基于圖像處理的斷路器壓力表計識別技術的研究

，，，，

(1.福建電力職業技術學院，福建 泉州 362000；2.國網泉州供電公司，福建 泉州 362000；3.泉州農電服務有限公司，福建 泉州 362000)

1 引言

指針式儀表構造簡單、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，基于以上優點，變電站的斷路器大多數采用指針式儀表監控其壓力值。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據一條條手工輸入到電腦。這種傳統的方法不僅效率低，同時容易受人的主觀因素影響導致所得到的斷路器示值結果不準確。近年來，隨著數字圖像處理技術的不斷發展和完善，指針式儀表的識別也獲得了巨大的進步[1-2]。

目前指針式儀表識別方法主要有剪影法和Hough變換法[3-8]。剪影法的主要思想是將指針式儀表圖像減去構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成的線轉換為參數中間中的一個點，從而把線的檢測問題轉換為參數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，可能會出現檢測到的直線不經過指針軸心的情況，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[9]。

2 圖像預處理

受儀表周圍環境以及光照的影響，采集到的圖像信息中包含有噪聲，圖片不清晰，最終導致圖像識別效率低下、識別精度低甚至讀數錯誤，因此必須首先對采集到的圖像進行預處理，以改善圖像的質量。圖1為實際運行中采集到的斷路器用密度壓力表。

圖1 采集到的斷路器用密度壓力表

2.1 同態濾波

同態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[10]。

同態濾波的基本原理是：將圖像表示成照度函數和反射函數的乘積，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，同態濾波的具體流程如圖2所示。

圖2 同步濾波流程

圖2中，f(x,y)為原始圖像，ln表示對數運算，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表示指數運算，g(x,y)為同態濾波的結果。

首先對原圖像f(x,y)取對數，使圖像的乘法運算轉換為更為簡單的加法運算，再對對數函數兩邊作傅里葉變換，將圖像轉換到頻域；選擇適當的濾波器對頻域進行處理之后進行傅里葉逆變換和指數運算，即可得到同態濾波的結果，如圖3所示。

圖3 同態濾波處理后圖像

本文中，濾波器H(u，v)的計算公式如下：

(1)

(2)

式中：D(u，v)是點(u，v)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用來控制同態濾波器的銳化，本文設置為2；參數rH與rL控制H(u，v)的變化范圍，文中rH=2.0,rL=0.3。

2.2 圖像二值化及細化

為了進一步，必須對同態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鍵在于直線指針位置的確定，傳統的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檢測到的直線不經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。

圖4 細化后圖像

圖5 檢測到的圓及圓心

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過儀表盤圓心，因此可根據3.1節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。

圖6 檢測到的指針及耐震液直線

圖7 儀表讀數計算示意圖

為了得到指針與起始刻度的夾角，首先將儀表盤分成一、二、三和四共四個象限(如圖7所示)，根據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θ，繼而可得到斷路器壓力表的讀數。最終可得到θ=16.74°，壓力表的讀數為-0.038MPa，算法識別的讀數與實際接近，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)采用預處理手段對采集到的圖像進行處理，以改善原始圖像的質量，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，進而選出經過圓心的最長直線，從而避免了耐震液直線對結果的干擾。

(3)直線指針的定位。將儀表分成四個象限，根據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。

結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與實際示數較接近，本文提出的斷路器壓力表識別算法是有效的。

[1] 晁陽.基于特征識別的指針式儀表自動識別研究[D].山東大學,2008.

[2] 陳昕然.基于機器視覺的電力儀表自動檢定系統研究[D].哈爾濱工業大學,2015.

[3] 李治瑋，郭戈.一種新型指針儀表識別方法研究[J].微計算機信息,2007,31:113-114.

[4] 趙菁.基于圖像處理的指針式儀表識別設計[D].西安電子科技大學,2011.

[5] 房樺，明志強，周云峰，等.一種適用于變電站巡檢機器人的儀表識別算法[J].自動化與儀表，2013(5)： 10-16.

[6] YUE X F,ZHANG M,XIAO D,et al.The research on auto-recognition method for analogy measuring instruments[C].International Conference on Computer,Mechatronics,Control and Electronic Engineering(CMCE),2010:207-210.

[7] 孫鳳杰，郭風順，范杰清，等.基于圖像處理技術的表盤指針角度識別研究[J].中國電機工程學報,2005,25(16):73-79.

[8] 何智杰,張彬,金連文.高精度指針儀表自動讀數識別方法[J].計算機輔助工程,2006,3:9-12.

[9] 宋偉,張文杰,張家齊,等.基于指針區域特征的儀表讀數識別算法[J].儀器儀表學報,2014,S2:50-58.

[10] 范春年.人臉識別中光照處理算法研究[D].南京大學,2011.