基于顏色模版匹配的繼電保護(hù)壓板投退狀態(tài)識(shí)別設(shè)計(jì)

呂家偉 劉瑞榮

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局，廣東江門529000）

0 引言

繼電保護(hù)壓板投退狀態(tài)的準(zhǔn)確性，是電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。然而，目前電網(wǎng)公司保護(hù)壓板數(shù)量大、類型多，人工檢測(cè)壓板狀態(tài)容易由于視覺疲勞而導(dǎo)致壓板操作錯(cuò)誤[1]，且工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)。為此，近幾年，眾多學(xué)者對(duì)保護(hù)壓板投退狀態(tài)的可靠檢測(cè)、快速識(shí)別進(jìn)行了大量研究，包括規(guī)范操作流程[2]、巧用顏色標(biāo)識(shí)[3]、基于圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)[4]等。其中基于圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)由于具有識(shí)別快速、結(jié)果可靠、使用方便等優(yōu)勢(shì)而得到眾多學(xué)者的重視。

然而，目前在應(yīng)用基于圖像識(shí)別的壓板狀態(tài)檢測(cè)過程中還存在不少問題，如拍照角度、距離，光線強(qiáng)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(shí)別效果，繼電保護(hù)屏的種類較多也增加了算法實(shí)現(xiàn)難度。

針對(duì)以上問題，本文提出一種通用識(shí)別方法，該方法充分利用現(xiàn)有保護(hù)屏中顏色標(biāo)識(shí)，采用模版匹配技術(shù)，避免了不同種類的保護(hù)屏需要設(shè)計(jì)不同算法的缺陷[5]，也降低了使用難度，具有較高的實(shí)用性。同時(shí)，該方法利用圖像透視技術(shù)解決了拍照角度、距離對(duì)識(shí)別結(jié)果的影響，使得該方法可應(yīng)用于手持終端或移動(dòng)端（手機(jī)），極大地方便了運(yùn)行人員的使用。最后，為避免光照強(qiáng)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(shí)別的可靠性。

1 顏色模版匹配識(shí)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(gè)部分，分別為圖像預(yù)處理、模版采集和識(shí)別。

各部分主要功能如下：

（1）圖像預(yù)處理部分主要利用保護(hù)屏邊框（繼電保護(hù)屏四周以紅色矩形邊框作為標(biāo)識(shí)，如果沒有，可人工標(biāo)識(shí)）完成拍照?qǐng)D片的校正與提取。

（2）模版采集部分根據(jù)圖像預(yù)處理后提取的壓板圖片，通過人工擦除不相關(guān)像素，突出模版投退狀態(tài)特征的關(guān)鍵像素，并設(shè)置識(shí)別需要的關(guān)鍵位置點(diǎn)、參數(shù)等信息。

（3）識(shí)別部分利用圖像預(yù)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(jìn)行匹配，從而判斷壓板狀態(tài)，輸出識(shí)別結(jié)果。

2 保護(hù)壓板狀態(tài)識(shí)別關(guān)鍵策略

要完成基于顏色模版匹配的保護(hù)壓板投退狀態(tài)準(zhǔn)確識(shí)別，關(guān)鍵是正確提取壓板，合理確定模版與識(shí)別算法，解決因拍照角度、距離，光線強(qiáng)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(guān)鍵策略：

2.1 顏色歸一化與邊框提取

文獻(xiàn)[6]采用聚類方法實(shí)現(xiàn)顏色分類與圖形分割，在不同光照下獲得了較好的結(jié)果。然而，在本文研究過程中發(fā)現(xiàn)，同一圖片經(jīng)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(xiàn)出非常大的差異，這將使得直接利用RGB值作為聚類中心會(huì)導(dǎo)致分類錯(cuò)誤。但是，本文通過多組數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)不同光照下，同一顏色表現(xiàn)出RGB值具有同時(shí)增大或同時(shí)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(shí)別清晰，且干擾少。

2.2 直線聚類策略

邊框提取后，為進(jìn)一步去除實(shí)際應(yīng)用中可能存在的干擾，可采用腐蝕功能消除較細(xì)的線條或面積較小的噪聲點(diǎn)。腐蝕后可采用細(xì)化方案，以減小有效像素點(diǎn)，提高直線提取速度。本文采取腐蝕、細(xì)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(yuǎn)多于實(shí)際需要的直線段，因此需要對(duì)提取的直線段做進(jìn)一步判斷，如去除或連接，才能準(zhǔn)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(jìn)行初始分類。

公式（1）描述一條直線，直線上的點(diǎn)坐標(biāo)為（x，y），其余為參數(shù)。

（2）計(jì)算以線段長(zhǎng)度為權(quán)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(zhǎng)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(dòng)，則返回步驟（2）重新聚類，直到分類結(jié)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(jì)算平均值ρˉ、θˉ以及標(biāo)準(zhǔn)差σρ、σθ，去掉所有的直線段。

（5）重復(fù)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(rèn)為是垂直線，＜45°的直線認(rèn)為是水平線，并依據(jù)預(yù)先給定的水平線數(shù)量n選取聚類中的最長(zhǎng)n條作為水平線目標(biāo)直線，同時(shí)選擇聚類中最長(zhǎng)的兩條垂直線作為垂直線目標(biāo)直線。

（8）將垂直線段中端點(diǎn)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(diǎn)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(jù)以上步驟，邊框直線識(shí)別效果如圖1所示。在此基礎(chǔ)上，通過計(jì)算四條邊線的四個(gè)交點(diǎn)（圖1），可利用opencv中warpPerspective函數(shù)將原圖校正為圖2所示標(biāo)準(zhǔn)圖片。

圖1 直線識(shí)別結(jié)果

圖2 保護(hù)壓板校正圖

2.3 顏色模版采集策略

從圖2可知，每一個(gè)壓板位置基本可確定，因此可通過模版匹配方法在相鄰區(qū)域進(jìn)行滑窗匹配，找出最相關(guān)的模版，其狀態(tài)就和此模版一致。然而，模版匹配在保護(hù)壓板上應(yīng)用存在兩個(gè)問題：（1）模版匹配方法耗時(shí)過長(zhǎng)，需要改進(jìn)，以滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用要求；（2）保護(hù)壓板種類多，部分壓板并不像圖2所示投退狀態(tài)壓板之間基本一致，事實(shí)上，大量壓板投退狀態(tài)旋轉(zhuǎn)角度不定，如圖3所示，這為模版匹配應(yīng)用增加了難度。

圖3 繼電保護(hù)屏原圖

依據(jù)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(jí)模版

圖5 圖3所示壓板一、二級(jí)模版

根據(jù)某電網(wǎng)公司實(shí)地考察，所有繼電保護(hù)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(hù)屏。

3 應(yīng)用效果

采用本文所述的顏色模版匹配方法對(duì)某電網(wǎng)公司5種不同的繼電保護(hù)屏進(jìn)行識(shí)別測(cè)試，從識(shí)別效果看，完全能夠滿足應(yīng)用需要。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文依據(jù)繼電保護(hù)屏四周紅色矩形框，采用透視技術(shù)，解決了因手持端或手機(jī)拍照角度、距離等對(duì)圖像識(shí)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(shí)別可靠性，采用兩級(jí)模版匹配策略，解決了多種類繼電保護(hù)屏的算法通用性問題。最后，實(shí)際應(yīng)用表明，該方案具有使用簡(jiǎn)單、識(shí)別準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效減少運(yùn)行人員的核對(duì)工作量。