智能變電站中指針式儀表圖像自動識別方法

王 欣 孫 鵬

（沈陽工業(yè)大學(xué)，沈陽 110870）

智能變電站中指針式儀表圖像自動識別方法

王 欣 孫 鵬

（沈陽工業(yè)大學(xué)，沈陽 110870）

針對智能變電站中的指針式儀表的自動識別，本文提出了一種新的基于傳統(tǒng)角度法和距離法的更精確的識別方法，既保證了距離法的精度，又將距離法中的參數(shù)換成了角度，提高了自動讀數(shù)的精度。本文首先對圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括利用中值濾波的方法對圖像進(jìn)行去噪聲，濾波；然后利用投影法對圖像進(jìn)行傾斜檢測和校正；符合要求的圖像進(jìn)一步利用差影法提取出指針信息，利用表盤指針的角度關(guān)系得到指針讀數(shù)，并對結(jié)果進(jìn)行了誤差分析。實驗結(jié)果表明：該方法對指針式儀表讀數(shù)的識別十分有效，且具有較高的精度和實用性。

指針式儀表；智能變電站；示數(shù)識別；角度法

指針式儀表具有結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)、使用方便，可靠性高，價格便宜，防水、防凍、防塵等優(yōu)點，所以被廣泛應(yīng)用電力行業(yè)、化工行業(yè)。電力系統(tǒng)的變電站有許多設(shè)備配置了指針儀表，如氣壓表、溫度表、油溫表、油壓表、避雷器表等。目前記錄此類雙指針儀表數(shù)據(jù)主要靠人眼近距離觀測，精度低，可靠性差，勞動強度大；并且變電站中的指針式儀表一般都沒有數(shù)據(jù)線接口功能，當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行一些特殊任務(wù)時，如繼電保護(hù)時需要監(jiān)控電流表、電壓表、溫度計的示數(shù)不能實時的反映到計算機中，難以進(jìn)行實時的監(jiān)控、記錄和分析，不能在設(shè)備出現(xiàn)故障或存在安全隱患的情況下立即報警。而且每天都需要由人工記錄大量的數(shù)據(jù)，容易引起視覺疲勞。手工操作不僅精度、效率低，可靠性、重復(fù)性差，而且勞動強度大，易受外界因素影響。另外220kV及其以下變電站相繼實現(xiàn)無人值守/值班改造。因此，針對傳統(tǒng)指針式儀表人工識別方法存在的不足，盡快研制出一種能夠快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的指針式儀表自動識別方法對于智能化變電站的發(fā)展具有重大意義［1-4］。

計算指針式儀表的讀數(shù)，最常見的方法有角度法和距離法。傳統(tǒng)的角度法，對夾角的測量誤差會對讀數(shù)帶來影響，使讀數(shù)誤差較大。并且只能應(yīng)用于均勻刻度的儀表讀數(shù)。傳統(tǒng)的距離法通過大量的計算兩條刻度線上像素點到待測指針直線的距離比來判斷指針讀數(shù)，但是由于距離法計算的是垂直距離而表盤是有一定弧度的，存在一定的誤差。針對實際中最為常見的指針式壓力儀表，本文提出了一種智能變電站指針式儀表圖像自動識別方法。以角度法和距離法為基礎(chǔ)，進(jìn)一步提高了自動判讀的精度。

1 圖像的預(yù)處理

指針式儀表的圖像由普通工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像頭獲取。本實驗采用噪聲低，價格便宜，安裝方便MV-500UC系列攝像頭對圖像進(jìn)行連續(xù)采集。在獲取過程中，由于受到光照、拍攝角度等影響，獲取的圖像往往包含大量的噪聲。沒有經(jīng)過任何處理的圖像，圖像中所包含的噪聲會使圖像模糊，甚至使圖像中的有用信息丟失。本文采用中值濾波的方法對圖像進(jìn)行去噪聲處理，改善圖像的質(zhì)量以提高指針式儀表自動識別精度。

1）圖像的傾斜檢測與校正

消除噪聲后的指針圖像會有一定角度的傾斜，傾斜的圖像會影響后期利用差影法對圖像指針進(jìn)行提取和指針讀數(shù)的識別，所以必須對圖像進(jìn)行傾斜校正使其符合識別要求。

2）常用的圖像傾斜角度檢測方法

目前，傾斜檢測的方法都是針對二值圖像和灰度圖像［5-7］。主要有:基于Hough變換的方法，基于Fourier變換的方法，基于交叉相關(guān)的方法，投影法等。

本文選用方法是基于投影的方法檢測圖像的傾斜角度。投影圖指的是沿著某一個特定方向，統(tǒng)計出圖像中黑像素點個數(shù)的圖。特定方向通常是指沿著水平或者垂直方向（行或列方向），所取得的投影稱為水平或者豎直投影。令 I（x，y）表示二值圖像矩陣，如式（1）所示，圖像大小為H*W（其中W為圖像矩陣行長，H為列長）。

按式（2）分別計算二值圖像水平方向的行投影和垂直方向的列投影，即

投影過程也就是將圖像從二維函數(shù)轉(zhuǎn)換成一維函數(shù)的過程。由于不傾斜的圖像水平投影具有最大的振幅和頻率，波峰的間距等于字符的高度，波谷的間距等于行間距等特征。因此，根據(jù)此原理，只要將傾斜的圖像在一定的步長范圍內(nèi)多次左右旋轉(zhuǎn)一定的角度，每次計算新圖像峰值的平均大小和峰值變化頻率，當(dāng)峰值大小和頻率的判別函數(shù)達(dá)到最大值時，該角度就是圖像的傾斜角度。

3）圖像的旋轉(zhuǎn)校正

在求出圖像的傾斜角度之后，就可以對圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)校正了。這個過程是通過旋轉(zhuǎn)圖像實現(xiàn)的。假設(shè)現(xiàn)在檢測到的圖像的傾斜角度是θ°，那么將圖像旋轉(zhuǎn)-θ°就實現(xiàn)了圖形的校正。旋轉(zhuǎn)校正之后圖像的大小會有一定的改變。由于圖像大小改變會丟失圖像的一部分信息，所以要按照新圖像的寬和高來擴大區(qū)域面積，使得表盤信息完整。校正前和校正后的圖像如圖1所示，旋轉(zhuǎn)角度為3°。

圖1 原圖和校正后的圖像

2 表盤指針的提取

校正好的圖像需要進(jìn)行指針提取。常用的指針提取的方法有:Hough變換法和差影法。由于所檢測的指針是一條直線，雖然Hough變換適用于直線的檢測，但是存在很多弊端。比如會把原本不在一條直線上的點誤判為在一條直線上；沒法確定直線段的起始點和終止點，所檢測出來的直線都是無限長的；由于其檢測的都是離散的點，需要更大的存儲空間，運算慢、實時性差等缺點。而差影法只需要把背景相同的兩幅圖像相減，位置重合而且灰度值相同的像素點將被變成黑點減掉，而灰度值不同的像素點將被變成白點保留，這樣就把所檢測的指針提取出來。因此差影法具有簡單、可靠、快速的特點。

差影法的原理:為了提取圖像中的變化部分，即通常所說的特征圖像h（x，y），把待檢測圖像f（x，y）和基準(zhǔn)圖像g（x，y）做相減運算即可［8］。可用數(shù)學(xué)公式（3）表示為

本文先采集一幅指針指向零刻度線的圖像，將其作為基準(zhǔn)圖像儲存。然后在保證采集環(huán)境及背景不變的基礎(chǔ)上，再采集一幅同一表盤另一刻度的指針圖像，將其作為待檢測圖像儲存。最后對兩幅進(jìn)行二值化處理，并按照上文所提到的投影法對兩幅圖進(jìn)行傾斜校正。

由于兩次采集外界環(huán)境相同，所以采集到的圖像除了指針位置的差異以外，其他的刻度線，刻度數(shù)字，表盤參數(shù)，表盤輪廓等參數(shù)完全相同。運用差影法可以減掉相同的點，同時較大的噪聲也被消除了，只留下指向不同刻度的兩個指針。提取的指針圖像如圖2所示。

圖2 差影法提取的指針圖像

3 改進(jìn)的角度法計算指針示值

改進(jìn)的角度法以角度法與距離法為基礎(chǔ)，既保證了距離法的精度，又將距離法中的參數(shù)換成角度參數(shù)，從而提高了自動讀數(shù)的精度。原理如下:

根據(jù)測量原理可知檢測到的兩條直線的交點為儀表圓心坐標(biāo)。通過該像素點和圓心的直線為基準(zhǔn)直線。通過基準(zhǔn)直線方程和待測直線方程之間的夾角可以得出儀表的讀數(shù)［9］。

設(shè)基準(zhǔn)直線所在的方程為

待測指針?biāo)谥本€的方程為

聯(lián)立兩個方程可以求出兩根指針的交點即圓心，如式（6）圓心坐標(biāo)記為（center_x，center_y）:

將（center_x，center_y）作為新的坐標(biāo)原點，則此時表盤指針?biāo)谥本€可用y=kx表示。設(shè)指針?biāo)谥本€左側(cè)最近的刻度線上的像素為:a1，a2，a3，…，an；指針?biāo)谥本€右側(cè)最近的刻度線上像素為:b1，b2，b3，…，bm。左右側(cè)刻度所在直線示意圖如圖3所示。

圖3 左右側(cè)刻度所在直線示意圖

分別用最小二乘法對它們和原點的坐標(biāo)進(jìn)行擬合，得出最優(yōu)的K值；再分別計算左側(cè)最近刻度線和待測指針直線的夾角為α，右側(cè)最近刻度線和待測指針直線夾角為β，由此可得出此時指針?biāo)甘局等缡剑?）所示，即

數(shù)據(jù)記錄與誤差分析:

分別用MV-500UC攝像頭采集幾種指針式儀表的指針處于不同示數(shù)位置下的表盤圖像（如圖4所示），然后對圖像進(jìn)行濾波去噪，傾斜校正等圖像處理和分析，最后利用改進(jìn)的角度法計算提取的指針?biāo)甘局?，從而計算出儀表的示數(shù)。

圖4 表盤圖像

記錄實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 角度法和改進(jìn)的角度法的儀表讀數(shù)

根據(jù)表1可以發(fā)現(xiàn)，相比較傳統(tǒng)的角度法，在對圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)校正之后，利用差影法提取指針的改進(jìn)的角度法精度更高，尤其在刻度比較稀疏的時候，改進(jìn)的角度法的精確度更高。由于選取的MV-500UC攝像頭自帶的圖像采集軟件可連續(xù)對圖像進(jìn)行采集，當(dāng)儀表指針頻繁擺動時，可以選取高速模式對指針進(jìn)行拍照；可以改變攝像頭的拍照頻率，定時對指針式儀表進(jìn)行拍照、連續(xù)拍照，實數(shù)識別的實時性效果好。由計算機識別出的讀數(shù)可以與其他非電子設(shè)備和現(xiàn)代電子設(shè)備的接口，有利于計算機對數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確的進(jìn)行記錄、分析。

由此可知運用此方法對智能變電站指針式儀表進(jìn)行識別的技術(shù)具有精度高，速度快，智能化操作等特點。擺脫了人眼讀數(shù)受檢測人員的操作經(jīng)驗，操作習(xí)慣和精神狀態(tài)等其他主觀客觀因素的影響，并且人工讀數(shù)勞動強度大，效率低，檢測誤差大，可靠性差。

4 結(jié)論

本文提出的指針式儀表自動識別可以實現(xiàn)電力系統(tǒng)中指針式儀表圖像的自動采集，分析，處理及讀數(shù)識別。識別出的示數(shù)也是其他非電子設(shè)備和現(xiàn)代電子設(shè)備的接口的輸入值，與當(dāng)前工業(yè)在線檢測、精密測量領(lǐng)域向自動化、智能化發(fā)展的新趨勢相一致，具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用價值。由于測量值都由計算機讀出，數(shù)據(jù)記錄和處理也主要靠計算機，檢定效率高，強度小，檢定精度不受人和外界因素的影響。有利于未來智能變電站的全自動化發(fā)展。

［1］苑瑋琦，邵蕊.指針式儀表識別方法的研究［J］.微計算機信息，2009，25（34）：26-28.

［2］鄒俊貴，陳以.常用指針式儀表識別技術(shù)研究綜述［J］.儀器儀表與分析監(jiān)測，2009（1）：1-3，6.

［3］江澤濤，王軾，李克偉.一種指針式儀表非接觸測量方法［J］.計算機應(yīng)用與軟件，2009，26（4）：281-283.

［4］王成福.電廠指針式儀表的自動識別［J］.東北電力技術(shù)，2008（10）：26-28，31.

［5］Steinherz T，Intrator N，Rivlin E.Skew detection via principal components analysis［C］//Proceeding of I CDAR 99，1999：153-156.

［6］Chen Ming，Di Ngxiaoqing.A robust skew detection algorithm for gray scale document i mageimage［C］// Proceedings of ICDAR99，1999：617-620.

［7］Okun O.Severe document skew detection［C］//SPIE Conference on Mathematical Modeling and Estimation Techniques in Computer Vision，1998：263-274.

［8］Alsayegh OA.Force maximizing：a tool for image understanding Signal Processing［J］.6th International Conference on，2002，1（1）：676-679.

［9］董保同.基于嵌入式 Linux非線性指針式儀表識別系統(tǒng)的研究［D］.廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2006.

［10］Alegria F C，Serra A C.Automatic calibration of analog and digital measuring instruments using computer vision［J］.IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement，2000，49（1）：94-99.

［11］Han Jiale，Li En，Tao Bingjie.Reading recognition method of analog measuring instruments based on improved Hough transform［J］.International Conference on Electronic Measurement &Instrument（CMCE），vol.3，pp.337-340，2011.

［12］Yue Xiaofeng，Zhang Min，Zhou Xiaodong.et al.The Research on Auto- recognition Method for Analogy Measuring Instruments ［J］.International Conference on Computer，Mechanics，Control and Electronic Engineering（CMCE），pp.207-210，2010.

［13］Li Yangwen，Zhang Hongwei，Gong Jinfeng.Detection System of Meter Pointer Based on Computer Vision ［J］.International Conference on Electronic & Mechanical Engineering and Information Technology，2011：908-911.

［14］崔行臣，段會川.指針式儀表讀數(shù)識別系統(tǒng)研究［J］.信息技術(shù)與信息化，2009（5）：63-65.

Automatic Identification Method of the Pointer Instrument in Intelligent Substation

Wang Xin Sun Peng
（Shenyang University of Technology，Shenyang 110870）

In view of the pointer instrument of automatic identification in the smart substation，this paper proposes a new method which is more accurate based on the traditional Angle and distance method，not only ensure the precision of distance method，changed the parameters of distance method to the traditional Angle method which enhances the precision of automatic reading.In this paper，the first step is the image preprocessing，including the use of median filtering method for image noise，filtering； Then using the projection method for skew detection and correction； Meets the requirements of image difference method is used to extract the further information of the pointer，the Angle of the dial pointer relations are used to get the pointer readings，the error analysis and the results are.The experimental results show that the method is very effective for identifying the pointer instrument readings，and has higher precision and practicability.

pointer instrument；intelligent substation；number recognition；angle method

王 欣（1989-），女，沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向指針式儀表的自動識別。