，，，，

(1.福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 泉州 362000；2.國(guó)網(wǎng)泉州供電公司，福建 泉州 362000；3.泉州農(nóng)電服務(wù)有限公司，福建 泉州 362000)

1 引言

指針式儀表構(gòu)造簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、維護(hù)方便、可靠性高、防腐蝕性和抗電磁場(chǎng)干擾能力強(qiáng)，基于以上優(yōu)點(diǎn)，變電站的斷路器大多數(shù)采用指針式儀表監(jiān)控其壓力值。目前，運(yùn)行維護(hù)人員在進(jìn)行維護(hù)巡視時(shí)，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(shù)據(jù)一條條手工輸入到電腦。這種傳統(tǒng)的方法不僅效率低，同時(shí)容易受人的主觀因素影響導(dǎo)致所得到的斷路器示值結(jié)果不準(zhǔn)確。近年來(lái)，隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，指針式儀表的識(shí)別也獲得了巨大的進(jìn)步[1-2]。

目前指針式儀表識(shí)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(gòu)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(shí)有較高的識(shí)別精度，但當(dāng)儀表型號(hào)變化時(shí)需重新構(gòu)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(shí)別方法，其基本原理是將原始圖像中不同像素點(diǎn)構(gòu)成的線轉(zhuǎn)換為參數(shù)中間中的一個(gè)點(diǎn)，從而把線的檢測(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)換為參數(shù)空間峰值的尋找問(wèn)題。但該方法在處理較粗的指針(指針頂部細(xì)，底部粗)時(shí)，由于光照不均或其他因素的干擾，可能會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)到的直線不經(jīng)過(guò)指針軸心的情況，此時(shí)檢測(cè)到的直線與實(shí)際指針中心線存在一定的偏差，影響了算法的識(shí)別精度[9]。

2 圖像預(yù)處理

受儀表周?chē)h(huán)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(dǎo)致圖像識(shí)別效率低下、識(shí)別精度低甚至讀數(shù)錯(cuò)誤，因此必須首先對(duì)采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理，以改善圖像的質(zhì)量。圖1為實(shí)際運(yùn)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(tài)濾波

同態(tài)濾波是一種在頻域中對(duì)圖像進(jìn)行處理的方法，其作用是增強(qiáng)圖像對(duì)比度和壓縮圖像亮度范圍，從而解決圖像上光照不均的問(wèn)題[10]。

同態(tài)濾波的基本原理是：將圖像表示成照度函數(shù)和反射函數(shù)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(dá)到濾除光照的目的，同態(tài)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(duì)數(shù)運(yùn)算，DFT表示傅里葉變換，H(u，v)表示頻域?yàn)V波過(guò)程，(DFT)-1表示傅里葉逆變換，exp表示指數(shù)運(yùn)算，g(x,y)為同態(tài)濾波的結(jié)果。

首先對(duì)原圖像f(x,y)取對(duì)數(shù)，使圖像的乘法運(yùn)算轉(zhuǎn)換為更為簡(jiǎn)單的加法運(yùn)算，再對(duì)對(duì)數(shù)函數(shù)兩邊作傅里葉變換，將圖像轉(zhuǎn)換到頻域；選擇適當(dāng)?shù)臑V波器對(duì)頻域進(jìn)行處理之后進(jìn)行傅里葉逆變換和指數(shù)運(yùn)算，即可得到同態(tài)濾波的結(jié)果，如圖3所示。

圖3 同態(tài)濾波處理后圖像

本文中，濾波器H(u，v)的計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：D(u，v)是點(diǎn)(u，v)距頻率矩形中心(M/2，N/2)的距離；d0是截?cái)囝l率，本文d0取10；c用來(lái)控制同態(tài)濾波器的銳化，本文設(shè)置為2；參數(shù)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(xì)化

為了進(jìn)一步，必須對(duì)同態(tài)濾波后的圖像進(jìn)行第一步處理，本文對(duì)圖像進(jìn)行二值化之后進(jìn)行細(xì)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(shí)別的關(guān)鍵在于直線指針位置的確定，傳統(tǒng)的Hough變換方法檢測(cè)到的直線可能會(huì)與實(shí)際指針中心線存在一定的偏差或者檢測(cè)到非指針，為此本文提出一種改進(jìn)的Hough變換方法。

3.1 圓心的確定

儀表盤(pán)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(shí)出現(xiàn)檢測(cè)到的直線不經(jīng)過(guò)指針軸心或者檢測(cè)到非指針的情況，可先找出儀表盤(pán)的圓心，然后濾除到不經(jīng)過(guò)圓心的直線。圓可通過(guò)Hough變換檢測(cè)得到。圖5中，“+”號(hào)為檢測(cè)到的圓心，儀表盤(pán)邊緣的紅色線為檢測(cè)到的圓。

圖4 細(xì)化后圖像

圖5 檢測(cè)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(zhǎng)，但由于耐震液的直線不經(jīng)過(guò)儀表盤(pán)圓心，因此可根據(jù)3.1節(jié)中檢測(cè)到的圓心濾除掉耐震液的直線，剩余直線中最長(zhǎng)的一條即為指針(圖6中的實(shí)線)。

從圖6中可以看出，采用本文提出的改進(jìn)的Hough變換的方法可準(zhǔn)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(jì)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(shù)。

圖6 檢測(cè)到的指針及耐震液直線

圖7 儀表讀數(shù)計(jì)算示意圖

為了得到指針與起始刻度的夾角，首先將儀表盤(pán)分成一、二、三和四共四個(gè)象限(如圖7所示)，根據(jù)指針兩個(gè)端點(diǎn)中部所屬象限以及指針的斜率可計(jì)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(shù)。最終可得到θ=16.74°，壓力表的讀數(shù)為-0.038MPa，算法識(shí)別的讀數(shù)與實(shí)際接近，本文提出的指針式儀表識(shí)別算法是正確的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于圖像處理的斷路器壓力表識(shí)別算法，算法共分為三個(gè)部分：

(1)采用預(yù)處理手段對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理，以改善原始圖像的質(zhì)量，獲得比較容易提取圖像特征的圖像。

(2)提出一種改進(jìn)的Hough變換方法，確定指針的位置。首先運(yùn)用Hough變換檢測(cè)出儀表的圓心，然

后再次運(yùn)用Hough變換檢測(cè)出儀表中的所有直線，進(jìn)而選出經(jīng)過(guò)圓心的最長(zhǎng)直線，從而避免了耐震液直線對(duì)結(jié)果的干擾。

(3)直線指針的定位。將儀表分成四個(gè)象限，根據(jù)指針兩個(gè)端點(diǎn)中部所屬象限以及指針的斜率計(jì)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(shù)。

結(jié)果表明本文提出的改進(jìn)的Hough變換方法可快速確定指針位置，算法識(shí)別的儀表讀數(shù)與實(shí)際示數(shù)較接近，本文提出的斷路器壓力表識(shí)別算法是有效的。

[1] 晁陽(yáng).基于特征識(shí)別的指針式儀表自動(dòng)識(shí)別研究[D].山東大學(xué),2008.

[2] 陳昕然.基于機(jī)器視覺(jué)的電力儀表自動(dòng)檢定系統(tǒng)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2015.

[3] 李治瑋，郭戈.一種新型指針儀表識(shí)別方法研究[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,31:113-114.

[4] 趙菁.基于圖像處理的指針式儀表識(shí)別設(shè)計(jì)[D].西安電子科技大學(xué),2011.

[5] 房樺，明志強(qiáng)，周云峰，等.一種適用于變電站巡檢機(jī)器人的儀表識(shí)別算法[J].自動(dòng)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(fēng)順，范杰清，等.基于圖像處理技術(shù)的表盤(pán)指針角度識(shí)別研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(16):73-79.

[8] 何智杰,張彬,金連文.高精度指針儀表自動(dòng)讀數(shù)識(shí)別方法[J].計(jì)算機(jī)輔助工程,2006,3:9-12.

[9] 宋偉,張文杰,張家齊,等.基于指針區(qū)域特征的儀表讀數(shù)識(shí)別算法[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2014,S2:50-58.

[10] 范春年.人臉識(shí)別中光照處理算法研究[D].南京大學(xué),2011.