基于MATLAB的真空开关电弧图像处理系统设计

摘要：真空开关的电弧特性是决定真空开关开断能力的主要因素。为了研究真空开关的电弧形态特性，利用MATLAB软件的图形用户界面（GUI）功能，结合真空电弧图像特点，开发了真空电弧图像处理系统。该系统对真空电弧图像宏观特征进行挖掘，包括滤除噪声干扰，增强图像特征，改善图像的视觉效果，对电弧图像的形态变化和分层变化等特征进行定量分析，适用于真空电弧图像的定量分析，为进一步研究真空开关电弧形态提供了便利。

关键词：真空开关电弧形态特性;真空电弧图像;图像处理;GUI

0 引言

真空开关电弧形态特征是其内部复杂特性的外在反映，研究其形态特征，对于深入研究真空开关灭弧室性能具有很好的指导作用[1]。真空开关电弧图像是研究真空开关电弧形态特征的重要媒介。国外学者Schulman[2]等通过对电弧图像的采集，结合电弧电压特性，将电弧形态特征分为扩散态、收缩态及喷发态等;国内学者向川等[3]对真空开关电弧图像进行了采集，并对真空电弧形态的演变过程进行了深入的定性分析;董华军等[4-8]借助可拆卸灭弧室对真空电弧图像进行了采集，并在电弧形态特征量化研究方面做了大量细致、深入的工作。但目前为止，还没有专门针对真空电弧图像的处理系统。

MATLAB的GUI为系统开发者提供了一个非常便捷的人机交互平台，使得针对特定对象的操作更加人性化，软件功能可通过界面设定的特定按钮和窗口来设计实现。本文通过MATLAB软件的数字图像处理功能，对真空电弧图像进行了处理，使用GUI将真空电弧图像的不同处理功能模块进行了集成，构成了针对真空电弧图像处理系统的用户界面。

1 MATLAB GUI设计流程

在MATLAB平台设计开发中，创建GUI有以下方式：（1）使用M文件直接编写程序的方式建立GUI;（2）利用MATLAB的图形用户界面开发环境（GUIDE）设计GUI。第1种方法功能强大，但在调整图形组件位置时花费较多的时间;第2种方法比较直观方便，易于上手，故本文采用第2种方法。

GUIDE向用户提供了创建图形界面的所有工具，包括菜单、图形窗口、按钮等，这些工具极大地简化了GUI设计和生成的过程。在GUIDE平台下，用户首先定义界面的快捷菜单和控件的数量和属性，并确定控件的位置布局，然后根据要求编写控件的回调函数，最后运行调试生成满足用户要求的GUI界面[9-10]。

MATLAB GUI设计流程如图1所示。

2 真空电弧图像处理系统设计

2.1    电弧图像处理系统的功能特点和总体框架

为了更加深入地分析图像和提取图像特征，本文按照真空电弧图像处理技术采用的方法来设计系统的整体框架。整个系统主要由7个模块及其子模块组成，分别为灰度增强模块、添加噪声模块、图像滤波模块、彩色处理模块、边缘检测模块、形态学处理模块和特征提取模块等。为了使框架图清晰明了，各子模块内容不在此描述，图2为系统的总体框架。

2.2    真空电弧图像处理系统详细设计

2.2.1    GUIDE界面设计

根据真空电弧图像处理系统设计框架，首先在空白面板上添加2个图形窗口，分别显示原图和处理后的电弧图像;其次，拖拽3个面板、4个按钮组，作为电弧图像处理7个功能区域的面板;第三，分别向每个功能区域面板上拖拽相应的按钮;第四，向电弧图像特征提取模块的按钮组拖拽2个静态文本，作为电弧图像面积、周长特征值的显示;第五，打开对象属性查看器，在属性设置窗口完成每个功能模块控件的属性设置，包括设置“String”属性和“Tag”属性等;第六，利用菜单编辑器设置图像的打开、保存及退出等操作按钮;最后，将面板上的按钮和图形窗口做适度调整，达到简洁清晰的效果。本文设计的真空电弧图像处理系统GUIDE图形编辑界面如图3所示。

2.2.2    功能模块设计

真空电弧图像处理系统界面如图3所示。界面的显示区域共有2个窗口，分别显示原图像和处理后的图像，而图像保存的结果是处理后的图像。7个功能模块及子模块如下：（1）真空电弧图像灰度增强模块，包括灰度转化、自适应直方图均衡化、灰度直方图统计;（2）噪声模块，包括椒盐噪声、高斯噪声、乘法噪声和泊松噪声等;（3）真空电弧图像噪声滤除模块，包括自适应滤波、中值滤波和均值滤波等;（4）真空电弧图像彩色处理模块，包括图像的伪彩色和假彩色处理;（5）真空电弧图像边缘检测模块，包括常用的Canny算子、Log算子、Prewitt算子、Robers算子和Sobel算子5种方法;（6）真空电弧图像形态学处理模块，包括电弧图像二值化处理、去除无关区域和开运算;（7）真空电弧图像的形态特征提取模块，包括电弧面积、周长和灰度等值线等。

图4为图像特征提取模块运行结果，图像特征提取模块是真空电弧图像处理系统的核心部分，展示了真空电弧图像处理系统的运行效果。由于篇幅有限，其余模块功能不再一一展示。3 结语

本文介绍了基于MATLAB的真空開关电弧图像处理系统的总体设计框架和各功能模块的设计方法。该系统利用MATLAB软件的图像处理功能和GUI设计功能，开发了真空电弧图像增强模块、添加噪声模块、图像滤波模块、彩色处理模块、边缘检测模块、形态学处理模块和图像特征提取模块等7个功能性模块，并将这些模块进行了集成。该系统通过对电弧图像的一系列图像处理，滤除了噪声干扰，增强了图像特征，改善了图像的视觉效果，并对电弧图像的形态变化、纹理变化和分层变化等特征进行了定量分析。实验结果表明，该系统界面友好、易于操作，具有算法丰富、功能较全等优点，能方便快捷地对电弧图像进行处理，为进一步完善真空电弧的调控理论奠定了基础。

[参考文献]

[1] 王季梅.真空灭弧室性能参数分析[J].低压电器，2010（6）：1-5.

[2] SCHULINAN M.Effect of an Axial Magnetic Field upon the Develapment of the Vacuum Arc between Opening Electric Contacts [J].IEEE Trans on CHMT，1983，16（2）：180-189.

[3] 向川，黄智慧，董华军，等.真空开关电弧形态演变实验与仿真研究[J].真空科学与技术学报，2013，33（9）：871-876.

[4] 董华军，刘政君，郭英杰，等.真空开关电弧等离子体几何形态研究[J].真空科学与技术学报，2015，35（12）：1408-1413.

[5] 李奕，王振兴，刘志远，等.横向磁场下真空电弧运动形态三维重构研究[J].真空电子技术，2019（5）：14-20.

[6] 董华军，王正奇，刘政君，等.真空断路器电流峰值后弧柱收缩状态研究[J].真空科学与技术学报，2018，38（11）：944-948.

[7] 田小静，冯雨，郭英杰，等.基于小波变换和形态学细化算法的真空电弧形态检测[J].电工技术学报，2015，30（11）：110-114.

[8] 王永兴，李岚松，黄智慧，等.基于图像处理技术的真空电弧参数化研究[J].真空科学与技术学报，2019，39（10）：864-869.

[9] 厉俊.基于MATLAB GUI图像处理系统的设计与实现[J].软件工程，2020，23（5）：59-62.

[10] 苟辉，冯波，吴恒.Matlab GUI在PCB生产中的应用[J].电脑编程技巧与维护，2020（4）：135-136.

收稿日期：2020-09-08

作者简介：冯雨（1991—），男，陕西铜川人，助教，研究方向：机电一体化技术。