徐耀良，張少成，楊 寧，趙萬劍，祝 毅

(上海電力學(xué)院電力與自動化學(xué)院，上海 200090)

我國地域遼闊，各地區(qū)的地形、氣候等自然環(huán)境差異較大，架空輸電線路經(jīng)常需要經(jīng)過高山、江河、湖泊地區(qū)，并且經(jīng)常遭遇嚴(yán)重覆冰等自然災(zāi)害，使得傳統(tǒng)的人工目測巡線方式存在工作量大、效率偏低、檢測準(zhǔn)確率低且危險性高等缺點.因此，使用直升機巡線航拍，并利用圖像處理技術(shù)檢測故障是未來巡線方式的必然發(fā)展方向［1］.

絕緣子是架空輸電線路的重要組成部分，其作用是支撐導(dǎo)線和防止電流回地.因此，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)從航拍圖像中提取絕緣子圖像是架空輸電線路故障自動檢測的基礎(chǔ)步驟.目前，國內(nèi)外文獻大多采用邊緣檢測方法對絕緣子圖像進行定位［2，3］，取得了較好的效果.但是由于輸電線路走廊背景的復(fù)雜性，一般的航拍圖像中都存在著大量干擾噪音，使得邊緣檢測算法非常復(fù)雜，既影響了絕緣子圖像的提取速度，也影響了圖像精度.針對這些缺點，本文提出了一種基于閾值分割與二次定位的新提取算法，能夠從復(fù)雜背景的航拍圖像中獲得比較精確的絕緣子圖像.

1 提取算法的框架

本文的提取算法針對航拍圖像的飽和度分量進行處理，分為預(yù)處理、粗定位、細定位3部分.該算法通過閾值法分割絕緣子圖像與背景圖像，并使用高斯濾波器與形態(tài)學(xué)濾波器去除干擾提取的噪音.算法框架如圖1所示.

圖1 提取算法框架

2 圖像的預(yù)處理

運用計算機顯示和處理圖像時必須基于顏色空間模型，RGB空間與HSI空間則是最常用的顏色空間模型.直升機航拍的輸電線路絕緣子圖像就是基于RGB空間，如圖2所示.

圖2 絕緣子航拍圖像

RGB顏色空間簡單、直觀，但是存在著兩點不足:一是對物體的顏色描述復(fù)雜，各個分量之間冗余信息很多;二是RGB空間中兩點的歐氏距離與實際顏色距離不是線性關(guān)系，因此難以控制閾值范圍，在圖像分割時容易將非目標(biāo)物體包括進去，也容易漏掉應(yīng)識別的部分.

而HSI顏色空間模型則使用色度Hue、飽和度Saturation、亮度Intensity 3個分量描述色彩，比較接近人眼感知［4，5］.因此本文算法采用了基于HSI的顏色空間模型.RGB分量到HSI分量的轉(zhuǎn)換公式為:

通過研究大量的絕緣子航拍圖像發(fā)現(xiàn)，HSI空間中的色調(diào)分量能夠準(zhǔn)確反映目標(biāo)顏色，但由于對外界光照條件變化不敏感，不易將絕緣子與背景中的水、樹木分離;亮度分量只反映目標(biāo)明暗程度，也不適合用來提取絕緣子;飽和度分量能夠準(zhǔn)確反映絕緣子與背景的差異.因此，本文選用飽和度分量圖提取絕緣子圖像［6］.

由于架空輸電線路附近存在較強的電磁環(huán)境，使得航拍時不可避免地產(chǎn)生一些干擾噪音，而且輸電線走廊的背景也比較復(fù)雜，存在著許多干擾絕緣子識別的物體.因此，在分割圖像前需要進行濾波平滑.本文選擇高斯濾波器對圖像進行濾波平滑，其作用主要有兩個:一是降低圖像的細節(jié)層次，減少背景中的細小噪音;二是平滑邊緣，減弱大尺度的噪音，使其更容易被濾波器濾除.

高斯濾波器的性能由其標(biāo)準(zhǔn)差δ控制，其值與去噪效果成正比，但與邊緣銳度成反比。由于本文使用閾值法而非邊緣檢測法分割圖像，因此可以選取較大的δ值而不影響提取效果。

通過使用高斯濾波器對圖像進行平滑處理后，發(fā)現(xiàn)高斯濾波器能夠明顯減少背景中的細小噪音數(shù)量并縮小大尺度噪音，但對于圖像特征類似于絕緣子的干擾噪音，則難以消除.

3 提取絕緣子圖像

經(jīng)過預(yù)處理后，原始的RGB航拍圖像已經(jīng)轉(zhuǎn)化成S分量圖，并且濾除了大部分的干擾噪音，可以進行絕緣子的提取.為了降低剩余噪音對絕緣子提取的干擾，本文算法使用了二次定位法，即先通過粗定位選定絕緣子的大致位置，再通過細定位確定絕緣子的精確輪廓.

3.1 絕緣子粗定位

3.1.1 雙閾值分割

經(jīng)過預(yù)處理所得的飽和度分量圖像僅僅是一個矩陣數(shù)組，計算機還無法辨別其中的目標(biāo)部分與背景部分，因此需要對圖像作進一步的處理，標(biāo)記出目標(biāo)圖像.本文選擇閾值法標(biāo)記目標(biāo)圖像.

考慮到輸電線走廊環(huán)境中經(jīng)常出現(xiàn)一些圖像特征與絕緣子相似的干擾物體，簡單的單閾值分割法無法準(zhǔn)確地將它們與絕緣子圖像分離.本文使用雙閾值法來分割圖像，方法如下.

式中:f(x，y)——原圖;

g(x，y)——分割后的圖像，分割后的圖像將目標(biāo)標(biāo)記為1，背景標(biāo)記為0.

雙閾值法能夠有效避免與絕緣子圖像特征相似物體的干擾，可以更準(zhǔn)確地標(biāo)記出絕緣子的位置.

3.1.2 形態(tài)學(xué)濾波

經(jīng)過雙閾值法分割圖像后，已經(jīng)可以將絕緣子從復(fù)雜背景中標(biāo)記出來.但由于分割后的圖像還存在很多的塊狀和線條狀區(qū)域，影響粗定位的準(zhǔn)確度，針對這些噪音，本文采用了形態(tài)學(xué)濾波器進行濾除.

形態(tài)學(xué)濾波是非線性的濾波方法，它用一定的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素來保留或消除圖像中的對應(yīng)形狀，達到濾波效果.形態(tài)學(xué)濾波算法包括形態(tài)學(xué)運算和結(jié)構(gòu)元選取兩個部分.膨脹和腐蝕是最基本的形態(tài)學(xué)運算，它們互為對偶運算，其定義如下.

膨脹運算:dilation(A，B)={c│c=a+b，a∈A，b∈B}.

腐蝕運算:erosion(A，B)={a│(a+b)∈A，a∈A，b∈B}.

對圖像先腐蝕再膨脹稱為開運算，可以清除圖像某些微小的聯(lián)結(jié)、邊緣毛邊和孤立點;先膨脹再腐蝕則稱為閉運算，可以用來填充孔洞，提高圖像的連通性.形態(tài)學(xué)濾波器的濾波性能主要取決于結(jié)構(gòu)元素的選取，常用的結(jié)構(gòu)元素有線結(jié)構(gòu)元、方結(jié)構(gòu)元和圓結(jié)構(gòu)元等［7］.

本文使用了雙結(jié)構(gòu)級聯(lián)濾波器，將兩種不同結(jié)構(gòu)和尺寸的結(jié)構(gòu)元級連起來，后面的結(jié)構(gòu)元尺寸大于前面的結(jié)構(gòu)元.由于不同的結(jié)構(gòu)元對圖像的作用并不相同，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)元之間開閉運算的順序，雙結(jié)構(gòu)級聯(lián)濾波器就可以消除不同的“毛刺”，填充不同的“孔洞”.本文先使用5×5的圓盤結(jié)構(gòu)元對圖像進行閉運算，再使用9×9的方形結(jié)構(gòu)元對閉運算后的圖像進行開運算，最終的濾波結(jié)果如圖3所示.對形態(tài)學(xué)濾波后的圖像進行垂直投影與水平投影，即可標(biāo)記出絕緣子的大致位置.根據(jù)圖3的投影標(biāo)記，可以提取出如圖4所示的絕緣子粗定位圖.

圖3 濾波后的絕緣子標(biāo)記

圖4 絕緣子粗定位

3.2 絕緣子細定位

經(jīng)過前面的粗定位后，獲得了如圖4所示的絕緣子圖像，相較于原來的完整圖像，其背景噪音明顯減少，可以進行絕緣子的細定位.其步驟如下:先增大閾值范圍將粗定位圖二值化，再使用更小尺度的雙結(jié)構(gòu)級聯(lián)形濾波器對圖像進行平滑標(biāo)記，得到如圖5所示的絕緣子標(biāo)記圖像，從而準(zhǔn)確提取出如圖6所示的圖像.

圖5 絕緣子細定位標(biāo)記

圖6 提取出的絕緣子

4 結(jié)語

本文提出的算法充分考慮了直升機航拍圖像中背景圖像的復(fù)雜性，使用了兩次定位法以提高提取絕緣子圖像的準(zhǔn)確度，通過多種方法對航拍圖像進行去噪處理，其計算實例表明:該算法確實能夠有效地濾除航拍圖像中的細小噪音與相似物體，可以提取出準(zhǔn)確的絕緣子圖像.

［1］馬帥營.直升機巡檢輸電線路中絕緣子圖像的分割方法［D］.大連:大連海事大學(xué)，2009.

［2］PEUNGSUNGWAI S，PUNGSIRI B，CHAMNONGTHAI K.Autonomous robot for a power transmission lines inspection［J］.Circuit and Systems，2001(2):121-124.

［3］劉國海，朱珠.圖像處理技術(shù)在超高壓巡檢機器人視覺系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.計算機工程與設(shè)計，2009，30(1):136-140.

［4］賀詳，袁健，許華虎.不穩(wěn)定光照條件下多機器人的視覺系統(tǒng)設(shè)計［J］.上海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，16(3):306-311.

［5］陰炳皓，趙臣，韓曉軍.基于改進的HIS空間模型的目標(biāo)搜索方法［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，32(1):6-10.

［6］WS Kim，RH park.Color image palette construction based on the HIS color system for minimizing the reconstruction error［C］//Proceeding ofInternationalConference on Image Processing，1996(3):1 041-1 044.

［7］陳芳，姚建剛，李佐勝.絕緣子串紅外圖像中單個絕緣子盤面的提取方法［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(5):220-224.