數字圖像處理技術在電氣控制柜開關狀態識別中的應用

丁四海、劉玉雪、路林吉

0 引言

隨著現代電力系統的發展，變電站的復雜度越來越高，因此一個變電站中需要有越來越多的開關控制柜來控制各個線路，而且需要隨時掌握開關的狀態，目前人工識別速度慢而且耗費人力物力，因此用軟件識別開關狀態并進行狀態對比就顯得越來越重要，也更符合現代工業發展智能化的潮流趨勢。

本文研究了變電站中較常用的一種開關，并對通過數碼相機采集到的開關柜圖片默認有統一照度。通過對大量的開關柜圖片的研究，本文應用圖像處理技術、開關定位技術、開關識別技術、Hough 變換、開關狀態矩陣生成及對比，最后設計了用戶界面，實現對一個文件夾下的照片自動讀取，識別和狀態對比。

1 圖像預處理

圖像預處理即前景提取的過程分為兩步：1、陰影去除，2、顏色模型。

陰影去除時，考慮到開關都是彩色的，以及圖片中的陰影干擾，首先我們對圖像顏色通道進行了處理，通過對圖片色彩的分析，每個通道的值等于：RGB-m in(R,G,B)。這里，我們所采用的圖像的格式為RGB 型。

這個操作有效地去處了圖像中所有灰度顏色部分，對陰影也有很好的抑制作用。

然后對開關的顏色模型進行建模，在顏色空間中對三種顏色的特征進行聚類，直接用K 近鄰來統計聚類中心和半徑[2]，最終得到顏色特征。

具體實現的程序如下：

上述代碼就是一張圖中的三種顏色的開關的模型，最終的模型模式非常的簡單，如圖1所示：

圖1 前景提取結果

2 開關定位

開關定位對于識別非常重要，在整體的照片中確認開關的位置是準確識別的第一步。首先對開關的二值圖片進行形態學濾波，使開關區域形成一個連通區域，然后根據開關的先驗知識對所得到的連通區域進行篩選，獲取開關的具體位置，完成從圖片中提取開關的任務。

數學形態是一種非線性濾波方法，可以用于抑制噪聲，進行特征提取、邊緣檢測、圖像分割等圖像處理操作。形態學濾波有4 種基礎操作：腐蝕、膨脹、開操作和閉操作[4]。根據Tag 定位。根據形態學特征定位（紅色圓形開關不定位，直接檢測特征進行判定和識別，然后確定位置）。對前景提取過的圖像進行形態學濾波，采用canny 濾波，如圖2所示：

圖2 最終定位模式

3 開關特征提取：

本文討論了的這種開關，由于背景比較復雜，本項目采用了Hough 變換的方法，Hough 變換它實現一種從圖像空間到參數空間的映射關系。其基本思想是點線的對偶性，即圖像空間共線的點對應在參數空間里相交的線；反過來，在參數空間中相交于同一個點的所有直線在圖像空間里都有共線的點與之對應。人們通常把Hough 變換用于檢測二值圖中的直線或者曲線把二值圖變換到Hough 參數計算空間Hough。

本文基于一定的概率進行填補，對直線的方向進行統計和判定，最終判斷開關的狀態[5]。

對于紅色連排開關則通過distance 變換，找到紅色中心，根據三個連續中心的判斷來判定開關的狀態，如圖3、圖4所示：

圖3 閉合開關

圖4 打開開關

圖3 中，檢測結果為開關閉合，圖4 中，檢測的結果為開關打開。兩張圖的右上角為了增加對比度而做的直方圖均衡化圖，右上為輪廓檢測結果，左下為根據顏色模型獲取到的開關，右下圖中的粉色線段為Hough 變換后的結果示意圖。

當Hough 變換得到的直線為豎直方向上時，可以得知該開關為閉合狀態。

當Hough 變換得到的直線有傾斜角度時，可以得出該開關的狀態是打開。

對于閉合開關，檢測開關狀態為閉合，則輸出為1，若開關為打開狀態，則輸出為0。將開關的狀態輸出到文檔文件中，生成開關狀態矩陣，如圖5所示：

圖5 開關當前狀態矩陣

4 軟件狀態對比設計

通過上述幾個圖像處理步驟，實現了相應的數學處理，并編制了相應的軟件程序，可以做到對一個文件夾下的照片自動讀取、識別，并對預先存入的開關狀態和現在的開關狀態做出對比，快速得知當前的所有開關的狀態是否正確。具體實驗結果，如圖6所示。

圖6 實驗結果

5 結束語

本文針對控制柜上開關狀態的判斷和識別問題，采用數字圖像處理技術實現了開關的定額、識別與整體識別開關狀態的判別。實驗結果證明本文所提出的開關識別方法是準確、可行的。

[1]阮秋琪，阮宇智.數字圖像處理.第二版.[M]北京：電子工業出版社，2003,1-4

[2]楊枝靈，王開等.Visual C++數字圖像獲取、處理、及實踐應用，[M]北京,人民郵電出版社，2003年

[3]孫紅艷，張海英.圖像邊緣檢測算法的比較與分析[J].菏澤學院學報，2010，32(2)：49—52.

[4]前進，徐素麗，孫炎增.基于Hough 變換特征提取的步態識別[J].數據采集與處理，2010(2)：268—272.