SF6短指針儀表讀數(shù)識別技術(shù)的研究

曾令誠，李新海，林悅德，周恒，林蔚，溫云龍

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東 中山 528400)

1 引言

基于SF6氣體對于電力設(shè)備具有優(yōu)異的絕緣效果，變電站中充氣開關(guān)設(shè)備的氣體主要采用SF6氣體。在變電站中SF6氣體的泄露將會造成重大電力事故，嚴(yán)重影響人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

目前對于充氣開關(guān)中SF6氣體的主要監(jiān)測手段是安裝監(jiān)測儀表。SF6氣體監(jiān)測的儀器表可分為密度監(jiān)測儀表、壓力監(jiān)測儀表和密度與壓力一體監(jiān)測儀表。變電站中的電氣設(shè)備一般為大型設(shè)備，主要采用壓力和密度一體的SF6監(jiān)測儀表。該類儀表的特點(diǎn)是儀表刻度呈圓環(huán)形狀、指針不與表盤中心心相連接、指針短。根據(jù)對文獻(xiàn)[2-9]的研究，一般的圖像處理和識別方法并不能準(zhǔn)確識別該類儀表的指針位置和刻度信息。

本文針對SF6監(jiān)測儀表的特點(diǎn)，提出一種通過圖像處理方法和邊緣監(jiān)測實(shí)現(xiàn)了對SF6充氣設(shè)備壓力儀表指針讀書的識別。

本文實(shí)現(xiàn)SF6儀表指針讀數(shù)識別步驟：首先，對SF6壓力儀表圖像進(jìn)行圓形表盤檢測，并裁剪保留儀表表盤區(qū)域；然后使用高斯濾波、自適應(yīng)閾值和輪廓查找對儀表圖像進(jìn)行處理，提取出儀表指針特征信息；最后，使用直線檢測方法確定儀表指針位置，通過計(jì)算指針線角度，得到當(dāng)前指針式儀表讀數(shù)。SF6儀表指針讀數(shù)識別流程，如圖1所示。

圖1 SF6儀表指針讀數(shù)識別流程

2 SF6儀表表盤裁剪

本文采用均值遷移方法對SF6儀表圖像進(jìn)行處理，使得圖像色彩更加平滑；然后對圖像進(jìn)行灰度化處理，使得圖像細(xì)節(jié)更加明顯；最后使用霍夫圓環(huán)變換對圖形進(jìn)行處理，檢測圓盤位置并進(jìn)行裁剪，保留SF6儀表表盤。處理流程如圖2所示。

圖2 SF6儀表表盤裁剪流程

2.1 SF6儀表圖像均值遷移處理

均值遷移處理的作用是對圖像色彩的平滑濾波，中和相近顏色的色彩分布，對色彩細(xì)節(jié)進(jìn)行平滑處理，使得面積較小的顏色區(qū)域被侵蝕掉，達(dá)到平滑效果。

均值遷移作為聚類算法的一種，通過在給定樣本中的選取其中一個(gè)樣本為中心，并以該中心點(diǎn)為圓心，r為半徑的圓形區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域；計(jì)算該圓形區(qū)域內(nèi)所有樣本點(diǎn)向量的平均值，得到該圓形區(qū)域的偏移均值；將中心點(diǎn)移動到該偏移值位置，迭代執(zhí)行計(jì)算，直至收斂。均值遷移計(jì)算過程原理，如圖3所示。

圖3 均值遷移計(jì)算原理圖

SF6壓力儀表圖像經(jīng)過均值遷移處理后，圖像信息更加平滑，儀器表邊緣更加清晰。SF6儀表圖像經(jīng)過均值遷移處理后的效果，如圖4所示。

圖4 SF6儀表均值遷移效果圖

2.2 SF6儀表圖像灰度化處理

彩色圖像為三通道圖像，在做濾波處理時(shí)計(jì)算量十分巨大，為了減少計(jì)算量將圖像轉(zhuǎn)為單通道圖像再進(jìn)行處理。而二值圖像雖然為單通道圖像，但表示圖像的信息又過于簡單，僅為黑白兩種顏色，不利于圖像特征提取?；叶葓D像在簡單化圖像的同時(shí)，保留了更多和更豐富的圖像細(xì)節(jié)信息[1]。

在RGB顏色模型中，圖像灰度化處理就是R=B=G，即表示彩色表示為灰度顏色。圖像的灰度值表示為R=B=G，該值的取值范圍為0～255。

圖像灰度值確定方法有最大值法、平均值法、分量法和加權(quán)平均法。本文采用加權(quán)平均法對SF6儀表圖像進(jìn)行灰度化處理。將彩色圖像的RBG三個(gè)分量以不同的權(quán)值進(jìn)行加權(quán)平均。由于人眼對綠色的敏感最高，對藍(lán)色敏感最低，因此各分量的權(quán)重如公式(1)所示。

Gray(i,j)=0.299*R(i,j)+0.578*G(i,j)+0.114*B(i,j)

(1)

使用加權(quán)平均灰度法對SF6儀表圖像進(jìn)行灰度化處理的效果，如圖5所示。

圖5 SF6儀表灰度化效果圖

2.3 SF6儀表圖像霍夫圓環(huán)變換與裁剪

為了減少采集圖像中其他圖像信息對SF6儀表指針特征提取的影響，本文采用霍夫圓環(huán)變換方法對采集圖像進(jìn)行儀表表盤檢測，并進(jìn)行裁剪，保留儀表盤圖像。

霍夫變換就是把笛卡爾坐標(biāo)系映射到霍夫坐標(biāo)系的過程。在笛卡爾坐標(biāo)系中，圓周上的三個(gè)點(diǎn)確定一個(gè)圓，經(jīng)過霍夫變換后，在霍夫三維空間坐標(biāo)系中，圓周上的三個(gè)點(diǎn)對對應(yīng)于三個(gè)圓，三個(gè)圓相交于一個(gè)點(diǎn)，該點(diǎn)即對應(yīng)于x-y坐標(biāo)平面的一個(gè)圓周。依次類推，可得到霍夫坐標(biāo)系中一系列點(diǎn)集合，再對點(diǎn)集合進(jìn)行投票，得票最高的點(diǎn)確定為最終x-y坐標(biāo)平面的圓周?；舴驁A環(huán)變換的原理，如圖6所示。

圖6 霍夫圓環(huán)檢測原理

基于霍夫圓環(huán)檢測原理和OpenCV的霍夫梯度下降方法，本文對SF6儀表的霍夫圓環(huán)檢測效果，如圖7(a)所示。

圖7 SF6表盤圓環(huán)檢測與裁剪

創(chuàng)建一張與待切割圖像大小一樣的單通道掩模圖像，圖像中各像素值均為255，并在該掩模圖像上繪制檢測到儀表實(shí)心圓形，像素值為0。通過按位邏輯或運(yùn)算，使得原圖與掩模圖像中0對應(yīng)的位置保留下來，與掩模圖像中255對應(yīng)的位置設(shè)置為0，裁剪結(jié)果如圖7(b)所示。

3 SF6儀表指針特征提取

SF6儀表指針特征提取流流程，首先對裁剪后的SF6儀表圖像進(jìn)行高斯濾波處理，平滑圖像信息；然后，對圖像進(jìn)行自適應(yīng)閾值處理，得到二值圖像；再對SF6二值圖像進(jìn)行輪廓查找，并在原圖中劃出查找到的圖像輪廓信息；最后通過面積篩選和邏輯或運(yùn)算，生成指針Mask圖像，最終獲得指針特征信息。流程圖如圖8所示。

圖8 SF6儀表指針特征提取流程

3.1 SF6儀表圖像高斯濾波處理

圖像高斯濾波實(shí)現(xiàn)了圖像噪聲的過濾，使得圖像更加平滑，圖像特征信息邊緣信息保留得更好。

高斯濾波的基本原理是通過設(shè)置卷積核的大小對圖像進(jìn)行高斯卷積。對應(yīng)圖像上的一個(gè)像素點(diǎn)，利用高斯卷積核將該點(diǎn)鄰域內(nèi)的像素點(diǎn)按不同的權(quán)重計(jì)算其和。高斯濾波的卷積運(yùn)算，如圖9所示[10-12]。

圖9 高斯濾波原理

根據(jù)高斯濾波的原理，本文設(shè)置高斯濾波卷積核大小為5×5，對SF6儀表圖像進(jìn)行濾波處理達(dá)到最佳效果，如圖10所示。

圖10 SF6儀表圖像高斯濾波處理效果

3.2 SF6儀表圖像自適應(yīng)閾值處理

由于SF6儀表圖像色彩的不均衡，對于指針圖像特征的提取增加了不必要的干擾，使得指針特征不明顯。

自適應(yīng)閾值處理方法通過計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)鄰域的加權(quán)平均值獲得閾值，并使用該閾值對當(dāng)前的像素點(diǎn)進(jìn)行處理，相比于普通的閾值處理方式，能更好地處理明暗差異較大的圖像。

經(jīng)過自適應(yīng)閾值處理后的SF6儀表圖像，指針特征清晰可見，并且十分明顯，如圖11所示。

圖11 SF6儀表圖像自適應(yīng)閾值處理

3.3 SF6儀表圖像特征輪廓查找

圖像的輪廓是圖像信息中一個(gè)十分重要的特征信息，通過對圖像特征輪廓的操作，可以獲取圖像特征的大小、位置和方向等信息。

本文使用OpenCV的輪廓查找方法，對SF6進(jìn)過自適應(yīng)閾值處理后的圖像進(jìn)行輪廓查找操作，并把查找到的輪廓信息繪制到原圖中，如圖12所示。

圖12 SF6儀表圖像特征輪廓查找

3.4 SF6儀表指針的Mask提取

本文對3.3中查找到的輪廓信息進(jìn)行逐一面積計(jì)算，通過面積篩查迭代提取符合指針特征的圖像輪廓信息，并繪制到Mask圖像中，如圖13所示。

圖13 SF6儀表指針特征提取

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用Hough直線檢測方法對SF6壓力儀表指針特征Mask圖像進(jìn)行處理，獲得指針坐標(biāo)信息，并在SF6壓力儀表原圖上繪制直線。根據(jù)指針直線計(jì)算獲得該直線相對于垂直線的角度θ。

通過結(jié)合具體的儀表模板，利用角度和指針的線性關(guān)系計(jì)算出指針刻度。以表盤的圓心為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系。首先將坐標(biāo)系由(x,y)下的直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為(v,u)下的坐標(biāo)系，使得坐標(biāo)系的原點(diǎn)在(m,n)處，而此點(diǎn)即為所選取的“圓心”點(diǎn)，而Fx則表示為表盤指針?biāo)诘闹本€，如圖14所示。

圖14 SF6儀表指針角度計(jì)算

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提的方法對于非直線連接圓心短指針的SF6壓力儀表指針讀數(shù)識別是有效和可行的。

5 結(jié)語

本文基于圖像處理的技術(shù)，對SF6儀表圖像均值遷移、圖像灰度化、霍夫圓環(huán)變換處理，裁剪SF6儀表表盤；然后，使用高斯濾波、自適應(yīng)閾值和輪廓查找對儀表圖像進(jìn)行處理，提取出儀表指針特征信息；最后，利用坐標(biāo)變換和夾角信息計(jì)算得到SF6壓力儀表指針讀數(shù)。

通過實(shí)驗(yàn)測試可知，該方法能夠解決非直線連接圓心短指針的SF6壓力儀表指針讀數(shù)識別，識別精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、適合不同形狀的儀表表盤刻度與角度成線性關(guān)系的表盤指針?biāo)割伾珔^(qū)域的識別，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。