基于圖像處理的斷路器壓力表計(jì)識(shí)別技術(shù)的研究
變電站中斷路器大多采用指針式儀表監(jiān)控其壓力值,依靠人工巡視的方法記錄壓力值是日常變電站運(yùn)行 維護(hù)的重要內(nèi)容,但其存在效率低、結(jié)果不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)，因此有必要展開(kāi)基于圖像處理的斷路器壓力表計(jì)自動(dòng)識(shí) 別算法的研究。本文采用預(yù)處理手段對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理，獲得容易提取圖像特征的圖像,提出一種改進(jìn)的 Hough變換方法和指針式儀表示值的判讀方法,最后建立Matlab仿真對(duì)所提出改進(jìn)方法進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明:本 文提出的改進(jìn)的Hough變換方法可避免檢測(cè)到的直線與實(shí)際指針中心線存在一定的偏差或者檢測(cè)到非指針,快 速確定指針位置,算法識(shí)別的儀表讀數(shù)與實(shí)際示數(shù)較接近,本文提出的斷路器壓力表識(shí)別算法是有效的。
1 .引言
指針式儀表構(gòu)造簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、維護(hù)方便、可靠 性高、防腐蝕性和抗電磁場(chǎng)干擾能力強(qiáng)，基于以上優(yōu) 點(diǎn),變電站的斷路器大多數(shù)采用指針式儀表監(jiān)控其壓 力值。目前,運(yùn)行維護(hù)人員在進(jìn)行維護(hù)巡視時(shí),大部分 依靠人工判讀的方式讀取斷路器的壓力值,記錄在紙上,巡視完畢后再將所記錄到的數(shù)據(jù)一條條手工輸入 到電腦。這種傳統(tǒng)的方法不僅效率低，同時(shí)容易受人 的主觀因素影響導(dǎo)致所得到的斷路器示值結(jié)果不準(zhǔn) 確。近年來(lái)，隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展和完 善,指針式儀表的識(shí)別也獲得了巨大的進(jìn)步。
目前指針式儀表識(shí)別方法主要有剪影法和Hough 變換法。剪影法的主要思想是將指針式儀表圖像 減去構(gòu)造的不含指針的模板圖像,從而確定直線指針 的位置。
該方法在光照充足時(shí)有較高的識(shí)別精度，但 當(dāng)儀表型號(hào)變化時(shí)需重新構(gòu)造模板圖像,通用性較差。
Hough變換法是目前使用最為廣泛的指針式儀表識(shí)別 方法,其基本原理是將原始圖像中不同像素點(diǎn)構(gòu)成的 線轉(zhuǎn)換為參數(shù)中間中的一個(gè)點(diǎn),從而把線的檢測(cè)問(wèn)題 轉(zhuǎn)換為參數(shù)空間峰值的尋找問(wèn)題。但該方法在處理較 粗的指針（指針頂部細(xì)，底部粗）時(shí)，由于光照不均或 其他因素的干擾，可能會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)到的直線不經(jīng)過(guò)指 針軸心的情況,此時(shí)檢測(cè)到的直線與實(shí)際指針中心線 存在一定的偏差,影響了算法的識(shí)別精度。
2.圖像預(yù)處理
受儀表周圍環(huán)境以及光照的影響，采集到的圖像 信息中包含有噪聲，圖片不清晰,最終導(dǎo)致圖像識(shí)別效 率低下、識(shí)別精度低甚至讀數(shù)錯(cuò)誤，因此必須首先對(duì)采 集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理，以改善圖像的質(zhì)量。圖1為 實(shí)際運(yùn)行中采集到的斷路器用密度壓力表。
2. 1同態(tài)濾波
同態(tài)濾波是一種在頻域中對(duì)圖像進(jìn)行處理的方 法，其作用是增強(qiáng)圖像對(duì)比度和壓縮圖像亮度范圍，從 而解決圖像上光照不均的問(wèn)題⑽。
同態(tài)濾波的基本原理是：將圖像表示成照度函數(shù) 和反射函數(shù)的乘積，其中，照度頻譜主要集中在低頻 段,而反射頻譜主要位于高頻段,用濾波器濾除低頻段 就可達(dá)到濾除光照的目的，同態(tài)濾波的具體流程如圖 2所示。
圖2中，()為原始圖像，ln表示對(duì)數(shù)運(yùn)算, DFT表示傅里葉變換，H (u,v)表示頻域?yàn)V波過(guò)程， (DFT) -1表示傅里葉逆變換,exp表示指數(shù)運(yùn)算,g (x, y)為同態(tài)濾波的結(jié)果。
首先對(duì)原圖像/(x，)取對(duì)數(shù),使圖像的乘法運(yùn)算 轉(zhuǎn)換為更為簡(jiǎn)單的加法運(yùn)算,再對(duì)對(duì)數(shù)函數(shù)兩邊作傅 里葉變換,將圖像轉(zhuǎn)換到頻域;選擇適當(dāng)?shù)臑V波器對(duì)頻 域進(jìn)行處理之后進(jìn)行傅里葉逆變換和指數(shù)運(yùn)算，即可 得到同態(tài)濾波的結(jié)果,如圖3所示。
本文中，濾波器H(u，）的計(jì)算公式如下：
/ \ / \ - D2 (u, v)
H{ u，）= (rH - rL) e 咱 c + rL (1)
D( u,v) = [ u -誓)2 + (v - f) 2]+ (2)
式中:D(uv)是點(diǎn)（uv)距頻率矩形中心（M/2, N/2)的距離;d0是截?cái)囝l率，本文d0取10;c用來(lái)控 制同態(tài)濾波器的銳化,本文設(shè)置為2;參數(shù)~與、控 制u,v)的變化范圍，文中rH =2. 0，L =0.3。
2.2圖像二值化及細(xì)化
為了進(jìn)一步,必須對(duì)同態(tài)濾波后的圖像進(jìn)行第一 步處理,本文對(duì)圖像進(jìn)行二值化之后進(jìn)行細(xì)化處理，提 取圖像的骨架,形成比較容易提取圖像特征的圖像,如 圖4所示。
3.直線指針的定位
指針式儀表識(shí)別的關(guān)鍵在于直線指針位置的確 定,傳統(tǒng)的Hough變換方法檢測(cè)到的直線可能會(huì)與實(shí) 際指針中心線存在一定的偏差或者檢測(cè)到非指針，為 此本文提出一種改進(jìn)的Hough變換方法。
3.1圓心的確定
儀表盤是圓形的，其圓心是固定的，且必然在指針 軸心的直線上，因此，為了避免指針較粗時(shí)出現(xiàn)檢測(cè)到的直線不經(jīng)過(guò)指針軸心或者檢測(cè)到非指針的情況，可 先找出儀表盤的圓心,然后濾除到不經(jīng)過(guò)圓心的直線。 圓可通過(guò)Hough變換檢測(cè)得到。圖5中，“ + ”號(hào)為檢 測(cè)到的圓心,儀表盤邊緣的紅色線為檢測(cè)到的圓。
3.2直線指針的確定
采用Hough變換的方法可提取采集到的圖像包 含的指針、多條刻度線以及耐震液直線（圖6中的虛 線），其中耐震液的直線最長(zhǎng)，但由于耐震液的直線不 經(jīng)過(guò)儀表盤圓心，因此可根據(jù)3. 1節(jié)中檢測(cè)到的圓心 濾除掉耐震液的直線，剩余直線中最長(zhǎng)的一條即為指 針（圖6中的實(shí)線）。
從圖6中可以看出，采用本文提出的改進(jìn)的 Hough變換的方法可準(zhǔn)確快速的確定直線指針的位 置,避免耐震液直線的干擾。
4.指針式儀表示值的判讀方法
儀表量程范圍是-0. 1 ~0. 9MPa,總量程是1MPa, 因此只需計(jì)算出指針與起始刻度的夾角即可得到斷路 器壓力表的讀數(shù)。
為了得到指針與起始刻度的夾角，首先將儀表盤 分成_、二、三和四共四個(gè)象限（如圖1所示），根據(jù)指 針兩個(gè)端點(diǎn)中部所屬象限以及指針的斜率可計(jì)算出指 針與起始刻度的夾角隊(duì)繼而可得到斷路器壓力表的 讀數(shù)。最終可得到6 = 16.74°,壓力表的讀數(shù)為- 0. 038MPa,算法識(shí)別的讀數(shù)與實(shí)際接近，本文提出的 指針式儀表識(shí)別算法是正確的。
5.結(jié)語(yǔ)
本文提出了一種基于圖像處理的斷路器壓力表識(shí) 別算法,算法共分為三個(gè)部分：
（1）采用預(yù)處理手段對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理， 以改善原始圖像的質(zhì)量，獲得比較容易提取圖像特征 的圖像。
（2）提出一種改進(jìn)的Hough變換方法，確定指針 的位置。首先運(yùn)用Hough變換檢測(cè)出儀表的圓心，然后再次運(yùn)用Hough變換檢測(cè)出儀表中的所有直線,進(jìn) 而選出經(jīng)過(guò)圓心的最長(zhǎng)直線,從而避免了耐震液直線 對(duì)結(jié)果的干擾。
(3)直線指針的定位。將儀表分成四個(gè)象限，根 據(jù)指針兩個(gè)端點(diǎn)中部所屬象限以及指針的斜率計(jì)算出 指針與起始刻度的夾角，繼而可得到斷路器壓力表的 讀數(shù)。
結(jié)果表明本文提出的改進(jìn)的Hough變換方法可 快速確定指針位置，算法識(shí)別的儀表讀數(shù)與實(shí)際示數(shù) 較接近,本文提出的斷路器壓力表識(shí)別算法是有效的。
