基于MATLAB的真空開關(guān)電弧圖像處理系統(tǒng)設(shè)計

摘要：真空開關(guān)的電弧特性是決定真空開關(guān)開斷能力的主要因素。為了研究真空開關(guān)的電弧形態(tài)特性，利用MATLAB軟件的圖形用戶界面（GUI）功能，結(jié)合真空電弧圖像特點，開發(fā)了真空電弧圖像處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)對真空電弧圖像宏觀特征進(jìn)行挖掘，包括濾除噪聲干擾，增強(qiáng)圖像特征，改善圖像的視覺效果，對電弧圖像的形態(tài)變化和分層變化等特征進(jìn)行定量分析，適用于真空電弧圖像的定量分析，為進(jìn)一步研究真空開關(guān)電弧形態(tài)提供了便利。

關(guān)鍵詞：真空開關(guān)電弧形態(tài)特性;真空電弧圖像;圖像處理;GUI

0 引言

真空開關(guān)電弧形態(tài)特征是其內(nèi)部復(fù)雜特性的外在反映，研究其形態(tài)特征，對于深入研究真空開關(guān)滅弧室性能具有很好的指導(dǎo)作用[1]。真空開關(guān)電弧圖像是研究真空開關(guān)電弧形態(tài)特征的重要媒介。國外學(xué)者Schulman[2]等通過對電弧圖像的采集，結(jié)合電弧電壓特性，將電弧形態(tài)特征分為擴(kuò)散態(tài)、收縮態(tài)及噴發(fā)態(tài)等;國內(nèi)學(xué)者向川等[3]對真空開關(guān)電弧圖像進(jìn)行了采集，并對真空電弧形態(tài)的演變過程進(jìn)行了深入的定性分析;董華軍等[4-8]借助可拆卸滅弧室對真空電弧圖像進(jìn)行了采集，并在電弧形態(tài)特征量化研究方面做了大量細(xì)致、深入的工作。但目前為止，還沒有專門針對真空電弧圖像的處理系統(tǒng)。

MATLAB的GUI為系統(tǒng)開發(fā)者提供了一個非常便捷的人機(jī)交互平臺，使得針對特定對象的操作更加人性化，軟件功能可通過界面設(shè)定的特定按鈕和窗口來設(shè)計實現(xiàn)。本文通過MATLAB軟件的數(shù)字圖像處理功能，對真空電弧圖像進(jìn)行了處理，使用GUI將真空電弧圖像的不同處理功能模塊進(jìn)行了集成，構(gòu)成了針對真空電弧圖像處理系統(tǒng)的用戶界面。

1 MATLAB GUI設(shè)計流程

在MATLAB平臺設(shè)計開發(fā)中，創(chuàng)建GUI有以下方式：（1）使用M文件直接編寫程序的方式建立GUI;（2）利用MATLAB的圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境（GUIDE）設(shè)計GUI。第1種方法功能強(qiáng)大，但在調(diào)整圖形組件位置時花費較多的時間;第2種方法比較直觀方便，易于上手，故本文采用第2種方法。

GUIDE向用戶提供了創(chuàng)建圖形界面的所有工具，包括菜單、圖形窗口、按鈕等，這些工具極大地簡化了GUI設(shè)計和生成的過程。在GUIDE平臺下，用戶首先定義界面的快捷菜單和控件的數(shù)量和屬性，并確定控件的位置布局，然后根據(jù)要求編寫控件的回調(diào)函數(shù)，最后運行調(diào)試生成滿足用戶要求的GUI界面[9-10]。

MATLAB GUI設(shè)計流程如圖1所示。

2 真空電弧圖像處理系統(tǒng)設(shè)計

2.1 ? ?電弧圖像處理系統(tǒng)的功能特點和總體框架

為了更加深入地分析圖像和提取圖像特征，本文按照真空電弧圖像處理技術(shù)采用的方法來設(shè)計系統(tǒng)的整體框架。整個系統(tǒng)主要由7個模塊及其子模塊組成，分別為灰度增強(qiáng)模塊、添加噪聲模塊、圖像濾波模塊、彩色處理模塊、邊緣檢測模塊、形態(tài)學(xué)處理模塊和特征提取模塊等。為了使框架圖清晰明了，各子模塊內(nèi)容不在此描述，圖2為系統(tǒng)的總體框架。

2.2 ? ?真空電弧圖像處理系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

2.2.1 ? ?GUIDE界面設(shè)計

根據(jù)真空電弧圖像處理系統(tǒng)設(shè)計框架，首先在空白面板上添加2個圖形窗口，分別顯示原圖和處理后的電弧圖像;其次，拖拽3個面板、4個按鈕組，作為電弧圖像處理7個功能區(qū)域的面板;第三，分別向每個功能區(qū)域面板上拖拽相應(yīng)的按鈕;第四，向電弧圖像特征提取模塊的按鈕組拖拽2個靜態(tài)文本，作為電弧圖像面積、周長特征值的顯示;第五，打開對象屬性查看器，在屬性設(shè)置窗口完成每個功能模塊控件的屬性設(shè)置，包括設(shè)置“String”屬性和“Tag”屬性等;第六，利用菜單編輯器設(shè)置圖像的打開、保存及退出等操作按鈕;最后，將面板上的按鈕和圖形窗口做適度調(diào)整，達(dá)到簡潔清晰的效果。本文設(shè)計的真空電弧圖像處理系統(tǒng)GUIDE圖形編輯界面如圖3所示。

2.2.2 ? ?功能模塊設(shè)計

真空電弧圖像處理系統(tǒng)界面如圖3所示。界面的顯示區(qū)域共有2個窗口，分別顯示原圖像和處理后的圖像，而圖像保存的結(jié)果是處理后的圖像。7個功能模塊及子模塊如下：（1）真空電弧圖像灰度增強(qiáng)模塊，包括灰度轉(zhuǎn)化、自適應(yīng)直方圖均衡化、灰度直方圖統(tǒng)計;（2）噪聲模塊，包括椒鹽噪聲、高斯噪聲、乘法噪聲和泊松噪聲等;（3）真空電弧圖像噪聲濾除模塊，包括自適應(yīng)濾波、中值濾波和均值濾波等;（4）真空電弧圖像彩色處理模塊，包括圖像的偽彩色和假彩色處理;（5）真空電弧圖像邊緣檢測模塊，包括常用的Canny算子、Log算子、Prewitt算子、Robers算子和Sobel算子5種方法;（6）真空電弧圖像形態(tài)學(xué)處理模塊，包括電弧圖像二值化處理、去除無關(guān)區(qū)域和開運算;（7）真空電弧圖像的形態(tài)特征提取模塊，包括電弧面積、周長和灰度等值線等。

圖4為圖像特征提取模塊運行結(jié)果，圖像特征提取模塊是真空電弧圖像處理系統(tǒng)的核心部分，展示了真空電弧圖像處理系統(tǒng)的運行效果。由于篇幅有限，其余模塊功能不再一一展示。3 結(jié)語

本文介紹了基于MATLAB的真空開關(guān)電弧圖像處理系統(tǒng)的總體設(shè)計框架和各功能模塊的設(shè)計方法。該系統(tǒng)利用MATLAB軟件的圖像處理功能和GUI設(shè)計功能，開發(fā)了真空電弧圖像增強(qiáng)模塊、添加噪聲模塊、圖像濾波模塊、彩色處理模塊、邊緣檢測模塊、形態(tài)學(xué)處理模塊和圖像特征提取模塊等7個功能性模塊，并將這些模塊進(jìn)行了集成。該系統(tǒng)通過對電弧圖像的一系列圖像處理，濾除了噪聲干擾，增強(qiáng)了圖像特征，改善了圖像的視覺效果，并對電弧圖像的形態(tài)變化、紋理變化和分層變化等特征進(jìn)行了定量分析。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)界面友好、易于操作，具有算法豐富、功能較全等優(yōu)點，能方便快捷地對電弧圖像進(jìn)行處理，為進(jìn)一步完善真空電弧的調(diào)控理論奠定了基礎(chǔ)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王季梅.真空滅弧室性能參數(shù)分析[J].低壓電器，2010（6）：1-5.

[2] SCHULINAN M.Effect of an Axial Magnetic Field upon the Develapment of the Vacuum Arc between Opening Electric Contacts [J].IEEE Trans on CHMT，1983，16（2）：180-189.

[3] 向川，黃智慧，董華軍，等.真空開關(guān)電弧形態(tài)演變實驗與仿真研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2013，33（9）：871-876.

[4] 董華軍，劉政君，郭英杰，等.真空開關(guān)電弧等離子體幾何形態(tài)研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2015，35（12）：1408-1413.

[5] 李奕，王振興，劉志遠(yuǎn)，等.橫向磁場下真空電弧運動形態(tài)三維重構(gòu)研究[J].真空電子技術(shù)，2019（5）：14-20.

[6] 董華軍，王正奇，劉政君，等.真空斷路器電流峰值后弧柱收縮狀態(tài)研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2018，38（11）：944-948.

[7] 田小靜，馮雨，郭英杰，等.基于小波變換和形態(tài)學(xué)細(xì)化算法的真空電弧形態(tài)檢測[J].電工技術(shù)學(xué)報，2015，30（11）：110-114.

[8] 王永興，李嵐松，黃智慧，等.基于圖像處理技術(shù)的真空電弧參數(shù)化研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2019，39（10）：864-869.

[9] 厲俊.基于MATLAB GUI圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].軟件工程，2020，23（5）：59-62.

[10] 茍輝，馮波，吳恒.Matlab GUI在PCB生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2020（4）：135-136.

收稿日期：2020-09-08

作者簡介：馮雨（1991—），男，陜西銅川人，助教，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)。