一种室外场景下指针式表计读数的检测方法

1.本发明属于电力测量技术领域，具体涉及一种基于深度学习室外场景下能够有效避免阴影干扰的指针式表计读数的检测方法，可用于室外场景下表计读数的自动识别。


背景技术：

2.电力系统面临着复杂环境，对其电力设备进行巡检是保证电力系统安全运行的必要环节。其中，仪表读数是巡检过程的重要内容。
3.目前，传统变电站的大部分表计为指针式表计，不能实现数字化采集数据，而依靠人工收集数据效率低下。因此通过无人机、摄像头、巡检机器人智能化检测sf6气压表的指针读数，对实时监测、收集表计数据，减轻运维人员巡视任务有很大帮助。而在室外场景下仪表的读数将会收到诸多干扰，如阳光带来的阴影、反光和表盘上的污渍。如何克服此中诸多干扰实现准确读数是一个重要的研究课题。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种室外场景下指针式表计读数的检测方法，该方法能够有效避免阳光照射带来的阴影干扰。
5.本发明的技术解决方案具体如下：
6.一种室外场景下指针式表计读数的检测方法，包括如下步骤：
7.步骤1、训练可用于表盘目标检测的yolov7神经网络；
8.步骤2、将检测到的仅包含表盘的候选框图像裁剪后并进行图像预处理；
9.步骤3、提取预处理图像中始末刻度线；
10.步骤4、对预处理图像进行二值图重构并提取指针；
11.步骤5、采用角度法计算表计读数。
12.进一步地，步骤1中，训练的具体步骤如下：
13.步骤1.1：采集室外场景下的包含表计部分的图像；
14.步骤1.2：通过labelimg在图像样本上标注待检测仪表表盘的候选框并注明类别；
15.步骤1.3：将标注好的xml、jpg格式的数据集投入到网络中进行训练。
16.进一步地，步骤2中，图像预处理的具体步骤如下：
17.步骤2.1：霍夫圆检测算法检测表盘，检测出后裁剪出表盘图像；
18.步骤2.2：对裁剪出的表盘图像进行色阶变换，通过调整表计图像的r，g，b通道的值以进行色阶调节，使得表计的指针、刻度线与表盘其他区域对比更明显，明显改善光照条件较差场景指针、起始刻度线难以提取的问题；
19.步骤2.3：均值滤波，用于消除图像尖锐的噪声，使图像整体变得平滑；
20.步骤2.4：高斯滤波，为图像保持更多的原始细节；
21.步骤2.5：灰度化，减少图像处理的计算量，提高图像处理效率；
22.步骤2.6：二值图，根据图像中的像素值按照一定阈值重新分配新的像素值，去除
仪表盘的一部分由于光线不均匀产生的过暗、过亮区域的影响，而且由于此时仪表的二值图只存在黑白两种像素，为后续算法对于指针轮廓的提取带来便利。
23.进一步地，在步骤3中，提取始末刻度线的具体步骤如下：
24.步骤3.1：在二值图中采用概率霍夫变换检测直线并保存直线两端坐标数据；
25.步骤3.2：通过直线两端坐标计算斜率、直线长度数据；
26.步骤3.3：设定判定条件，通过直线的纵坐标限定在表盘下半区域，并根据直线长度、斜率范围筛选出具有始末刻度线特征的直线；
27.步骤3.4：输出始末刻度线的位置，并计算两刻度线的夹角。
28.进一步地，步骤4中，在重构二值图、提取指针信息步骤如下：
29.步骤4.1：使用suzuki算法对预处理的二值图进行轮廓提取，并保存轮廓提取中的轮廓点集；
30.步骤4.2：使用minarearect、boxpoint函数获得轮廓提取框的长、宽、倾角信息；
31.步骤4.3：根据统计的数据信息，通过轮廓方框的长、宽去除宽度较小的轮廓，以保留带有指针的关键轮廓，并去除掉阳光、表盘污渍等轮廓带来的干扰，生成新的二值图；
32.步骤4.4：在重构的二值图中使用概率霍夫变换检测直线；
33.步骤4.5：根据检测到的直线长度进行筛选，选取检测到最长的直线为指针，并记录下指针两端的坐标。
34.进一步地，步骤5中，采用角度法计算读数的具体步骤如下：
35.步骤5.1：计算始末刻度线之间的夹角α1；
36.步骤5.2：计算起始刻度线与指针之间的夹角α2；设圆心的坐标为(x0,y0)，检测到的刻度线的坐标为(x1,y1)，指针的坐标为(x2,y2)，计算的示意图如图4所示
37.其计算公式如(1)，(2)所示，
[0038][0039][0040]
始末刻度线之间的夹角α1，起始刻度线与指针的夹角α2＝θ1+θ2；
[0041]
步骤5.3：读数其中l为量程。
[0042]
本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：本发明可以用于电力场景下的表计读数，并且可以克服阳光带来的阴影、反光和表盘上的污渍对表计读数的影响，在节省人力资源的同时也保障了电力安全。
附图说明
[0043]
图1是本发明的应用场景图；
[0044]
图2是本发明通过yolov7检测到的表盘图像图；
[0045]
图3是本发明识别出的指针与始末刻度线示意图；
[0046]
图4是本发明计算示意图；
[0047]
图5为本发明克服阳光阴影识别指针示意图。
具体实施方式
[0048]
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0049]
如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明提供了一种室外场景下指针式表计读数的检测方法，包括以下步骤：
[0050]
步骤1：在220kv开关柜前布置监控摄像头，拍摄室外场景下包含表盘的图像如图1所示：
[0051]
步骤2：训练可用于表盘目标检测的yolov7神经网络。在采集室外场景下的包含表计部分的图像后，通过labelimg在图像样本上标注待检测仪表表盘的候选框并注明类别，最后将标注好的xml、jpg格式的数据集投入到网络中进行训练。
[0052]
步骤3：网络训练完成后，将监控摄像头采集到的图像输入到部署算法的装置中，此后对检测到的仅包含表盘的候选框图像裁剪后进行图像预处理；
[0053]
步骤4：提取预处理图像中始末刻度线；
[0054]
步骤5：对预处理图像进行二值图重构并提取指针；
[0055]
步骤6：经过上述步骤处理后提取的始末刻度线以及指针的示意图如图2所示，此时采用角度法进行计算表计读数并输出算法检测到的表计读数结果。
[0056]
本实施例解释了一种基于深度学习的室外场景下表计读数检测的应用过程，本发明可以用于电力场景下的表计读数，并且可以克服阳光带来的阴影、反光和表盘上的污渍对表计读数的影响(其克服阳光阴影识别指针具体效果如图5所示)在节省人力资源的同时也保障了电力安全。
[0057]
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
[0058]
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种室外场景下指针式表计读数的检测方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1、训练可用于表盘目标检测的yolov7神经网络；步骤2、将检测到的仅包含表盘的候选框图像裁剪后并进行图像预处理；步骤3、提取预处理图像中始末刻度线；步骤4、对预处理图像进行二值图重构并提取指针；步骤5、采用角度法计算表计读数。2.根据权利要求1所述的一种室外场景下指针式表计读数的检测方法，其特征在于：在步骤1中，训练的具体步骤如下：步骤1.1：采集室外场景下的包含表计部分的图像；步骤1.2：通过labelimg在图像样本上标注待检测仪表表盘的候选框并注明类别；步骤1.3：将标注好的xml、jpg格式的数据集投入到网络中进行训练。3.根据权利要求1所述的一种室外场景下指针式表计读数的检测方法，其特征在于：在步骤2中，图像预处理的步骤包括：步骤2.1：霍夫圆检测算法检测表盘，检测出后裁剪出表盘图像；步骤2.2：对裁剪出的表盘图像进行色阶变换，通过调整表计图像的r，g，b通道的值以进行色阶调节，使得表计的指针、刻度线与表盘其他区域对比更明显，明显改善光照条件较差场景指针、起始刻度线难以提取的问题；步骤2.3：均值滤波，用于消除图像尖锐的噪声，使图像整体变得平滑；步骤2.4：高斯滤波，为图像保持更多的原始细节；步骤2.5：灰度化，减少图像处理的计算量，提高图像处理效率；步骤2.6：二值图，根据图像中的像素值按照一定阈值重新分配新的像素值，去除仪表盘的一部分由于光线不均匀产生的过暗、过亮区域的影响，而且由于此时仪表的二值图只存在黑白两种像素，为后续算法对于指针轮廓的提取带来便利。4.根据权利要求1所述的一种室外场景下指针式表计读数的检测方法，其特征在于：在步骤3中，提取始末刻度线的具体步骤如下：步骤3.1：在二值图中采用概率霍夫变换检测直线并保存直线两端坐标数据；步骤3.2：通过直线两端坐标计算斜率、直线长度数据；步骤3.3：设定判定条件，通过直线的纵坐标限定在表盘下半区域，并根据直线长度、斜率范围筛选出具有始末刻度线特征的直线；步骤3.4：输出始末刻度线的位置，并计算两刻度线的夹角。5.根据权利要求1所述的一种室外场景下指针式表计读数的检测方法，其特征在于：在步骤4中，对预处理后的图像进行二值图重构并提取指针的步骤如下：步骤4.1：使用suzuki算法对预处理的二值图进行轮廓提取，并保存轮廓提取中的轮廓点集；步骤4.2：使用minarearect、boxpoint函数获得轮廓提取框的长、宽、倾角信息；步骤4.3：根据统计的数据信息，通过轮廓方框的长、宽去除宽度较小的轮廓，以保留带有指针的关键轮廓，并去除掉阳光、表盘污渍等轮廓带来的干扰，生成新的二值图；步骤4.4：在重构的二值图中使用概率霍夫变换检测直线；步骤4.5：根据检测到的直线长度进行筛选，选取检测到最长的直线为指针，并记录下
指针两端的坐标。6.根据权利要求1所述的一种室外场景下指针式表计读数的检测方法，其特征在于：在步骤5中，采用角度法计算读数的具体步骤如下：步骤5.1：计算始末刻度线之间的夹角α1；步骤5.2：计算起始刻度线与指针之间的夹角α2；设圆心的坐标为(x0,y0)，检测到的刻度线的坐标为(x1,y1)，指针的坐标为(x2,y2)，其计算公式如(1)，(2)所示，其计算公式如(1)，(2)所示，始末刻度线之间的夹角α1，起始刻度线与指针的夹角α2＝θ1+θ2；步骤5.3：读数其中l为量程。

技术总结
本发明公开了一种室外场景下指针式表计读数的检测方法，包括如下步骤：(1)通过YOLOv7网络对表计进行目标检测获得仅包含表盘的候选框图像；(2)对上述图像进行霍夫圆检测后裁剪出表盘；(3)对表盘图像进行预处理；(4)根据刻度线特征检测表盘的始末刻度线；(5)采用Suzuki算法进行轮廓提取；(6)提取完轮廓后对图表上的轮廓进行分离并重构表盘二值图，去除阳光阴影、污渍、符号、数字的干扰。本发明通过深度学习、目标检测以及图像处理、检测技术，可以用于电力场景下的表计读数。该方法可以克服阳光带来的阴影、反光和表盘上的污渍对表计读数的影响，节省了人力资源，保障了电力安全。保障了电力安全。保障了电力安全。


技术研发人员：王波 刘萌 马富齐 罗鹏 王雷雄 马恒瑞 张嘉鑫 张迎晨
受保护的技术使用者：西安理工大学 武汉敏捷数云信息技术有限公司
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/8/13