智能变电站中指针式仪表图像自动识别方法

王 欣 孙 鹏

（沈阳工业大学，沈阳 110870）

智能变电站中指针式仪表图像自动识别方法

王 欣 孙 鹏

（沈阳工业大学，沈阳 110870）

针对智能变电站中的指针式仪表的自动识别，本文提出了一种新的基于传统角度法和距离法的更精确的识别方法，既保证了距离法的精度，又将距离法中的参数换成了角度，提高了自动读数的精度。本文首先对图像进行预处理，包括利用中值滤波的方法对图像进行去噪声，滤波；然后利用投影法对图像进行倾斜检测和校正；符合要求的图像进一步利用差影法提取出指针信息，利用表盘指针的角度关系得到指针读数，并对结果进行了误差分析。实验结果表明：该方法对指针式仪表读数的识别十分有效，且具有较高的精度和实用性。

指针式仪表；智能变电站；示数识别；角度法

指针式仪表具有结构简单，维护、使用方便，可靠性高，价格便宜，防水、防冻、防尘等优点，所以被广泛应用电力行业、化工行业。电力系统的变电站有许多设备配置了指针仪表，如气压表、温度表、油温表、油压表、避雷器表等。目前记录此类双指针仪表数据主要靠人眼近距离观测，精度低，可靠性差，劳动强度大；并且变电站中的指针式仪表一般都没有数据线接口功能，当系统执行一些特殊任务时，如继电保护时需要监控电流表、电压表、温度计的示数不能实时的反映到计算机中，难以进行实时的监控、记录和分析，不能在设备出现故障或存在安全隐患的情况下立即报警。而且每天都需要由人工记录大量的数据，容易引起视觉疲劳。手工操作不仅精度、效率低，可靠性、重复性差，而且劳动强度大，易受外界因素影响。另外220kV及其以下变电站相继实现无人值守/值班改造。因此，针对传统指针式仪表人工识别方法存在的不足，尽快研制出一种能够快速、准确、稳定的指针式仪表自动识别方法对于智能化变电站的发展具有重大意义［1-4］。

计算指针式仪表的读数，最常见的方法有角度法和距离法。传统的角度法，对夹角的测量误差会对读数带来影响，使读数误差较大。并且只能应用于均匀刻度的仪表读数。传统的距离法通过大量的计算两条刻度线上像素点到待测指针直线的距离比来判断指针读数，但是由于距离法计算的是垂直距离而表盘是有一定弧度的，存在一定的误差。针对实际中最为常见的指针式压力仪表，本文提出了一种智能变电站指针式仪表图像自动识别方法。以角度法和距离法为基础，进一步提高了自动判读的精度。

1 图像的预处理

指针式仪表的图像由普通工业数字摄像头获取。本实验采用噪声低，价格便宜，安装方便MV-500UC系列摄像头对图像进行连续采集。在获取过程中，由于受到光照、拍摄角度等影响，获取的图像往往包含大量的噪声。没有经过任何处理的图像，图像中所包含的噪声会使图像模糊，甚至使图像中的有用信息丢失。本文采用中值滤波的方法对图像进行去噪声处理，改善图像的质量以提高指针式仪表自动识别精度。

1）图像的倾斜检测与校正

消除噪声后的指针图像会有一定角度的倾斜，倾斜的图像会影响后期利用差影法对图像指针进行提取和指针读数的识别，所以必须对图像进行倾斜校正使其符合识别要求。

2）常用的图像倾斜角度检测方法

目前，倾斜检测的方法都是针对二值图像和灰度图像［5-7］。主要有:基于Hough变换的方法，基于Fourier变换的方法，基于交叉相关的方法，投影法等。

本文选用方法是基于投影的方法检测图像的倾斜角度。投影图指的是沿着某一个特定方向，统计出图像中黑像素点个数的图。特定方向通常是指沿着水平或者垂直方向（行或列方向），所取得的投影称为水平或者竖直投影。令 I（x，y）表示二值图像矩阵，如式（1）所示，图像大小为H*W（其中W为图像矩阵行长，H为列长）。

按式（2）分别计算二值图像水平方向的行投影和垂直方向的列投影，即

投影过程也就是将图像从二维函数转换成一维函数的过程。由于不倾斜的图像水平投影具有最大的振幅和频率，波峰的间距等于字符的高度，波谷的间距等于行间距等特征。因此，根据此原理，只要将倾斜的图像在一定的步长范围内多次左右旋转一定的角度，每次计算新图像峰值的平均大小和峰值变化频率，当峰值大小和频率的判别函数达到最大值时，该角度就是图像的倾斜角度。

3）图像的旋转校正

在求出图像的倾斜角度之后，就可以对图像进行旋转校正了。这个过程是通过旋转图像实现的。假设现在检测到的图像的倾斜角度是θ°，那么将图像旋转-θ°就实现了图形的校正。旋转校正之后图像的大小会有一定的改变。由于图像大小改变会丢失图像的一部分信息，所以要按照新图像的宽和高来扩大区域面积，使得表盘信息完整。校正前和校正后的图像如图1所示，旋转角度为3°。

图1 原图和校正后的图像

2 表盘指针的提取

校正好的图像需要进行指针提取。常用的指针提取的方法有:Hough变换法和差影法。由于所检测的指针是一条直线，虽然Hough变换适用于直线的检测，但是存在很多弊端。比如会把原本不在一条直线上的点误判为在一条直线上；没法确定直线段的起始点和终止点，所检测出来的直线都是无限长的；由于其检测的都是离散的点，需要更大的存储空间，运算慢、实时性差等缺点。而差影法只需要把背景相同的两幅图像相减，位置重合而且灰度值相同的像素点将被变成黑点减掉，而灰度值不同的像素点将被变成白点保留，这样就把所检测的指针提取出来。因此差影法具有简单、可靠、快速的特点。

差影法的原理:为了提取图像中的变化部分，即通常所说的特征图像h（x，y），把待检测图像f（x，y）和基准图像g（x，y）做相减运算即可［8］。可用数学公式（3）表示为

本文先采集一幅指针指向零刻度线的图像，将其作为基准图像储存。然后在保证采集环境及背景不变的基础上，再采集一幅同一表盘另一刻度的指针图像，将其作为待检测图像储存。最后对两幅进行二值化处理，并按照上文所提到的投影法对两幅图进行倾斜校正。

由于两次采集外界环境相同，所以采集到的图像除了指针位置的差异以外，其他的刻度线，刻度数字，表盘参数，表盘轮廓等参数完全相同。运用差影法可以减掉相同的点，同时较大的噪声也被消除了，只留下指向不同刻度的两个指针。提取的指针图像如图2所示。

图2 差影法提取的指针图像

3 改进的角度法计算指针示值

改进的角度法以角度法与距离法为基础，既保证了距离法的精度，又将距离法中的参数换成角度参数，从而提高了自动读数的精度。原理如下:

根据测量原理可知检测到的两条直线的交点为仪表圆心坐标。通过该像素点和圆心的直线为基准直线。通过基准直线方程和待测直线方程之间的夹角可以得出仪表的读数［9］。

设基准直线所在的方程为

待测指针所在直线的方程为

联立两个方程可以求出两根指针的交点即圆心，如式（6）圆心坐标记为（center_x，center_y）:

将（center_x，center_y）作为新的坐标原点，则此时表盘指针所在直线可用y=kx表示。设指针所在直线左侧最近的刻度线上的像素为:a1，a2，a3，…，an；指针所在直线右侧最近的刻度线上像素为:b1，b2，b3，…，bm。左右侧刻度所在直线示意图如图3所示。

图3 左右侧刻度所在直线示意图

分别用最小二乘法对它们和原点的坐标进行拟合，得出最优的K值；再分别计算左侧最近刻度线和待测指针直线的夹角为α，右侧最近刻度线和待测指针直线夹角为β，由此可得出此时指针所指示值如式（7）所示，即

数据记录与误差分析:

分别用MV-500UC摄像头采集几种指针式仪表的指针处于不同示数位置下的表盘图像（如图4所示），然后对图像进行滤波去噪，倾斜校正等图像处理和分析，最后利用改进的角度法计算提取的指针所指示值，从而计算出仪表的示数。

图4 表盘图像

记录实验数据见表1。

表1 角度法和改进的角度法的仪表读数

根据表1可以发现，相比较传统的角度法，在对图像进行旋转校正之后，利用差影法提取指针的改进的角度法精度更高，尤其在刻度比较稀疏的时候，改进的角度法的精确度更高。由于选取的MV-500UC摄像头自带的图像采集软件可连续对图像进行采集，当仪表指针频繁摆动时，可以选取高速模式对指针进行拍照；可以改变摄像头的拍照频率，定时对指针式仪表进行拍照、连续拍照，实数识别的实时性效果好。由计算机识别出的读数可以与其他非电子设备和现代电子设备的接口，有利于计算机对数据快速准确的进行记录、分析。

由此可知运用此方法对智能变电站指针式仪表进行识别的技术具有精度高，速度快，智能化操作等特点。摆脱了人眼读数受检测人员的操作经验，操作习惯和精神状态等其他主观客观因素的影响，并且人工读数劳动强度大，效率低，检测误差大，可靠性差。

4 结论

本文提出的指针式仪表自动识别可以实现电力系统中指针式仪表图像的自动采集，分析，处理及读数识别。识别出的示数也是其他非电子设备和现代电子设备的接口的输入值，与当前工业在线检测、精密测量领域向自动化、智能化发展的新趋势相一致，具有广阔的发展前景和应用价值。由于测量值都由计算机读出，数据记录和处理也主要靠计算机，检定效率高，强度小，检定精度不受人和外界因素的影响。有利于未来智能变电站的全自动化发展。

［1］苑玮琦，邵蕊.指针式仪表识别方法的研究［J］.微计算机信息，2009，25（34）：26-28.

［2］邹俊贵，陈以.常用指针式仪表识别技术研究综述［J］.仪器仪表与分析监测，2009（1）：1-3，6.

［3］江泽涛，王轼，李克伟.一种指针式仪表非接触测量方法［J］.计算机应用与软件，2009，26（4）：281-283.

［4］王成福.电厂指针式仪表的自动识别［J］.东北电力技术，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非线性指针式仪表识别系统的研究［D］.广州：广东工业大学，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，段会川.指针式仪表读数识别系统研究［J］.信息技术与信息化，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，沈阳工业大学电气工程学院硕士研究生，主要研究方向指针式仪表的自动识别。