基于圖像處理的斷路器壓力表計識別技術(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行 維護的重要內(nèi)容,但其存在效率低、結(jié)果不準確等缺點，因此有必要展開基于圖像處理的斷路器壓力表計自動識 別算法的研究。本文采用預(yù)處理手段對采集到的圖像進行處理，獲得容易提取圖像特征的圖像,提出一種改進的 Hough變換方法和指針式儀表示值的判讀方法,最后建立Matlab仿真對所提出改進方法進行驗證。結(jié)果表明:本 文提出的改進的Hough變換方法可避免檢測到的直線與實際指針中心線存在一定的偏差或者檢測到非指針,快 速確定指針位置,算法識別的儀表讀數(shù)與實際示數(shù)較接近,本文提出的斷路器壓力表識別算法是有效的。
1 .引言
指針式儀表構(gòu)造簡單、價格便宜、維護方便、可靠 性高、防腐蝕性和抗電磁場干擾能力強，基于以上優(yōu) 點,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,運行維護人員在進行維護巡視時,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 確。近年來，隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展和完 善,指針式儀表的識別也獲得了巨大的進步。
目前指針式儀表識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有較高的識別精度，但 當儀表型號變化時需重新構(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別 方法,其基本原理是將原始圖像中不同像素點構(gòu)成的 線轉(zhuǎn)換為參數(shù)中間中的一個點,從而把線的檢測問題 轉(zhuǎn)換為參數(shù)空間峰值的尋找問題。但該方法在處理較 粗的指針（指針頂部細，底部粗）時，由于光照不均或 其他因素的干擾，可能會出現(xiàn)檢測到的直線不經(jīng)過指 針軸心的情況,此時檢測到的直線與實際指針中心線 存在一定的偏差,影響了算法的識別精度。
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)致圖像識別效 率低下、識別精度低甚至讀數(shù)錯誤，因此必須首先對采 集到的圖像進行預(yù)處理，以改善圖像的質(zhì)量。圖1為 實際運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圖像進行處理的方 法，其作用是增強圖像對比度和壓縮圖像亮度范圍，從 而解決圖像上光照不均的問題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表示對數(shù)運算, DFT表示傅里葉變換，H (u,v)表示頻域濾波過程， (DFT) -1表示傅里葉逆變換,exp表示指數(shù)運算,g (x, y)為同態(tài)濾波的結(jié)果。
首先對原圖像/(x，)取對數(shù),使圖像的乘法運算 轉(zhuǎn)換為更為簡單的加法運算,再對對數(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?shù)臑V波器對頻 域進行處理之后進行傅里葉逆變換和指數(shù)運算，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（uv)距頻率矩形中心（M/2, N/2)的距離;d0是截斷頻率，本文d0取10;c用來控 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圖像二值化及細化
為了進一步,必須對同態(tài)濾波后的圖像進行第一 步處理,本文對圖像進行二值化之后進行細化處理，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變換方法檢測到的直線可能會與實 際指針中心線存在一定的偏差或者檢測到非指針，為 此本文提出一種改進的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出現(xiàn)檢測到的直線不經(jīng)過指針軸心或者檢測到非指針的情況，可 先找出儀表盤的圓心,然后濾除到不經(jīng)過圓心的直線。 圓可通過Hough變換檢測得到。圖5中，“ + ”號為檢 測到的圓心,儀表盤邊緣的紅色線為檢測到的圓。
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，但由于耐震液的直線不 經(jīng)過儀表盤圓心，因此可根據(jù)3. 1節(jié)中檢測到的圓心 濾除掉耐震液的直線，剩余直線中最長的一條即為指 針（圖6中的實線）。
從圖6中可以看出，采用本文提出的改進的 Hough變換的方法可準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、三和四共四個象限（如圖1所示），根據(jù)指 針兩個端點中部所屬象限以及指針的斜率可計算出指 針與起始刻度的夾角隊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,算法識別的讀數(shù)與實際接近，本文提出的 指針式儀表識別算法是正確的。
5.結(jié)語
本文提出了一種基于圖像處理的斷路器壓力表識 別算法,算法共分為三個部分：
（1）采用預(yù)處理手段對采集到的圖像進行處理， 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）提出一種改進的Hough變換方法，確定指針 的位置。首先運用Hough變換檢測出儀表的圓心，然后再次運用Hough變換檢測出儀表中的所有直線,進 而選出經(jīng)過圓心的最長直線,從而避免了耐震液直線 對結(jié)果的干擾。
(3)直線指針的定位。將儀表分成四個象限，根 據(jù)指針兩個端點中部所屬象限以及指針的斜率計算出 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的Hough變換方法可 快速確定指針位置，算法識別的儀表讀數(shù)與實際示數(shù) 較接近,本文提出的斷路器壓力表識別算法是有效的。
