JP6927861B2 - アナログメータ指示値自動読み取り方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、アナログメータの指示値を自動的に読み取るアナログメータ指示値自動読み取り方法および装置に関する。

従来より、圧力計や温度計などには、支点を中心として回転する針によって指示値を指し示すアナログメータが多く使用されている。

例えば、図１２に示されるアナログメータ１００のように、支点Ｏを中心として回転する針１によって指示値を指し示す。このアナログメータ１００において、針１が回転する盤面２には、針１の支点Ｏを中心とした円に沿って、指示値を示す目盛３が刻まれている。

このようなアナログメータは指示値をデジタル信号に変換することができない。よって、データを収集する時には、計測者が指示値を目で見て確認して読み取る方法が一般的である。この方法はデータを管理、活用しやすい時系列データにしたい場合、計測者がアナログメータを監視するために拘束されることとなり、現実的ではない。さらに、アナログメータの設置された環境が暑い場所だったり、寒い場所だったり、作業者の職務を行っている普段の事業所から離れた遠隔地だったりした場合、時系列データとすることは困難である。

これを解決するために、アナログメータをデジタルメータに交換し、遠隔地からオンラインで監視できるようにすることが考えられる。しかし、アナログメータをデジタルメータに交換するのには費用が掛かる。また、すでに稼働中の工場のラインなどにおいては、そのラインを停止して工事をしなければならず、顧客への取引を一時取りやめにするなど生産停止による様々なリスクを抱えなければならない。

そこで、近年、アナログメータの指示値をＲＧＢカメラをはじめとする安価なイメージセンサを用いて自動的に読み取る方法が提案されている。例えば、特許文献１では、アナログメータをカメラで撮影し、その撮影した画像から直線のハフ変換を用いて針の角度を抽出する。この技術を用いれば、抽出した針の角度から、針が指し示す指示値を計算によって求めることができる。

特開２０１１−１９６７１３号公報

この特許文献１に示された技術は、針の先が三角形であることを利用している。すなわち、直線のハフ変換だけでは、針の角度（針の角度の中央値）は計測できない。なぜなら、直線のハフ変換は前処理として物体の縁を検出するエッジ処理を行うからである。そのため、太さのある針（幅のある針）においては、その右側と左側の直線を検出するので針の幅の中央を検出しない。これを解決するために、特許文献１では、針の先が三角形であることを利用している。

この場合、ハフ変換によって複数の直線が検出される。それらの交点座標は針の示す先である。したがって、特許文献１では、針の角度の中央値を検出するために、それらの直線の交点座標を算出し、平均座標を算出する。

しかしながら、画像上の目盛線などの他の直線が長かったり多かったりすると、誤認識をしてしまい針の角度の中央値を検出できない。また針の振動（針のブレ）があると、より多くの直線が検出され、それらの平均値をとったとしても、どれが針の角度の中央値か判別できなくなる。さらに、針の先が尖っておらず、左右の縁の線が平行であると、交点を算出することができず、針の角度の中央値を求めることができない。

このように、特許文献１に示された技術では、針のブレなどによって、針の角度の中央値を求めることができず、正しい指示値を読み取ることができないことがある、という問題があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、針のブレなどがあっても、針の角度の中央値を求め、正しい指示値を読み取ることが可能なアナログメータ指示値自動読み取り方法および装置を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、支点（Ｏ）を中心として回転する針（１）によって指示値を指し示すアナログメータ（１００）の針を含む盤面（２）の全体の画像を撮影する撮影ステップ（Ｓ１０１）と、撮影ステップによって撮影された画像をグレースケール画像とする前処理ステップ（Ｓ１０２）と、針が可動する角度領域を等角度間隔で分割した各角度を投票角度とし、この投票角度毎に、グレースケール画像における針と交差する針の支点を中心とする円（Ｃ１）と投票角度（投票角度[Ｎ]）を表現する針の支点を起点とする半直線との交点（Ｐ_N）における画素値を取得し、この取得した画素値を当該画素値を取得した投票角度に対応して用意されている投票箱（投票箱[Ｎ]）および少なくとも両隣の投票角度（投票角度[Ｎ−１]，[Ｎ＋１]）を含む隣接する投票角度に対応して用意されている投票箱（投票箱[Ｎ−１]，[Ｎ＋１]）に投票する投票ステップ（Ｓ１０３〜Ｓ１０７）と、投票ステップによって投票された投票箱のうち最も投票された画素値の和が大きい投票箱に対応する投票角度を現在の針の角度として決定する角度決定ステップ（Ｓ１０８）と、角度決定ステップによって決定された現在の針の角度を針が指し示す指示値に変換する指示値変換ステップ（Ｓ１０９）とを備えることを特徴とする。

本発明では、先ず、アナログメータの針を含む盤面の全体の画像を撮影する。そして、この撮影された画像を例えば画素値「２５５」を黒、画素値「０」を白とするグレースケール画像とし、針が可動する角度領域（例えば、０〜３６０゜）を等角度間隔（例えば、１゜間隔）で分割した各角度（投票角度）毎に、グレースケール画像における針と交差する針の支点を中心とする円と投票角度を表現する針の支点を起点とする半直線との交点における画素値を取得し、この取得した画素値を当該画素値を取得した投票角度（例えば、０゜）に対応して用意されている投票箱および少なくとも両隣の投票角度を含む隣接する投票角度（例えば、３５９゜、２゜）に対応して用意されている投票箱に投票する。そして、全ての投票角度で、投票箱への投票が終わった後、最も投票された画素値の和（投票数）が大きい投票箱に対応する投票角度を現在の針の角度として決定し、この決定された現在の針の角度を針が指し示す指示値に変換する。

なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。

本発明によれば、投票角度毎に、グレースケール画像における針と交差する針の支点を中心とする円と投票角度を表現する針の支点を起点とする半直線との交点における画素値を取得し、この取得した画素値を当該画素値を取得した投票角度に対応して用意されている投票箱および少なくとも両隣を含む隣接する投票箱に投票するようにし、この投票された投票箱のうち最も投票された画素値の和（投票数）が大きい投票箱に対応する投票角度を現在の針の角度として決定するようにしたので、針のブレなどによって画素値に欠損が生じたりしても、針の角度の中央値を現在の針の角度として求め、正しい指示値を読み取ることが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態に係るアナログメータ指示値自動読み取り装置の要部を示す構成図である。 図２は、このアナログメータ指示値自動読み取り装置での処理動作を説明するためのフローチャートである。 図３は、グレースケール画像における針と交差する針の支点を中心とする円と投票角度を表現する針の支点を起点とする半直線との交点を例示する図である。 図４は、図２におけるステップＳ１０６の処理の詳細を示すフローチャートである。 図５は、投票箱へ画素値が投票されて行く様子を説明する図である。 図６は、投票箱へ投票された画素値の和（投票数）を示す図である。 図７は、グレースケール画像における針の上に画素値の欠損があった場合を例示する図である。 図８は、グレースケール画像における針の上に画素値の欠損があった場合の例での投票箱への投票数を示す図である。 図９は、グレースケール画像における針と交差する針の支点を中心とする複数の円を設けた例を示す図である。 図１０は、両隣の投票箱に投票する方式での問題を説明する図である。 図１１は、投票する範囲を広げることによって針の中央値をうまく推定できるようになることを説明する図である。 図１２は、アナログメータの一例を示す正面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態に係るアナログメータ指示値自動読み取り装置の要部を構成を示す図である。

図１において、１００はアナログメータ（図１２）、２００は本実施の形態のアナログメータ指示値自動読み取り装置、３００はアナログメータ指示値自動読み取り装置２００とインターネットなどの通信回線を介して接続された外部装置である。

本実施の形態のアナログメータ指示値自動読み取り装置２００は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現され、撮影部２０１と、前処理部２０２と、投票アルゴリズム部２０３と、指示値変換部２０４とを備えている。投票アルゴリズム部２０３は投票部２０３₁と角度決定部２０３₂とを備えている。投票部２０３₁は投票箱生成部２０３₁₁と投票実行部２０３₁₂とを備えている。

このアナログメータ指示値自動読み取り装置２００には、前提として、アナログメータ１００の盤面２の円の場所と大きさ、針１の支点Ｏと針１が可動する角度領域（角度レンジ）と、その角度領域の中で針１の示す指示値の最小値と最大値（指示値レンジ）が設定されているものとする。

このアナログメータ指示値自動読み取り装置２００において、撮影部２０１は、アナログメータ１００を対象とし、このアナログメータ１００の針１を含む盤面２の全体の画像を撮影する（図２に示すステップＳ１０１）。

前処理部２０２は、撮影部２０１によって撮影された画像に対して前処理を行って（ステップＳ１０２）、この前処理された画像を投票アルゴリズム部２０３の投票部２０３₁へ送る。この場合、前処理として、撮影された画像をグレースケール画像とする。このグレースケール画像では、画素値「２５５」を黒、画素値「０」を白とする

投票部２０３₁において、投票箱生成部２０３₁₁は、針１が可動する角度領域（この例では、０゜〜３６０゜）を等角度間隔（この例では、１゜間隔）で分割した各角度（０゜〜３５９゜）を投票角度とし、この投票角度毎に投票箱を生成する（ステップＳ１０３）。すなわち、０゜〜３５９゜の投票角度に対し、０゜〜３５９゜の投票箱を生成する。以下、Ｎ゜の投票角度を投票角度[Ｎ]とし、Ｎ゜の投票箱を投票箱[Ｎ]とする。

投票部２０３₁において、投票実行部２０３₁₂は、投票角度[Ｎ]毎に、グレースケール画像における針１と交差する針１の支点Ｏを中心とする円（以下、同心円と呼ぶ。）Ｃ１（図３参照）と投票角度[Ｎ]を表現する針１の支点Ｏを起点とする半直線との交点Ｐ_Nにおける画素値を取得し、この取得した画素値を当該画素値を取得した投票角度[Ｎ]に対応して用意されている投票箱[Ｎ]および両隣の投票角度[Ｎ−１]，[Ｎ＋１]に対応して用意されている投票箱[Ｎ−１]，[Ｎ＋１]に投票する。以下、簡略化して、「円Ｃ１と投票角度[Ｎ]を表現する針１の支点Ｏを起点とする半直線との交点Ｐ_N」を「円Ｃ１と投票角度[Ｎ]の交点Ｐ_N」という。

すなわち、先ず、Ｎ＝０とし（ステップＳ１０４）、Ｎ≦３５９であることを確認して（ステップＳ１０５のＹＥＳ）、同心円Ｃ１と投票角度[０]との交点Ｐ₀における画素値を投票箱[０]および両隣の投票箱[３５９]，[１]に投票する（ステップＳ１０６）。そして、Ｎに１を加えてＮ＝１とし（ステップＳ１０７）、ステップＳ１０５〜Ｓ１０７の処理を繰り返す。

なお、投票実行部２０３₁₂は、図４にステップＳ１０６の詳細を示すように、Ｎが入力される毎に（ステップＳ２０１）、同心円Ｃ１と投票角度[Ｎ]との交点Ｐ_Nの位置[ｘ，ｙ]を同心円Ｃ１の半径と投票角度[Ｎ]（Ｎ゜）とから求め（ステップＳ２０２）、この求めた交点Ｐ_Nの位置[ｘ，ｙ]の画素値を投票箱[Ｎ]および両隣の投票箱[Ｎ−１]，[Ｎ＋１]に投票する（ステップＳ２０３）。

また、図３において、投票角度[Ｎ]は実際の角度とは異なっているが、すなわち図では５゜間隔で示しているが、便宜上、この角度間隔を１゜間隔とみなす。また、撮影された画像において、針１の先端は２゜を指しているものとし、同心円Ｃ１と投票角度[０]，[１]，[２]，[３]との交点Ｐ₀，Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃の上に針１が乗っているものとする。また、針１はその中央部が山折りとされており、針１の幅の中央の方が画素値が大きくなるものとする。また、針のエッジ（縁）やノイズをぼかしたいので、平滑化が必要なときがあり、平滑化フィルタを適応すると、縁の方が画素値が小さくなる。

図５に投票箱[Ｎ]へ画素値が投票されて行く様子を示す。この例では、交点Ｐ₀における画素値が「５０」，交点Ｐ₁における画素値が「２００」，交点Ｐ₂における画素値が「２５５」、交点Ｐ₃における画素値が「２００」として取得されたものとする。

この場合、投票角度[０]の交点Ｐ₀に着目すると、この交点Ｐ₀における画素値は「５０」である。この場合、投票箱[０]に画素値「５０」が投票され、同じ画素値「５０」が両隣の投票箱[３５９]，[１]に投票される。投票角度[０]の画素値が「５０」であれば、その隣りの投票角度[３５９]，[１]も針１の上である確率が高い。よって、両隣の投票箱[３５９]，[１]に同じ画素値「５０」を投票する。

投票角度[１]についても、投票角度[０]と同様に、その交点Ｐ₁の画素値「２００」が投票箱[１]と両隣の投票箱[０]，[２]に投票される。以下、同様にして、投票角度[３５９]まで、その交点Ｐ_Nの画素値が投票箱[Ｎ]と両隣の投票箱[Ｎ−１]，[Ｎ＋１]に投票されていく。

投票実行部２０３₁₂は、全ての投票角度[Ｎ]で、投票箱[Ｎ]および両隣の投票箱[Ｎ−１]，[Ｎ＋１]への投票が終わった後、その旨を角度決定部２０３₂へ通知する。

角度決定部２０３₂は、投票実行部２０３₁₂からの投票が終わった旨の知らせを受けて、最も投票数の多い投票角度[Ｎ]を最大得票角度として探索する（ステップＳ１０８）。すなわち、投票箱[Ｎ]のうち最も投票された画素値の和（投票数）が大きい投票箱[Ｎ]に対応する投票角度[Ｎ]を最大得票角度とし、この最大得票角度を現在の針の角度（針の角度の中央値）として決定する。

図５に示した例では、図６に示すように、投票箱[３５９]では投票数が「５０」、投票箱[０]では投票数が「２５０」、投票箱[１]では投票数が「５０５」、投票箱[２]では投票数が「６５５」、投票箱[３]では投票数が「４５５」、投票箱[４]では投票数が「２００」とされ、投票箱[２]の投票数が最大となる。このため、投票箱[２]に対応する投票角度[２]が、すなわちＮ＝２゜が現在の針の角度として決定される。

この角度決定部２０３₂で決定された現在の針の角度は指示値変換部２０４へ送られる。指示値変換部２０４は、角度決定部２０３₂から送られてきた現在の針の角度を針が指し示す指示値に変換する（ステップＳ１０９）。

この場合、指示値変換部２０４では、角度レンジや指示値レンジの設定から、現在の針の角度とその時の針の指示値を対応させる。あるいは、単位回転角度当たりの指示値量を計算し、この単位回転角度当たりの指示値量から現在の針の指示値を計算する。

指示値変換部２０４で求められた指示値は外部装置３００へ送られる。外部装置３００は、通信部３０１と記憶部３０２とを備えており、指示値変換部２０４からの指示値すなわちアナログメータ指示値自動読み取り装置２００で自動的に読み取られた針の指示値を通信部３０１で受信し、記憶部３０２に記憶させる。これにより、記憶部３０２から時系列データとして、針の指示値を読み出すことが可能となる。

この方法のメリットは多少のノイズと欠損を許容するということである。
例えば、図６に示した例において、ノイズにより投票角度[９０]など針が乗っていない位置で投票が加えられたとする。この場合、その位置での投票数は最大とならないので、その位置を現在の針の角度として誤認識することはない。

また、図７に示すように、グレースケール画像における針の上に画素値の欠損があったとする。この例では、投票角度[２]における画素値に欠損がある。この場合、投票角度[２]における画素値が投票されなくても、隣りの投票角度[１]，[３]の画素値（交点Ｐ₁，Ｐ₂の画素値）が「２００」，「２００」であるため、投票箱[２]に投票角度[１]での画素値「２００」と投票角度[３]での画素値「２００」とが投票され、その投票数が「４００」となり（図８参照）、現在の針の角度がＮ＝２゜として正しく決定される。

このように、本実施の形態では、針の上にノイズが生じても、許容できるアルゴリズムとなる。すなわち、針のブレなどによって画素値に欠損が生じたりしても、針の角度の中央値を現在の針の角度として求め、正しい指示値を読み取ることができるようになる。

なお、上述した実施の形態では、グレースケール画像における針と交差する円をＣ１の１つとしたが、Ｃ１と同様の円を複数用意し、この複数の円と投票角度[Ｎ]との交点（複数の円と投票角度[Ｎ]を表現する針の支点を起点とする半直線との交点）における画素値を取得し、この取得した画素値を投票箱[Ｎ]および両隣の投票箱[Ｎ−１]、[Ｎ＋１]へ投票するようにしてもよい。これにより，指示値の読み取り精度を上げることができるようになる。図９に、グレースケール画像における針１と交差する支点Ｏを中心とする円として、複数の同心円Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を設けた例を示す。

また、上述した実施の形態では、円Ｃ１と投票角度[Ｎ]との交点Ｐ_Nにおける画素値を取得し、この取得した画素値を投票箱[Ｎ]および両隣の投票箱[Ｎ−１]、[Ｎ＋１]に投票するようにしたが、投票する範囲をさらに広げるようにしてもよい。

グレースケール画像において、針の上で多峰性の分布になった場合、つまり「針の太さ（幅）が太すぎる」かつ「針の濃淡がノイズにより中央の方が薄い」と、針の中央値を推定できないという問題が生じる。この問題は、投票する範囲をさらに広げることによって、解決することが可能となる。

すなわち、グレースケール画像における針の太さ（ピクセル）が既知だとする。このとき、針の太さの分、各角度の投票において、投票する範囲を広げると、より針の中央値を推定し易くなる。

例えば、針の太さが７ピクセルのとき、両隣の投票箱に投票する方式の場合、ノイズにより針の中央の画素値が薄いような場合、図１０に示すように、うまく針の中央値を推定できない。

ここで、針の太さが７ピクセルとのときは、対象のピクセル自身（交点Ｐ_N）から−３〜＋３までの投票箱［Ｎ−３］、［Ｎ−２］、［Ｎ−１］、［Ｎ＋１］、［Ｎ＋２］、［Ｎ＋３］を隣接する投票箱とし、この隣接する投票箱に自身の投票箱［Ｎ］への画素値と同じ画素値を投票する。

すると、図１１に示すように、針の中央値を推定することができる。これは、投票する範囲を針の太さに適した範囲にすることにより、針上の全ての画素値が中央の投票箱に投票されたためである。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１…針、２…盤面、３…目盛、１００…アナログメータ、２００…アナログメータ指示値自動読み取り装置、２０１…撮影部、２０２…前処理部、２０３…投票アルゴリズム部、２０３₁…投票部、２０３₁₁…投票箱生成部、２０３₁₂…投票実行部、２０３₂…角度決定部、２０４…指示値変換部、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…同心円、Ｏ…支点、Ｐ₀〜Ｐ₆…交点。

Claims (4)

1. 支点を中心として回転する針によって指示値を指し示すアナログメータの前記針を含む盤面の全体の画像を撮影する撮影ステップと、
   前記撮影ステップによって撮影された画像をグレースケール画像とする前処理ステップと、
   前記針が可動する角度領域を等角度間隔で分割した各角度を投票角度とし、この投票角度毎に、前記グレースケール画像における前記針と交差する前記針の支点を中心とする円と前記投票角度を表現する前記針の支点を起点とする半直線との交点における画素値を取得し、この取得した画素値を当該画素値を取得した投票角度に対応して用意されている投票箱および少なくとも両隣の投票角度を含む隣接する投票角度に対応して用意されている投票箱に投票する投票ステップと、
   前記投票ステップによって投票された投票箱のうち最も投票された画素値の和が大きい投票箱に対応する投票角度を現在の針の角度として決定する角度決定ステップと、
   前記角度決定ステップによって決定された現在の針の角度を前記針が指し示す指示値に変換する指示値変換ステップと
   を備えることを特徴とするアナログメータ指示値自動読み取り方法。
2. 請求項１に記載されたアナログメータ指示値自動読み取り方法において、
   前記投票ステップは、
   前記投票角度毎に、前記グレースケール画像における前記針と交差する前記針の支点を中心とする複数の同心円と前記投票角度を表現する前記針の支点を起点とする半直線との交点における画素値を取得し、この取得した画素値を当該画素値を取得した投票角度に対応して用意されている投票箱および少なくとも両隣の投票角度を含む隣接する投票角度に対応して用意されている投票箱に投票する
   ことを特徴とするアナログメータ指示値自動読み取り方法。
3. 支点を中心として回転する針によって指示値を指し示すアナログメータの前記針を含む盤面の全体の画像を撮影するように構成された撮影部と、
   前記撮影部によって撮影された画像をグレースケール画像とするように構成された前処理部と、
   前記針が可動する角度領域を等角度間隔で分割した各角度を投票角度とし、この投票角度毎に、前記グレースケール画像における前記針と交差する前記針の支点を中心とする円と前記投票角度を表現する前記針の支点を起点とする半直線との交点における画素値を取得し、この取得した画素値を当該画素値を取得した投票角度に対応して用意されている投票箱および少なくとも両隣の投票角度を含む隣接する投票角度に対応して用意されている投票箱に投票するように構成された投票部と、
   前記投票部によって投票された投票箱のうち最も投票された画素値の和が大きい投票箱に対応する投票角度を現在の針の角度として決定するように構成された角度決定部と、
   前記角度決定部によって決定された現在の針の角度を前記針が指し示す指示値に変換するように構成された指示値変換部と
   を備えることを特徴とするアナログメータ指示値自動読み取り装置。
4. 請求項３に記載されたアナログメータ指示値自動読み取り装置において、
   前記投票部は、
   前記投票角度毎に、前記グレースケール画像における前記針と交差する前記針の支点を中心とする複数の同心円と前記投票角度を表現する前記針の支点を起点とする半直線との交点における画素値を取得し、この取得した画素値を当該画素値を取得した投票角度に対応して用意されている投票箱および少なくとも両隣の投票角度を含む隣接する投票角度に対応して用意されている投票箱に投票する
   ことを特徴とするアナログメータ指示値自動読み取り装置。

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