郭 威，趙曉鵬

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

絕緣子是電網(wǎng)中支持懸掛電力線的關(guān)鍵部件，起著將導(dǎo)線與桿塔進(jìn)行電氣隔離的作用。在電力輸送的過程中，由于其工作在高強(qiáng)度電磁場中，長時間承受著強(qiáng)機(jī)械應(yīng)力，隨著工作時間的增加，極有可能發(fā)生絕緣強(qiáng)度下降、污閃，以及缺失掉串等多重故障，對電網(wǎng)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。在所有電力事故類型中，絕緣子引發(fā)的事故概率是最高的[2]。因此，有必要及時檢查和維護(hù)絕緣子。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對如何在圖像中確定絕緣子的大致區(qū)域多有研究，但如何對缺陷進(jìn)行具體定位的方法還比較少。安居白首先在低維度的特征空間中錄入絕緣子的紋理特征，隨后借助紋理特征與絕緣子的空間信息構(gòu)造能量函數(shù)，最后依據(jù)該函數(shù)完成對絕緣子的識別[3]。黃宵寧先將待處理圖片的顏色空間轉(zhuǎn)換為色調(diào)-飽和度-亮度空間，隨后提取飽和度分量，再采用遺傳算法以完成對圖像的分割。將分割好的圖像進(jìn)行濾波，最后用區(qū)域連通法對絕緣子串進(jìn)行標(biāo)識[4]。張少城等人使用圖像最大熵進(jìn)行閾值分割，然后通過Hough變換尋找圖像中的直線，將其看成絕緣子串的主軸，最后對其進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理，將圖像中的微小聯(lián)結(jié)和邊緣毛刺清除，以得到最終絕緣子標(biāo)記圖像[5]。李柏林通過角點(diǎn)檢測的方法將測試圖像與相應(yīng)模板進(jìn)行匹配[6]。楊貴等人采用SURF算法對絕緣子進(jìn)行匹配識別，該方法較SIFT算法的維度要低，計(jì)算量也相對較小[7]。

基于對以上方法的分析，本文針對像素值較高且相互間沒有遮擋的絕緣子圖像，提出通過橢圓擬合的方法來定位缺失絕緣子。該方法首先通過Canny算子邊緣檢測求得絕緣子的邊緣圖像，隨后針對邊緣圖像中冗余信息過多、部分邊緣存在斷裂的現(xiàn)象，通過邊緣細(xì)化、細(xì)小邊緣剔除、形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算得到完整的絕緣子邊緣圖像，最后對不同輪廓進(jìn)行逐步橢圓擬合，通過逐步篩選與匹配得到真實(shí)絕緣子所在位置，并根據(jù)其相互位置與平均信息對缺失絕緣子進(jìn)行檢測與定位。

1 圖像中的絕緣子特征與檢測流程

缺失絕緣子的航拍圖片如圖1所示。

在實(shí)際輸電線中，航拍圖像中的絕緣子一般具有以下特征：

(1)圖像中的未被遮擋的單片絕緣子大多數(shù)為橢圓形；

(2)不同絕緣子的面積大致相同，組成每一個絕緣子邊緣的點(diǎn)數(shù)大致相同；

(3)正常絕緣子間距離大致相同，且通常組成為直線串；

(4)當(dāng)正常絕緣子串出現(xiàn)某一絕緣子缺失的情況時，該串會出現(xiàn)明顯缺口，且缺口長度約為平均絕緣子距離的2倍；

(5)一定的電壓等級下，絕緣子的片數(shù)是一定的。

根據(jù)以上絕緣子的圖像特征，提出了通過對絕緣子輪廓進(jìn)行橢圓擬合，進(jìn)而對缺陷進(jìn)行判斷并定位的方法。該方法的具體步驟的流程圖如圖2所示。

圖2 檢測步驟流程圖

2 邊緣圖像的優(yōu)化

在對航拍圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理后，可通過Canny邊緣檢測的4個步驟求得該圖像的邊緣圖像[8]。原圖像及其邊緣圖像如圖3所示。

圖3 航拍圖像及其邊緣圖像

由于邊緣圖像中存在部分無效信息與部分邊緣斷裂的現(xiàn)象，影響后續(xù)的橢圓擬合，因此需對邊緣圖像進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化的具體步驟包括邊緣細(xì)化、剔除細(xì)小邊緣、形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算。

2.1 邊緣細(xì)化

對邊緣圖像進(jìn)行細(xì)化需滿足以下三個條件[9]：(1)不應(yīng)對邊緣圖像進(jìn)行過度腐蝕；(2)保留邊緣的端點(diǎn)；(3)不能使連接的邊緣發(fā)生斷裂現(xiàn)象。根據(jù)以上條件，使用Zhang-Suen細(xì)化算法[10]對邊緣圖像進(jìn)行細(xì)化處理。細(xì)化前后的局部邊緣圖像如圖4所示。

圖4 細(xì)化前后的邊緣圖像

2.2 剔除細(xì)小邊緣

通過Canny算子得到的邊緣圖像中，存在很多像素點(diǎn)數(shù)較少的邊緣。通過設(shè)定閾值可以對這類邊緣進(jìn)行剔除，從而無需在這類邊緣上進(jìn)行橢圓擬合，減小計(jì)算量。剔除細(xì)小邊緣前后的局部邊緣圖像如圖5所示。

圖5 剔除細(xì)小邊緣前后的邊緣圖像

2.3 形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算

在使用Canny算子對圖像邊緣進(jìn)行提取后，由于部分邊緣點(diǎn)的梯度值過小，因此無法將其檢測出來，從而造成圖像邊緣的斷裂。通過對圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)操作，可在圖像中對位置相近的像素進(jìn)行連接，使之形成一個統(tǒng)一的整體[11]。本文使用形態(tài)學(xué)中的閉運(yùn)算來對圖像的斷裂邊緣進(jìn)行連接。閉運(yùn)算即先對圖像進(jìn)行膨脹操作以連接圖像斷裂邊緣，再對圖像進(jìn)行腐蝕操作以將加粗的邊緣線條再次細(xì)化。設(shè)A和B為圖像Z2的子集，則膨脹可用A⊕B表示，腐蝕可用AΘB表示，表達(dá)公式如下。

A⊕B={c∈Z2|c=a+b，a∈A，b∈B}

(1)

AΘB={c∈Z2|c+b∈A，?b∈B}

(2)

閉運(yùn)算前后斷裂部分的局部圖如圖6所示。

圖6 邊緣連接的局部圖像

3 缺失絕緣子的定位與標(biāo)記

根據(jù)絕緣子串邊緣圖像的特點(diǎn)，本文提出通過對絕緣子輪廓進(jìn)行橢圓擬合與篩選匹配的方法來定位缺失絕緣子的位置。由于該方法僅需要獲得完整的絕緣子輪廓，故在背景較為復(fù)雜的航拍圖像中，該方法同樣適用。

3.1 橢圓擬合

本文使用的橢圓擬合方法為最小二乘法[12]。如圖7所示，任一平面內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)橢圓可以用包含5個無關(guān)參數(shù)的橢圓方程來確定，它們分別為水平夾角θ，長短半軸a與b，圓心坐標(biāo)(x0，y0).其對應(yīng)的橢圓方程為：

圖7 橢圓方程示意圖

(3)

將以上平方項(xiàng)展開，會得到一個5元4次方程。由于某一橢圓確定后，其參數(shù)也就固定不變，由此可假設(shè)參數(shù)所確定的表達(dá)式為一個常數(shù)，此時以上方程就成為一個線性方程。圖像中任何橢圓的表達(dá)式均可用下式表示：

x2+Axy+By2+Cx+Dy+E=0

(4)

此方程可看做以上五個未知量A、B、C、D、E的線性方程，則可由最小二乘法來估計(jì)此方程的參數(shù)。假設(shè)橢圓上點(diǎn)的坐標(biāo)為(xi，yi)，i∈{1，2，…，N}，N≥5，則目標(biāo)函數(shù)可寫作：

(5)

5個參數(shù)的解可寫為：

(6)

根據(jù)以上公式，在求得A、B、C、D、E共5個未知量的具體數(shù)值后，可以反推得到橢圓模型的水平夾角θ，長短半軸a與b，圓心坐標(biāo)(x0，y0).

本文以5個點(diǎn)為前進(jìn)步長，依次取出輪廓中的45個點(diǎn)進(jìn)行橢圓擬合，將擬合得到的橢圓在圖中畫出。以其中一條橢圓輪廓為例，該輪廓上所有的擬合橢圓及其局部圖如圖8所示。

圖8 在單輪廓上進(jìn)行橢圓擬合的效果圖及其局部圖

3.2 由絕緣子特征篩選橢圓

(1)根據(jù)擬合誤差篩選。分別將進(jìn)行擬合的45個點(diǎn)代入橢圓方程再求和，得到所有擬合點(diǎn)對于方程的誤差和。通過對其進(jìn)行閾值篩選(本文擬合誤差的閾值為30 000)，將超過此閾值的橢圓刪去。得到橢圓篩選圖如圖9所示。

圖9 通過閾值篩選橢圓的效果圖及其局部圖

(2)根據(jù)長短軸比例篩選。本文設(shè)定的篩選長軸與短軸間的比值為2.若長短軸比例過大，則可證明此橢圓并未使用真實(shí)絕緣子輪廓部分的點(diǎn)進(jìn)行擬合，故而應(yīng)及時刪除，保證后續(xù)的處理效果。所得結(jié)果如圖10所示。

圖10 由長軸與短軸之比篩選后所得效果圖

(3)根據(jù)橢圓面積篩選通過不同橢圓間的圓心距離，將相距較近的橢圓劃分為一類，并且在這一類中計(jì)算每一個橢圓的面積，選出面積最小的橢圓，同時該橢圓也是這一類橢圓中最具有代表性的橢圓。最后得到的效果圖如圖11所示。

圖11 通過面積篩選后的效果圖

3.3 消去真橢圓中的假橢圓

由于拍攝角度及距離等原因，在橢圓擬合時輪廓上真橢圓間也會夾雜部分假橢圓?？赏ㄟ^斜率檢測，逐步消去假橢圓。其消去的流程圖如圖12所示。

圖12 消去假橢圓的流程圖

逐步消去假橢圓后的到的效果圖如圖13所示。

圖13 消去假橢圓的效果圖

3.4 檢測缺失橢圓

通過所有真橢圓的位置信息以及橢圓間的平均距離等，可以檢測出缺失的橢圓位置。與真橢圓相對，該橢圓可稱之為假橢圓。通過一定的計(jì)算，得到缺失絕緣子的位置，繼而可以用白色橢圓表示缺失絕緣子的位置。具體步驟流程圖如圖14所示。

圖14 缺失絕緣子標(biāo)記流程圖

在圖中由真橢圓的相關(guān)信息尋找到假橢圓，并將假橢圓用白色邊緣在圖中畫出，最后的效果圖如圖15所示。

圖15 缺失橢圓的檢測與標(biāo)記的圖像

3.5 多輪廓橢圓匹配

由于單輪廓上擬合的所有橢圓僅是真實(shí)絕緣子的一部分，因此要想確實(shí)定位絕緣子的位置，就要在絕緣子左輪廓與右輪廓正確擬合橢圓的前提下，成功找到同一絕緣子兩側(cè)的橢圓。對不同輪廓間的橢圓進(jìn)行匹配的具體流程如圖16所示。

圖16 不同輪廓間橢圓匹配流程

將相互匹配的橢圓圓心用紅線連接起來后，由于絕緣子圖片過長，因此僅展示匹配好的絕緣子的局部圖像。經(jīng)過匹配后的圖像如圖17所示。由匹配圖像可以看出，不僅對真橢圓成功進(jìn)行配對，對于所擬合的假橢圓也能成功配對(配對假橢圓為上半部分中第三條紅線所相連的一對白色橢圓)。

圖17 不同輪廓間擬合橢圓的圖像

3.6 匹配圓合成大橢圓

在確定每個絕緣子的左右兩個擬合橢圓后，可以通過這兩個匹配橢圓的輪廓信息，組合成一個大橢圓，合成的大橢圓如圖18所示。圖中紅色部分為配對真橢圓合成的大橢圓，綠色部分為配對假橢圓合成的大橢圓。

圖18 不同輪廓間擬合成大橢圓的圖像

3.7 真實(shí)絕緣子的定位

將上述程序?qū)ふ业降恼鎸?shí)與缺失絕緣子分別進(jìn)行標(biāo)注，最后的標(biāo)注結(jié)果如圖19所示。

圖19 在航拍圖中確定缺陷絕緣子的位置

由上圖可以看出，通過輪廓對橢圓進(jìn)行擬合的方法，可以對圖像的真實(shí)絕緣子與缺失絕緣子進(jìn)行準(zhǔn)確定位。使用不同圖片進(jìn)行檢測后結(jié)果如圖20所示。根據(jù)以下測試結(jié)果可以看出，本文提出的缺失絕緣子檢測與定位方法可以有效對圖中缺失部分進(jìn)行定位并進(jìn)行標(biāo)記，有助于提高線路巡檢效率。

圖20 不同航拍圖中確定缺陷絕緣子的位置

4 結(jié)論

本文針對絕緣子串缺失部分難以定位的問題，提出了使用橢圓擬合的方法進(jìn)行缺失位置的定位和標(biāo)記。該方法在通過Canny算子求得圖像邊緣后，分別使用邊緣細(xì)化與剔除細(xì)小邊緣以消除圖中冗余信息，通過形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算連接部分?jǐn)嗔堰吘?，繼而求得完整絕緣子輪廓。隨后在絕緣子輪廓上進(jìn)行橢圓擬合，并進(jìn)行橢圓逐步篩選與輪廓間的匹配，最終定位缺失位置并進(jìn)行標(biāo)記。對該方法進(jìn)行測試后，結(jié)果表明，該方法可正確定位缺失絕緣子的位置。