夏 晶 胡 娟

（同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

隨著環(huán)境污穢的加重，輸變電線路中絕緣子表面污穢加劇，當(dāng)遇到大霧、融雪、霜露等惡劣天氣時(shí)，電網(wǎng)污閃事故頻發(fā)[1-3]。高壓線路絕緣子污穢監(jiān)測是電力系統(tǒng)絕緣監(jiān)測的一個(gè)重要課題，本文提出一種運(yùn)用可見光成像設(shè)備獲取彩色圖像，結(jié)合圖像處理技術(shù)，在 HSV顏色空間中提取表征表面污穢度的特征，通過特征值實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣子污穢等級(jí)分類的新型外絕緣污穢檢測方法。這種方法可實(shí)現(xiàn)非接觸性測量，不易受電磁干擾，安全、經(jīng)濟(jì)、便捷。試驗(yàn)結(jié)果表明該方法簡單有效，便于實(shí)施。

1 外絕緣污穢彩色圖像檢測基本原理

當(dāng)絕緣子表面有沙塵、鹽堿等污穢時(shí)，會(huì)覆蓋絕緣子原本的顏色特征，表現(xiàn)出沙塵的視覺特性，在視覺及可見光彩色圖像中表現(xiàn)的特征即表面積污區(qū)域顏色發(fā)生改變。通過在顏色空間中對(duì)絕緣子圖像進(jìn)行顏色特征值的提取，可以將這種改變量化，利用顏色差異實(shí)現(xiàn)絕緣子表面污穢狀態(tài)的檢測。

為實(shí)現(xiàn)絕緣子污穢狀態(tài)的自動(dòng)檢測與識(shí)別，本文提出如圖 1所示的外絕緣污穢狀態(tài)識(shí)別流程。整個(gè)識(shí)別過程主要包括 3個(gè)部分：圖像預(yù)處理、特征提取和污穢狀態(tài)識(shí)別。圖像預(yù)處理包括圖像濾波、顏色空間轉(zhuǎn)換等，目的是減少圖像中的干擾；特征提取部分提取目標(biāo)區(qū)域中表征顏色、可反映絕緣子表面污穢狀態(tài)的特征值。

2 圖像預(yù)處理

2.1 圖像濾波

由于絕緣子圖像在自然采集過程中受到天氣和光照的影響，正常情況下成像時(shí)絕緣子的統(tǒng)一色度存在一定的色散現(xiàn)象。因此，首先對(duì)圖像做平滑處理，消除含有的背景噪聲。

根據(jù)文獻(xiàn) 4所述，中值濾波法是一種非線性平滑技術(shù)，它將每一像素點(diǎn)的值設(shè)置為該點(diǎn)某鄰域窗口內(nèi)的所有像素點(diǎn)的中值，對(duì)椒鹽噪聲等有很好的濾除效果。本文選用3×3的中值濾波進(jìn)行處理。

2.2 顏色空間轉(zhuǎn)換

選取合適的顏色空間對(duì)特征的選取和降低光照等環(huán)境因素的影響有著至關(guān)重要的作用。一般圖像默認(rèn)保存格式為基于RGB（紅R、綠G、藍(lán)B）彩色模型的圖像。HSV指H（色相）、S（飽和度）、V(色調(diào))，根據(jù)文獻(xiàn)5可知，它是基于人類對(duì)色彩感覺的非線性變換，能更好的描述人類對(duì)顏色的認(rèn)識(shí)規(guī)律，且各分量之間的相關(guān)性小。此外，H、S分量包含了顏色信息，對(duì)光線和陰影不敏感，可以區(qū)分不同顏色的物體。為了更好的進(jìn)行圖像分割和特征提取，先將彩色圖像由 RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到HSV空間。

圖2（a）所示為濾波后的彩色圖，圖2（b）、圖2（c）、圖2（d）分別為轉(zhuǎn)換為灰度圖以后的H分量圖、S分量圖和V分量圖。

3 特征提取和選擇

3.1 目標(biāo)區(qū)域的確定方法

圖 2（a）反映了在變電站現(xiàn)場拍攝到的典型絕緣子圖片內(nèi)容，圖片中的主體部分為絕緣子，除此之外，還有建筑物及其他電力設(shè)備等，背景復(fù)雜。為了確保提取特征的有效性，目標(biāo)區(qū)域須為絕緣子盤面部分。本文實(shí)驗(yàn)中采集的圖片針對(duì)絕緣子進(jìn)行采樣，過調(diào)整焦距，可以保證中心部分（即長寬均屬于整幅圖像的1/3至2/3部分）全部為絕緣子盤面部分（設(shè)備的型號(hào)等見第5節(jié)）。因此，選取中心部分進(jìn)行特征提取。

3.2 特征值的提取

依據(jù)絕緣子圖像分割所得的盤面目標(biāo)區(qū)域，可提取出如下表征顏色的特征參數(shù)：（1）絕緣子盤面部分H分量的平均值、最大值、最小值、極差（最大值-最小值）、中值、方差；（2）絕緣子盤面部分S分量的平均值、最大值、最小值、極差（最大值-最小值）、中值、方差；（3）絕緣子盤面部分V分量的平均值、最大值、最小值、極差（最大值-最小值）、中值、方差；（4）絕緣子盤面部分R分量的平均值、最大值、最小值、極差（最大值-最小值）、中值、方差；（5）絕緣子盤面部分G分量的平均值、最大值、最小值、極差（最大值-最小值）、中值、方差；（6）絕緣子盤面部分B分量的平均值、最大值、最小值、極差（最大值-最小值）、中值、方差。

3.3 基于方差分析的特征值選擇

能反映顏色的特征量很多，并不是所有的特征都能有效的表征污穢度。同時(shí)由于圖像數(shù)據(jù)量大，處理費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。為此，在得到上述多項(xiàng)反映絕緣子表面顏色的特征時(shí)，需要選擇其中最能反映目標(biāo)重要的、本原的特征量。重要特征[6]，指以它們作為分量的特征點(diǎn)在特征空間中同類相聚、異類分散；本原特征，指特征絕對(duì)性較強(qiáng)，最大限度地不依賴于特征獲得時(shí)的條件和環(huán)境，即盡量減少設(shè)備、環(huán)境等因素對(duì)特征的影響。這時(shí)，需要利用成熟的統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行選擇，本文引入方差進(jìn)行評(píng)判。對(duì)兩類數(shù)據(jù)，為了實(shí)現(xiàn)分類，有效的特征能使兩類的類內(nèi)方差較小而類間方差較大，為了衡量其優(yōu)劣性，使用類間方差與類內(nèi)方差的比值來量化，稱為Fisher準(zhǔn)則函數(shù)值 JF(i)[6]。第i維特征的類內(nèi)方差與類間方差的計(jì)算分別方法如下：

ω=1,2為污穢狀態(tài)類別，i為特征維數(shù)，I = 1…12，k為樣本的類別數(shù)，k = 1為輕度污穢，k = 2為重度污穢，為第k類樣本的第i維特征值，為第k類樣本的第i維特征值的均值， m(k)為所有樣本的第i維特征值的均值，為第k類樣本的第i維特征值的個(gè)數(shù)，ni為兩類樣本的第i維特征的總個(gè)數(shù)。圖3所示為計(jì)算所得36維特征值的JF函數(shù)值，其中H、S、V、R、G、B分別代表H分量、S分量、V分量、R分量、G分量、B分量，av、max、min、range、mid、var分別代表平均值、最大值、最小值、極差、中值、方差。

從圖中可以看出，以 JF值為標(biāo)準(zhǔn)來衡量各特征值分類有效性，從高到低分別為：S分量平均值、S分量中值、R分量極差、R分量最大值、H分量平均值等。以JF=1作為判定特征取舍的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得出，S分量平均值、S分量中值的Fisher準(zhǔn)則函數(shù)值分別為1.8970和1.8131，符合要求。如圖4所示，不同污穢等級(jí)絕緣子圖像在以上兩個(gè)特征值具有較好的區(qū)分度。

4 結(jié)論

本文提出了一種全新的基于可見光圖像的高壓絕緣子污穢等級(jí)檢測方法。針對(duì)深圳供電局所屬各變電站現(xiàn)場獲得的圖像樣本，首先在圖像預(yù)處理階段完成濾波和顏色空間轉(zhuǎn)換，然后提取和篩選盤面部分反映絕緣子表面污穢狀態(tài)的特征值。結(jié)果表明，該方法能有效的實(shí)現(xiàn)外絕緣污穢狀態(tài)的識(shí)別，具有較好參考價(jià)值和應(yīng)用前景。

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[2] 關(guān)志成,劉瑛巖,周遠(yuǎn)翔,等.絕緣子及輸變電設(shè)備外絕緣[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[3] 宿志一.防止大面積污閃的根本出路是提高電網(wǎng)的基本外絕緣水平——對(duì)我國電網(wǎng)大面積污閃事故的反思[J].中國電力,2003,32(12):57-61.

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