基于图像处理的断路器压力表计识别技术的研究

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(1.福建电力职业技术学院，福建 泉州 362000；2.国网泉州供电公司，福建 泉州 362000；3.泉州农电服务有限公司，福建 泉州 362000)

1 引言

指针式仪表构造简单、价格便宜、维护方便、可靠性高、防腐蚀性和抗电磁场干扰能力强，基于以上优点，变电站的断路器大多数采用指针式仪表监控其压力值。目前，运行维护人员在进行维护巡视时，大部分依靠人工判读的方式读取断路器的压力值，记录在纸上，巡视完毕后再将所记录到的数据一条条手工输入到电脑。这种传统的方法不仅效率低，同时容易受人的主观因素影响导致所得到的断路器示值结果不准确。近年来，随着数字图像处理技术的不断发展和完善，指针式仪表的识别也获得了巨大的进步[1-2]。

目前指针式仪表识别方法主要有剪影法和Hough变换法[3-8]。剪影法的主要思想是将指针式仪表图像减去构造的不含指针的模板图像，从而确定直线指针的位置。该方法在光照充足时有较高的识别精度，但当仪表型号变化时需重新构造模板图像，通用性较差。Hough变换法是目前使用最为广泛的指针式仪表识别方法，其基本原理是将原始图像中不同像素点构成的线转换为参数中间中的一个点，从而把线的检测问题转换为参数空间峰值的寻找问题。但该方法在处理较粗的指针(指针顶部细，底部粗)时，由于光照不均或其他因素的干扰，可能会出现检测到的直线不经过指针轴心的情况，此时检测到的直线与实际指针中心线存在一定的偏差，影响了算法的识别精度[9]。

2 图像预处理

受仪表周围环境以及光照的影响，采集到的图像信息中包含有噪声，图片不清晰，最终导致图像识别效率低下、识别精度低甚至读数错误，因此必须首先对采集到的图像进行预处理，以改善图像的质量。图1为实际运行中采集到的断路器用密度压力表。

图1 采集到的断路器用密度压力表

2.1 同态滤波

同态滤波是一种在频域中对图像进行处理的方法，其作用是增强图像对比度和压缩图像亮度范围，从而解决图像上光照不均的问题[10]。

同态滤波的基本原理是：将图像表示成照度函数和反射函数的乘积，其中，照度频谱主要集中在低频段，而反射频谱主要位于高频段，用滤波器滤除低频段就可达到滤除光照的目的，同态滤波的具体流程如图2所示。

图2 同步滤波流程

图2中，f(x,y)为原始图像，ln表示对数运算，DFT表示傅里叶变换，H(u，v)表示频域滤波过程，(DFT)-1表示傅里叶逆变换，exp表示指数运算，g(x,y)为同态滤波的结果。

首先对原图像f(x,y)取对数，使图像的乘法运算转换为更为简单的加法运算，再对对数函数两边作傅里叶变换，将图像转换到频域；选择适当的滤波器对频域进行处理之后进行傅里叶逆变换和指数运算，即可得到同态滤波的结果，如图3所示。

图3 同态滤波处理后图像

本文中，滤波器H(u，v)的计算公式如下：

(1)

(2)

式中：D(u，v)是点(u，v)距频率矩形中心(M/2，N/2)的距离；d0是截断频率，本文d0取10；c用来控制同态滤波器的锐化，本文设置为2；参数rH与rL控制H(u，v)的变化范围，文中rH=2.0,rL=0.3。

2.2 图像二值化及细化

为了进一步，必须对同态滤波后的图像进行第一步处理，本文对图像进行二值化之后进行细化处理，提取图像的骨架，形成比较容易提取图像特征的图像，如图4所示。

3 直线指针的定位

指针式仪表识别的关键在于直线指针位置的确定，传统的Hough变换方法检测到的直线可能会与实际指针中心线存在一定的偏差或者检测到非指针，为此本文提出一种改进的Hough变换方法。

3.1 圆心的确定

仪表盘是圆形的，其圆心是固定的，且必然在指针轴心的直线上，因此，为了避免指针较粗时出现检测到的直线不经过指针轴心或者检测到非指针的情况，可先找出仪表盘的圆心，然后滤除到不经过圆心的直线。圆可通过Hough变换检测得到。图5中，“+”号为检测到的圆心，仪表盘边缘的红色线为检测到的圆。

图4 细化后图像

图5 检测到的圆及圆心

3.2 直线指针的确定

采用Hough变换的方法可提取采集到的图像包含的指针、多条刻度线以及耐震液直线(图6中的虚线)，其中耐震液的直线最长，但由于耐震液的直线不经过仪表盘圆心，因此可根据3.1节中检测到的圆心滤除掉耐震液的直线，剩余直线中最长的一条即为指针(图6中的实线)。

从图6中可以看出，采用本文提出的改进的Hough变换的方法可准确快速的确定直线指针的位置，避免耐震液直线的干扰。

4 指针式仪表示值的判读方法

仪表量程范围是-0.1～0.9MPa，总量程是1MPa，因此只需计算出指针与起始刻度的夹角即可得到断路器压力表的读数。

图6 检测到的指针及耐震液直线

图7 仪表读数计算示意图

为了得到指针与起始刻度的夹角，首先将仪表盘分成一、二、三和四共四个象限(如图7所示)，根据指针两个端点中部所属象限以及指针的斜率可计算出指针与起始刻度的夹角θ，继而可得到断路器压力表的读数。最终可得到θ=16.74°，压力表的读数为-0.038MPa，算法识别的读数与实际接近，本文提出的指针式仪表识别算法是正确的。

5 结语

本文提出了一种基于图像处理的断路器压力表识别算法，算法共分为三个部分：

(1)采用预处理手段对采集到的图像进行处理，以改善原始图像的质量，获得比较容易提取图像特征的图像。

(2)提出一种改进的Hough变换方法，确定指针的位置。首先运用Hough变换检测出仪表的圆心，然

后再次运用Hough变换检测出仪表中的所有直线，进而选出经过圆心的最长直线，从而避免了耐震液直线对结果的干扰。

(3)直线指针的定位。将仪表分成四个象限，根据指针两个端点中部所属象限以及指针的斜率计算出指针与起始刻度的夹角，继而可得到断路器压力表的读数。

结果表明本文提出的改进的Hough变换方法可快速确定指针位置，算法识别的仪表读数与实际示数较接近，本文提出的断路器压力表识别算法是有效的。

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