孫慧媛,楊曉城,蔣明峰,邊 境

(浙江理工大學(xué) 信息學(xué)院,杭州 310018)

1 引言

目前,在電力巡檢方面,一般采用人工巡檢方式,通過人工抄表記錄的方式對電廠設(shè)備進(jìn)行依次排查.然而電廠或變電站內(nèi)設(shè)備種類多,數(shù)量龐大,使得工作人員巡檢一次需要花費(fèi)很長時(shí)間,而且工人每天都要記錄大量數(shù)據(jù),容易引起視覺疲勞,從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大誤差,所以人工巡檢的人力成本很高且效果難以保證.隨著計(jì)算機(jī)視覺與自主巡檢機(jī)器人的發(fā)展,為利用機(jī)器人巡檢代替人工巡檢提供了技術(shù)支撐[1,2].

電廠或變電站中的儀表設(shè)備多處于復(fù)雜環(huán)境中,巡檢機(jī)器人采集的儀表圖像不僅經(jīng)常存在傾斜等問題,而且復(fù)雜的背景會(huì)對圖像的識(shí)別造成干擾.現(xiàn)階段國內(nèi)外對指針式儀表識(shí)別技術(shù)主要集中在指針的定位上,主要有:減影法[3]和 Hough 檢測直線[4-8]等方法.減影法是通過比較兩幅指針在不同位置的儀表圖像,得到無指針模板圖像,然后利用模板與待識(shí)別儀表圖像相減得到指針的位置,根據(jù)指針的位置對儀表進(jìn)行最終的讀數(shù)識(shí)別[3].該方法要求采集的圖像背景相同且圖像中只有指針是變化的,而利用巡檢機(jī)器人采集圖像無法保證采集到的圖像中只有指針是變化的.Hough檢測直線法是將待識(shí)別儀表圖像進(jìn)行二值化,然后利用Hough檢測直線的方法確定指針位置并計(jì)算指針旋轉(zhuǎn)角度,根據(jù)指針旋轉(zhuǎn)角度與儀表刻度之間的線性關(guān)系,計(jì)算最終的儀表讀數(shù)[6-9].上述儀表識(shí)別方法都是針對某一特定種類的儀表圖像,在采集背景較為單一且儀表圖像不存在傾斜問題的情況下,對采集到的儀表圖像進(jìn)行讀數(shù)識(shí)別,未考慮復(fù)雜背景下的儀表圖像識(shí)別,此外,對于電廠或變電站等電力系統(tǒng)而言,儀表設(shè)備種類繁多、數(shù)量龐大,這也給儀表讀數(shù)的識(shí)別帶來了極大的挑戰(zhàn).

對此,為解決上述問題本文針對刻度均勻的指針式儀表提出基于二維碼匹配的指針式儀表讀數(shù)識(shí)別方法.該方法充分考慮了巡檢機(jī)器人采集的儀表圖像易傾斜、受現(xiàn)場環(huán)境影響大以及變電站內(nèi)儀表設(shè)備種類繁多等問題,通過實(shí)驗(yàn)看到即使在復(fù)雜的環(huán)境下,該方法也能夠?qū)Σ煌N類的指針式儀表實(shí)現(xiàn)良好的讀數(shù)識(shí)別.

2 整體方案

在開始巡檢之前,在儀表設(shè)備正上方貼一張合適大小的二維碼,并使二維碼與儀表設(shè)備的側(cè)面保持平行.開始巡檢后,利用攝像頭采集儀表設(shè)備狀態(tài)圖像,當(dāng)二維碼在采集的狀態(tài)圖像中并能識(shí)別時(shí)保存采集的狀態(tài)圖像,否則改變拍攝位置對采集失敗的儀表設(shè)備重新采集圖像.獲取圖像中二維碼定位點(diǎn)信息并讀取與二維碼相連接的數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的儀表類型信息及儀表的量程范圍等信息.根據(jù)二維碼的左上角和右上角的定位點(diǎn)信息對儀表圖像進(jìn)行傾斜校正,接下來對校正后的儀表圖像重新定位其二維碼的定位點(diǎn)信息,并根據(jù)二維碼左下角定位點(diǎn)信息以及二維碼與儀表之間先驗(yàn)的幾何位置信息,快速提取圖像中表盤所在的區(qū)域.最后,根據(jù)獲取的儀表類型信息選擇對應(yīng)的圖像識(shí)別算法,以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地識(shí)別儀表讀數(shù).系統(tǒng)整體方案如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)整體方案示意圖

3 指針式儀表讀數(shù)識(shí)別

3.1 基于二維碼的圖像采集方法

為了克服電力系統(tǒng)中種類繁多、尺寸不一的儀表在復(fù)雜環(huán)境下采集高質(zhì)量狀態(tài)圖像的難題,提出了一種基于二維碼匹配的圖像采集方法.首先,在儀表設(shè)備的正上方張貼一張合適大小的二維碼,使得二維碼所在的平面與儀表水平面保持平行,如圖2所示;然后,用自主巡檢機(jī)器的攝像頭采集儀表狀態(tài)圖像,當(dāng)二維碼在采集的狀態(tài)圖像中并能識(shí)別時(shí)保存采集的狀態(tài)圖像,否則改變拍攝位置對采集失敗的儀表設(shè)備重新采集圖像.

通過識(shí)別圖像中的二維碼,不但可以獲得二維碼的定位點(diǎn)信息,而且通過將二維碼與數(shù)據(jù)庫連接,可以獲取數(shù)據(jù)庫中儲(chǔ)存的儀表類型、量程范圍及零刻度與滿刻度間夾角等信息.對于電力系統(tǒng)中種類繁多、數(shù)量龐大的儀表,通過儀表類型信息可以選擇對應(yīng)的儀表讀數(shù)識(shí)別算法,通過儀表的量程等信息,可以為儀表讀數(shù)識(shí)別提供必要的參數(shù).利用二維碼連接的數(shù)據(jù)庫儲(chǔ)存信息,可以獲取儀表的類型、零刻度、滿刻度以及零刻度與滿刻度間夾角信息,如表1所示.

圖2 采集的原始儀表狀態(tài)圖像

表1 數(shù)據(jù)庫信息

3.2 儀表傾斜校正

由于攝像頭所采集的儀表狀態(tài)圖像很多情況下是傾斜的,如果不進(jìn)行傾斜糾正,則識(shí)別結(jié)果會(huì)出現(xiàn)很大的誤差.對于傾斜校正,最重要的是旋轉(zhuǎn)角度α的確定.為此,本文利用二維碼的定位點(diǎn)信息對傾斜的儀表圖像進(jìn)行快速校正.

獲取二維碼的左上角和右上角定位點(diǎn)坐標(biāo),并計(jì)算這兩點(diǎn)所連成的直線斜率,進(jìn)而確定旋轉(zhuǎn)角.以表盤中心為旋轉(zhuǎn)中心,將采集到的儀表圖像旋轉(zhuǎn)角度α,得到傾斜校正后儀表狀態(tài)圖像.如圖3所示,為圖2的校正結(jié)果圖.

圖3 傾斜校正后儀表狀態(tài)圖像

3.3 提取表盤所在區(qū)域

電廠或變電站等電力系統(tǒng)的現(xiàn)場環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜,各種顏色不一、大小不同的管道、墻壁、設(shè)備等背景對后續(xù)的儀表識(shí)別干擾很大.為了減小復(fù)雜環(huán)境對儀表讀數(shù)識(shí)別的干擾,提高儀表讀數(shù)識(shí)別的準(zhǔn)確率,本文利用二維碼與儀表之間先驗(yàn)的幾何位置關(guān)系快速提取圖像中表盤所在的區(qū)域.

首先,在識(shí)別前,分別測量二維碼與儀表的幾何位置,即測量二維碼的實(shí)際寬度q0、儀表的實(shí)際寬度w0以及儀表的實(shí)際高度q0.然后,對傾斜校正后的儀表圖像重新定位圖像中二維碼定位點(diǎn)坐標(biāo).接下來計(jì)算儀表圖像中二維碼的寬度q1,并根據(jù)比例法得到圖像中儀表的寬度為w1=w0*q1/q0,高度為h1=h0*q1/q0,如圖4所示.值得注意的是,由于測量二維碼與儀表的幾何尺寸時(shí)可能存在誤差,所以選取的儀表圖像寬度和高度比w1,h1要大一些,以保證儀表整體都包含在圖像之中,最后,根據(jù)二維碼左下角定位點(diǎn)信息以及二維碼與儀表之間先驗(yàn)的幾何位置信息,通過感興趣區(qū)域(Region Of Interest,ROI)提取算法[10]快速提取圖像中表盤所在的區(qū)域.如圖4(a)和(b)所示為選取的寬度和高度分別為1.5w1和1.5h1.圖5為未使用儀表校正和提取表盤所在區(qū)域算法與使用儀表校正和提取表盤所在區(qū)域算法分別得到的表盤、表盤圓心以及指針.

圖4 表盤所在矩形區(qū)域

3.4 讀數(shù)識(shí)別

根據(jù)數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的儀表類型信息,選擇對應(yīng)的讀數(shù)識(shí)別算法.本文采用如圖6所示角度法進(jìn)行指針式儀表讀數(shù)的識(shí)別.讀數(shù)識(shí)別的具體流程如圖7所示.

圖5 表盤、表盤圓心及指針標(biāo)識(shí)圖

a)通過與二維碼連接的數(shù)據(jù)庫信息,獲得儀表的量程大小S以及直線L1與直線L2之間的夾角φ,即零刻度與滿刻度間夾角,其中L1為儀表零刻度與表盤中心相連直線,L2為儀表滿刻度與表盤中心相連直線;

b)求取儀表盤零刻度重心位置P1,并利用hough檢測圓得到儀表盤中心P0;計(jì)算點(diǎn)P1與P0相連的直線L1;

c)將圖像進(jìn)行細(xì)化[11-15]并通過hough變換直線擬合得到指針直線L0;

d)計(jì)算直L1與L0之間的夾角θ,根據(jù)角度法計(jì)算儀表讀數(shù)T:

4 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)果

為了驗(yàn)證上述儀表讀數(shù)識(shí)別算法的有效性,利用研發(fā)的自主巡檢機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與通過使用Hough檢測直線進(jìn)行儀表識(shí)別但不包含圖像校正功能和儀表表盤區(qū)域提取功能的未使用二維碼匹配預(yù)處理的儀表識(shí)別方法儀表識(shí)別方法進(jìn)行了比較.實(shí)驗(yàn)中選用了兩種不同類型的指針式儀表,分別為型號(hào)Y-100的普通壓力表和型號(hào)TE2000的壓差表,各儀表最小刻度分別為 0.02 Mpa,2 Pa.如圖8所示為普通壓力表的讀數(shù)識(shí)別結(jié)果.為了定量地分析儀表識(shí)別的誤差,分別計(jì)算識(shí)別結(jié)果與真實(shí)值Ti之間的偏差ΔTmean及標(biāo)準(zhǔn)差σ.計(jì)算公式為:

其中,N為測量次數(shù).

圖6 角度法

利用自主巡檢機(jī)器人樣機(jī)對上述兩種類型的指針式儀表分別在白墻、管道、有色物體等不同背景下各采集200張儀表狀態(tài)圖像進(jìn)行識(shí)別,統(tǒng)計(jì)識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確率以及偏差和標(biāo)準(zhǔn)差,如表2所示.從表2可以看出,基于二維碼匹配的方法識(shí)別準(zhǔn)確率明顯高于未使用二維碼匹配預(yù)處理的儀表識(shí)別方法,偏差和標(biāo)準(zhǔn)差明顯低于未使用二維碼匹配預(yù)處理的儀表識(shí)別方法.

圖7 讀數(shù)識(shí)別流程圖

圖8 普通壓力表讀數(shù)識(shí)別結(jié)果

另外,對兩種類型的指針式儀表分別采集不同示數(shù)時(shí)的儀表圖像,并分別通過未使用二維碼匹配預(yù)處理的儀表識(shí)別方法與基于二維碼匹配方法進(jìn)行識(shí)別,計(jì)算實(shí)際值與識(shí)別結(jié)果之間的誤差,其中儀表的實(shí)際值等于3個(gè)讀數(shù)的平均值.如表3所示,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,與未使用二維碼匹配預(yù)處理的儀表識(shí)別方法相比,基于二維碼匹配方法的讀數(shù)精度更滿足儀器實(shí)際讀數(shù)的要求.

此外,基于二維碼匹配的儀表識(shí)別方法可以獲取數(shù)據(jù)庫中儲(chǔ)存的量程、零刻度與滿刻度間夾角等參數(shù),無需通過手動(dòng)輸入或者計(jì)算得到,方法的計(jì)算速度方面也優(yōu)于傳統(tǒng)的儀表識(shí)別方法.綜上所述,與傳統(tǒng)的識(shí)別方法相比,基于二維碼匹配的儀表識(shí)別方法的性能得到有效提升.

5 結(jié)束語

作為取代人工巡檢的一種有效方式,自主巡檢機(jī)器人在電力系統(tǒng)等行業(yè)中擁有廣泛的應(yīng)用前景.但自主巡檢機(jī)器人存在采集圖像易傾斜,受現(xiàn)場環(huán)境影響較大等問題,針對此問題,本文提出了一種基于二維碼匹配的指針式儀表識(shí)別方法.該方法通過二維碼匹配的方法采集高質(zhì)量的儀表狀態(tài)圖像,然后利用二維碼的定位點(diǎn)信息以及二維碼與儀表之間先驗(yàn)的幾何位置關(guān)系對儀表狀態(tài)圖像進(jìn)行快速傾斜校正和提取表盤所在區(qū)域,最后利用與二維碼相連接的數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的儀表類型信息選擇對應(yīng)的儀表讀數(shù)識(shí)別算法,以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地識(shí)別儀表讀數(shù).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:與未使用二維碼匹配預(yù)處理的儀表識(shí)別方法相比,該方法能有效提高指針式儀表讀數(shù)識(shí)別的準(zhǔn)確率,降低識(shí)別誤差,證明了該方法在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的有效性.

表2 不同背景下儀表識(shí)別性能

表3 識(shí)別結(jié)果對比