一种变电站通用单指针式仪表数值自动读取方法技术

本发明专利技术提出了一种变电站通用单指针式仪表数值自动读取方法，属于图像处理领域，是一种通用的单指针式仪表数值读取方法，简单实用，包括如下步骤：步骤1：对单指针式仪表进行指针图像的建模，构建预置位模板图像，提供先验知识；步骤2：输入待识别图像，进行仪表定位，实现待识别图像与预置位模板图像对齐，定位到表盘并生成表盘的掩码图像；步骤3：对生成的掩码图像进行旋转和尺寸修正，在确保掩码图像无像素损失的前提下自适应调整大小，使指针始终在0刻度位置进行匹配；步骤4：定位指针，粗匹配找到指针大概位置，再进行精匹配得到指针精确位置；步骤5：基于指针精确位置，进行数据读取。进行数据读取。进行数据读取。

【技术实现步骤摘要】
一种变电站通用单指针式仪表数值自动读取方法


[0001]本专利技术涉及图像处理领域，具体是一种变电站通用单指针式仪表数值自动读取方法。

技术介绍

[0002]变电站是电力网中线路的连接点，是电力系统平稳运行和人类正常生产生活的重要保障，维护变电站正常运作具有至关重要的意义。变电站环境中分布着多个种类的仪表设备，如压力表、功率表等指针式仪表，及室内的电流表、电压表等数显式仪表。由于变电站内存在电磁干扰，以及室外的恶劣自然环境，导致传统的数字式仪表无法在室外正常工作，而指针式仪表具有优良的性能和诸多的优势被广泛用在变电站中，通过获取指针式仪表的读数来判断设备的工作状态。
[0003]当前，国内变电站主要通过人工巡检的方式来记录指针式仪表的数值，但这种工作方式存在诸多问题，比如：存在安全隐患、内容重复、效率低下、容易错检漏检等。随着数字化变电站建设推进和机器视觉的发展，模拟人类视觉识别方式对指针仪表自动化重复性记录，成为数字化变电站建设不可或缺的一部分。
[0004]目前，针对指针式仪表自动读数的研究有很多，主要包括两个方向：基于图像处理方法和基于深度学习方法，这两种方法都取得了可观的效果。
[0005]基于图像处理的方法应用在特定环境下能够达到较高的准确率和稳定性，但是这种方法不具备通用性，不同类型指针仪表需要设计不同的算法。除此之外，传统的图像处理方法对图像的质量要求也比较高，需要目标对象具有强纹理特征和稳定的光照变化。
[0006]基于深度学习的方法克服了图像处理方法遇到的部分问题，具有更强的鲁棒性，但是这一方法需要大量的数据支持，而且在面对新型指针式仪表时模型无法起作用，需要将大量的新型表计加入到数据集中，重新对模型进行训练得到新的权重，这对处于指针式仪表类型非饱和状态的变电站来说无疑增加了很大的工作量。
[0007]因此，设计一种不受指针式仪表类型限制和不依赖数据集的数值读取方法，对于任何新指针式仪表的引入都能稳定识别，具有重要的应用意义。

技术实现思路

[0008]本专利技术针对变电站单指针仪表数值读取通用性低和由光照强度导致匹配不准确这两个问题，提出一种通用的数值读取方法。相比基于深度学习需要大量数据集且新指针仪表类别的引入无法使用，本专利技术无需大量数据也不受指针式仪表类型限制，针对不同种类单指针仪表只需标注其在预置位图像中的先验知识，即可完成仪表读数的识别。
[0009]一种变电站通用单指针式仪表数值自动读取方法，包括如下步骤：
[0010]步骤1：对单指针式仪表进行指针图像的建模，构建预置位模板图像，提供先验知识；
[0011]步骤2：输入待识别图像，进行仪表定位，实现待识别图像与预置位模板图像对齐，
定位到表盘并生成表盘的掩码图像；
[0012]步骤3：对生成的掩码图像进行旋转和尺寸修正，在确保掩码图像无像素损失的前提下自适应调整大小，使指针始终在0刻度位置进行匹配；
[0013]步骤4：定位指针，粗匹配找到指针大概位置，再进行精匹配得到指针精确位置；
[0014]步骤5：基于指针精确位置，进行数据读取。
[0015]进一步的，步骤1中预置位模板图像包括指针式仪表的表盘半径R，表盘中心点坐标C(c0,c1)，起始刻度点S(s0,s1)和终止刻度点E(e0,e1)，起始角度α和终止角度β，起始角度α为开始时指针与坐标连线SC的夹角，终止角度β为终止时指针与坐标连线SC的夹角，以及用来框选指针的矩形框。
[0016]优选的，步骤1通过人机交互的方式来对单指针仪表进行建模标注。
[0017]进一步的，步骤2包括如下步骤：
[0018]步骤2.1：利用卷积神经网络对预置位模板图像和输入的待识别图像进行卷积操作提取高维特征图；
[0019]步骤2.2：根据高维特征图选取满足通道最大和局部最大的特征点，并生成描述符；
[0020]步骤2.3：通过随机采样一致性算法提取最佳匹配特征点获得单应矩阵，从而实现图像对齐，定位到表盘并生成表盘的掩码图像。
[0021]进一步的，步骤2.1包括如下步骤：
[0022]步骤2.1.1：对输入的待识别图像进行两次卷积和最大池化组合下采样，得到输入尺寸为输入图像大小1/4的深层特征图，防止卷积特征提取过程中图像丢失过多空间特征；
[0023]步骤2.1.2：下采样后的特征图再次进行卷积和平均池化以及空洞卷积，融合提取到稀疏特征，同时获得较大感受野；
[0024]步骤2.1.3：对输出特征图fp进行特征点集合keypoints和描述子descriptors生成，通过双线性插值将得到的特征图的特征点恢复至输入图像大小，完成图像特征点检测；
[0025]步骤2.1.4：通过对预置位模板图像和待识别图像的特征点匹配获得单应矩阵，实现图像对齐。
[0026]进一步的，步骤3的旋转调整公式为：
[0027]w
′
＝2
×
(c0+Δw)
ꢀꢀ
(6)
[0028]h
′
＝2
×
(c1+Δh)
ꢀꢀ
(7)
[0029][0030][0031]其中，w和h为图像原始宽度和高度，w
’
和h
’
为变化后的图像宽度和高度，Δh和Δw为变换后新的表盘掩码图像尺寸的变化量；
[0032]由几何关系和式(10)和式(11)计算出动态旋转时旋转修正的图像尺寸为(w0,h0)，
[0033]w0＝h
′×
sin(θ)+w
′×
cos(θ)
ꢀꢀꢀ
(10)
[0034]h0＝w
′×
sin(θ)+h
′×
cos(θ)
ꢀꢀꢀ
(11)
[0035]其中，θ为每次旋转的角度，w0和h0为旋转修正后图像的宽度和高度。
[0036]进一步的，步骤4具体包括如下步骤：
[0037]步骤4.1：以指针轴心作为旋转中心点对图像进行旋转，以起始刻度方向作为旋转起转角，终止时刻为旋转终止角，每个旋转角度匹配一次，最终找到最佳匹配角度；
[0038]步骤4.2：表盘掩码图像旋转匹配范围在量程起始值到终止值对应的角度之内，每次旋转步长为s，在获得最佳匹配角度后，可以在
±
s范围内，进行步长为1的精确匹配，确定当前状态指针相对于起始量程的角度精确解。
[0039]进一步的，步骤5当起始点位于第二或第三象限时，表盘的初始角度α由式(13)计算；当终止点位于第二或第三或第四象限时，表盘的终止角度β由式(14)计算：
[0040][0041][0042]进一步的，根据式(15)对最佳匹配角度进行角度与量程V的换算即可完成得到仪表最终数值v：
[0043][0044]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术针对变电站单指针本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变电站通用单指针式仪表数值自动读取方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：对单指针式仪表进行建模，构建仪表的预置位模板图像，提供先验知识；步骤2：输入待识别图像，进行仪表定位，实现待识别图像与预置位模板图像对齐，定位到表盘并生成表盘的掩码图像；步骤3：对生成的掩码图像进行旋转和尺寸修正，在确保掩码图像无像素损失的前提下自适应调整大小，使指针始终在0刻度位置进行匹配；步骤4：定位指针，粗匹配找到指针大概位置，再进行精匹配得到指针精确位置；步骤5：基于指针精确位置，进行数据读取。2.根据权利要求1所述的一种变电站通用单指针式仪表数值自动读取方法，其特征在于：步骤1中预置位模板图像包括指针式仪表的表盘半径R，表盘中心点坐标C(c0,c1)，起始刻度点S(s0,s1)和终止刻度点E(e0,e1)，起始角度α和终止角度β，起始角度α为开始时指针与坐标连线SC的夹角，终止角度β为终止时指针与坐标连线SC的夹角，以及用来框选指针的矩形框。3.根据权利要求2所述的一种变电站通用单指针式仪表数值自动读取方法，其特征在于：步骤1通过人机交互的方式来对单指针仪表进行建模标注。4.根据权利要求3所述的一种变电站通用单指针式仪表数值自动读取方法，其特征在于，步骤2包括如下步骤：步骤2.1：利用卷积神经网络对预置位模板图像和输入的待识别图像进行卷积操作提取高维特征图；步骤2.2：根据高维特征图选取满足通道最大和局部最大的特征点，并生成描述符；步骤2.3：通过随机采样一致性算法提取最佳匹配特征点获得单应矩阵，从而实现图像对齐，定位到表盘并生成表盘的掩码图像。5.根据权利要求4所述的一种变电站通用单指针式仪表数值自动读取方法，其特征在于：步骤2.1包括如下步骤：步骤2.1.1：对输入的待识别图像进行两次卷积和最大池化组合下采样，得到输入尺寸为输入图像大小1/4的深层特征图，防止卷积特征提取过程中图像丢失过多空间特征；步骤2.1.2：下采样后的特征图再次进行卷积和平均池化以及空洞卷积，融合提取到稀疏特征，同时获得较大感受野；步骤2.1.3：对输出特征图fp进行特征点集合keypoints和描述子descriptors生成，通过双线性插值将得到的特征图的特征点恢复至输入图像大小，完成图像特征点检测；步骤2.1.4：通过对预置位模...

【专利技术属性】
技术研发人员：宗起振，陈为祥，徐贵力，吴旭，曾清旋，陆知言，王声柱，
申请(专利权)人：南京国电南自轨道交通工程有限公司，
类型：发明
国别省市：