实战基于OpenCV的水表字符识别（OCR）

Posted 2020-12-10 brt2

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• 1. USB摄像头取图
• 2. 图像预处理：获取屏幕ROI
  • 2.1. 分离提取屏幕区域
  • 2.2. 计算屏幕区域的旋转角度
  • 2.3. 裁剪屏幕区域
  • 2.4. 旋转图像至正向视角
  • 2.5. 提取文字图像
  • 2.6. 封装上述过程
• 3. 字符分割，获取单个字符的图像
• 4. 模板匹配：确定字符内容
  • 4.1. make_template
  • 4.2. 模板修复
  • 4.3. 重新加载模板数据
  • 4.4. 模板匹配

1. USB摄像头取图

由于分辨率越高，处理的像素就越多，导致分析图像的时间变长，这里，我们设定摄像头的取图像素为（240,320）：

cap = cv2.VideoCapture(0)  # 根据电脑连接的情况填入摄像头序号
assert cap.isOpened()

# 以下设置显示屏的宽高
cap.set(cv2.CAP_PROP_FRAME_WIDTH, 320)
cap.set(cv2.CAP_PROP_FRAME_HEIGHT, 240)
cap.set(cv2.CAP_PROP_FOURCC, cv2.VideoWriter.fourcc(‘M‘, ‘J‘, ‘P‘, ‘G‘))

这里提几个常用的标准分辨率：

• VGA (Video Graphics Array): 640×480
• QVGA (QuarterVGA): 240×320
• QQVGA: 120×160

接下来可以捕获一帧数据看一下状态：

# %% 捕获一帧清晰的图像
def try_frame():
    while True:
        ret, im_frame = cap.read()
        cv2.imshow("frame", im_frame)  # 显示图像

        # im_gray = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)  # 可选择转换为灰度图
        if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord(‘q‘):
            break

    cv2.destroyAllWindows()
    return im_frame

im_frame = try_frame()
env.imshow(im_frame)

ps: 镜头角度会存在一定的歪斜，没有关系，我们后面会进行处理。

2. 图像预处理：获取屏幕ROI

利用屏幕的亮度，通过简单的阈值操作和轮廓操作，获取屏幕轮廓，然后将图像角度校正，最后获得正向的文字内容。

2.1. 分离提取屏幕区域

通过OTSU的阈值化操作，将图像处理为二值状态。这个很重要，因为如果直接使用彩图或灰度图，会由于外部光线的变化，导致后期字符匹配时整体灰度值与模板的差别而降低置信度，导致较大的误差。而二值图可以避免这个问题。

然后利用开运算（白底黑字，如果黑底白字则为闭运算），消除噪点。

im_latest = try_frame()
im_gray = mvlib.color.rgb2gray(image)
im_bin = mvlib.filters.threshold(im_gray, invert=False)
# im_erosion = mvlib.morphology.erosion(im_bin, (11, 11))
# im_dilation = mvlib.morphology.dilation(im_erosion, (5, 5))
im_opening = mvlib.morphology.opening(im_bin, (11, 11))
env.imshow(im_opening)

2.2. 计算屏幕区域的旋转角度

提取图像的最大轮廓，然后获取其包络矩形。

list_cnts = mvlib.contours.find_cnts(im_opening)
if len(list_cnts) != 1:
    print(f"非唯一轮廓，请通过面积筛选过滤")
    # assert 0
    cnts_sorted = mvlib.contours.cnts_sort(list_cnts, mvlib.contours.cnt_area)
    list_cnts = [cnts_sorted[0]]

box, results = mvlib.contours.approx_rect(list_cnts[0], True)
angle = results[2]  # 此处的角度是向逆时针倾斜，记作：-4
if abs(angle) > 45:
    angle = (angle + 45) % 90 - 45
print(angle, box)

上述过程输出：

1.432098388671875
[[282 173]
 [ 29 167]
 [ 32  41]
 [285  47]]

2.3. 裁剪屏幕区域

至此可以丢弃im_opening以及im_bin的图像了。我们重新回到im_gray上进行操作（需要重新进行阈值化以获取文字的二值图）。

list_width = box[:,0]
list_height= box[:,1]
w_min, w_max = min(list_width), max(list_width)
h_min, h_max = min(list_height), max(list_height)

im_screen = im_gray[h_min:h_max, w_min:w_max]
env.imshow(im_screen)

2.4. 旋转图像至正向视角

im_screen_orthogonal = mvlib.transform.rotate(im_screen, angle, False)
# env.imshow(im_screen_orthogonal)
im_screen_core = im_screen_orthogonal[20:-20, 20:-20]
env.imshow(im_screen_core)

2.5. 提取文字图像

第二次执行阈值化操作，但这一次是在屏幕内部，排除了屏幕外复杂的背景后，可以很容易的获取到文字的内容。由于我们只关心数字，所以通过闭运算将细体字过滤掉。

im_core_bin = mvlib.filters.threshold(im_screen_core, invert=False)
im_closing = mvlib.morphology.closing(im_core_bin, (3,3))
env.imshow(im_closing)

2.6. 封装上述过程

琐碎的预处理过程就告一段落了，我们可以将上述的内容封装成一个简单的函数：

def preprocess():
    # 获取屏幕区域
    im_latest = try_frame()
    ...
    im_closing = mvlib.morphology.closing(im_core_bin, (3,3))
    return im_closing

3. 字符分割，获取单个字符的图像

字符分割，一方面是制作模板的需要（当然，你也可以直接用画图工具裁剪出一张模板图像）；另一方面是为了加速模板匹配的效率。当然，你完全可以在整张图像上利用 match_template() 查找模板，但如果进行多模板匹配，重复的扫描整张图像，效率就大打折扣了。

先提供完整的代码

char_width_min = 7
gap_height_max = 5

def segment_chars(im_core):
    list_char_img = []
    # 字符区域
    raw_bkg = np.all(im_core, axis=0)
    col_bkg = np.all(im_core, axis=1)

    # 计算字高
    ndarr_char_height = np.where(False == col_bkg)[0]
    char_height_start = ndarr_char_height[0]
    item_last = ndarr_char_height[0]
    for item in ndarr_char_height:
        if item - item_last > gap_height_max:
            char_height_start = item
        item_last = item
    char_height_end = ndarr_char_height[-1] +1
    print(f"字高【{char_height_end - char_height_start}】")

    ndarr_chars_pos = np.where(False == raw_bkg)[0]
    ndarr_chars_pos = np.append(ndarr_chars_pos,
                                im_core.shape[1] + char_width_min)

    last_idx = ndarr_chars_pos[0]
    curr_char_width = 1
    for curr_idx in ndarr_chars_pos:
        idx_diff = curr_idx - last_idx
        # 这里应该限制最小宽度>=2，否则认为是一个粘连字
        if idx_diff <= 2:
            curr_char_width += idx_diff
        else:  # 新的字符
            char_width_end = last_idx +1
            char_width_start = char_width_end - curr_char_width
            im_char_last = im_core[char_height_start:char_height_end,
                                char_width_start:char_width_end]
            list_char_img.append(im_char_last)
            curr_char_width = 0
        last_idx = curr_idx
    return list_char_img

按照行列，获取图像中的文字像素点集：

raw_bkg = np.all(im_core, axis=0)
col_bkg = np.all(im_core, axis=1)

由此，可以知道255（黑色）的区域从大约 39 到 75，那么 75 - 29 = 36 就是字高。

另外，图像中有可能存在噪点，去掉就是了（我这里只是简单粗暴的处理下，请见谅）。

行的处理同样。如果发现间隔，那么就可以分离字符。最后，输出每个字符的图像。

检验下效果：

list_char_imgs = segment_chars(im_core)
env.imshow(list_char_imgs[1])

4. 模板匹配：确定字符内容

利用模板匹配，实现字符识别的过程。这里不再细说OpenCV的 cv2.matchTemplate() 函数，只描述应用过程。

4.1. make_template

首先，有必要把字符先作为模板存储下来。

def make_tpls(list_tpl_imgs, dir_save, dict_tpl=None):
    if not dict_tpl:
        dict_tpl = {}

    str_items = input("请输入模板上的文本内容，用于校对（例如215801）： ")

    assert len(str_items) == len(list_tpl_imgs)
    for i, v in enumerate(str_items):
        filename = v
        if v in dict_tpl:
            filename = v + "_" + str(random.random())
        else:
            dict_tpl[v] = list_tpl_imgs[i]
        path_save = os.path.join(dir_save, filename + ".jpg")
        mvlib.io.imsave(path_save, list_tpl_imgs[i])

    return dict_tpl

这里，同一字符有必要多存储几张，最后择优（或者一个字符通过多个模板匹配的结果来确定）。

4.2. 模板修复

这个过程，虽然没啥子技术含量，但却对结果影响很大。在前一步骤中，我们每一个字符都收集了多张模板图像。现在，从中择优录取。还有，可以手动编辑模板的图片，去除模板多余的白边（边并不是文字内容的一部分，而且会降低字符的匹配度）。

4.3. 重新加载模板数据

def load_saved_tpls(dir_tpl):
    saved_tpls = os.listdir(dir_tpl)

    dict_tpl = {}  # {"1": imread("mvdev/tmp/tpl/1.jpg"), ...}
    for i in saved_tpls:
        filename = os.path.splitext(i)[0]
        path_tpl = os.path.join(dir_tpl, i)

        im_rgb = cv2.imread(path_tpl)
        im_gray = mvlib.color.rgb2gray(im_rgb)
        dict_tpl[filename] = im_gray
    return dict_tpl

dir_tpl = "tpl/"
dict_tpls = load_saved_tpls(dir_tpl)

4.4. 模板匹配

def number_ocr_matching(im_char):
    most_likely = [1, ""]
    for key, im_tpl in dict_tpls.items():
        try:
            pos, similarity = mvlib.feature.match_template(im_char, im_tpl, way="most")
            if similarity < most_likely[0]:
                most_likely = [similarity, key]
        except:
            im_char_old = im_char.copy()
            h = max(im_char.shape[0], im_tpl.shape[0])
            w = max(im_char.shape[1], im_tpl.shape[1])
            im_char = np.ones((h,w), dtype="uint8") * 255
            # im_char2 = mvlib.pixel.bitwise_and(z, im_char)
            im_char[:im_char_old.shape[0], :im_char_old.shape[1]] = im_char_old

            pos, similarity = mvlib.feature.match_template(im_char, im_tpl, way="most")
            if similarity < most_likely[0]:
                most_likely = [similarity, key]

    print(f"字符识别为【{most_likely[1]}】相似度【{most_likely[0]}】")
    return most_likely[1]

def application(list_char_imgs):
    str_ocr = ""
    for im_char in list_char_imgs:
        width_img = im_char.shape[1]
        # 判断字符
        match_char = number_ocr_matching(im_char)
        str_ocr += match_char
    return str_ocr

str_ocr2 = application(list_char_imgs)
print(str_ocr2)

过程中，opencv出现了报错，是由于模板的shape大于当前分割字符的shape。这个很正常，采集图像时由于距离的微调（注意，距离变化不能太大，OpenCV的默认算子不支持模板缩放）可能导致字符尺寸更小。解决方案也很简单，直接把字符图像拓展到大于模板的状态就OK了。

额，忘了删除debug信息了……再来一次~