电器电弧运动机理及图像处理的研究

论文摘要

低压开关电器在开关负载电路时,电器触头间产生开关电弧,而电器的触头是完成切换功能的关键部件,是决定低压电器电寿命的主要因素。除触头设计要素起着重要的作用外,低压电器中电弧运动过程对分析电器的分断能力、电寿命以及电器是否发生故障起着相当重要的作用。要提高低压电器产品的可靠性,就必须研究各种因素对电弧运动过程的影响,以及从燃弧到灭弧整个过程的动态变化。由于开关电弧燃弧时间极短,不适合直接观察分析。因此开关电弧燃弧过程的可视化研究,对深入理解燃弧机理、分析电弧特性,为改进触头材料、改善电器结构设计、提高电器性能和提高产品可靠性提供支持。双目立体视觉主要研究运用两个摄像机对同一景物从不同位置拍摄成像,并根据几何原理实现如何三维场景的恢复。随着计算机技术的快速发展,双目立体视觉成为了计算机视觉领域的一个研究热点并被广泛的应用于智能机器人、生产自动化、医学等很多领域。因此开展本课题的研究工作具有重要的理论意义和实用价值。在分析已有的开关电弧可视化的基础上,提出了基于双CCD电弧动态过程的图像采集,研究了电弧动态过程的三维可视化技术。首先,双目立体视觉电弧图像采集系统硬件建立和软件设计;其次,研究了由高速双CCD器件采集的电弧图像处理,主要是对电弧图像的噪声消除和图像增强,如:触头和灭弧室等弱特征的增强方法。其中,在进行图像降噪处理时,论文中运用了一种新型的层次映射算法,有效地提升了信噪比。第三,提出了基于支持向量机高斯核SVM的电弧图像边缘检测方法,采用径向基RBF核函数,引入拉格郎日Lagrange函数分类,构造了一种新的边缘检测模型;最后,为了进一步提高图像匹配精度,对一种全局最优的基于遗传算法的立体匹配进行了改进,提出了自适应遗传退火立体匹配算法(GASA),从而获得清晰准确的电弧轮廓,取得了更为优化的匹配效果。立体匹配后,进而对物体进行三维重建,最后用OpenGL可视化输出。利用该电弧图像采集系统,可以看到立体电弧运动过程,对深入研究电弧的运动机理提出了新的分析方法和手段。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1-1 低压电器开关电弧
• 1-1-1 低压电器电弧研究的意义
• 1-1-2 电弧产生原理
• §1-2 国外研究现状
• §1-3 国内研究现状
• §1-4 本文所作的主要工作
• 第二章 双目立体视觉的理论基础
• §2－1 图像传感器CCD工作原理
• 2-1-1 CCD简介
• 2-1-2 CCD选取及驱动时序
• §2－2 坐标系的表示方法
• 2-2-1 世界坐标系
• 2-2-2 图像坐标系
• 2-2-3 相机坐标系
• 2-2-4 齐次坐标
• §2－3 双目视觉系统的基本原理
• §2－4 本章小结
• 第三章 电弧图像采集系统的建立与实现
• §3－1 实验系统的基本组成
• §3－2 实验系统的硬件和软件设计
• 3-2-1 电弧图像采集系统的硬件设计
• 3-2-2 系统控制机构
• 3-2-3 系统软件功能设计
• §3－3 本章小结
• 第四章 电弧的图像处理
• §4－1 电弧图像噪声
• 4-1-1 图像噪声的种类
• 4-1-2 本系统图像噪声的产生原因分析
• 4-1-3 重要图像噪声的概率密度函数
• 4-1-4-1 瑞利噪声
• 4-1-4-2 伽马噪声
• 4-1-4-3 脉冲噪声
• 4-1-4-4 高斯噪声
• §4－2 电弧图像噪声的去除方法
• 4-2-1 小波变换预备知识
• 4-2-1-1 一维图像的小波变换
• 4-2-1-2 二维图像的小波变换
• 4-2-2 空间域滤波
• 4-2-3 小波变换域滤波
• 4-2-4 图像小波降噪的算法及分析
• §4－3 采用直方图的图像增强表示方法
• 4-3-1 直方图算法
• 4-3-2 直方图均衡化
• 4-3-3 直方图局部增强
• §4－4 运动引起的图像模糊
• §4－5 本章小结
• 第五章 图像边缘提取
• §5－1 边缘概念及其导数性质
• §5－2 边缘检测的数学知识
• §5－3 边缘检测方法
• §5－4 空间聚类
• 5-4-1 支持向量机（SVM）的基本理论
• 5-4-2 算法思想
• 5-4-3 实验比较支持向量机（SVM）分类精度
• 5-4-4 基于支持向量机的图像边缘检测模型
• §5－5 本章小结
• 第六章 图像匹配和电弧三维立体成像
• §6－1 相似度测量
• 6-1-1 互相关相似性测度方法
• 6-1-2 傅立叶分析的测度方法
• §6－2 图像匹配算法研究
• 6-2-1 匹配原理
• 6-2-2 遗传算法
• 6-2-3 模拟退火法算法
• 6-2-4 图像匹配的约束条件及匹配策略
• 6-2-5 自适应遗传退火立体匹配算法设计
• 6-2-6 自适应遗传退火立体匹配算法具体执行过程
• §6－3 本章小结
• 第七章实验系统分析电弧运动机理
• §7－1 实验结果
• §7－2 实验结果分析
• 第八章 结论和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的相关学术论文