CN106650746B - 基于角度步长的变电站指针式仪表识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于角度步长的变电站指针式仪表识别方法，属于仪表识别的技术领域。本发明采用霍夫梯度法提取圆形刻度轮廓，在待检圆形刻度轮廓上选择匹配遍历点P，并得到匹配遍历点P对应动态ROI以及动态ROI的Hu不变矩，通过动态ROI的Hu不变矩以及指针模板的Hu不变矩计算图像相似度，在得到最大的图像相似度后，能确定待检指针仪表图像中指针所在的位置，且根据指针所在位置与待检指针仪表图像中的刻度、量程对应关系，得到待检指针仪表图像对应的指针示数，通过采用角度步长进行遍历匹配，避免大量不相关区域匹配的搜索，显著减少遍历次数，提高识别的精度以及可靠性。

Description

基于角度步长的变电站指针式仪表识别方法

技术领域

本发明涉及一种识别方法，尤其是一种基于角度步长的变电站指针式仪表识别方法，属于仪表识别的技术领域。

背景技术

安全生产是电力企业各项工作的基础，随着电网的不断建设发展，变电站的数量日益增加，安全生产确保电网稳定运行显得尤为重要。变电运维在电力系统中承担着变电站的运维管理、倒闸操作和事故处理等重要工作，是保证电网安全、稳定和经济运行的执行者，安全压力逐渐增大。为加强变电运维安全管理，预防变电站安全事故，许多研究机构和公司都在积极研究实用于变电运维现场的安全防护技术，力求保证变电运维作业现场的可控、能控。

现阶段，许多的电力企业已经建设集中式远程图像监控系统。它可以对各个运行设备，输电线路等进行实时视频监控，将各监视点，如主控制室、高压室设备情况、断电器、隔离刀闸、室外场地、仪表指针等现场图像通过通信网络实时地传输到监控中心或调度中心，以便实时监控各电力设备的运行状况并在电力设备出现非正常状况时及时报警，使工作人员能够实时掌握整个供电系统的运行状况，能够及时根据报警处理各设备出现的非正常状况，保障整个系统的正常运行。

变电站实施图像监控，很好的解决了变电站无人看守，或者有人看守时看守人员的安全问题。仪表指针位置识别就是变电站图像监控的一种常见应用，对此，现阶段比较可行的方法有同心圆环搜索法、剪影法、Hough直线变换法等，但是这些方法存在着诸如易受光照影响、对较粗指针由于阴影的存在对其辨识度不够、与人工读数相差大等问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于角度步长的变电站指针式仪表识别方法，其采用角度步长进行遍历匹配，避免大量不相关区域匹配的搜索，显著减少遍历次数，提高识别的精度以及可靠性。

按照本发明提供的技术方案，一种基于角度步长的变电站指针式仪表识别方法，所述指针式仪表识别方法包括如下步骤：

步骤1、提供正常指针仪表图像，并提取所述正常指针仪表图像中的圆形刻度轮廓，将提取的圆形刻度轮廓作为指针模板，且计算指针模板的Hu不变矩；

步骤2、提供待检指针仪表图像，并提取所述待检指针仪表图像中的待检圆形刻度轮廓，以提取待检圆形刻度轮廓的圆心为原点建立坐标系，以得到待检圆形刻度轮廓的圆心坐标以及待检圆形刻度轮廓的半径；

步骤3、在上述待检圆形刻度轮廓上选取匹配遍历点P，所述匹配遍历点P为指针与刻度圆的交界点，以α作为起始角，β作为终止角，θ作为采样步长，得到匹配遍历点P对应的动态ROI，且计算得到匹配遍历点P对应动态ROI的Hu不变矩；

步骤4、将上述匹配遍历点P对应动态ROI的Hu不变矩与指针模板的Hu不变矩进行相似性计算，以得到匹配遍历点P对应动态ROI与指针模板间的图像相似值；

步骤5、在上述待检圆形刻度轮廓上，对匹配遍历点P增加一个采样步长θ，重复上述步骤，直至匹配遍历点P将待检圆形刻度轮廓遍历完，从而得到若干匹配遍历点P对应动态ROI与指针模板间的图像相似值；

步骤6、确定上述所有匹配遍历点P对应动态ROI与指针模板间图像相似值中的最大值，从而确定待检指针仪表图像中指针所在的位置，且根据指针所在位置与待检指针仪表图像中的刻度、量程对应关系，得到待检指针仪表图像对应的指针示数。

步骤1中，采用霍夫梯度法对正常指针仪表图像进行圆形刻度轮廓提取；步骤2中，霍夫梯度法对待检指针仪表图像进行圆形刻度轮廓的提取。

步骤1中，指针模板的Hu不变矩包括二阶归一化中心矩以及三阶归一化中心矩，指针模板的Hu不变矩中二阶归一化中心矩以及三阶归一化中心矩的数量共7个；步骤3中，匹配遍历点P对应动态ROI的Hu不变矩也包括对应的7个二阶归一化中心矩以及三阶归一化中心矩；

步骤4中，采用归一化相关匹配度量法计算图像相似值，具体为：

其中，I(A,B)为图像相似值，I(A,B)∈(0,1)，

为指针模板的Hu不变矩，

为匹配遍历点P对应动态ROI的Hu不变矩。

本发明的优点：采用霍夫梯度法提取圆形刻度轮廓，在待检圆形刻度轮廓上选择匹配遍历点P，并得到匹配遍历点P对应动态ROI以及动态ROI的Hu不变矩，通过动态ROI的Hu不变矩以及指针模板的Hu不变矩计算图像相似度，在得到最大的图像相似度后，能确定待检指针仪表图像中指针所在的位置，且根据指针所在位置与待检指针仪表图像中的刻度、量程对应关系，得到待检指针仪表图像对应的指针示数，通过采用角度步长进行遍历匹配，避免大量不相关区域匹配的搜索，显著减少遍历次数，提高识别的精度以及可靠性。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明根据匹配遍历点P计算对应动态ROI的示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示：为了避免大量不相关区域匹配的搜索，显著减少遍历次数，提高识别的精度以及可靠性，本发明所述指针式仪表识别方法包括如下步骤：

步骤1、提供正常指针仪表图像，并提取所述正常指针仪表图像中的圆形刻度轮廓，将提取的圆形刻度轮廓作为指针模板，且计算指针模板的Hu不变矩；

本发明实施例中，由于霍夫梯度法运行高效，且指针仪表的刻度区域具有明显的圆弧特征，因此，采用霍夫梯度法能够对正常指针仪表图像进行圆形刻度提取，具体提取过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。具体实施时，正常指针仪表图像的选取对指针的位置没有特殊要求，只要完整清楚即可。

在具体实施时，不同类型二维离散形式的矩常被用来在计算机图像处理中描述图像的统计特征，而Hu不变矩是较为常用的一种矩，指针模板的Hu不变矩包括二阶归一化中心矩以及三阶归一化中心矩，指针模板的Hu不变矩中二阶归一化中心矩以及三阶归一化中心矩的数量共7个，即指针模板的Hu不变矩中二阶归一化中心矩、三阶归一化中心矩的数量共7个，具体计算指针模板的Hu不变矩的过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

步骤2、提供待检指针仪表图像，并提取所述待检指针仪表图像中的待检圆形刻度轮廓，以提取待检圆形刻度轮廓的圆心为原点建立坐标系，以得到待检圆形刻度轮廓的圆心坐标以及待检圆形刻度轮廓的半径；

本发明实施例中，待检指针仪表图像通过图像采集装置获取，具体获取过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。待检指针仪表图像对应的指针仪表与正常指针仪表图像对应的指针仪表为同一型号的指针仪表。具体实施时，也采用霍夫梯度法提取待检指针仪表图像中的待检圆形刻度轮廓。

步骤3、在上述待检圆形刻度轮廓上选取匹配遍历点P，所述匹配遍历点P为指针与刻度圆的交界点，以α作为起始角，β作为终止角，θ作为采样步长，得到匹配遍历点P对应的动态ROI，且计算得到匹配遍历点P对应动态ROI的Hu不变矩；

本发明实施例中，待检圆形刻度轮廓提取得到后，以圆心为原点建立坐标系，待检圆形刻度轮廓的半径为r，将所述待检圆形刻度轮廓作为与指针模板比较的匹配路径。具体实施时，起始角α，终止角β，采样步长θ的单位均为弧度。对于匹配遍历点P，其坐标为：

其中，

x_i为匹配遍历点P的横坐标，y_i为匹配遍历点P的纵坐标，INT为取整运算。

根据匹配遍历点P，可以根据圆的特征计算得出对应ROI的四个边界角的坐标，从而得出动态ROI(Regions of Interest)的范围。如图2所示，矩形范围即是某次遍历过程中ROI范围，则可以计算出每次遍历ROI区域中a、b、c、d四个点的坐标依次为：

(rcosα+(w/2)sinα，r sinα－(w/2)cosα)、(rcosα－(w/2)sinα，r sinα+(w/2)cosα)、(－(w/2)sinα，(w/2)cosα)、((w/2)sinα，－(w/2)cosα)；其中，w为动态ROI的宽度，起始角α和终止角β分别为待检轮廓的最右边刻度线和最左边刻度线与水平轴的夹角。采样步长θ可根据匹配的精度进行选择，通常与最小刻度线的夹角保持一致。

由上述可知，匹配遍历点P对应动态ROI的Hu不变矩也包括对应的7个二阶归一化中心矩以及三阶归一化中心矩；匹配遍历点P对应动态ROI的Hu不变矩与指针模板的Hu不变矩呈对应状态。

步骤4、将上述匹配遍历点P对应动态ROI的Hu不变矩与指针模板的Hu不变矩进行相似性计算，以得到匹配遍历点P对应动态ROI与指针模板间的图像相似值；

本发明实施例中，采用归一化相关匹配度量法计算图像相似值，具体为：

其中，I(A,B)为图像相似值，I(A,B)∈(0,1)，

为指针模板的Hu不变矩，

为匹配遍历点P对应动态ROI的Hu不变矩。

步骤5、在上述待检圆形刻度轮廓上，对匹配遍历点P增加一个采样步长θ，重复上述步骤，直至匹配遍历点P将待检圆形刻度轮廓遍历完，从而得到若干匹配遍历点P对应动态ROI与指针模板间的图像相似值；

本发明实施例中，由于要确定待检指针仪表图像中指针的位置，因此，需要将待检圆形宽度轮廓根据上述条件进行全部遍历，遍历时，采用角度步长控制的方式进行，直至满足终止条件为止；在利用匹配遍历点P进行遍历时，重复上述图像相似值的计算步骤，从而得到多个图像相似值。

步骤6、确定上述所有匹配遍历点P对应动态ROI与指针模板间图像相似值中的最大值，从而确定待检指针仪表图像中指针所在的位置，且根据指针所在位置与待检指针仪表图像中的刻度、量程对应关系，得到待检指针仪表图像对应的指针示数。

本发明实施例中，图像相似值最大的动态ROI能判定为待检指针仪表图像中指针所在的位置，从而根据指针所在位置与待检指针仪表图像中的刻度、量程对应关系，得到待检指针仪表图像对应的指针示数，实现了无人监控变电站内指针式仪表的自动识别。

本发明采用霍夫梯度法提取圆形刻度轮廓，在待检圆形刻度轮廓上选择匹配遍历点P，并得到匹配遍历点P对应动态ROI以及动态ROI的Hu不变矩，通过动态ROI的Hu不变矩以及指针模板的Hu不变矩计算图像相似度，在得到最大的图像相似度后，能确定待检指针仪表图像中指针所在的位置，且根据指针所在位置与待检指针仪表图像中的刻度、量程对应关系，得到待检指针仪表图像对应的指针示数，通过采用角度步长进行遍历匹配，避免大量不相关区域匹配的搜索，显著减少遍历次数，提高识别的精度以及可靠性。

Claims (3)

1.一种基于角度步长的变电站指针式仪表识别方法，其特征是，所述指针式仪表识别方法包括如下步骤：

步骤1、提供正常指针仪表图像，并提取所述正常指针仪表图像中的圆形刻度轮廓，将提取的圆形刻度轮廓作为指针模板，且计算指针模板的Hu不变矩；

步骤2、提供待检指针仪表图像，并提取所述待检指针仪表图像中的待检圆形刻度轮廓，以提取待检圆形刻度轮廓的圆心为原点建立坐标系，以得到待检圆形刻度轮廓的圆心坐标以及待检圆形刻度轮廓的半径；

步骤3、在上述待检圆形刻度轮廓上选取匹配遍历点P，所述匹配遍历点P为指针与刻度圆的交界点，以

作为起始角，

作为终止角，

作为采样步长，得到匹配遍历点P对应的动态感兴趣区域ROI，且计算得到匹配遍历点P对应动态ROI的Hu不变矩；

步骤4、将上述匹配遍历点P对应动态ROI的Hu不变矩与指针模板的Hu不变矩进行相似性计算，以得到匹配遍历点P对应动态ROI与指针模板间的图像相似值；

步骤5、在上述待检圆形刻度轮廓上，对匹配遍历点P增加一个采样步长

，重复上述步骤，直至匹配遍历点P将待检圆形刻度轮廓遍历完，从而得到若干匹配遍历点P对应动态ROI与指针模板间的图像相似值；

步骤6、确定上述所有匹配遍历点P对应动态ROI与指针模板间图像相似值中的最大值，从而确定待检指针仪表图像中指针所在的位置，且根据指针所在位置与待检指针仪表图像中的刻度、量程对应关系，得到待检指针仪表图像对应的指针示数。

2.根据权利要求1所述的基于角度步长的变电站指针式仪表识别方法，其特征是：步骤1中，采用霍夫梯度法对正常指针仪表图像进行圆形刻度轮廓提取；步骤2中，霍夫梯度法对待检指针仪表图像进行圆形刻度轮廓的提取。

3.根据权利要求1所述的基于角度步长的变电站指针式仪表识别方法，其特征是：步骤1中，指针模板的Hu不变矩包括二阶归一化中心矩以及三阶归一化中心矩，指针模板的Hu不变矩中二阶归一化中心矩以及三阶归一化中心矩的数量共7个；步骤3中，匹配遍历点P对应动态ROI的Hu不变矩也包括对应的7个二阶归一化中心矩以及三阶归一化中心矩；

步骤4中，采用归一化相关匹配度量法计算图像相似值，具体为：

其中，

为图像相似值，

，

为指针模板的Hu不变矩，

为匹配遍历点P对应动态ROI的Hu不变矩。

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