姜文濤，劉榮海，楊迎春，張少泉，陳曉云

（1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217；2. 華北電力大學(xué) 機(jī)械工程系，河北 保定 071003）

0 引言

近年，X射線數(shù)字影像[1-2]尺寸測(cè)量廣泛應(yīng)用在電力設(shè)備檢測(cè)上。它以X射線數(shù)字影像為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)量軟件計(jì)算目標(biāo)的長(zhǎng)度、角度、面積、輪廓等各種幾何參數(shù)，而不破壞實(shí)體。

目前，常規(guī)X射線數(shù)字成像軟件測(cè)量模塊[3]僅可實(shí)現(xiàn)X射線圖像上兩點(diǎn)間距離的直線測(cè)量和以一點(diǎn)為中心兩直線之間的角度測(cè)量，不能夠?qū)D像輪廓及面積尺寸進(jìn)行測(cè)量，無(wú)法全面滿足電力設(shè)備 X射線影像分析的需要。

為了滿足X射線影像測(cè)量的需要，文中利用圖像降噪、增強(qiáng)、特征提取和缺陷識(shí)別等算法，開(kāi)發(fā)了X射線影像尺寸測(cè)量軟件，該軟件不僅能實(shí)現(xiàn)X射線影像直線距離和角度的測(cè)量，而且還可實(shí)現(xiàn)輪廓和面積的測(cè)量并且實(shí)現(xiàn)了輸電導(dǎo)線X射線影像的存儲(chǔ)、檢索、顯示，更好的為電力設(shè)備X影像分析提供了技術(shù)支撐[4]。

1 軟件開(kāi)發(fā)理論基礎(chǔ)

該尺寸測(cè)量軟件基于X射線數(shù)字成像透視檢測(cè)系統(tǒng)[5]采集到的原始圖像進(jìn)行智能處理和分析。其具有幾何變換、灰度變換、顏色調(diào)整、目標(biāo)測(cè)量、圖像分割、圖像增強(qiáng)和數(shù)據(jù)庫(kù)等功能。

1.1 X 射線圖像預(yù)處理

X射線檢測(cè)圖像灰度分布不夠均勻、且存在噪聲干擾。為了消除不確定的隨機(jī)噪聲以及實(shí)現(xiàn)灰度分布的均衡化，對(duì)圖像進(jìn)行了消噪和增強(qiáng)預(yù)處理。采用中值濾波與梯度銳化相結(jié)合的方法增強(qiáng)圖像，有效解決了以上問(wèn)題，滿足了電力設(shè)備檢修任務(wù)中的檢測(cè)需要。

（1）中值濾波算法

中值濾波法[6]是一種非線性平滑技術(shù)，它將每一像素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為該點(diǎn)某鄰域窗口內(nèi)的所有像素點(diǎn)灰度值的中值，從而消除孤立的噪聲點(diǎn)。二維中值濾波輸出為：

其中，f(x,y)，g(x,y)分別為原始圖像和處理后圖像。W 為二維模板，通常為 3*3，5*5區(qū)域或是不同的的形狀。

（2）梯度銳化算法

銳化濾波將圖像中低頻分量濾去可使圖像反差增加，邊緣明顯，可用于增強(qiáng)被模糊的細(xì)節(jié)或者低對(duì)比度圖像的目標(biāo)邊緣[7]。文中圖像銳化采用微分法，在圖像處理中，一階微分是通過(guò)梯度法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于一幅圖像用函數(shù) f （ x, y）表示，定義 f （ x, y ）在點(diǎn)（x, y）處的梯度是一個(gè)矢量，定義為：

梯度的方向在函數(shù)f（ x, y）最大變化率的方向上，梯度的幅度 G f （ x, y ）可由下式算出：

由上式可知，梯度的數(shù)值就是 f （ x, y）在其最大變化率方向上的單位距離所增加的量。對(duì)于數(shù)字圖像而言，微分?f?x和?f?y可用差分來(lái)近似。式（3）按差分運(yùn)算近似后的梯度表達(dá)式為：

為便于編程和提高運(yùn)算速度，在計(jì)算精度允許的情況下，可采用絕對(duì)差算法近似為：

這種梯度法又稱為水平垂直差分法，另一種梯度法是交叉地進(jìn)行差分計(jì)算，稱為羅伯特梯度法（Robert Gradient），表示為：

同樣，可以采用絕對(duì)差算法近似為：

運(yùn)用以上兩種梯度近似算法，即可增強(qiáng)圖像邊緣，使模糊的圖像變得更加清晰，目標(biāo)物體的邊緣鮮明，便于提取目標(biāo)的邊緣、對(duì)圖像進(jìn)行分割、目標(biāo)區(qū)域識(shí)別、區(qū)域形狀提取等，為進(jìn)一步的圖像理解與分析奠定基礎(chǔ)。

1.2 圖像特征點(diǎn)位置提取

尺度空間理論是通過(guò)對(duì)原始圖像進(jìn)行尺度變換，獲得圖像多尺度下的尺度空間表示序列，對(duì)這些序列進(jìn)行尺度空間主輪廓的提取，并以該主輪廓作為一種特征向量，實(shí)現(xiàn)邊緣、角點(diǎn)檢測(cè)和不同分辨率上的特征提取等[8-9]。為了對(duì)圖像進(jìn)行多尺度劃分，文中主要是利用高斯核對(duì)原始圖像進(jìn)行尺度變換，獲得圖像多尺度下的尺度空間表示序列，對(duì)這些序列進(jìn)行尺度空間特征提取，二維圖像的尺度空間定義為

式中

是尺度（σ）可變高斯函數(shù)。

在這一步里面，主要是建立高斯金字塔和DOG金字塔，然后在DOG金字塔里面進(jìn)行極值檢測(cè)，以初步確定特征點(diǎn)的位置和所在尺度[10-11]。DOG算子定義為兩個(gè)不同尺度的高斯核的差分，其具有計(jì)算簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，是歸一化LOG算子的近似。

首先將圖像 I(x,y)與不同尺度因子下的高斯核G(x, y, σ)進(jìn)行卷積操作，構(gòu)成高斯金字塔。接著建立DOG金字塔，DOG金字塔通過(guò)高斯金字塔中相鄰尺度空間函數(shù)相減得到。最后在上面建立的DOG尺度空間金字塔中，檢測(cè)OG空間的最大值和最小值從而得到不同尺度空間下的穩(wěn)定特征點(diǎn)

1.3 不變矩理論

矩特征主要表征了圖像區(qū)域的幾何特征，又稱為幾何矩，由于其具有旋轉(zhuǎn)、平移、尺度等特性的不變特征，所以又稱其為不變矩[12]。在圖像處理中，幾何不變矩可以作為一個(gè)重要的特征來(lái)表示物體，可以據(jù)此特征來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行分類等操作。

該軟件采用基于矩不變特征進(jìn)行位置檢測(cè)的方法，通過(guò)計(jì)算待檢復(fù)雜構(gòu)件的輪廓的二階中心矩，計(jì)算出傾斜角度，從而完成對(duì)傾斜構(gòu)件的圖像位置的標(biāo)準(zhǔn)化處理。

1.4 基于SQL數(shù)據(jù)庫(kù)的圖像存儲(chǔ)

本軟件采用了SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)[13-14]，減少了數(shù)據(jù)的冗余度，從而大大地節(jié)省了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的充分共享等。該圖像數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索、顯示等功能。點(diǎn)擊菜單【數(shù)據(jù)庫(kù)管理】，彈出【圖片管理】對(duì)話框，圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中圖像數(shù)據(jù)文件名會(huì)顯示在【文件名】一欄里，點(diǎn)擊所選的文件名，對(duì)應(yīng)的圖像會(huì)顯示在右側(cè)的活動(dòng)窗口中。如下圖4所示。

右鍵單擊【文件名】菜單，可以添加、刪除、查找圖像，單擊添加文件，可以將圖像添加到數(shù)據(jù)庫(kù)中；單擊刪除文件，可以將選中的圖像從數(shù)據(jù)庫(kù)中刪除；單擊查找文件，將圖像名輸入到文本框中進(jìn)行搜索，查找到的圖像將顯示在活動(dòng)窗口右側(cè)，如圖5所示。該X射線數(shù)字影像尺寸測(cè)量軟件，將由基于X射線的電力設(shè)備數(shù)字成像透視檢測(cè)系統(tǒng)采集到的原始圖像輸出進(jìn)行智能處理與分析，其操作界面中菜單欄主要顯示了該軟件的功能，活動(dòng)窗口主要用于顯示圖像處理工程中可觀測(cè)到的處理結(jié)果。如下圖6所示。

圖1 管理功能登錄Fig.1 Management function login

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能Fig.2 Database management function

圖3 軟件操作界面Fig.3 Softw are operation interface

2 軟件尺寸測(cè)量應(yīng)用

由于設(shè)備的移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致采集的圖像發(fā)生旋轉(zhuǎn)(R)、平移(T)、錯(cuò)位(T)等問(wèn)題而影響測(cè)量結(jié)果，項(xiàng)目中通過(guò)特征點(diǎn)提取，在利用矩不變方法特征點(diǎn)位置檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)了X射線影像直線距離和角度、輪廓和面積測(cè)量，為電力設(shè)備檢測(cè)提供了技術(shù)支持。

2.1 直線測(cè)量

測(cè)量導(dǎo)線壓入深度即是測(cè)量A與點(diǎn)B之間的距離，即先獲取由AB兩點(diǎn)的坐標(biāo)（x1, y1），（y1, y2）。然后利用公式計(jì)算出距離d。d是相對(duì)的像素值的距離，實(shí)際距離 *D dk= ，k測(cè)量比常數(shù)。單擊第一個(gè)按鈕進(jìn)行導(dǎo)線壓入深度測(cè)量，在圖像上單擊要測(cè)量距離的起點(diǎn)，記為點(diǎn) A，拖動(dòng)鼠標(biāo)到要測(cè)量距離的終點(diǎn)并單擊鼠標(biāo)，記為B點(diǎn)，即可測(cè)量導(dǎo)線壓入的深度，相應(yīng)的信息顯示在測(cè)量信息對(duì)話框中，如圖7所示。

2.2 角度測(cè)量

該軟件可用來(lái)測(cè)量電力設(shè)備斷裂角度大小以便工作人員對(duì)損壞角度大小進(jìn)行記錄，便于對(duì)比分析。如下圖8所示，為利用軟件檢測(cè)輸電電纜斷裂開(kāi)口角度大小[14]。

圖4 導(dǎo)線壓入的深度手動(dòng)測(cè)量示意圖Fig.4 A schematic diagram of depth manual measurement for wire pressure entry

圖5 電纜斷裂開(kāi)口角度Fig.5 Cable fracture opening angle

實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)電力設(shè)備X射線影像的測(cè)量不僅需要測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的直線距離，還需要對(duì)電力設(shè)備被斷裂、損傷輪廓線的長(zhǎng)度以及磨損破壞面經(jīng)大小進(jìn)行測(cè)量，為此該軟件開(kāi)發(fā)了輪廓和面積測(cè)量模塊[15]。

2.3 輪廓測(cè)量

實(shí)際測(cè)量應(yīng)用中，所需利用鼠標(biāo)描點(diǎn)的方式，可將X射線圖片輪廓線描出。從測(cè)量折（曲）線周長(zhǎng)值。如下圖9所示為盆式絕緣子電弧腐蝕[16]后的腐蝕輪廓長(zhǎng)度測(cè)量。

2.4 面積測(cè)量

盆式絕緣子電弧腐蝕面積的測(cè)量，其測(cè)量出的面積為區(qū)域像素點(diǎn)數(shù)大小，并由圖像總像素值即可得出腐蝕面積所占面積的比例，由此便于判斷腐蝕程度的大小。下圖10為實(shí)際測(cè)量實(shí)例。

圖7 盆式絕緣子電弧腐蝕面積Fig.7 Arc corrosion area of basin insulators

為了驗(yàn)證該測(cè)量軟件是否準(zhǔn)確，本文分別對(duì)以上測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)物測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比發(fā)現(xiàn)該軟件的測(cè)量精度較高，與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)誤差較小，滿足了測(cè)量分析需求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)圖像降噪、增強(qiáng)、特征提取和不變矩等算法開(kāi)發(fā)了X射線數(shù)字影像尺寸測(cè)量軟件，實(shí)現(xiàn)X射線影像直線距離和角度、輪廓和面積測(cè)量，并將軟件應(yīng)用在耐張線夾壓接質(zhì)量檢測(cè)，輸電線纜斷裂開(kāi)口角度、以及盆式絕緣子電弧腐蝕輪廓及面積的測(cè)量，該軟件測(cè)量值與實(shí)際測(cè)量誤差較小，能滿足電力設(shè)備X影像分析需要。

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