基于顏色模版匹配的繼電保護壓板投退狀態識別設計

呂家偉 劉瑞榮

（廣東電網有限責任公司江門供電局，廣東江門529000）

0 引言

繼電保護壓板投退狀態的準確性，是電網安全可靠運行的關鍵。然而，目前電網公司保護壓板數量大、類型多，人工檢測壓板狀態容易由于視覺疲勞而導致壓板操作錯誤[1]，且工作量大、耗時長。為此，近幾年，眾多學者對保護壓板投退狀態的可靠檢測、快速識別進行了大量研究，包括規范操作流程[2]、巧用顏色標識[3]、基于圖像自動識別技術[4]等。其中基于圖像自動識別技術由于具有識別快速、結果可靠、使用方便等優勢而得到眾多學者的重視。

然而，目前在應用基于圖像識別的壓板狀態檢測過程中還存在不少問題，如拍照角度、距離，光線強弱，照射角度，甚至是障礙物或人的影子等因素都直接影響識別效果，繼電保護屏的種類較多也增加了算法實現難度。

針對以上問題，本文提出一種通用識別方法，該方法充分利用現有保護屏中顏色標識，采用模版匹配技術，避免了不同種類的保護屏需要設計不同算法的缺陷[5]，也降低了使用難度，具有較高的實用性。同時，該方法利用圖像透視技術解決了拍照角度、距離對識別結果的影響，使得該方法可應用于手持終端或移動端（手機），極大地方便了運行人員的使用。最后，為避免光照強度影響，特別是同一圖中不同位置不同光照的影響，采用RGB顏色歸一化方法，去除光照影響，提高了識別的可靠性。

1 顏色模版匹配識別的基本流程介紹

基于顏色模版匹配的過程主要分為三個部分，分別為圖像預處理、模版采集和識別。

各部分主要功能如下：

（1）圖像預處理部分主要利用保護屏邊框（繼電保護屏四周以紅色矩形邊框作為標識，如果沒有，可人工標識）完成拍照圖片的校正與提取。

（2）模版采集部分根據圖像預處理后提取的壓板圖片，通過人工擦除不相關像素，突出模版投退狀態特征的關鍵像素，并設置識別需要的關鍵位置點、參數等信息。

（3）識別部分利用圖像預處理后提取的壓板圖片，通過與模版采集部分提取的模版進行匹配，從而判斷壓板狀態，輸出識別結果。

2 保護壓板狀態識別關鍵策略

要完成基于顏色模版匹配的保護壓板投退狀態準確識別，關鍵是正確提取壓板，合理確定模版與識別算法，解決因拍照角度、距離，光線強弱，照射角度，甚至是障礙物或人的影子等造成圖片與圖片之間不一致以及同一圖片中不同位置之間的光照不一致等問題。為解決以上問題，本文采取如下關鍵策略：

2.1 顏色歸一化與邊框提取

文獻[6]采用聚類方法實現顏色分類與圖形分割，在不同光照下獲得了較好的結果。然而，在本文研究過程中發現，同一圖片經常因拍照角度、位置、障礙物或人的影子等影響而造成同一顏色在同一圖片中不同位置的RGB值表現出非常大的差異，這將使得直接利用RGB值作為聚類中心會導致分類錯誤。但是，本文通過多組數據分析，發現不同光照下，同一顏色表現出RGB值具有同時增大或同時減小的特性，這為解決此類問題提供了新的思路，即歸一化處理。采用歸一化處理后，邊框識別清晰，且干擾少。

2.2 直線聚類策略

邊框提取后，為進一步去除實際應用中可能存在的干擾，可采用腐蝕功能消除較細的線條或面積較小的噪聲點。腐蝕后可采用細化方案，以減小有效像素點，提高直線提取速度。本文采取腐蝕、細化、概率霍夫變換提取直線段。由于概率霍夫變換提取的直線段一般遠多于實際需要的直線段，因此需要對提取的直線段做進一步判斷，如去除或連接，才能準確找到所需要的邊框直線。本文采取如下步驟獲取所需要的邊框直線：

（1）將所獲取的所有直線采用（ρ，θ）描述形式，見式（1），并按照給定間距（Δρ，Δθ）進行初始分類。

公式（1）描述一條直線，直線上的點坐標為（x，y），其余為參數。

（2）計算以線段長度為權重的聚類中心，即：

式中，Li，j表示第i類中第j條直線段的長度；ρi，j、θi，j分別表示第i類中第j條直線段的ρ和θ；ρˉi和θˉi分別表示第i類新的聚類中心。

（3）以ρˉi、θˉi為聚類中心，按照歐氏距離最近原則重新聚類，如果有直線段分類變動，則返回步驟（2）重新聚類，直到分類結果不再變化為止。

（4）將所有類中的直線段分別按照ρ和θ計算平均值ρˉ、θˉ以及標準差σρ、σθ，去掉所有的直線段。

（5）重復步驟（4），直到再也沒有直線段被去掉為止。

（6）將每一類中的直線段連接起來組成一條直線段。

（7）將＞45°的直線認為是垂直線，＜45°的直線認為是水平線，并依據預先給定的水平線數量n選取聚類中的最長n條作為水平線目標直線，同時選擇聚類中最長的兩條垂直線作為垂直線目標直線。

（8）將垂直線段中端點x最小和最大的直線段分別作為邊框左邊和右邊直線，將水平線段中端點y最小和最大的直線段分別作為邊框上邊和下邊直線。

依據以上步驟，邊框直線識別效果如圖1所示。在此基礎上，通過計算四條邊線的四個交點（圖1），可利用opencv中warpPerspective函數將原圖校正為圖2所示標準圖片。

圖1 直線識別結果

圖2 保護壓板校正圖

2.3 顏色模版采集策略

從圖2可知，每一個壓板位置基本可確定，因此可通過模版匹配方法在相鄰區域進行滑窗匹配，找出最相關的模版，其狀態就和此模版一致。然而，模版匹配在保護壓板上應用存在兩個問題：（1）模版匹配方法耗時過長，需要改進，以滿足實時應用要求；（2）保護壓板種類多，部分壓板并不像圖2所示投退狀態壓板之間基本一致，事實上，大量壓板投退狀態旋轉角度不定，如圖3所示，這為模版匹配應用增加了難度。

圖3 繼電保護屏原圖

依據以上策略，分別為圖2和圖3制作模版如圖4、圖5所示。

圖4 圖2所示壓板一級模版

圖5 圖3所示壓板一、二級模版

根據某電網公司實地考察，所有繼電保護屏都可分為圖2、圖3所示兩類處理，因此本文所述模版采集方法可通用于所有繼電保護屏。

3 應用效果

采用本文所述的顏色模版匹配方法對某電網公司5種不同的繼電保護屏進行識別測試，從識別效果看，完全能夠滿足應用需要。

4 結語

綜上所述，本文依據繼電保護屏四周紅色矩形框，采用透視技術，解決了因手持端或手機拍照角度、距離等對圖像識別的影響，利用顏色歸一化解決了圖像因光照變化、障礙物或陰影等造成的影響，提高了識別可靠性，采用兩級模版匹配策略，解決了多種類繼電保護屏的算法通用性問題。最后，實際應用表明，該方案具有使用簡單、識別準確等優點，能夠有效減少運行人員的核對工作量。