一种基于Hough变换的继电保护自动装置压板定位方法

黄伟豪，卢泳茵，罗其锋，范德和，袁拓来，闫超

HUANGWeihao，LUYongyin，LUOQifeng，FANDehe，YUANTuolai，YANChao

（广东电网有限责任公司中山供电局，广东中山528401）

（Zhongshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Company Limited，Zhongshan 528401，China）

0 引言

电力系统的正常运作是国民经济发展、人民安居乐业、社会稳定和谐重要的一环。在变电站运行过程中，由于设备启动投运、电网运行方式转换、设备停电复电等工作，需要配合投退相关的继电保护自动装置。自动装置在投退过程中一旦发生了误投退或者漏投退压板，在设备发生短路故障时继电保护及自动装置将拒动或误动，可能引发供电区域大面积停电、系统出错等事故，将会导致重大的经济损失，产生不良的社会影响。变电站运行工作人员对继电保护自动装置压板状态进行定期或专项核对，确保压板投退正确具着重要意义［1-5］。

目前用于继电保护自动装置压板智能图像识别的方法存在对压板开合状态识别偏差大，受图像多余信息干扰无法准确识别压板开合状态等问题。

本文提出基于Hough变换的继电保护自动装置压板定位的方法。通过对压板原始图像进行图像降噪、边缘检测等处理，并使用改进的Hough变换对处理后的压板图像进行变换和直线检测，实现继电保护自动装置压板的目标定位。

1 压板图像预处理

在图像分析中，图像质量的好与坏直接影响图像识别的设计以及识别的效果。图像预处理的目的是消除图像中无关的信息，增强真实有用信息的可检测性和最大限度地简化数据，从而改进特征抽取、图像分割、匹配和识别的可靠性。图像预处理技术包括图像灰度化、图像降噪和边缘检测［6-8］。

1.1 压板图像灰度化

彩色图像的每个像素是由R，G，B 3个颜色分量决定，每个分量可取值0～255，分别显示红、绿、蓝等各种颜色。灰度化就是使彩色的R，G，B分量相等的过程。灰度值大的像素点较亮（像素值最大为255，为白色），反之较暗（像素值最小为0，为黑色）。图像灰度化的核心思想是R=G=B，这个值叫灰度值，灰度化流程如图1所示。

图1 灰度化流程Fig.1 Flow of graying（algorithm）

继电保护自动装置压板图像经过灰度化后，将减小图像原始数据量，减少了后续处理的计算量。压板图像灰度化效果如图2所示。

图2 压板图像灰度化效果Fig.2 Image of the grayed pressure plate

1.2 压板图像降噪

本文所研究的压板图像由于灯光的反光、人影的反射、压板屏柜玻璃上污点等造成噪点，这些噪点无法完全消除，只能通过图像降噪技术对其进行抑制，达到提高图像质量的目的。

本文分别对压板原始图像进行中值滤波、高斯滤波和双边降噪滤波处理，对比效果如图3所示。

图3 压板图像降噪方法对比分析Fig.3 Comparativeanalysison noisereduction methodsfor pressureplateimages

通过对以上滤波方法处理后的图像进行分析可得，中值滤波处理后的图像一些细节已经被模糊化，文字变得模糊不清；高斯滤波处理后的图像虽然达到了去噪的目的，但是文字明显有重影现象，边界并不清晰；双边滤波降噪处理后的图像既达到去噪的作用，同时保留了更多的边缘信息，文字相对变得更加清晰。

双边滤波是一种非线性的滤波方法，与其他的滤波原理基本一样，但是其采用基于高斯分布的加权平均的方法。双边滤波采用图像的空间邻近度和像素值相似度2个因素综合处理，同时考虑空域信息和灰度相似性，达到保留边缘并且降低噪声的目的。保留边缘的这个效果可以非常好地满足后续直线检测要求。

本文后续研究所使用的图像均采用双边滤波的方法对压板图像进行降噪处理。

1.3 压板图像的边缘检测

边缘检测的目的是标识数字图像中亮度变化明显的点。图像属性中的显著变化通常反映了属性的重要事件和变化［9］。本文采用Canny算法对压板图像进行边缘检测。在众多的边缘检测技术中，Canny算法是一种相当优秀的边缘检测算法，其实现步骤如下。

（1）使用双边阈值滤波对图像进行处理，滤除一部分噪声。

（2）计算图像中每个像素点的梯度强度和方向。

（3）边缘的细化使用非极大值抑制，除边缘检测带来的杂散响应。

（4）使用双阈值检测来确定真实的和潜在的边缘。

Canny算法边缘检测流程如图4示。

图4 Canny算法边缘检测处理流程Fig.4 Processing flow of Canny algorithm edgedetection

采用Canny算法对压板图像边缘检测处理，图像中的边缘信息都被保留下，图像中的人影、灯光反射等无关信息都被过滤掉。压板图像边缘检测效果图，如图5所示。

图5 压板图像边缘检测效果（截图）Fig.5 Effect of edgedetection of platen image（screenshot）

2 Hough变换

2.1 经典Hough变换

Hough变换常被应用于图像处理领域的目标检测，它可以用来检测图像中的直线、圆、椭圆等几何曲线。Hough变换是图像空间和参数空间之间的一种变换。利用点线对偶特性将图像空间中的边界检测问题转换为参数空间中的累加统计问题［10-12］。

假如有一条直线y=kx+b在坐标平面O-xy上，如图6所示。

图6 直线方程坐标Fig.6 Coordinatediagram of thelinear equation Hough

变换的原理是把y=kx+b方程的参数与变量交换，即用x和y作为已知量，k和b作为变量坐标。那么在直线方程上面的每一点都对应于坐标平面O-kb上的一条直线，这些直线都会相交于点(k0，b0)，如图7所示。

图7 kb参数方程坐标Fig.7 Coordinate diagram of kb parameter equations

利用这个重要的性质即可以检测共点的直线。但是直线的斜率有可能会接近于无穷大。为了避免这种情况，Hough变换采用了另外一个参数空间：距离-角度参数空间，点(x，y)与距离、角度的关系，如图8所示。

图8 距离-角度方程坐标Fig.8 Coordinate diagram of the distance-angle equation

在新的距离-角度参数平面O-ρθ中，图像中的一个点变成了一条正弦曲线，而不是O-kb参数平面中的直线关系式，如公式（1）。正弦曲线的交点(ρ0，θ0)就是图像空间中检测的直线。根据式（1）可得到直线方程式式（2）［13-15］。

根据上述原理，可以采用边缘检测后的图像数据进行直线检测。由于边缘检测图只有黑白两色，需将为每一个白色的像素点的坐标(xn，yn)转化成距离-角度参数平面O-ρθ中的一条曲线，再根据曲线集合的交点找到直线方程式的参数ρ和参数θ，最后得到直线方程式。

2.2 改进的Hough变换

根据2.1所述的经典Hough变换原理，经过多次的试验证明，传统的Hough变换所检测的结果正确率不高，且算法运算时间较长，不能实现实时检测和识别的目的。本文对经典Hough变换增加共线点阈值和共线点端点距离阈值判断减少图像处理计算量；通过计算直线夹角去除多余直线，提高直线检测准确率。

（1）增加共线点阈值和共线点端点距离阈值。设定2个标准判定检测出的直线是否正确，设置共线点最小阈值Np，检测出的共线点的数量大于Np值时，判断为直线。设置直线长度最小阈值Dp，共线点的端点距离大于Dp值时，判断为直线。

通过设置阈值，实现了过滤短直线的目的。对压板图像设置不同的共线点阈值和共线点端点距离阈值，试验结果见表1。对压板图像设置不同的共线点阈值和共线点端点距离阈值，试验结果如图9所示。

表1 Np值与Dp值对比Tab.1 Comparison of Np and Dp thresholds

图9 不同Np和Dp阈值试验效果Fig.9 Renderingswith different threshold values of Np and Dp

根据表1和图5试验结果分析可得，阈值的设置对后续的处理有较大的影响。本文采用Np=300，Dp=15对压板图像进行直线检测处理。

（2）计算直线夹角去除多余直线。比较距离相近某2条直线的夹角，对于夹角趋于0°的，将距离相对近的直线合并成一条直线，如图10所示。

试验结果分析可得，图10a由于压板上下方的直线宽度较大，被识别为多条直线。经过使用改进的Hough变换，把距离相近、夹角为0°的直线去除，得到图10b所示的效果，使得Hough变换直线检测更加准确。

图10 去除多余直线效果Fig.10 Renderings without redundant lines

3 Hough变换压板定位实例

对压板图像进行图像二值化、降噪、边缘检测处理。运用改进Hough变换对处理后的压板图像进行直线检测，定位压板位置，效果如图11所示。

图11 Hough变换实现压板定位效果Fig.11 Pressure plate positioning realized by Hough transform

由试验结果分析可得，在采用改进Hough变换后，能够寻找相对精准的直线［16-17］。Hough变换直线检测处理过程包含了以下3个步骤。

（1）以左上角为原点，遍历所有的直线计算出每一条直线的斜率并记录。

（2）对比所有直线的斜率，保留斜率近似或者一样的直线（即保留平行直线）。

（3）剔除斜率不为0°的直线。

4 结论

本研究采用改进Hough变换对220 kV变电站继保室内40面压板屏柜的图像进行处理和压板定位，经过试验结果分析得到以下结论。

（1）经过对压板原始图像进行中值滤波、高斯滤波和双边降噪滤波处理对比分析，认为双边滤波降噪方法可达到保留边缘并且降低噪声的目的。

（2）采用Canny算法对压板图像边缘检测处理，可有效保留边缘信息，人影、灯光反射等无关信息都被过滤掉。

（3）对Hough变换增加共线点阈值和共线点端点距离阈值，计算直线夹角去除多余直线的改进，可有效地从继电保护自动装置压板图像中提取到直线特征。

（4）采用Hough变换对压板图像进行直线检测，根据直线检测结果可定位压板在图像的位置。