进行二值图像的处理与分析，首先要把灰度图像二值化，得到二值化图像。
二值化的常用算法有：
全局二值化： 一幅图像包括目标物体、背景还有噪声，要想从多值的数字图像中直接提取出目标物体，最常用的方法就是设定一个全局的阈值T，用T将图像的数据分成两部分：大于T的像素群和小于T的像素群。将大于T的像素群的像素值设定为白色（或者黑色），小于T的像素群的像素值设定为黑色（或者白色）。全局二值化，在表现图像细节方面存在很大缺陷。为了弥补这个缺陷，出现了局部二值化方法。
局部二值化：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。局部二值化也有一个缺陷。这个缺陷存在于那个统一阈值的选定。这个阈值是没有经过合理的运算得来，一般是取该窗口的平局值。这就导致在每一个窗口内仍然出现的是全局二值化的缺陷。为了解决这个问题，就出现了局部自适应二值化方法。
局部自适应二值化：在局部二值化的基础之上，将阈值的设定更加合理化。该方法的阈值是通过对该窗口像素的平均值E，像素之间的差平方P，像素之间的均方根值Q等各种局部特征，设定一个参数方程进行阈值的计算，例如：T=aE+bP+c*Q，其中a,b,c是自由参数。这样得出来的二值化图像就更能表现出二值化图像中的细节。
3 反色（inverse）
反色的实际含义是将R、G、B值反转。若颜色的量化级别是256，则新图的R、G、B值为255减去原图的R、G、B值。这里针对的是所有图，包括真彩图、带调色板的彩色图(又称为伪彩色图)、和灰度图。真彩图不带调色板，每个象素用3个字节，表示R、G、B三个分量。所以处理很简单，把反转后的R、G、B值写入新图即可，比如一个点的颜色为(0,0,0)，反色后为(255,255,255)。带调色板的彩色图，其位图中的数据只是对应调色板中的一个索引值，我们只需要将调色板中的颜色反转，形成新调色板，而位图数据不用动，就能够实现反转。
二、源代码
%读数%20140102
close all
clear
clc
plantype = 2;% 1是读指针，2是读数字
file = 'C:\Users\lenovo\Desktop\111186778Plan_Recognise\数字指针表盘识别总结\4.tif';%指针
% file = 'H:\picture\digital\28-20.tif';%数字
I0 = imread(file);
figure;imshow(I0);title('待读数图片');
scale = 1000/length(I0);
Irsz = imresize(I0,scale);
clear I0;
%%%%%%2.1：读指针%%%%%%
if plantype == 1
%%%%%%2.1.1:剪切图片，与模板图片相减%%%%%%
load plan1;
Ic = imcrop(Irsz,Rect);
Isub = Istd - Ic ;
level = graythresh(Isub);
Ib = im2bw(Isub,level);
% figure;imshow(Ib);title('bwimage');%----------------------------------
%%%%%%2.1.2：二值化，找指针%%%%%%
topy = find(sum(Ib')>0,1, 'first');
topx = find(Ib(topy,:)>0,1,'first');
% figure(1);hold on;
% plot([O(1),topx],[O(2),topy]);
%%%%%%2.1.3：读数%%%%%%
zz = [topx,topy];
thetazz = -atan( (zz(2)-O(2))/(zz(1)-O(1)) );
if thetazz<0
thetazz = thetazz + pi;
end
thetakd = -atan( (Kd(2,:)-O(2)) ./ (Kd(1,:)-O(1)) );
nidx = find(thetakd<0);
thetakd(nidx) = thetakd(nidx) + pi;
stepidx = find( thetakd<=thetazz,1,'first');
para1 = Fsv / (length(Kd)-1);
para2 = para1*(stepidx-2);
dushu = para2 + ( thetazz - thetakd(stepidx-1) ) /( thetakd(stepidx)-thetakd(stepidx-1) )*para1;
msgbox(sprintf('%0.3f',dushu),'Result');
%%%%%%2.2：读数字%%%%%%
else if plantype ==2
if length(size(Irsz))==3
Ig=rgb2gray(Irsz);
else
Ig=Irsz;
end
clear Irsz;
If = imfill(Ig);
Ib = im2bw(If,graythresh(If));
clear If;
% figure;imshow(Ib);%-----------------------------------
SE = strel('square',25);
Ied = imerode(Ib,SE);
clear Ib;
L = bwlabel(Ied);
stats = regionprops(L,'Area');
idx = find([stats.Area] == max([stats.Area]));
[r,c] = find( L==idx );
clear L;
r1=min(r);r2=max(r);c1=min(c);c2=max(c);
rect = [c1,r1,c2-c1,r2-r1];
Ic = imcrop(Ig,rect);clear Ig;
% figure;imshow(Ic);%-------------------------------------
level = graythresh(Ic)/2; %剪切之后的图片二值化
Ib=im2bw(Ic,level);clear Ic;
mp = mean(mean(Ib(1,:))+mean(Ib(end,:))...
+mean(Ib(:,1))+mean(Ib(:,end)));
if mp>0.5
Ib = ~Ib;
end
% figure;imshow(Ib);%-------------------
[m,n] = size(Ib);
SE = strel('square',round(m/50)); %初步去噪，图片开运算（先腐蚀后膨胀），去除噪声
Iop = imopen(Ib,SE);
% figure;imshow(Iop);%------------------
SE = strel('square',round(m/25));
Icl = imclose(Iop,SE);clear Iop; %闭运算，希望将组成数字的各LED段连接在一起
% figure;imshow(Icl);title('Icl')%-------------------
Ith = bwmorph(Icl,'thin',inf);%图片细化，将数字变为由细线组成
% figure; imshow(Ith);%-----------------
sRI = sum(Ith'); %进一步去噪
upidx = find(sRI>0, 1, 'first' );
dnidx = find(sRI>0, 1, 'last');
pse = round((dnidx-upidx)/40);
SE = strel('square',pse);
Ioc = imopen(Icl,SE);
Ith = bwmorph(Ioc,'thin',inf);clear Iop;
% figure; imshow(Ith);title('Ith')%-----------------
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%对字符的处理识别%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%%%cut(认为读数是单排的)
%%横切
sRI = sum(Ith');
upidx = find(sRI>0, 1, 'first' );
dnidx = find(sRI>0, 1, 'last');
udidx = upidx:dnidx;
ud = length(udidx);
thrlen = ud/2; %判定LED段是否点亮的初步阈值
Ith = Ith(udidx,:);
% figure; imshow(Ith);%-----------------
%%竖切
sCI=sum(Ith);
BsCI = (sCI>0); %将x轴投影矩阵scI变为只有0和1的矩阵
dBsCI = diff(BsCI); %找BscI中为1的元素的范围的第一步，dBscI中的元素只有-1，0，1三种
idxp = find(dBsCI==1)+1; %记录dBscI中为1的元素的位置，加1是对应BscI中1元素群开始位置
idxn = find(dBsCI==-1);%记录dBscI中为-1的元素位置，对应BscI中1元素群结束位置，与idxp长度一样
if length(idxp)~=length(idxn)
idxn(find(idxn<idxp(1)))=[];
end
Cidxchar = [idxp;idxn]; %一个2行多列矩阵，每列对应一个字符，列的第一行为起始位置，第二行为结束位置
dCidxchar = diff(Cidxchar);
tdCidx = find(dCidxchar < thrlen/2);
%%处理切割得到的符号，将“'”型字符归到上一个字符去
if ~isempty(tdCidx)
ltdCidx = length(tdCidx);
delemt0 = [];
delemt1 = [];
delemt2 = [];
for i=1:ltdCidx
lridx = Cidxchar(1,tdCidx(i)):Cidxchar(2,tdCidx(i));
tcharI = Ith(:,lridx)';
[m,n]=size(tcharI);
if m>1
sRtc = sum(tcharI);
else
sRtc = tcharI;
end
BsRtc = (sRtc>0);
dBsRtc = diff(BsRtc);
cupidx = find(dBsRtc==1,1,'first')+1;
cdnidx = find(dBsRtc==-1, 1, 'last' );
hc = cdnidx-cupidx;
if ~isempty(hc)&&hc<thrlen/2&&cdnidx<ud*0.3
delemt0 = [tdCidx(i),delemt0];
end
if ~isempty(hc)&&hc>thrlen/2 && hc<thrlen && cdnidx<ud*2/3
delemt1 = [tdCidx(i),delemt1];
end
if ~isempty(hc)&&hc>thrlen/2 && hc<thrlen && cupidx<ud*2/3
delemt2 = [tdCidx(i),delemt2];
end
end
if ~isempty(delemt1)
Cidxchar(2,delemt1-1) = Cidxchar(2,delemt1);
end
if ~isempty(delemt2)
Cidxchar(1,delemt2+1) = Cidxchar(1,delemt2);
end
delemt = sort([delemt0,delemt1,delemt2]);
if ~isempty(delemt)
Cidxchar(:,delemt) = [];
end
end
nchar = length(Cidxchar);%读数包含的字符个数（包括小数点）
% %%%%显示切割效果%---------------------------------
% for i=1:nchar
% figure;
% imshow(Ith(:,Cidxchar(1,i):Cidxchar(2,i)));
% end
%%%确定各LED段点亮与否
ntab = [
1 1 1 1 1 1 0 %0
0 1 1 0 0 0 0 %1
1 1 0 1 1 0 1 %2
1 1 1 1 0 0 1 %3
0 1 1 0 0 1 1 %4
1 0 1 1 0 1 1 %5
1 0 1 1 1 1 1 %6
1 1 1 0 0 0 0 %7
1 1 1 1 1 1 1 %8
1 1 1 1 0 1 1 %9
0 0 0 0 0 0 0 %.
0 0 0 0 0 0 1 %-
];
result = [];
for i=1:nchar
lridx = Cidxchar(1,i):Cidxchar(2,i);
if length(lridx) < thrlen/2
charI = [zeros(ud,int16(thrlen)-length(lridx)),Ith(:,lridx)];
else
charI = Ith(:,lridx);
end
[m,n] = size(charI);
% figure;imshow(charI)%-------------------
%%%%%agd段LED，由于字符可能有倾斜，取四分之一为判断标准
xthrlen = thrlen/4;
ayidx = 1:int16(m/8); %a段y轴方向长度取为总长的八分之一
asCchar = sum( charI( ayidx , :) ); %a段LED的x轴投影
BasCchar = asCchar(find(asCchar<2));
sBa = sum(BasCchar);
fa = (sBa > xthrlen); %a段LED是否点亮
gyidx = int16(7*m/16):int16(9*m/16);
gsCchar = sum(charI(gyidx,:));%g段LED的x轴投影
BgsCchar = gsCchar(find(gsCchar<2));
sBg = sum(BgsCchar);
fg = (sBg > xthrlen); %g段LED是否点亮
dyidx = int16(7*m/8):m;
dsCchar = sum(charI(dyidx,:)); %d段LED的x轴投影
BdsCchar = dsCchar(find(dsCchar<2));
sBd = sum(BdsCchar);
fd = (sBd > xthrlen); %d段LED是否点亮
%%%%%fedc段LED，投影到y轴一般不倾斜，取二分之一为判断标准
ythrlen = thrlen/2;
fyidx = 1:int16(m/2); fxidx = 1:int16(n/2);
fsRchar = sum(charI(fyidx,fxidx)');%f段LED的y轴投影
BfsRchar = (fsRchar>0);
sBf = sum(BfsRchar);
ff = (sBf>ythrlen); %f段LED是否点亮
eyidx = int16(m/2):m; exidx = 1:int16(n/2);
esRchar = sum(charI(eyidx,exidx)');%e段LED的y轴投影
BesRchar = (esRchar>0);
sBe = sum(BesRchar);
fe = (sBe>ythrlen); %e段LED是否点亮
cyidx = int16(m/2):m; cxidx = int16(n/2):n;
csRchar = sum(charI(cyidx,cxidx)');%c段LED的y轴投影
BcsRchar = (csRchar>0);
sBc = sum(BcsRchar);
fc = (sBc>ythrlen); %c段LED是否点亮
byidx = 1:int16(m/2); bxidx = int16(n/2):n;
bsRchar = sum(charI(byidx,bxidx)');%b段LED的y轴投影
BbsRchar = (bsRchar>0);
sBb = sum(BbsRchar);
fb = (sBb>ythrlen); %b段LED是否点亮
三、运行结果
四、matlab版本及参考文献
1 matlab版本
2014a
2 参考文献
[1] 蔡利梅.MATLAB图像处理——理论、算法与实例分析[M].清华大学出版社，2020.
[2]杨丹,赵海滨,龙哲.MATLAB图像处理实例详解[M].清华大学出版社，2013.
[3]周品.MATLAB图像处理与图形用户界面设计[M].清华大学出版社，2013.
[4]刘成龙.精通MATLAB图像处理[M].清华大学出版社，2015.
